燃料电池的排杂方法、排杂装置及排杂系统
技术领域
[0001] 本
发明属于
燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的排杂方法、排杂装置及排杂系统。
背景技术
[0002]
质子交换膜燃料电池在反应过程中，会有部分空气中的杂质(主要为氮气)通过质子交换膜渗透到氢气路。而氢气路中的杂质存储过多会严重影响燃料电池的反应速率，从而影响效率。同时，过多的杂质会降低燃料电池的寿命。因此需要设计策略，排出氢气路中的杂质。
发明内容
[0003] 本发明的目的是至少解决现有的氢气路中的杂质存储过多会严重影响燃料电池的反应速率和降低燃料电池的寿命的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
[0004] 本发明的第一方面提出了一种燃料电池的排杂方法，其中，所述方法包括如下步骤：
[0006] 根据空气路前后温度值和压力值计算获得氢气路的当前杂质含量；
[0007] 根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢
阀开启。
[0008] 根据本发明的燃料电池的排杂方法中，根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启，通过空气路的前后温度压力值计算获得当前杂质含量，无需仪器检测，节省成本，增强环境适应性；通过对排氢阀的控制实现定期排出氢气路中的杂质保证电池效率及寿命。
[0009] 另外，根据本发明的燃料电池的排杂方法，还可具有如下附加的技术特征：
[0010] 在本发明的一些
实施例中，所述根据空气路前后温度值和压力值获得氢气路的当前杂质含量包括：
[0011] 根据空气路前后温度值和压力值获得空气路进入电堆和电堆出口的空气流量；
[0012] 根据空气路进入电堆和电堆出口的空气流量获得氢气路的当前杂质含量。
[0013] 在本发明的一些实施例中，所述氢气路的当前杂质含量为：
[0014] 经过电堆后减少的空气量减去消耗的
氧气量再加上反应时在
阴极生成的
水的量。
[0015] 在本发明的一些实施例中，所述氧气量通过燃料电池的数量、燃料电池的
电流密度和燃料电池的有效面积获得。
[0016] 在本发明的一些实施例中，所述反应时在阴极生成的水的量通过燃料电池的数量和燃料电池的有效面积获得。
[0017] 在本发明的一些实施例中，所述根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启包括：
[0018] 根据氢气路的当前杂质含量大于第一预设杂质含量，控制排氢阀开启第一预设时间值；
[0019] 根据氢气路的当前杂质含量大于第二预设杂质含量，控制排氢阀开启第二预设时间值。
[0020] 在本发明的一些实施例中，所述获取空气路的前后温度值和压力值前还包括：
[0021] 燃料电池在紧急停机时，控制排氢阀开启达到第三预设时间后关闭。
[0022] 本发明的另一方面还提出了一种燃料电池的排杂装置，其中，所述燃料电池的排杂装置用于执行上述所述的燃料电池的排杂方法，该排杂装置包括：获取单元、计算单元和排氢阀控制单元，其中：
[0023] 所述获取单元，用于获取空气路的前后温度值和压力值；
[0024] 所述计算单元，用于根据空气路前后温度值和压力值计算获得氢气路的当前杂质含量；
[0025] 所述排氢阀控制单元，用于根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启。
[0026] 本发明的另一方面还提出了一种燃料电池的排杂系统，所述排杂系统包括
存储器和上述所述的燃料电池的排杂装置，存储器内存储有上述所述的燃料电池的排杂方法的指令；
[0027] 还包括空气路，所述空气路的进口处和出口处分别设置有温度
传感器和
压力传感器。
[0028] 在本发明的一些实施例中，所述燃料电池的排杂系统还包括氢气路，所述氢气路上设置有气水分离器和止回阀，所述气水分离器与所述止回阀之间设置有排氢阀。
附图说明
[0029] 通过阅读下文优选实施例的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0030] 在附图中：
[0031] 图1示意性地示出了根据本发明实施例的燃料电池的排杂方法的
流程图；
[0032] 图2示意性地示出了根据本发明实施例的燃料电池的排杂方法的的逻辑控制方
框图；
[0033] 图3示意性地示出了根据本发明实施例的燃料电池的排杂装置结构框图。
[0034] 1：获取单元；2：计算单元；3：排氢阀控制单元。具体实施例
[0035] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0036] 应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0037] 尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施例的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0038] 为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
[0039] 如图1和图2所示，本实施例中的燃料电池的排杂方法，其中，方法包括如下步骤：
[0040] S1、获取空气路的前后温度值和压力值；
[0041] S2、根据空气路前后温度值和压力值计算获得氢气路的当前杂质含量；
[0042] S3、根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启。
[0043] 通过空气路的前后温度压力值计算在杂质含量影响电堆效率前获得当前杂质含量，无需仪器检测，节省成本，增强环境适应性；通过对排氢阀的控制实现定期排出氢气路中的杂质保证电池效率及寿命。
[0044] 在本发明的一些实施例中，根据空气路前后温度值和压力值获得氢气路的当前杂质含量包括：
[0045] 根据空气路前后温度值和压力值获得空气路进入电堆和电堆出口的空气流量；
[0046] 根据空气路进入电堆和电堆出口的空气流量获得氢气路的当前杂质含量。
[0047] 采用文丘里管时，公式为： 其中Qm为
质量流量，单位时间内通过文丘里管的废气质量，单位kg/s；C为流出系数，表示通过装置的实际流量与理论流量之间关系的系数；β为直径比，文丘里管喉口直径与入口直径之比；ε为膨胀系数，考虑到废气可压缩性所使用的系数，文丘里管膨胀系数用以下公式确定：
[0048]
[0049] D为文丘里管喉口直径，单位m；Δp为文丘里管入口与喉口测得的静压差，该
信号由HCM压差传感器测量提供，单位Pa；ρ为流经文丘里管入口处的废气的密度，通过以下公式确定，单位kg/m3：
[0050]
[0051] P1为文丘里管入口处测得的绝对静压，该信号由EBP排气压力传感器测量提供，单位Pa；R为废气常量，废气常量随
发动机工况变化而变化，计算中按287J/(Kg·K)；T为入口温度，文丘里管入口处测得的开尔文温度，该信号由EGR温度传感器测量，单位为℃，测得信号需要在ECU中偏移273K，偏移后单位K；к为等熵指数，与气体性质相关(依据发动机经验数值)；τ为压力比，文丘里管喉口处绝对静压与入口处绝对静压之比；直径比应在[0.4,0.7]之间为合适；流速应该在合理范围内，即不能超过声速，防止出现阻塞现象，流速由以下公式确定：
[0052]
[0053] 其中A标示流通面积，单位m2。当采用普通管路时，则需要采用查表的方式获得流量。
[0054] 在本发明的一些实施例中，氢气路的当前杂质含量为：
[0055] 经过电堆后减少的空气量减去消耗的氧气量再加上反应时在阴极生成的水的量。
[0056] 在本发明的一些实施例中，氧气量通过燃料电池的数量、燃料电池的电流密度和燃料电池的有效面积获得。
[0057] 当燃料电池工作在正常模式下时，电堆单位时间内消耗的氧气可根据电堆输出电流通过公式计算获得：
[0058] N为燃料电池的数量，Ifc为燃料电池的电流密度，Afc为燃料电池的有效面积，F为法拉第常数96485C/mol。
[0059] 质子交换膜燃料电池在反应过程中会在阴极产生水，因此计算时需要考虑这部分水的含量：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 为燃料电池内气体的压力分数。
[0064] 通过空气路入口处的质量流量计可以测得进入空气路的总的空气流量，根据电堆入口的温压传感器测得的电堆入口的空气的温度、压力根据理想气体
状态方程即可计算出电堆入口处的空气流速：
[0065] P×dV＝dm×RT
[0066]
[0067] 空气通过电堆的流速损失与电堆内部结构有关，可通过标定确定一定的比率：
[0068] vout-vin×C
[0069] 根据电堆出口处的温压传感器测得的电堆出口空气的温度和压力以及计算得到的出口空气流速，根据上述的理想气体状态方程即可计算得到电堆出口处的空气质量流量；电堆入口的质量流量减去电堆出口的质量流量即可得到单位时间内经过电堆后减少的空气量。
[0070] 最后，通过单位时间内经过电堆后减少的空气量M减去消耗的氧气量O2used再加上反应时在阴极生成的水H2Oout的量即可得到单位时间内渗透到氢气路的杂质含量Mi。
[0071] Mi＝M-O2used+H2Oout
[0072] 对单位时间内渗透到氢气路的杂质含量Mi进行积分即可得到燃料电池运行过程中当前氢气路中的杂质含量；同时在每次排杂质结束后对这一积分值进行清零后从新积分，即可得到运行时的杂质变化情况。
[0073] 在本发明的一些实施例中，反应时在阴极生成的水的量通过燃料电池的数量和燃料电池的有效面积获得。
[0074] 在本发明的一些实施例中，根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启包括：
[0075] 根据氢气路的当前杂质含量大于第一预设杂质含量，控制排氢阀开启第一预设时间值；
[0076] 根据氢气路的当前杂质含量大于第二预设杂质含量，控制排氢阀开启第二预设时间值。
[0077] 当氢气路中有一定杂质时，则开启排氢阀一段时间T1(根据停机前计算的氢气路杂质含量查表获得)后关闭，而后正常停机。当氢气路杂质含量超过一定限值时，打开排氢阀一段时间T0(根据燃料电池目标功率及输出功率查MAP获得)后关闭，杂质积分清零。
[0078] 在本发明的一些实施例中，获取空气路的前后温度值和压力值前还包括：
[0079] 燃料电池在紧急停机时，控制排氢阀开启达到第三预设时间后关闭。
[0080] 当紧急停机时，需要尽快扫除氢气路杂质，无需考虑氢气损失及影响控制的问题，所以紧急停机时直接打开排氢阀一段时间(可根据不同燃料电池标定)，而后排氢阀关闭，DCDC断开，停机。
[0081] 如图3所示，本发明的另一方面还提出了一种燃料电池的排杂装置，其中，燃料电池的排杂装置用于执行上述的燃料电池的排杂方法，该排杂装置包括：获取单元1、计算单元2和排氢阀控制单元3，其中：
[0082] 获取单元1，用于获取空气路的前后温度值和压力值；
[0083] 计算单元2，用于根据空气路前后温度值和压力值计算获得氢气路的当前杂质含量；
[0084] 排氢阀控制单元3，用于根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启。
[0085] 本发明的另一方面还提出了一种燃料电池的排杂系统，排杂系统包括存储器和上述的燃料电池的排杂装置，存储器内存储有上述的燃料电池的排杂方法的指令；
[0086] 还包括空气路，空气路的进口处和出口处分别设置有温度传感器和压力传感器。
[0087] 在本发明的一些实施例中，燃料电池的排杂系统还包括氢气路，氢气路上设置有气水分离器和止回阀，气水分离器与止回阀之间设置有排氢阀。
[0088] 本发明的燃料电池的排杂方法中，通过空气路的前后温度压力值计算出空气路进入电堆和电堆出口的空气流量，从而得到空气经过电堆后的减少的质量；同时通过电堆发出的功率计算得到反应掉的氧气量；空气总的减少量减去反应掉的氧气量得到渗透的杂质量方式。
[0089] 综上，本发明的燃料电池的排杂方法中，根据氢气路的当前杂质含量大于预设杂质含量，控制排氢阀开启，通过空气路的前后温度压力值计算获得当前杂质含量，无需仪器检测，节省成本，增强环境适应性；通过对排氢阀的控制实现定期排出氢气路中的杂质保证电池效率及寿命。
[0090] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以
权利要求的保护范围为准。
