组分浓度估计装置、阳极组分的估计方法和燃料电池系统制造方法及图纸

本申请提供一种组分浓度估计装置，以及利用该组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法和燃料电池系统。所述组分浓度估计装置包括：截断阀，与待检测气体装置的排出口通过管路连通；组分容腔，与截断阀的出口连通，其腔体内设置压力传感器和温度传感器；排气阀，其接口与组分容腔的出口连通；第一控制器，与压力传感器和温度传感器通讯连接，用于根据浓度估计原理计算出待检测气体装置中各组分的浓度。本申请中的组分浓度估计装置位于燃料电池系统之外，不受高湿度环境的影响，且通过建立组分

【技术实现步骤摘要】
组分浓度估计装置、阳极组分的估计方法和燃料电池系统


[0001]本申请涉及车辆能源
，具体而言，涉及一种组分浓度估计装置，以及利用该组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法和燃料电池系统。

技术介绍

[0002]燃料电池系统(又称燃料电池发动机)是一种不经过燃料燃烧，直接通过燃料电池发生电化学反应将燃料和氧化物中的化学能转换成电能来驱动电机的新能源动力装置。车用燃料电池系统通常包含燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却液系统。其中，燃料电池阳极氢气浓度的优化控制是影响燃料电池发动机效率和耐久性的关键性能参数之一。
[0003]在燃料电池系统的阳极路安装氢气浓度传感器是燃料电池系统阳极氢气浓度管理的惯常思路，但目前氢气浓度传感器芯片尚未克服高湿度及水分的侵袭影响、技术成熟度不够，因此在工程化使用过程中，氢气浓度传感器使用极其受限，不能得到大规模量产应用。为在燃料电池运行期间维持氢气浓度在一定水平，广泛采用的方法是等效Q值(EQV)方法。当等效Q值高于目标水平，阳极执行吹扫操作以增加氢气浓度。但等效Q值法是维持氢气浓度在一定区间的间接方法，受环境条件和行驶工况的影响较大。为应对这些不确定性，需要做大量工作来修正等效Q值法中的加权因子，这就导致计算复杂，但也依然不能很好地解决行驶工况下效率及耐久性的提升。
[0004]因此，如何设计出一种不受限于高湿度的环境影响，并能够对燃料电池系统阳极处的组分浓度进行直接估计的估算方法或估计装置，成为业内研究的热点。

技术实现思路

[0005]本申请实施例的目的在于提供一种组分浓度估计装置及利用组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法，其不受限于高湿度的环境影响，具有结构简单、组分辨识度高的优点。
[0006]本申请实施例的另一目的还在于提供一种使用上述组分浓度估计装置和估计方法的燃料电池系统。
[0007]第一方面，提供了一种组分浓度估计装置，包括：
[0008]截断阀，与待检测气体装置的排出口通过管路连通；
[0009]组分容腔，与所述截断阀的出口连通，其腔体内设置压力传感器和温度传感器；
[0010]排气阀，其接口与所述组分容腔的出口连通；
[0011]第一控制器，与所述压力传感器和温度传感器通讯连接，用于根据浓度估计原理计算出所述待检测气体装置中各组分的浓度。
[0012]在一种可实施的方案中，所述截断阀的流量系数大于排气阀的流量系数。
[0013]在一种可实施的方案中，连接所述截断阀、所述组分容腔和所述排气阀的管路具有与所述截断阀相同流量系数的直径。
[0014]根据本申请的另一方面，还提供了一种利用上述的组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法，包括：
[0015]利用所述组分浓度估计装置绘制特征参数
‑
组分MAP图；其中，所述组分浓度估计装置的温度环境与燃料电池系统的阳极子系统的温度环境相同；
[0016]将所述组分浓度估计装置接入所述待检测燃料电池系统的阳极子系统，使所述阳极子系统的气体进入所述组分容腔；
[0017]在所述阳极子系统的气体充满所述组分容腔后，关闭所述排气阀；在所述组分容腔内的环境参数与所述阳极子系统的环境参数相同后，关闭所述截断阀；
[0018]打开所述排气阀，维持Xs后关闭,采集打开所述排气阀前后所述组分容腔的环境参数值；
[0019]根据所述组分容腔的特征参数变化，对照所述特征参数
‑
组分Map图进行插值识别，得到所述组分容腔内各组分的浓度，根据等同原理得到所述阳极子系统内各组分的浓度。
[0020]在一种可实施的方案中，所述环境参数包括温度和压力，所述特征参数包括压差、温差、压力、温度、或温度随时间积分、压力随时间积分、温度随时间微分、压力随时间微分等参数其中一种。
[0021]在一种可实施的方案中，建立所述组分浓度估计装置的特征参数
‑
组分MAP图包括：
[0022]向所述组分容腔通入饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；所述水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数已预先设定；
[0023]对于不同体积分数和不同初始温度的饱和湿气，获取不同初始压力条件下所述组分容腔排气前后的特征参数，绘制成所述特征参数
‑
组分MAP图。
[0024]在一种可实施的方案中，所述组分浓度估计装置中组分容腔的体积V0和排气阀流量系数Cv的选取方法包括：
[0025]通过仿真设定不同体积分数的饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；
[0026]设置相同的初始温度和压力，获取不同排气阀流量系数值对应的排气前后所述组分容腔的压力差，绘制Cv
‑△
P图；
[0027]设置相同的初始温度和压力，获取不同组分容腔体积对应的排气前后容腔压力差，绘制V0‑△
P图；
[0028]在Cv
‑△
P图和V0‑△
P图中分别选取压差值变化率较大位置处的数值作为Cv值和V0值。
[0029]在一种可实施的方案中，在建立所述组分浓度估计装置的特征参数
‑
组分MAP图、且所述组分容腔与所述阳极子系统接入后，所述组分容腔内水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数的计算方法为：
[0030]其中，在所述组分容腔中，氮气和氢气构成干气，所述水蒸汽、氮气和氢气构成混合湿气；
[0031]通过所述组分容腔的初始温度和压力值，及公式X_H2O＝Psat(T)/P0*100％获得水蒸汽H2O的体积分数；其中，P0为所述组分浓度估计装置的接入管路处于阳极子系统的位
置处的压力；
[0032]打开所述排气阀维持Xs秒后关闭，采集所述排气阀关闭前后的温度和压力值，计算出压力差值并通过在所述特征参数
‑
组分Map图进行插值识别得到所述组分容腔内干气中氮气N2的体积分数X_N2_dry；干气中氢气的体积分数根据公式X_H2_dry＝1
‑
X_N2_dry计算得出；
[0033]所述组分容腔内混合湿气中，氮气N2的体积分数为X_N2＝(1
‑
X_H2O)*X_N2_dry，氢气的H2的体积分数为X_H2＝(1
‑
X_H2O)*X_H2_dry。
[0034]根据本申请的再一方面，还提供了一种燃料电池系统，包括阳极子系统、第二控制器和如上所述的组分浓度估计装置；
[0035]所述组分浓度估计装置通过所述截断阀与所述阳极子系统的排出口通过管路连通；
[0036]所述第二控制器用于设定所述阳极子系统的组分边界，并根据上述估计方法估算出的阳极子系统组分浓度，确定监测组分的实时浓度是否处于边界范围。
[0037]在一种可实施的方案中，所述监测组分为氢气。
[0038]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组分浓度估计装置，其特征在于，包括：截断阀，与待检测气体装置的排出口通过管路连通；组分容腔，与所述截断阀的出口连通，其腔体内设置压力传感器和温度传感器；排气阀，其接口与所述组分容腔的出口连通；第一控制器，与所述压力传感器和温度传感器通讯连接，用于根据浓度估计原理计算出所述待检测气体装置中各组分的浓度。2.根据权利要求1所述的估计装置，其特征在于，所述截断阀的流量系数大于排气阀流量系数。3.根据权利要求1所述的估计装置，其特征在于，连接所述截断阀、所述组分容腔和所述排气阀的管路的流量系数与所述截断阀的流量系数相同。4.一种利用如权利要求1至3中任一项所述的组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法，其特征在于，包括：利用所述组分浓度估计装置绘制特征参数
‑
组分MAP图；其中，所述组分浓度估计装置的温度环境与燃料电池系统的阳极子系统的温度环境相同；将所述组分浓度估计装置接入所述待检测燃料电池系统的阳极子系统，使所述阳极子系统的气体进入所述组分容腔；在所述阳极子系统的气体至少充满所述组分容腔后，关闭所述排气阀；在所述组分容腔内的环境参数与所述阳极子系统的环境参数相同后，关闭所述截断阀；打开所述排气阀，维持Xs后关闭,采集所述排气阀打开前后组分容腔的环境参数值；根据所述组分容腔的特征参数变化，对照所述特征参数
‑
组分Map图进行插值识别，得到所述组分容腔内各组分的浓度，根据等同原理得到所述阳极子系统内各组分的浓度。5.根据权利要求4所述的估计方法，其特征在于，所述环境参数包括温度和压力，所述特征参数包括压差、温差、压力、温度、或温度随时间积分、压力随时间积分、温度随时间微分、压力随时间微分等参数的其中一种。6.根据权利要求5所述的估计方法，其特征在于，建立所述组分浓度估计装置的特征参数
‑
组分MAP图包括：向所述组分容腔通入饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；所述水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数已预先设定；对于不同体积分数和不同初始温度的饱和湿气，获取不同初始压力条件下所述组分容腔排气前后的特征参数，绘制成所述特征参数
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组分MAP图。7.根据权利要求4所述的估计方法，其特征在于，所述组分浓度估计装置中组分容腔的体积V0和排气阀流量系数Cv的选取方法包括：通过仿真设定不同体积分数的饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；设置相同的初始温度和压力，获取不同排气阀流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晓波，赵雄，
申请(专利权)人：上海重塑能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：