一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法及其调节装置与流程

本发明涉及燃料电池系统控制，具体涉及一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法及其调节装置。

背景技术：

1、传统氢燃料电池系统的电堆干湿状态判定手段主要包括内阻检测法、分析单片电压参数（如平均值、极差、方差）以及观测尾气排水量等，但这些方法普遍存在反应滞后的问题。如以监测单片电压为例，当通过异常的单片电压数据判断出电堆过湿或过干时，实际上电堆必然已处于该状态一段时间，加之数据采集和传输的延迟，所依据的反馈信息是电堆过去的状态，因此基于此数据做出的调节往往滞后且不精确，对于电堆的增湿管理技术提升实际意义不大，仅作为事后分析数据。

2、为了解决上述问题或一定程度上解决电堆干湿状态反馈迟滞问题，本技术提出了一种基于氢泵功率与电堆湿度动态关联模型的前瞻式电堆湿度管理技术。该技术旨在通过实时监测氢泵功率变化，利用电堆湿度动态关联模型预测电堆湿度趋势，从而实现对电堆湿度的精准预判与及时调控。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法及其调节装置，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法，包括：

4、根据待测燃料电池系统性能参数，预设测试工况条件并在该条件下运行待测燃料电池系统，通过改变燃料电池系统阳极路供给氢气的湿度并记录不同预定功率段内氢泵的转速和功率变化情况；

5、建立电堆湿度动态关联模型：将测试数据中电堆功率、供给氢气湿度、氢泵转速和氢泵功率进行关联对照，建立一一对应模型；

6、实时监测燃料电池系统运行过程电堆功率、氢泵转速和氢泵功率情况，根据电堆湿度动态关联模型判断当前燃料电池电堆供给氢气的湿度情况并做调节处理。

7、在上述技术方案的基础上，建立电堆湿度动态关联模型步骤如下：

8、步骤一、根据预先标定电堆测试功率点为ptest1、ptest2、ptest3、...、ptestn，测定氢泵在各个标定测试功率点的转速a1、a2、a3、...、an以及对应的功率p1、p2、p3、...、pn，其中n为正整数；

9、步骤二、预设供给氢气湿度的每阶梯变化湿度值为a%rh，在电堆测试功率点ptest1、ptest2、ptest3、...、ptestn分别供给湿度阶梯变化的氢气，并记录各个湿度阶梯变化的氢气供给条件下氢泵的转速a1、a2、a3、...、an及对应功率p1、p2、p3、...、pn；

10、步骤三、将步骤二中测试数据进行处理，制作电堆湿度-供氢湿度-氢泵转速-氢泵功率的对照查表模型，将对照查表模型作为电堆湿度动态关联模型并录入燃料电池系统调节控制数据库；

11、步骤四、实时监测燃料电池系统运行过程电堆干湿情况，获取当前燃料电池电堆功率、氢泵转速an和实际氢泵功率ph情况，实时判断实际氢泵功率ph和pn大小关系，根据电堆湿度动态关联模型判断当前燃料电池电堆供给氢气的湿度范围并做调节处理。

12、在上述技术方案的基础上，步骤二中还设有功率偏差率为ζ，记录氢泵功率范围在（pn±ζ）作为一个电堆功率的对应值，或将获取实际氢泵功率（ph±ζ）作为一个电堆功率的对应值。

13、在上述技术方案的基础上，监测当前氢泵的实际功率ph并调取电堆功率-供氢湿度-氢泵功率-氢泵转速对照查表模型，将实际功率ph与电堆湿度动态关联模型中的氢泵功率pn进行比较，预设功率偏差率为ζ，如果出现ph＞pn+ζ时则判断此时电堆偏湿，如果ph＜pn-ζ时则判断电堆偏干，如果满足pn-ζ＜ph＜pn+ζ时则判断电堆良好。

14、在上述技术方案的基础上，预设可执行湿度调节参照率φ，记录电堆功率阶梯加减载过程实际功率ph的变化率ε，当燃料电池系统达到相同功率点时比较此时氢泵的实际功率ph上升或下降变化率ε与φ大小，标记此时的电堆湿度变化率为η，令实际功率ph的变化率与电堆湿度变化率等价ε=η，ph上升或下降的速率越快则电堆湿度变化率η相应也越快，如果η＞φ时，进入湿度高响应调节执行模式，执行快速控湿调节策略，增湿节气门和干燥节气门开度响应加大，如果η≤φ时，进入湿度稳定调节模式，执行稳定控湿调节，增湿节气门和干燥节气门开度响应减小。

15、在上述技术方案的基础上，一种氢燃料电池电堆干湿程度调节装置，包括依次连接的空压机、中冷器、增湿器、电堆、气水分离器一和氢泵组成进堆主回路，增湿器连接有背压节气门，背压节气门连接尾排装置，氢泵还连接有气水分离器二，电堆、气水分离器一、氢泵、气水分离器二依次连接形成循环回路，增湿器设有增湿节气门，增湿节气门连接电堆入口，增湿器设有干燥旁通回且干燥旁通回路设有干燥节气门，干燥节气门连接电堆入口，气水分离器一分别连接有开关阀一、开关阀三、尾气阀二、开关阀二，其中开关阀一连接在气水分离器一进气端，开关阀二分别连接气水分离器一出口和氢泵入口端，尾气阀二设置于气水分离器一尾排支路并接入尾排装置，开关阀三设置于气水分离器一旁通支路，气水分离器二进出口分别设有开关阀六、开关阀四，气水分离器二设有，气水分离器二设有旁通支路且旁通支路设有开关阀五尾排支路设有尾气阀一，且尾气阀一接入尾排装置。

16、在上述技术方案的基础上，空压机进口端依次串接单向阀和流量计。

17、在上述技术方案的基础上，尾排装置设有四通接口并分别连接尾气阀二、尾气阀一、背压节气门和大气排空。

18、在上述技术方案的基础上，开关阀一、开关阀三、尾气阀二、开关阀二集成一体为出堆调湿阀组，出堆调湿阀组与气水分离器二集成一体。

19、在上述技术方案的基础上，开关阀四、开关阀五、开关阀六、尾气阀一集成一体为进堆调湿阀组，进堆调湿阀组与气水分离器一集成一体。

20、与现有技术相比，本发明的优点在于：

21、（1）本发明中的一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法通过实验设计与数据分析建立电堆湿度动态关联模型，在实验室环境下系统性地改变电堆工作湿度，并记录对应条件下氢泵在各运行转速下的实际功率输出，对这些积累的基础数据进行分析处理，建立了氢泵功率与电堆湿度之间的对应关系，从而确立电堆湿度动态关联模型中电堆功率、供给氢气湿度、氢泵转速和氢泵功率的结构与参数。

22、（2）本发明中的一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法对海量试验数据进行深度学习与机器学习处理，以进一步提升湿度调控策略的智能化水平，利用神经网络、向量机算法构建电堆湿度-氢泵功率-调控变量的非线性关系模型，实现对湿度调控规则的自动学习与自适应优化。

23、（3）本发明中的一种氢燃料电池电堆干湿程度判断方法通过对电堆内部湿度分布、水分传输过程及湿度对电化学反应影响的解析，采用先进的数值计算方法，将电堆湿度动态关联模型与电堆湿度变化机理相结合，得到不同工况下电堆湿度动态变化情况，通过对电堆内部湿度状况进行实时、精确感知，提升燃料电池湿度管理调控策略的有效性，为实际运行控制提供优化建议。

24、（4）本发明中的一种氢燃料电池电堆干湿程度调节装置，通过实时监测电堆湿度、氢泵功率、节气门开度、气水分离器状态等关键参数，结合智能调控策略实现了电堆湿度的精准、高效、智能化管理，。

25、（5）本发明中提出的一种氢燃料电池电堆干湿程度调节装置以电堆湿度动态关联模型为核心，结合增湿节气门、干燥节气门与汽水分离器的实时联动，实现了对电堆湿度的高精度、前瞻性管理，显著提升了燃料电池系统运行的稳定性和能效表现。