本發(fā)明涉及氫燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種使用固態(tài)儲(chǔ)氫的氫能電動(dòng)自行車用氫燃料電池?zé)峁芾矸椒跋到y(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、基于固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的氫能電動(dòng)車采用氫燃料電池作為能量供應(yīng)機(jī)構(gòu)，具有充氫速度快、續(xù)航里程長、用氫更加安全，且低碳、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

2、氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，是一種綠色環(huán)保的能源利用形式，其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，氫氣在陽極(正極)被氧化成氫離子(質(zhì)子)和電子，電子通過外部電路流向陰極(負(fù)極)，而氫離子則通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極。在陰極，氫離子與氧氣結(jié)合生成水，同時(shí)釋放出電能。反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這部分余熱被尾氣攜帶并通過燃料電池風(fēng)機(jī)吹走，一般，由于燃料電池的效率約50％，尾氣攜帶的熱功率與燃料電池的功率相當(dāng)，使得燃料電池所產(chǎn)生的熱量浪費(fèi)較大。

3、在氫燃料電池系統(tǒng)的電堆中，進(jìn)氣的溫度會(huì)影響電堆的效率，例如在適當(dāng)?shù)母邷貤l件下，燃料電池反應(yīng)速率較快，輸出功率較高，通過適當(dāng)加熱使進(jìn)氣的溫度達(dá)到一定的值時(shí)能夠有效提高電堆的效率(劉永峰,王娜.進(jìn)氣溫度對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響的試驗(yàn)研究[j].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2016,32(2):5.doi:cnki:sun:bjjz.0.2016-02-009.)。所以通過將進(jìn)氣加熱至適當(dāng)?shù)臏囟?，能夠利于提高電池效率，從而帶來電池能量輸出的增?增量能量)。但加熱進(jìn)氣會(huì)消耗一部分能量(消耗能量)，增大增量能量與消耗能量差值能夠提升電池的能量收益，提高整體效率，但現(xiàn)有技術(shù)中未見相關(guān)可靠的方案來實(shí)現(xiàn)該效果。

4、專利cn117613297b公開了一種氫能兩輪車用儲(chǔ)氫罐熱管理系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池尾氣中的余熱的利用，但其不具備對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行控制的功能。

5、專利cn118173829b公開了一種氫燃料電池用熱管理系統(tǒng)，其提供了對(duì)進(jìn)氣溫度的控制方案，但其中未涉及利用燃料電池尾氣的方案，且其中未考慮進(jìn)氣濕度對(duì)電堆效率的影響，更未提及如何確定進(jìn)氣溫度的值能夠獲得更大的能量收益，即進(jìn)氣溫度提高后對(duì)電池效率提升帶來的能量增加減去提高進(jìn)氣溫度所需的能耗。

6、所以，現(xiàn)在有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提供更可靠的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種使用固態(tài)儲(chǔ)氫的氫能電動(dòng)自行車用氫燃料電池?zé)峁芾矸椒跋到y(tǒng)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明的第一方面，提供一種使用固態(tài)儲(chǔ)氫的氫能電動(dòng)自行車用氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，其用于對(duì)氫能電動(dòng)自行車的氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行熱量管理該氫燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供應(yīng)單元、空氣供應(yīng)單元以及電堆；

3、所述氫氣供應(yīng)單元包括內(nèi)部裝填有固態(tài)儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫瓶以及連通儲(chǔ)氫瓶至電堆的氫氣輸送管路，所述空氣供應(yīng)單元包括連通外部空氣至電堆的空氣輸送管路以及設(shè)置在所述空氣輸送管路上的空氣壓縮泵，所述氫氣供應(yīng)單元提供的氫氣和空氣供應(yīng)單元提供的氧氣在電堆中反應(yīng)產(chǎn)生電能，電堆中的反應(yīng)產(chǎn)物和剩余的反應(yīng)氣體從連通設(shè)置在電堆上的尾氣排放管排出；

4、該氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括用于回收尾氣排放管中排出的尾氣中的熱量的尾氣換熱器、用以利用尾氣換熱器回收的熱量對(duì)進(jìn)入電堆的氫氣和空氣加熱的進(jìn)氣換熱器與第一加熱器、用以對(duì)換熱介質(zhì)進(jìn)行加熱的第二加熱器、包覆在所述儲(chǔ)氫瓶外用的用以通過換熱介質(zhì)對(duì)儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加熱的加熱套以及用以進(jìn)行熱量管理控制的熱量管理分析控制模塊。

5、優(yōu)選的是，所述氫氣輸送管路上沿氣流方向依次設(shè)置有第一氣體穩(wěn)壓閥、第一溫度傳感器、第一濕度傳感器、第一進(jìn)氣電磁閥和第二溫度傳感器，第一氣體穩(wěn)壓閥排出的氫氣依次經(jīng)過進(jìn)氣換熱器、第一加熱器后再經(jīng)過第一進(jìn)氣電磁閥進(jìn)入電堆，所述第二溫度傳感器位于第一進(jìn)氣電磁閥和電堆之間，用以測量進(jìn)入電堆的氫氣的溫度；

6、所述空氣輸送管路上沿氣流方向依次設(shè)置有空氣過濾器、空氣壓縮泵、第三溫度傳感器、第二濕度傳感器、第二氣體穩(wěn)壓閥和第二進(jìn)氣電磁閥，第二氣體穩(wěn)壓閥排出的空氣依次經(jīng)過進(jìn)氣換熱器、第一加熱器后再經(jīng)過第二進(jìn)氣電磁閥進(jìn)入電堆。

7、優(yōu)選的是，所述加熱套上設(shè)置有換熱介質(zhì)入口和換熱介質(zhì)出口，所述換熱介質(zhì)出口上設(shè)置有連通至所述尾氣換熱器的冷媒入口的第一介質(zhì)輸送管路，所述換熱介質(zhì)入口上連接有第二介質(zhì)輸送管路，所述第二介質(zhì)輸送管路上沿介質(zhì)流動(dòng)方向依次設(shè)置有介質(zhì)混合器和第二加熱器；

8、所述尾氣換熱器的冷媒出口上設(shè)置有第三介質(zhì)輸送管路，所述第三介質(zhì)輸送管路末端并聯(lián)連接有第一支管路和第二支管路；

9、所述第一支管路連接至所述進(jìn)氣換熱器的熱媒入口，所述進(jìn)氣換熱器的熱媒出口通過第四介質(zhì)輸送管路連接至所述介質(zhì)混合器的第一入口端；

10、所述第二支管路的末端連接至所述介質(zhì)混合器的第二入口端，所述介質(zhì)混合器的出口端通過所述第二介質(zhì)輸送管路與所述第二加熱器連接。

11、優(yōu)選的是，所述第一介質(zhì)輸送管路上還設(shè)置有介質(zhì)緩存罐、介質(zhì)泵和介質(zhì)流量閥；

12、所述第二介質(zhì)輸送管路上處于第二加熱器和加熱套的換熱介質(zhì)入口之間設(shè)置有第四溫度傳感器；

13、所述第三介質(zhì)輸送管路上設(shè)置有第五溫度傳感器，所述第一支管路上設(shè)置有第一介質(zhì)電磁閥，所述第二支管路上設(shè)置有第二介質(zhì)電磁閥。

14、優(yōu)選的是，所述熱量管理分析控制模塊與所述介質(zhì)泵、介質(zhì)流量閥、空氣壓縮泵、第一氣體穩(wěn)壓閥、第二氣體穩(wěn)壓閥、第一加熱器、第二加熱器、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第五溫度傳感器、第一濕度傳感器、第二濕度傳感器、第一進(jìn)氣電磁閥、第二進(jìn)氣電磁閥、第一介質(zhì)電磁閥、第二介質(zhì)電磁閥均通信連接；

15、所述熱量管理分析控制模塊包括熱量分析子模塊和熱控制子模塊。

16、優(yōu)選的是，所述尾氣排放管連通至所述尾氣換熱器的熱媒入口，換熱降溫后的尾氣從所述尾氣換熱器的熱媒出口排出；第一介質(zhì)輸送管路中輸送的介質(zhì)進(jìn)入尾氣換熱器的冷媒入口，換熱升溫后經(jīng)冷媒出口進(jìn)入第三介質(zhì)輸送管路；

17、所述進(jìn)氣換熱器具有兩個(gè)換熱單元：第一換熱單元和第二換熱單元，所述進(jìn)氣換熱器能夠通過單一熱媒同時(shí)實(shí)現(xiàn)空氣和氫氣的加熱，所述第一換熱單元具有第一冷媒入口和第一冷媒出口，所述第二換熱單元具有第二冷媒入口和第二冷媒出口，進(jìn)入進(jìn)氣換熱器的換熱介質(zhì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)第一換熱單元、第二換熱單元的換熱；

18、所述第一支管路輸送的換熱介質(zhì)經(jīng)過第一介質(zhì)電磁閥后進(jìn)入所述進(jìn)氣換熱器的熱媒入口，換熱降溫后經(jīng)由熱媒出口排出后經(jīng)第四介質(zhì)輸送管路進(jìn)入所述介質(zhì)混合器的第一入口端；所述第二支管路輸送的換熱介質(zhì)經(jīng)過第二介質(zhì)電磁閥后入所述介質(zhì)混合器的第二入口端，所述介質(zhì)混合器中的換熱介質(zhì)經(jīng)過第二加熱器后進(jìn)入所述加熱套；

19、所述氫氣輸送管路輸送的氫氣經(jīng)第一冷媒入口進(jìn)入所述進(jìn)氣換熱器，換熱升溫后由第一冷媒出口排出，然后進(jìn)入所述第一加熱器；

20、所述空氣輸送管路輸送的空氣經(jīng)第二冷媒入口進(jìn)入所述進(jìn)氣換熱器，換熱升溫后由第二冷媒出口排出，然后進(jìn)入所述第一加熱器。

21、本發(fā)明的第二方面，提供一種使用固態(tài)儲(chǔ)氫的氫能電動(dòng)自行車用氫燃料電池?zé)峁芾矸椒?，其采用如上所述的系統(tǒng)對(duì)氫能電動(dòng)自行車的氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行熱量管理，該方法包括以下步驟：

22、s1、設(shè)定氫氣的供氣壓力ph2、供氣流量qh2，設(shè)定空氣的供氣壓力pair、供氣流量qair，所述熱量管理分析控制模塊的熱控制子模塊通過控制第一氣體穩(wěn)壓閥、第一進(jìn)氣電磁閥、第二氣體穩(wěn)壓閥、第二進(jìn)氣電磁閥，按照設(shè)定的壓力、流量供給氫氣和空氣至電堆；

23、設(shè)定儲(chǔ)氫瓶的加熱溫度tgo，設(shè)定介質(zhì)流量泵輸出的換熱介質(zhì)的流量固定為w；

24、s2、通過所述熱量管理分析控制模塊的熱量分析子模塊分析獲得優(yōu)化進(jìn)氣溫度topt：

25、s3、所述熱控制子模塊采用以下步驟進(jìn)行熱管理控制：

26、s3-1、通過第五溫度傳感器獲得經(jīng)尾氣換熱器加熱后的換熱介質(zhì)的溫度，再根據(jù)換熱介質(zhì)的流量w，計(jì)算獲得單位時(shí)間tm內(nèi)，通過進(jìn)氣換熱器與進(jìn)入的氫氣和空氣換熱時(shí)所能提供的熱量q1；

27、根據(jù)進(jìn)入進(jìn)氣換熱器的氫氣和空氣的溫度、流量、壓力，計(jì)算獲得單位時(shí)間tm內(nèi)，通過進(jìn)氣換熱器將氫氣和空氣均加熱至進(jìn)氣溫度topt所需的熱量q2；

28、s3-2、比較q1和q2的值，根據(jù)比較結(jié)果按照如下的方法進(jìn)行控制：

29、s3-2-1、當(dāng)q1＜q2時(shí)，控制第一介質(zhì)電磁閥全開、第二介質(zhì)電磁閥關(guān)閉，使經(jīng)尾氣換熱器加熱后的換熱介質(zhì)全部進(jìn)入進(jìn)氣換熱器，然后控制第一加熱器工作，將經(jīng)過進(jìn)氣換熱器初步加熱后的氫氣和空氣再加熱至溫度為topt，然后供給至電堆；

30、經(jīng)過進(jìn)氣換熱器換熱后的換熱介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)混合器，然后進(jìn)入第二加熱器，控制第二加熱器工作，使換熱介質(zhì)加熱至溫度為tgo后再輸送至加熱套；

31、s3-2-2、當(dāng)q1≥q2時(shí)，記剩余熱量q3，q3＝q1-q2，控制控制第一介質(zhì)電磁閥和第二介質(zhì)電磁閥的開合度，以使得第一支管路中的換熱介質(zhì)流量為w1、第二支管路中的換熱介質(zhì)流量為w2，通過進(jìn)氣換熱器將氫氣和空氣加熱至溫度為topt，控制第一加熱器不工作；其中，w1和w2滿足：w1+w2＝w，流量為w1的換熱介質(zhì)在單位時(shí)間tm內(nèi)，通過進(jìn)氣換熱器換熱所能提供的熱量為q1；

32、經(jīng)過進(jìn)氣換熱器換熱后的換熱介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)混合器，與由第二支管路直接進(jìn)入介質(zhì)混合器的換熱介質(zhì)混合，然后經(jīng)第二加熱器后進(jìn)入到加熱套內(nèi)，控制第二加熱器先不工作，通過所述第四溫度傳感器檢測進(jìn)入加熱套的換熱介質(zhì)的溫度t'go，若t'go＜tgo，則反饋控制使第二加熱器工作，將換熱介質(zhì)的溫度加熱到tgo，否則保持第二加熱器不工作。

33、優(yōu)選的是，步驟s2具體為：

34、s2-1、所述進(jìn)氣溫度分析模型獲取以下參數(shù)：通過所述第一溫度傳感器、第一濕度傳感器獲取得到供應(yīng)的氫氣的初始溫度th2-0和初始濕度rth2-0，通過所述第三溫度傳感器、第二濕度傳感器獲取得到供應(yīng)的空氣的初始溫度tair-0和初始濕度rtair-0；

35、s2-2、進(jìn)氣溫度分析模型以當(dāng)前的進(jìn)氣參數(shù)為輸入，分析獲得優(yōu)化進(jìn)氣溫度topt；進(jìn)氣參數(shù)包括：氫氣的供氣壓力ph2、供氣流量qh2、初始溫度th2-0、初始濕度rth2-0，空氣的供氣壓力pair、供氣流量qair、初始溫度tair-0、初始濕度rtair-0；

36、進(jìn)氣溫度分析模型的分析方法為：

37、s2-2-1、在當(dāng)前的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量下，所述進(jìn)氣溫度分析模型先按照以下步驟分析得到能量增益差值δq的計(jì)算方法：

38、分析氫氣的溫度為th2-0、濕度為rth2-0，空氣的溫度為tair-0、濕度為rtair-0時(shí)，對(duì)于單位量的氫氣和空氣，進(jìn)入電堆發(fā)電產(chǎn)生的能量q01，溫度升高到topt所需的能量qr；

39、分析氫氣的溫度為topt、濕度為rth2-0，空氣的溫度為topt、濕度為rtair-0時(shí)，對(duì)于單位量的氫氣和空氣，進(jìn)入電堆發(fā)電產(chǎn)生的能量為q02；

40、記能量增益差值為δq，δq＝(q02-q01)-qr；

41、s2-2-12、所述進(jìn)氣溫度分析模型分析獲得當(dāng)前進(jìn)氣參數(shù)下，使δq的值最大時(shí)的進(jìn)氣溫度，該溫度即為優(yōu)化進(jìn)氣溫度topt，記為topt＝max(δq，t)；該式的含義為：δq的值最大時(shí)的t的值為topt。

42、優(yōu)選的是，所述進(jìn)氣溫度分析模型通過以下方法構(gòu)建得到：

43、1)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：

44、1-1)固定以下參數(shù)：氫氣的供氣壓力ph2、供氣流量qh2，空氣的供氣壓力pair、供氣流量qair；然后采用該氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)獲取以下數(shù)據(jù)：

45、對(duì)于單位量的氫氣和空氣，在固定的氫氣濕度rth2-s和空氣濕度rtair-s下：

46、對(duì)于溫度為th2-s的氫氣和溫度為tair-s的空氣，獲取通過第一加熱器使空氣和氫氣均加熱至設(shè)定溫度ts時(shí)需要的加熱能量qrs，

47、對(duì)于溫度為th2-s的氫氣和溫度為tair-s的空氣，進(jìn)入電堆發(fā)電產(chǎn)生的基礎(chǔ)發(fā)電能量為q01s；

48、對(duì)于溫度為ts的氫氣和溫度為ts的空氣，進(jìn)入電堆發(fā)電產(chǎn)生的優(yōu)化發(fā)電能量為q02s；

49、記能量增益差值為δqs，δqs＝(q02s-q01s)-qrs；

50、1-2)在設(shè)定的范圍區(qū)間(tmin-tmax)內(nèi)，改變溫度ts的值，并取j個(gè)值，記為tsj，分別獲得每個(gè)溫度tsj下的優(yōu)化發(fā)電能量為q02sj以及能量增益差值δqsj，取能量增益差值獲得最大值max-δqs時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度作為優(yōu)化進(jìn)氣溫度，記為topts；其中，tmin≤tsj≤tmax；

51、將rth2-s、rtair-s、th2-s、tair-s、qrs、q02s、tsj、q02sj、δqsj、max-δqs、topts組合為1條數(shù)據(jù)d；

52、1-3)改變氫氣濕度和空氣濕度，按照與步驟1-1)至步驟1-2)相同的方法獲取若干條不同氫氣濕度和空氣濕度下的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將所有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組合，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集d；

53、2)模型訓(xùn)練：

54、采用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集d，以rth2-s、rtair-s、tsj、qrsj、q01sj、q02sj、δqsj、max-δqs為輸入，topts為目標(biāo)輸出，對(duì)rnn循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后得到進(jìn)氣溫度分析模型。

55、優(yōu)選的是，其中，tmin＝25-35℃，tmax＝55-80℃，j＝5-100。

56、本發(fā)明的有益效果是：

57、本發(fā)明提供了一種使用固態(tài)儲(chǔ)氫的氫能電動(dòng)自行車用氫燃料電池?zé)峁芾矸椒跋到y(tǒng)，本發(fā)明能夠充分利用電堆尾氣中的熱量，并用于對(duì)供應(yīng)至電堆的氫氣和空氣進(jìn)行加熱，以提高燃料電池的效率；且當(dāng)這些熱量存在富余時(shí)還能夠?qū)⑵湓儆糜趯?duì)儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加熱，可以降低加熱放氫所需的額外能耗，最終可以顯著提高氫燃料電池系統(tǒng)的整體效率；

58、本發(fā)明從降低能耗并提高電堆效率兩方面出發(fā)，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的方案來獲取進(jìn)氣溫度的適宜值，即優(yōu)化進(jìn)氣溫度，通過定義能量增益差值δq來表征優(yōu)化進(jìn)氣溫度所能夠帶來的能量收益：于優(yōu)化進(jìn)氣溫度下，能夠在消耗相對(duì)較小的能量來提高進(jìn)氣溫度的條件下，獲得相對(duì)更高的電堆效率，即獲得更大的能量收益；并且該方法中還考慮了進(jìn)氣濕度對(duì)電堆效率的影響，使得其結(jié)果更接近最優(yōu)進(jìn)氣溫度。