一种氢燃料电池系统密封性能计算方法

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是涉及一种氢燃料电池系统密封性能计算方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池，是一种电化学反应装置。在交通运输领域较为常见的是氢质子交换膜燃料电池，可以将氢气和氧气中存储的化学能转换为电能并生成水，氢气往往来自氢气存储装置(比如高压氢气瓶)，而氧气可来自空气或者存储有氧气的气瓶。

氢质子交换膜燃料电池因其效率高、无污染、运行温度低、低噪声等优点而被广泛应用于交通运输领域，尤其是公交车、物流车、重型卡车等。氢燃料电池系统，是由燃料电池电堆、燃料电池包、空气供给系统、氢气供给循环系统、冷却液供给系统、电气系统和控制系统组成的总成系统，其中，燃料电池包为容纳燃料电池电堆、实现燃料电池堆固定的壳体，并为空气供给系统、氢气循环供给系统和冷却液供给系统实现支撑固定；空气供给系统为质子交换膜燃料电池堆源源不断提供新鲜氧气、排出废弃低浓度氧气和电化学反应生成水的一套装置，并满足质子交换膜燃料电池堆入口空气压力和入口空气流量的要求；氢气供给循环系统为质子交换膜燃料电池堆源源不断提供新鲜氢气、排出废弃低浓度氮气和电化学反应生成水的一套装置，并满足质子交换膜燃料电池堆入口氢气压力和入口氢气流量的要求；冷却液供给系统为质子交换膜燃料电池堆提供冷却的一套装置，利用冷却液与燃料电池电堆进行热交换，以满足质子交换膜燃料电池堆冷却液入口温度和冷却液出口温度的要求。

燃料电池电堆是将多片质子交换膜燃料电池单片串联在一起，配合燃料电池电堆的两侧端板形成压紧固定；电气系统，是按照氢燃料电池系统电输出要求，执行燃料电池电堆输出电流恒定模式(即保持燃料电池电堆输出电流恒定，无论燃料电池电堆输出电压如何变化)、或者执行燃料电池电堆输出电压恒定模式(即保持燃料电池电堆输出电压恒定，无论燃料电池电堆输出电流如何变化)、或者执行燃料电池电堆输出功率恒定模式(即保持燃料电池电堆输出功率恒定，无论燃料电池电堆输出电流或输出电压如何变化变化)；控制系统，是按照氢燃料电池系统功能要求和燃料电池电堆工况条件要求，执行传感器信号采集和执行器控制的系统。

现阶段氢燃料电池系统和燃料电池电堆技术尚未成熟，氢燃料电池系统可靠性和燃料电池电堆耐久性是至为关键的技术瓶颈。车载氢燃料电池系统的燃料电池电堆耐久性受到氢燃料电池系统输出功率、开关机次数等多方面因素影响，燃料电池电堆耐久性有多方面的评判指标，比如燃料电池电堆输出电压随时间变化、燃料电池电堆密封性能随时间变化等。

现有技术方案是在氢燃料电池系统开机过程中，设定燃料电池电堆氢气容腔的目标压力值，在燃料电池电堆氢气容腔压力达到目标压力值后，关闭氢气喷射阀、尾排阀、保持空气系统进气节气门和排气节气门关闭状态，然后计算单位时间氢气容腔的压力下降幅度，以此作为燃料电池电堆密封性能的计算值，但在每次氢燃料电池系统开机过程中，燃料电池电堆氢气容腔和燃料电池电堆空气容腔的气体组分和气体温度都是不一致的，并且燃料电池电堆膜电极湿润状态也是不一致的，因而每次氢燃料电池系统开机过程中的燃料电池电堆密封性能计算值是受到多种不确定因素影响而存在显著误差的、不具有参考意义。

因此，有必要提出一种氢燃料电池系统密封性能计算方法，以提高燃料电池电堆耐久性的评估精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氢燃料电池系统密封性能计算方法，通过使燃料电池电堆温度处于目标温度范围内，且燃料电池电堆膜电极湿润状态处于目标湿润状态范围内后再进行计算，提高燃料电池电堆密封性能的计算精度和燃料电池电堆耐久性的评估精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种氢燃料电池系统密封性能计算方法，包括以下步骤：

S1：使氢燃料电池系统完成停机吹扫过程；

S2：使燃料电池电堆温度处于目标温度范围内，且燃料电池电堆膜电极湿润状态处于目标湿润状态范围内；更进一步地，所述目标温度范围和目标湿润状态范围均根据氢燃料电池系统技术水平进行设定；

S3：基于S2中的状态条件，通过控制系统使燃料电池电堆氢气容腔的氢气供给歧管入口的氢气压力值达到目标氢气压力值；

S4：基于S3中的状态条件，关闭氢气喷射阀组并记录当前t

S5：经过t时间后，记录t

S6：计算S4中t

进一步地，S6中，所述t

进一步地，所述t

所述t

其中，VSKH为氢气循环总腔体容积，VSKA为空气总腔体容积，R为通用气体常量。

进一步地，所述t

进一步地，所述t

所述t

其中，VSKH为氢气循环总腔体容积，VSKA为空气总腔体容积，R为通用气体常量。

进一步地，所述t

进一步地，所述燃料电池电堆气体消耗总量为(NGAS

INDEX＝{[NGASH

S

进一步地，S3中，具体为：通过控制系统关闭进气节气门、排气节气门和尾排阀，并调整氢气喷射阀组，设定循环泵目标转速和目标氢气压力值。

进一步地，S4中，所述t

所述t

进一步地，S5中，所述t

所述t

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过使燃料电池电堆温度处于目标温度范围内，且燃料电池电堆膜电极湿润状态处于目标湿润状态范围内后再进行计算，能够提高燃料电池电堆密封性能的计算精度，并提高燃料电池电堆耐久性的评估精度。

附图说明

图1为一种氢燃料电池系统原理图；

图2为一种氢燃料电池系统密封性能计算方法的流程图。

图1中标记说明：

1-氢气喷射阀组，2-氢气压力传感器，3-氢气循环泵，4-氢燃料电池控制系统，5-分水模块，6-尾排阀，7-燃料电池电堆氢气容腔，8-燃料电池电堆空气容腔，9-燃料电池电堆温度传感器，10-空气压力传感器，11-进气节气门，12-空压机，13-排气节气门，14-氢燃料电池电气系统，15-氢燃料电池冷却液系统。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的具体实施方式作详细说明，这些实施例在以本发明所述方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步阐述。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本实施例基于一种典型的氢燃料电池系统原理，如图1所示，具体原理内容如下：

氢燃料电池系统由氢气供给循环系统、空气供给系统、控制系统、冷却液系统、电气系统、燃料电池电堆组成，还包括氢燃料电池控制系统4、氢燃料电池电气系统14和氢燃料电池冷却液系统15。

氢气供给循环系统是由氢气喷射阀组1、氢气压力传感器2、氢气循环泵3、分水模块5、尾排阀6、燃料电池电堆氢气容腔7组成。来自高压气源的氢气经由氢气喷射阀组1进入燃料电池电堆的氢气循环总腔体，氢气循环泵3出口气体与流经氢气喷射阀组1的氢气混合后进入燃料电池电堆氢气容腔7的氢气供给歧管入口，经燃料电池电堆氢气容腔7的氢气供给歧管入口进入燃料电池电堆氢气容腔7的气体在燃料电池电堆氢气容腔7内发生氢气消耗、氮气渗透、携带液态水和水蒸气的过程而成为反应后氢气，反应后氢气经由燃料电池电堆氢气容腔7的氢气排出歧管出口离开燃料电池电堆氢气容腔7的氢气排出歧管、并进入分水模块5入口，在分水模块5内反应后氢气中的部分液态水与反应后氢气发生分离、被分离出来的液态水积聚在分水模块5内、被分水后的反应后氢气从分水模块5出口离开分水模块5而进入氢气循环泵3入口，氢气循环泵3将进入氢气循环泵3入口的被分水后的反应后氢气再次提升压力后、再与流经氢气喷射阀组1的氢气混合后进入燃料电池电堆氢气容腔7的氢气供给歧管入口，如此形成燃料电池电堆氢气容腔7的气体循环过程。尾排阀6开启导通可实现氢气循环总腔体内气体和分水模块5内液态水排出，尾排阀6关闭则不允许氢气循环总腔体内气体和分水模块5内液态水排出。

氢气循环总腔体是由氢喷喷射阀组出口、燃料电池电堆氢气容腔7及其供给排出歧管、分水模块5、尾排阀6入口、氢气循环泵3内部腔体和连接上述接口的管路所形成的总管腔结构。

空气供给系统是由空压机12、进气节气门11、空气压力传感器10、燃料电池电堆空气容腔8、排气节气门13组成。环境空气经由空压机12升温升压后，流经进气节气门11进入燃料电池电堆空气容腔8的空气供给歧管入口，经燃料电池电堆空气容腔8的空气供给歧管入口进入燃料电池电堆空气容腔8的气体在燃料电池电堆空气容腔8内发生氧气消耗、氮气渗透、携带液态水和水蒸气的过程而成为反应后空气，反应后空气经由燃料电池电堆空气容腔8的空气排出歧管出口离开燃料电池电堆空气容腔8的空气排出歧管，随后进入排气节气门13入口、并经由排气节气门13被排放到环境中。

空气总腔体是由进气节气门11出口、燃料电池电堆空气容腔8及其供给排出歧管、排气节气门13入口和连接上述接口的管路所形成的总管腔结构。

在燃料电池电堆氢气容腔7的氢气供给歧管入口设置氢气压力传感器2，用于测量燃料电池电堆氢气容腔7的氢气供给歧管入口的氢气压力。

在燃料电池电堆空气容腔8的空气供给歧管入口设置空气压力传感器10，用于测量燃料电池电堆空气容腔8的空气供给歧管入口的空气压力。在燃料电池电堆设置燃料电池电堆温度传感器9，用于测量燃料电池电堆温度。

控制系统用于控制氢气喷射阀组1动作与否、控制氢气循环泵3转动与否、控制尾排阀6开关与否、控制进气节气门11开度、控制排气节气门13开度、控制空压机12转动与否，控制系统用于采集氢气压力传感器2反馈的氢气压力、采集空气压力传感器10反馈的空气压力、采集燃料电池电堆温度传感器9反馈的燃料电池电堆温度。控制系统集成软件用于实现执行器协调控制，以达到燃料电池电堆预期的工作条件，比如燃料电池电堆空气容腔8的空气供给歧管入口的空气压力、燃料电池电堆氢气容腔7的氢气供给歧管入口的氢气压力。

本实施例基于以上典型的氢燃料电池系统的原理，提出了一种氢燃料电池系统密封性能计算方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1：判断氢燃料电池系统是否完成停机吹扫过程；如果是则进入S2，如果否则继续执行判断过程。现阶段氢燃料电池系统停机吹扫是氢燃料电池系统停机必须经历的过程。

S2：判断燃料电池电堆温度是否处于目标温度范围内且燃料电池电堆膜电极湿润状态是否处于目标湿润状态范围内，如果是则进入S3，如果否则结束氢燃料电池系统燃料电池电堆密封性能计算步骤。膜电极湿润程度可通过现有的燃料电池电堆高频阻抗或者燃料电池电堆单片高频阻抗和燃料电池电堆温度来进行判断，已经是氢燃料电池领域较为成熟的量化技术手段。目标温度范围和目标湿润状态范围是要将氢燃料电池系统控制误差和测量误差考虑在内的。现阶段氢燃料电池系统每次执行停机吹扫过程的燃料电池电堆温度都是比较稳定的且基本相同的，而燃料电池电堆膜电极湿润状态是必须要增加的判断依据。其中，目标温度范围和目标湿润状态根据氢燃料电池系统技术水平而设定。

S3：控制系统关闭进气节气门、关闭排气节气门、关闭尾排阀、设定循环泵目标转速，控制系统设定燃料电池电堆氢气容腔的氢气供给歧管入口的目标氢气压力并控制氢气喷射阀组动作以使得燃料电池电堆氢气容腔的氢气供给歧管入口的氢气压力到达目标氢气压力值，并判断燃料电池电堆氢气容腔的氢气供给歧管入口的氢气压力是否到达目标氢气压力值，如果是则进入S4，如果否则继续执行判断过程。

S4：当燃料电池电堆氢气容腔的氢气供给歧管入口的氢气压力到达目标氢气压力值时，立即关闭氢气喷射阀组，记录当前t

S5：经过t时间后，记录当前t

S6：计算S4中t

计算t

计算燃料电池电堆气体消耗总量和燃料电池电堆密封性能指标。燃料电池电堆气体消耗总量为(NGAS

INDEX＝{[NGASH

(NGAS

其中，燃料电池电堆空气容腔氧气与燃料电池电堆氢气容腔不断发生因氢氧窜漏而导致的反应消耗过程，燃料电池电堆空气容腔氮气不断发生向燃料电池电堆氢气容腔的渗透过程，甚至当燃料电池电堆空气容腔氧气被消耗殆尽时不断发生燃料电池电堆氢气容腔氢气向燃料电池电堆空气容腔的渗透过程。随着，燃料电池电堆密封性能降低，INDEX数值越小。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。