CN106684407B - 一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池技术及控制领域，尤其涉及一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法。为解决合金储氢罐有效的氢气利用效率无法达到最优，浪费了大量氢气储量的问题。本发明提出一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法。所述系统包括合金储氢单元、燃料电池单元d、温度分布计算单元m、中央控制系统i、功率采集器h、耗电负载单元g与DC/AC逆变器f。通过储氢合金的放氢PCT曲线及储氢合金粉末块体的热导率，计算出最佳放氢温度及保持温度所需热量，进而调整燃料电池散热系统供热为储氢合金罐加温，最大优化合金储氢罐有效放氢量，大幅提高氢气利用效率。

Description

一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术及控制领域，尤其涉及一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法。
背景技术
燃料电池电源是广泛应用于通信领域的应急备用电源，也可作为电网不方便地区的独立电源。燃料电池将燃料的电化学能转化为电能，其效率远远高于内燃机效率。用氢能作为燃料电池的燃料是最佳的选择。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，其主要优点在于清洁和高效，氢气的燃烧热值高，燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。氢气也可以由水制取，可以直接存储、运输及使用。然而氢的存储与输送是氢能利用中的重要环节，如何做到安全、高效和无泄漏是必须要考虑的问题。目前，合金储氢技术可以实现在常温环境下充放氢气，储氢密度极大，接近液态储氢，并且吸氢压力也仅为一般气态储氢气瓶所需压力的五分之一，适合与各种制氢设备连接，因此合金储氢技术是燃料电池系统最匹配的储氢技术。然而合金储氢技术的储氢密度巨大，由此导致此类储氢系统在放氢过程中需要大量吸热，短时间过快放氢会导致储氢合金温度急剧下降，从而降低了合金的有效放氢量。目前虽然已有利用燃料电池废热与储氢罐吸热耦合从而达到热循环利用的发明专利，然而在燃料电池系统设计中，通常以气态储氢气瓶为供氢单元，没有利用合金储氢罐的供氢机理，在不同功率、压力及储氢量变化的条件下，有效管理氢气输入的流量和废热循环效率的设计，导致合金储氢罐有效的氢气利用效率无法达到最优，浪费了大量氢气储量。例如小型风冷式燃料电池的发电功率主要依赖耗电负载的功率被动调整，氢气输入压力和流量没有调整功能，因而无法有效规划利用。目前通信基站主要以铅酸蓄电池作为主要的后备电源，其缺陷主要在于维护成本高，使用寿命短，不能长时间连续供电，对环境污染严重，过冷过热、过充过放、快充快放都会导致储量大幅下降，为了让铅酸电池长时间连续供电，还需增加数倍储量的电池系统，占用更大的空间，同时电池系统冷藏处理也耗费大量电能。新兴的锂离子电池虽然避免了铅酸电池的缺点，但其本身易燃易爆，安全性较差。而另一类稳定的镍氢电池则价格高昂，过充过放损害较大，不利于长期待机储能。燃料电池电源系统可以避免电池类备用电源的缺点，其效率高、易维护；在应急和防灾方面有很大的优势；易于智能化管理，对突然停电和突发性灾害有很好的预见性；使用寿命可达数千小时，长期待机不损害使用寿命，是通讯基站备用电源系统的最佳选择。目前适合基站备用电源的合金储氢罐主要使用AB(如TiFe)和AB2(如TiMn2)系储氢合金，这些合金在特定的较小压力区间内存在可以大量放氢的放氢平台，平台压力随着合金温度的升降而升降，当温度低于某特定点时，平台压力会低于大气压导致大量储氢容量无法利用。虽然已有研究利用燃料电池的废热对储氢罐加热的设计，但是没有对储氢合金的具体温度的监控以及对燃料电池的散热系统的调整，容易出现燃料电池供热不足导致储氢罐放氢量减少，而供氢的不足又会导致燃料电池功率降低，进而令供热进一步减少，最终出现储氢罐尚余大量氢气，但因为温度过低而无法放出，致使燃料电池提前停机的结果。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法，其特征在于：
一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统，包括合金储氢单元、燃料电池单元d、温度分布计算单元m、中央控制系统i、功率采集器h、耗电负载单元g、DC/AC逆变器f；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐a、换热腔室p、表面温度传感器k、风道o、散热叶片q、氢气温度传感器l、流量控制器j、氢气减压阀b、压力传感器r、供氢管路c；燃料电池单元d包括质子交换膜e、散热系统n；合金粉末储氢罐a、氢气减压阀b、氢气管路c燃料电池单元d、DC/AC逆变器f、耗电负载单元g、功率采集器h、中央控制器i、流量控制器j依次相连，流量控制器j通过氢气管路c与燃料电池单元d相连，燃料电池单元d的质子交换膜e通过DC/AC逆变器f与耗电负载单元g相连，在合金粉末储氢罐a的表面安装四组表面温度传感器k，并在合金粉末储氢罐a与氢气管路c的连接处安装氢气温度传感器l，将各个表面温度传感器连接至温度分布计算单元m中，温度分布计算单元m与中央控制系统i相连，在合金粉末储氢罐a外侧设有换热腔室p与散热叶片q，散热系统n与风道o相连，使热风进入换热腔室p，通过散热叶片q进行热交换。
所述合金粉末储氢罐a使用的合金是储氢合金。
所述燃料电池单元d可使用风冷式燃料电池系统或水冷式燃料电池系统。
所述燃料电池单元d为氢-氧或氢-空气质子交换膜燃料电池发电装置。
所述燃料电池单元d包括在线检测尾气氢气含量的装置、废热与合金储氢罐加热系统耦合的可循环利用装置。
所述中央控制器i为PLC可编程逻辑控制器、MCU多点控制单元单片机、DSP高速数字信号处理器中的一种或多种，所述中央控制器i可在断电后自动运行，也可通过网络进行远程监控。
所述控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率系统的工作方法，包括：
步骤一：当外部电网断电时，合金粉末储氢罐a开始放氢，氢气经过减压输送至燃料电池单元d发电，燃料电池单元d将产生的电能传输至耗电负载单元g中供其使用。
步骤二：功率采集器h通过采集耗电负载单元g的耗电功率，提供功率变化曲线数据，并将采集的数据传输至中央控制器i，通过与已知燃料电池极化曲线和功率密度曲线进行对比，中央控制器i对已知燃料电池发电功率与供氢压力及流量的效率曲线进行评估，根据评估结果改变供氢压力及流量，直到燃料电池稳定工作在低功率密度高效率区为止。
步骤三：中央控制器i通过负载功率、氢气压力和温度采集系统获得燃料电池的实时数据，通过对比计算获得最佳优化控制曲线，并通过氢气流量和散热系统n进行控制，获得最优化的氢气利用效率。
本发明的有益效果在于：
(1)针对目前小型风冷式燃料电池的发电功率主要依赖耗电负载的功率被动调整，氢气输入压力和流量没有调整功能，无法有效规划利用。本发明通过安装于负载上的功率采集器，提前测定负载功率，并根据功率变化改变供氢单元的供氢流量，系统简单，可以自动调整，大幅提高氢气利用效率；
(2)针对当前已有的燃料电池没有对储氢合金具体温度进行监控，也没有对燃料电池的散热系统进行调整，容易出现燃料电池供热不足导致储氢罐放氢量减少的现象，而供氢不足又导致燃料电池功率降低，进而令供热进一步减少，最终出现储氢罐尚余大量氢气由于温度过低而无法放出，致使燃料电池提前停机的结果。本发明可以持续监控储氢罐表面及放出氢气的温度及压力，根据储氢合金的放氢PCT曲线及储氢合金粉末块体的热导率，计算出最佳放氢温度及保持温度所需热量，进而调整燃料电池散热系统供热为储氢合金罐加温，最大优化合金储氢罐有效放氢量。
附图说明
附图1是合金储氢-燃料电池发电备用电源系统的设计结构图
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
附图1为合金储氢-燃料电池发电备用电源系统的设计结构图，如图1所示，所属系统包括合金储氢单元、燃料电池单元d、温度分布计算单元m、中央控制系统i、功率采集器h、耗电负载单元g、DC/AC逆变器f；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐a、换热腔室p、表面温度传感器k、风道o、散热叶片q、氢气温度传感器l、流量控制器j、氢气减压阀b、压力传感器r、供氢管路c；燃料电池单元d包括质子交换膜e、散热系统n；合金粉末储氢罐a、氢气减压阀b、氢气管路c燃料电池单元d、DC/AC逆变器f、耗电负载单元g、功率采集器h、中央控制器i、流量控制器j依次相连，流量控制器j通过氢气管路c与燃料电池单元d相连，燃料电池单元d的质子交换膜e通过DC/AC逆变器f与耗电负载单元g相连，在合金粉末储氢罐a的表面安装四组表面温度传感器k，并在合金粉末储氢罐a与氢气管路c的连接处安装氢气温度传感器l，将各个表面温度传感器连接至温度分布计算单元m中，温度分布计算单元m与中央控制系统i相连，在合金粉末储氢罐a外侧设有换热腔室p与散热叶片q，散热系统n与风道o相连，使热风进入换热腔室p，通过散热叶片q进行热交换。
合金粉末储氢罐a，通过氢气减压阀b将输出氢气压力降低至所需压力，通过氢气管路c传输至燃料电池单元d中，氢气通过质子交换膜e与空气中的氧气反应，产生直流电通过DC/AC逆变器f传输到耗电负载单元g中令其运行。本发明通过功率采集器h采集负载单元g的功率变化数据传输至中央控制器i中与其中存储的燃料电池发电效率曲线进行对比，得到最佳供氢流量，并将数据传输至流量控制器j中实时调节氢气流量，保证供氢流量与燃料电池d所需最佳消耗量吻合。同时，在每个合金粉末储氢罐a的表面安装四组表面温度传感器k，并在合金粉末储氢罐a与氢气管路c的连接处安装氢气温度传感器l，将采集到的温度传输至温度分布计算单元m中，结合预先存储的合金粉末块体热导率数据，计算出罐体内部合金粉末温度变化分布曲线，并传输至中央控制器i，结合预先存储的合金粉末放氢PCT曲线以及当前压力，计算出合金粉末储氢罐a的残余储氢量以、最佳放氢温度及达到和保持该温度所需热能，将输出传输至燃料电池单元d的散热系统n，调节风道o的散热流量，使热风进入换热腔室p，通过散热叶片q进行热交换，使合金粉末储氢罐a温度达到最佳放氢温度。
合金储氢-燃料电池发电备用电源系统的工作方法如下所述：
当外部电网断电时，合金粉末储氢罐a开始放氢，氢气经过减压输送至燃料电池单元d发电，燃料电池单元d将产生的电能传输至耗电负载单元g中供其使用；功率采集器h通过采集耗电负载单元g的耗电功率，提供功率变化曲线数据，并将采集的数据传输至中央控制器i，通过与已知燃料电池极化曲线和功率密度曲线进行对比，中央控制器i对已知燃料电池发电功率与供氢压力及流量的效率曲线进行评估，根据评估结果改变供氢压力及流量，直到燃料电池稳定工作在低功率密度高效率区为止；压力传感器采集合金粉末储氢罐a输出的氢气压力变化数据，氢气温度传感器l采集合金储氢罐体表面各部位的温度分布数据以及瓶口输出氢气温度数据，压力传感器与氢气温度传感器l将采集到的数据传输至m，温度分布计算单元m根据已知的合金粉末块体热导率，结合合金储氢罐体出口处测得储氢罐的氢气压力，计算出罐体内部不同部位的合金粉末块体的温度分布模型，确定在连续放氢条件下罐体内部各部位温度变化分布曲线，并将结果传输至中央控制器i，建立罐体内部热力学变化的数学模型，计算出达到此压力下合金粉末最优放氢平台所需热能，并根据合金粉末块体热传导性能，计算出所需罐体外部受热温度及热空气流量；中央控制器i根据计算结果向燃料电池单元d的散热系统n输出操作命令，调节散热系统n输出的热风温度及流量，热风进入存放合金粉末储氢罐a的换热腔室p，腔室内储氢罐外壁安装换热翅片，中央控制器i存储换热腔室p的热交换面积数据，保证燃料电池单元d排出的热风温度及流速能够满足合金粉末储氢罐a所需的热能。在燃料电池中产生等于或高于所计算的余热，并通过提高散热系统功率增加储氢罐热交换叶片换热效果。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。在不脱离本发明主旨和范围的前提下，本发明还会有进一步的改进，所作改进仍在要求保护的本发明范围内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统，其特征在于，包括合金储氢单元、燃料电池单元（d）、温度分布计算单元(m)、中央控制系统（i）、功率采集器（h）、耗电负载单元（g）、DC/AC逆变器（f）；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐（a）、换热腔室（p）、表面温度传感器（k）、风道（o）、散热叶片（q）、氢气温度传感器（l）、流量控制器（j）、氢气减压阀（b）、压力传感器（r）、供氢管路（c）；燃料电池单元（d）包括质子交换膜（e）、散热系统（n）；合金粉末储氢罐（a）、氢气减压阀（b）、供氢管路（c）燃料电池单元（d）、DC/AC逆变器（f）、耗电负载单元（g）、功率采集器（h）、中央控制系统（i）、流量控制器（j）依次相连，流量控制器（j）通过供氢管路(c)与燃料电池单元（d）相连，燃料电池单元（d）的质子交换膜（e）通过DC/AC逆变器（f）与耗电负载单元（g）相连，在合金粉末储氢罐（a）的表面安装四组表面温度传感器（k），并在合金粉末储氢罐（a）与供氢管路(c)的连接处安装氢气温度传感器（l），将各个表面温度传感器连接至温度分布计算单元（m）中，温度分布计算单元（m）与中央控制系统（i）相连，在合金粉末储氢罐（a）外侧设有换热腔室（p）与散热叶片（q），散热系统（n）与风道（o）相连，使热风进入换热腔室（p），通过散热叶片（q）进行热交换。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述合金粉末储氢罐（a）使用的合金是储氢合金。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述燃料电池单元（d）可使用风冷式燃料电池系统或水冷式燃料电池系统。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述燃料电池单元（d）为氢-氧或氢-空气质子交换膜燃料电池发电装置。
5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述燃料电池单元（d）包括在线检测尾气氢气含量的装置、废热与合金储氢罐加热系统耦合的可循环利用装置。
6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述中央控制系统（i）为PLC可编程逻辑控制器、 MCU多点控制单元单片机、 DSP高速数字信号处理器中的一种或多种，所述中央控制系统（i）可在断电后自动运行，也可通过网络进行远程监控。
7.一种基于权利要求1所述系统的工作方法，其特征在于：
步骤一：当外部电网断电时，合金粉末储氢罐（a）开始放氢，氢气经过减压输送至燃料电池单元(d)发电，燃料电池单元(d)将产生的电能传输至耗电负载单元（g）中供其使用；
步骤二：功率采集器（h）通过采集耗电负载单元（g）的耗电功率，提供功率变化曲线数据，并将采集的数据传输至中央控制系统（i），通过与已知燃料电池极化曲线和功率密度曲线进行对比，中央控制系统（i）对已知燃料电池发电功率与供氢压力及流量的效率曲线进行评估，根据评估结果改变供氢压力及流量，直到燃料电池稳定工作在低功率密度高效率区为止；
步骤三：中央控制系统（i）通过负载功率、氢气压力和温度采集系统获得燃料电池的实时数据，通过对比计算获得最佳优化控制曲线，并通过氢气流量和散热系统（n）进行控制，获得最优化的氢气利用效率。
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