一种使用固态储氢的氢能电动自行车用氢燃料电池热管理方法及系统与流程

本发明涉及氢燃料电池领域，特别涉及一种使用固态储氢的氢能电动自行车用氢燃料电池热管理方法及系统。

背景技术：

1、基于固态储氢技术的氢能电动车采用氢燃料电池作为能量供应机构，具有充氢速度快、续航里程长、用氢更加安全，且低碳、环保等优点。

2、氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，是一种绿色环保的能源利用形式，其基本原理是电解水的逆反应，氢气在阳极(正极)被氧化成氢离子(质子)和电子，电子通过外部电路流向阴极(负极)，而氢离子则通过电解质膜到达阴极。在阴极，氢离子与氧气结合生成水，同时释放出电能。反应过程中会产生大量的热量，这部分余热被尾气携带并通过燃料电池风机吹走，一般，由于燃料电池的效率约50％，尾气携带的热功率与燃料电池的功率相当，使得燃料电池所产生的热量浪费较大。

3、在氢燃料电池系统的电堆中，进气的温度会影响电堆的效率，例如在适当的高温条件下，燃料电池反应速率较快，输出功率较高，通过适当加热使进气的温度达到一定的值时能够有效提高电堆的效率(刘永峰,王娜.进气温度对质子交换膜燃料电池性能影响的试验研究[j].北京建筑大学学报,2016,32(2):5.doi:cnki:sun:bjjz.0.2016-02-009.)。所以通过将进气加热至适当的温度，能够利于提高电池效率，从而带来电池能量输出的增量(增量能量)。但加热进气会消耗一部分能量(消耗能量)，增大增量能量与消耗能量差值能够提升电池的能量收益，提高整体效率，但现有技术中未见相关可靠的方案来实现该效果。

4、专利cn117613297b公开了一种氢能两轮车用储氢罐热管理系统，其能够实现燃料电池尾气中的余热的利用，但其不具备对进气温度进行控制的功能。

5、专利cn118173829b公开了一种氢燃料电池用热管理系统，其提供了对进气温度的控制方案，但其中未涉及利用燃料电池尾气的方案，且其中未考虑进气湿度对电堆效率的影响，更未提及如何确定进气温度的值能够获得更大的能量收益，即进气温度提高后对电池效率提升带来的能量增加减去提高进气温度所需的能耗。

6、所以，现在有必要对现有技术进行改进，以提供更可靠的方案。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种使用固态储氢的氢能电动自行车用氢燃料电池热管理方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明的第一方面，提供一种使用固态储氢的氢能电动自行车用氢燃料电池热管理系统，其用于对氢能电动自行车的氢燃料电池系统进行热量管理该氢燃料电池系统包括氢气供应单元、空气供应单元以及电堆；

3、所述氢气供应单元包括内部装填有固态储氢材料的储氢瓶以及连通储氢瓶至电堆的氢气输送管路，所述空气供应单元包括连通外部空气至电堆的空气输送管路以及设置在所述空气输送管路上的空气压缩泵，所述氢气供应单元提供的氢气和空气供应单元提供的氧气在电堆中反应产生电能，电堆中的反应产物和剩余的反应气体从连通设置在电堆上的尾气排放管排出；

4、该氢燃料电池热管理系统包括用于回收尾气排放管中排出的尾气中的热量的尾气换热器、用以利用尾气换热器回收的热量对进入电堆的氢气和空气加热的进气换热器与第一加热器、用以对换热介质进行加热的第二加热器、包覆在所述储氢瓶外用的用以通过换热介质对储氢瓶进行加热的加热套以及用以进行热量管理控制的热量管理分析控制模块。

5、优选的是，所述氢气输送管路上沿气流方向依次设置有第一气体稳压阀、第一温度传感器、第一湿度传感器、第一进气电磁阀和第二温度传感器，第一气体稳压阀排出的氢气依次经过进气换热器、第一加热器后再经过第一进气电磁阀进入电堆，所述第二温度传感器位于第一进气电磁阀和电堆之间，用以测量进入电堆的氢气的温度；

6、所述空气输送管路上沿气流方向依次设置有空气过滤器、空气压缩泵、第三温度传感器、第二湿度传感器、第二气体稳压阀和第二进气电磁阀，第二气体稳压阀排出的空气依次经过进气换热器、第一加热器后再经过第二进气电磁阀进入电堆。

7、优选的是，所述加热套上设置有换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质出口上设置有连通至所述尾气换热器的冷媒入口的第一介质输送管路，所述换热介质入口上连接有第二介质输送管路，所述第二介质输送管路上沿介质流动方向依次设置有介质混合器和第二加热器；

8、所述尾气换热器的冷媒出口上设置有第三介质输送管路，所述第三介质输送管路末端并联连接有第一支管路和第二支管路；

9、所述第一支管路连接至所述进气换热器的热媒入口，所述进气换热器的热媒出口通过第四介质输送管路连接至所述介质混合器的第一入口端；

10、所述第二支管路的末端连接至所述介质混合器的第二入口端，所述介质混合器的出口端通过所述第二介质输送管路与所述第二加热器连接。

11、优选的是，所述第一介质输送管路上还设置有介质缓存罐、介质泵和介质流量阀；

12、所述第二介质输送管路上处于第二加热器和加热套的换热介质入口之间设置有第四温度传感器；

13、所述第三介质输送管路上设置有第五温度传感器，所述第一支管路上设置有第一介质电磁阀，所述第二支管路上设置有第二介质电磁阀。

14、优选的是，所述热量管理分析控制模块与所述介质泵、介质流量阀、空气压缩泵、第一气体稳压阀、第二气体稳压阀、第一加热器、第二加热器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一湿度传感器、第二湿度传感器、第一进气电磁阀、第二进气电磁阀、第一介质电磁阀、第二介质电磁阀均通信连接；

15、所述热量管理分析控制模块包括热量分析子模块和热控制子模块。

16、优选的是，所述尾气排放管连通至所述尾气换热器的热媒入口，换热降温后的尾气从所述尾气换热器的热媒出口排出；第一介质输送管路中输送的介质进入尾气换热器的冷媒入口，换热升温后经冷媒出口进入第三介质输送管路；

17、所述进气换热器具有两个换热单元：第一换热单元和第二换热单元，所述进气换热器能够通过单一热媒同时实现空气和氢气的加热，所述第一换热单元具有第一冷媒入口和第一冷媒出口，所述第二换热单元具有第二冷媒入口和第二冷媒出口，进入进气换热器的换热介质同时实现第一换热单元、第二换热单元的换热；

18、所述第一支管路输送的换热介质经过第一介质电磁阀后进入所述进气换热器的热媒入口，换热降温后经由热媒出口排出后经第四介质输送管路进入所述介质混合器的第一入口端；所述第二支管路输送的换热介质经过第二介质电磁阀后入所述介质混合器的第二入口端，所述介质混合器中的换热介质经过第二加热器后进入所述加热套；

19、所述氢气输送管路输送的氢气经第一冷媒入口进入所述进气换热器，换热升温后由第一冷媒出口排出，然后进入所述第一加热器；

20、所述空气输送管路输送的空气经第二冷媒入口进入所述进气换热器，换热升温后由第二冷媒出口排出，然后进入所述第一加热器。

21、本发明的第二方面，提供一种使用固态储氢的氢能电动自行车用氢燃料电池热管理方法，其采用如上所述的系统对氢能电动自行车的氢燃料电池系统进行热量管理，该方法包括以下步骤：

22、s1、设定氢气的供气压力ph2、供气流量qh2，设定空气的供气压力pair、供气流量qair，所述热量管理分析控制模块的热控制子模块通过控制第一气体稳压阀、第一进气电磁阀、第二气体稳压阀、第二进气电磁阀，按照设定的压力、流量供给氢气和空气至电堆；

23、设定储氢瓶的加热温度tgo，设定介质流量泵输出的换热介质的流量固定为w；

24、s2、通过所述热量管理分析控制模块的热量分析子模块分析获得优化进气温度topt：

25、s3、所述热控制子模块采用以下步骤进行热管理控制：

26、s3-1、通过第五温度传感器获得经尾气换热器加热后的换热介质的温度，再根据换热介质的流量w，计算获得单位时间tm内，通过进气换热器与进入的氢气和空气换热时所能提供的热量q1；

27、根据进入进气换热器的氢气和空气的温度、流量、压力，计算获得单位时间tm内，通过进气换热器将氢气和空气均加热至进气温度topt所需的热量q2；

28、s3-2、比较q1和q2的值，根据比较结果按照如下的方法进行控制：

29、s3-2-1、当q1＜q2时，控制第一介质电磁阀全开、第二介质电磁阀关闭，使经尾气换热器加热后的换热介质全部进入进气换热器，然后控制第一加热器工作，将经过进气换热器初步加热后的氢气和空气再加热至温度为topt，然后供给至电堆；

30、经过进气换热器换热后的换热介质进入介质混合器，然后进入第二加热器，控制第二加热器工作，使换热介质加热至温度为tgo后再输送至加热套；

31、s3-2-2、当q1≥q2时，记剩余热量q3，q3＝q1-q2，控制控制第一介质电磁阀和第二介质电磁阀的开合度，以使得第一支管路中的换热介质流量为w1、第二支管路中的换热介质流量为w2，通过进气换热器将氢气和空气加热至温度为topt，控制第一加热器不工作；其中，w1和w2满足：w1+w2＝w，流量为w1的换热介质在单位时间tm内，通过进气换热器换热所能提供的热量为q1；

32、经过进气换热器换热后的换热介质进入介质混合器，与由第二支管路直接进入介质混合器的换热介质混合，然后经第二加热器后进入到加热套内，控制第二加热器先不工作，通过所述第四温度传感器检测进入加热套的换热介质的温度t'go，若t'go＜tgo，则反馈控制使第二加热器工作，将换热介质的温度加热到tgo，否则保持第二加热器不工作。

33、优选的是，步骤s2具体为：

34、s2-1、所述进气温度分析模型获取以下参数：通过所述第一温度传感器、第一湿度传感器获取得到供应的氢气的初始温度th2-0和初始湿度rth2-0，通过所述第三温度传感器、第二湿度传感器获取得到供应的空气的初始温度tair-0和初始湿度rtair-0；

35、s2-2、进气温度分析模型以当前的进气参数为输入，分析获得优化进气温度topt；进气参数包括：氢气的供气压力ph2、供气流量qh2、初始温度th2-0、初始湿度rth2-0，空气的供气压力pair、供气流量qair、初始温度tair-0、初始湿度rtair-0；

36、进气温度分析模型的分析方法为：

37、s2-2-1、在当前的进气压力和进气流量下，所述进气温度分析模型先按照以下步骤分析得到能量增益差值δq的计算方法：

38、分析氢气的温度为th2-0、湿度为rth2-0，空气的温度为tair-0、湿度为rtair-0时，对于单位量的氢气和空气，进入电堆发电产生的能量q01，温度升高到topt所需的能量qr；

39、分析氢气的温度为topt、湿度为rth2-0，空气的温度为topt、湿度为rtair-0时，对于单位量的氢气和空气，进入电堆发电产生的能量为q02；

40、记能量增益差值为δq，δq＝(q02-q01)-qr；

41、s2-2-12、所述进气温度分析模型分析获得当前进气参数下，使δq的值最大时的进气温度，该温度即为优化进气温度topt，记为topt＝max(δq，t)；该式的含义为：δq的值最大时的t的值为topt。

42、优选的是，所述进气温度分析模型通过以下方法构建得到：

43、1)构建训练数据集：

44、1-1)固定以下参数：氢气的供气压力ph2、供气流量qh2，空气的供气压力pair、供气流量qair；然后采用该氢燃料电池热管理系统获取以下数据：

45、对于单位量的氢气和空气，在固定的氢气湿度rth2-s和空气湿度rtair-s下：

46、对于温度为th2-s的氢气和温度为tair-s的空气，获取通过第一加热器使空气和氢气均加热至设定温度ts时需要的加热能量qrs，

47、对于温度为th2-s的氢气和温度为tair-s的空气，进入电堆发电产生的基础发电能量为q01s；

48、对于温度为ts的氢气和温度为ts的空气，进入电堆发电产生的优化发电能量为q02s；

49、记能量增益差值为δqs，δqs＝(q02s-q01s)-qrs；

50、1-2)在设定的范围区间(tmin-tmax)内，改变温度ts的值，并取j个值，记为tsj，分别获得每个温度tsj下的优化发电能量为q02sj以及能量增益差值δqsj，取能量增益差值获得最大值max-δqs时对应的温度作为优化进气温度，记为topts；其中，tmin≤tsj≤tmax；

51、将rth2-s、rtair-s、th2-s、tair-s、qrs、q02s、tsj、q02sj、δqsj、max-δqs、topts组合为1条数据d；

52、1-3)改变氢气湿度和空气湿度，按照与步骤1-1)至步骤1-2)相同的方法获取若干条不同氢气湿度和空气湿度下的训练数据，将所有的训练数据组合，得到训练数据集d；

53、2)模型训练：

54、采用训练数据集d，以rth2-s、rtair-s、tsj、qrsj、q01sj、q02sj、δqsj、max-δqs为输入，topts为目标输出，对rnn循环神经网络模型进行训练，训练完成后得到进气温度分析模型。

55、优选的是，其中，tmin＝25-35℃，tmax＝55-80℃，j＝5-100。

56、本发明的有益效果是：

57、本发明提供了一种使用固态储氢的氢能电动自行车用氢燃料电池热管理方法及系统，本发明能够充分利用电堆尾气中的热量，并用于对供应至电堆的氢气和空气进行加热，以提高燃料电池的效率；且当这些热量存在富余时还能够将将其再用于对储氢瓶进行加热，可以降低加热放氢所需的额外能耗，最终可以显著提高氢燃料电池系统的整体效率；

58、本发明从降低能耗并提高电堆效率两方面出发，采用基于机器学习算法的方案来获取进气温度的适宜值，即优化进气温度，通过定义能量增益差值δq来表征优化进气温度所能够带来的能量收益：于优化进气温度下，能够在消耗相对较小的能量来提高进气温度的条件下，获得相对更高的电堆效率，即获得更大的能量收益；并且该方法中还考虑了进气湿度对电堆效率的影响，使得其结果更接近最优进气温度。