[发明专利]氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法

说明书

本发明提供一种新的用于估计或预估氢燃料电池供电时间的系统和方法，其中本发明氢燃料电池供电时间估计系统能够实时监控氢燃料电池的供电时间，其尤其适用于无人机氢燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种氢燃料电池供电时间估计系统，以估计氢燃料电池的供电时间或续航时间。本发明进一步涉及一种氢燃料电池供电时间估计方法。

背景技术

在燃料电池(如氢燃料电池)被用于供电时，准确估计其供电时间具有重要意义。例如，在氢燃料电池用于无人机供电和飞行动力时，氢燃料电池的供电时间(或续航时间)需要被提前预知或准确估计，以合理规划飞行航线和作为返航和降落时间的参考依据。如果氢燃料电池的实际供电时间小于估计供电时间，则可能导致无人机在飞行过程中即耗尽燃料和无人机飞行事故。然而，如果氢燃料电池的实际供电时间远大于估计供电时间，则可能导致无人机的提前降落和无法完成无人机飞行目的。因此，当无人机采用氢燃料电池作为动力源时，准确估计其供电时间对无人机的安全飞行，甚至对燃料电池供电系统本身的安全运行具有重要意义。

现有的氢燃料电池(或氢燃料电池供电系统)一般包括用于存储氢气的储氢装置，如气瓶等。该储氢装置的容量、内部氢气压力、环境温度等因素决定了储氢装置当前氢气储量的大小。现有氢燃料电池中，多通过检测储气装置内部氢气压力，结合经验估算氢燃料电池的正常供电时间(或剩余运行时间)。然而，无人机高空飞行时，其所在环境往往存在较大噪音。在利用传感器对储氢装置中的氢气压力进行检测时，环境噪音对氢气压力的检测结果带来很大干扰，往往导致氢气压力检测结果出现很大波动，其有可能导致无人机因错误认为燃料即将耗尽而降落，或因错误以为燃料充足而在应该降落时，继续飞行，从而导致飞行事故的发生。此外，现有剩余氢气压力估值法未考虑环境温度的变化对该储氢装置中剩余氢气量检测结果的影响。该储氢装置在充气和飞行过程中的环境温度存在差别，且氢气在释放过程中也会带走热量，会导致储氢装置的温度逐渐变低。最后，现有剩余氢气压力估值法还未考虑氢燃料电池对氢气的利用率。实际上，当储氢装置内氢气压力过低时，燃料电池将很难利用低压力(或压强)氢气。因此，现有依据当前储氢装置内部剩余氢气压力来估计(估计)氢燃料电池的供电时间的方法误差较大，不适用氢燃料电池无人机等对供电时间要求严苛的应用。

如图1所示为现有的一种估算燃料电池系统氢气瓶剩余氢气压力的装置及方法。该估算装置包括氢气瓶1P、燃料电池(堆)6P和燃料电池控制器2P，其中氢气瓶1P出口设有气压表(或压力表)4P，氢气瓶1P出口通过管路与燃料电池堆6P连接；燃料电池堆6P通过装有电流传感器7P的电流传输线实时输出电流；燃料电池控制器2P内存储氢气瓶1P满瓶状态下的压力值，燃料电池控制器2P还控制燃料电池堆6P的启闭，且采集电流传感器7P测得的电流值并对其进行处理计算及存储；发电机8P被连接于电流传感器7P，减压阀5P设置于压力表4P和燃料电池堆6P之间，温度传感器9P以及复位按钮3P被连接于燃料电池控制器2P。在氢燃料电池系统用于供电时，首先，向储氢装置(氢气瓶1P)内充气至其压力达到设定范围，求得氢气初始摩尔值；在燃料电池启动和正常运行后，测量其实时输出电流值，并计算得到当前运行时间内输出的总电量，从而计算消耗的氢气摩尔量，算得氢气瓶1P的剩余压力。然而，现有这种氢燃料电池供电时间估计系统(或燃料电池系统的氢气瓶剩余氢气压力估算装置)具有诸多缺陷：首先，现有氢燃料电池供电时间估计系统需要准确测量储氢装置的气压或压力，并将测量结果传输至氢燃料电池的主控制器的数据处理器，以根据储氢装置内的气压计算储氢装置内的氢气量。然而，现有绝大部分，甚至是所有氢燃料电池供电时间估计系统，均未考虑环境噪音对测量结果的影响。其次，现有氢燃料电池供电时间估计系统未考虑氢燃料电池堆对储氢装置中剩余氢气的利用率。也未考虑不同气压下，氢气的压缩率(或压缩因子)变化。最后，现有氢燃料电池供电时间估计系统未考虑燃料电池的储氢装置的容量变化。在实际应用中，氢燃料电池的储氢装置可能会被直接更换，如直接更换完成灌装的储氢装置，从而导致氢燃料电池的储氢装置的容量发生变化。此时，如果仍需估计氢燃料电池的供电时间，则需要更改数据处理器中的储氢装置容量值。

发明内容