CN107039667B - 燃料电池堆发电系统的信号控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统及控制方法，主要包括主控制器、氢气控制单元、空气控制单元和液体循环控制单元，氢气控制单元上设有氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气进气流量计、氢气进气压力传感器和氢气循环泵；空气控制单元上设有空气增压器、空气进气流量计、加湿器和空气进气压力传感器；氢气控制单元、空气控制单元、液体循环控制单元分别与主控制器电连接。本发明通过主控制器对燃料电池的各个部分进行实时监控及数据采集，通过传感元件将数据传输到主控制器，并由主控制器对执行元件进行控制，提高燃料电池系统的整体平衡能力，使各个部分协调工作，从而使燃料电池始终工作在最佳效率以及运行安全。

Description

燃料电池堆发电系统的信号控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池堆发电技术领域，特别是涉及一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统及控制方法。

背景技术

近年来随着能源短缺和环境恶化日益严重，燃料电池作为一种高效洁净的发电装置，其技术的发展引发了各国政府、企业、科研机构及高等院校的高度重视。燃料电池被看做是继火力发电、水力发电与核电之后的第四种发电方式，被认为是21世纪首选的洁净高效的发电技术。燃料电池通常被这样定义：只要不断地向电极提供反应物质，就能连续地将供给的燃料的化学能转化成电能、热能和水的电化学装置。

燃料电池系统是一个复杂的化学、物理过程，涉及到氢气供给系统、空气或氧气供给系统以及水/热管理系统，通过人工操作不能满足效率、安全稳定性等方面的要求。由于燃料电池系统的负载经常发生变化，特别是车辆用的燃料电池，要频繁的启动、停止、变速，导致负载变化非常大。因此，对燃料电池系统的各个部分协调稳定工作有效控制，是目前燃料电池发电系统开发设计者的棘手问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统及控制方法，通过主控制器对燃料电池的各个部分进行实时监控及数据采集，涉及的多种传感元件(如温度传感器、压力传感器、液位传感器、电导率传感器和流量计等)将数据传输到主控制器，并由主控制器对多种执行元件(如电磁阀、调节阀和循环泵等)进行控制，提高燃料电池系统的整体平衡能力，使各个部分协调工作，从而使燃料电池始终工作在最佳效率以及运行安全。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统，包括氢气控制单元、空气控制单元和液体循环控制单元；

所述氢气控制单元上依次设有氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、气水分离器和氢气循环泵，所述氢气进气压力传感器位于燃料电池堆的氢气进口端，所述氢气循环泵的一端与所述燃料电池堆的氢气出口端连接且位于所述气水分离器的下游，所述氢气循环泵的另一端与所述燃料电池堆的氢气进口端连接且位于所述氢气进气流量计的上游；

所述空气控制单元上依次设有空气增压器、空气进气流量计、加湿器和空气进气压力传感器，所述空气进气压力传感器位于所述燃料电池堆的空气进口端；

所述液体循环控制单元包括预热循环控制单元和外循环冷却控制单元，所述预热循环控制单元上依次设有加热器和第一液体循环泵，所述外循环冷却控制单元上设有热交换器和第二液体循环泵，所述预热循环控制单元和所述外循环冷却控制单元两者的通用管路上设有进水压力传感器、进水温度传感器、电导率传感器和出水温度传感器，所述进水压力传感器、所述进水温度传感器和所述电导率传感器皆位于所述燃料电池堆的液体进口端，所述出水温度传感器位于所述燃料电池堆的液体出口端，所述热交换器内设有液位传感器；

还包括主控制器，所述氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气循环泵、空气增压器、空气进气流量计、空气进气压力传感器、加热器、第一液体循环泵、进水压力传感器、进水温度传感器、电导率传感器、液位传感器、第二液体循环泵和出水温度传感器分别与所述主控制器电连接。

进一步地说，所述氢气控制单元上还设有氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器皆位于所述燃料电池堆的氢气进口端，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器分别与所述主控制器电连接。

进一步地说，所述氢气控制单元上还设有排水电磁阀和排水管道，所述排水管道的一端与所述气水分离器连通，所述排水电磁阀位于所述排水管道上，所述排水电磁阀与所述主控制器电连接。

进一步地说，所述主控制器为PLC(西门子系列)。

所述的一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步：主控制器控制预热循环控制单元的加热器和第一液体循环泵打开，液体经加热器加热后通入燃料电池堆；其中，进水压力传感器控制进水压力为10-50KPa，电导率传感器控制进水电导率不高于200μS/cm，进水温度传感器控制进水温度为65-70℃；

第二步：当出水温度传感器检测到出水温度为75-80℃时，主控制器关闭预热循环控制单元的第一液体循环泵和加热器，同时启动氢气控制单元、空气控制单元和外循环冷却控制单元；

氢气控制单元的控制过程：主控制器控制氢气进气电磁阀打开，氢气通过管道进入燃料电池堆，在燃料电池堆的氢气进口端通过采集氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器的数据，将采集的数据由主控制器作出判断后，再由主控制器发出指令给氢气进气电磁阀和氢气进气电动调节阀，从而通过控制氢气进气电磁阀来控制氢气的压力，通过控制氢气进气电动调节阀来控制氢气流量，另外，氢气循环泵将气水分离器中分离出的氢气重新泵入燃料电池堆，当燃料电池堆的氢气进口端的氢气进气压力传感器检测到氢气进气的压力值超过设定值时，将信号传递给主控制器，并由主控制器控制电动调节阀调节氢气进气流量；其中，氢气进气流量计的流量为650-700L/min，氢气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa，氢气进气温度传感器的温度维持在大于60℃，氢气进气湿度传感器的湿度维持在90-100％；

空气控制单元的控制过程：空气通过加湿器进入燃料电池堆，并在燃料电池堆的空气进口端采集空气进气流量计和空气进气压力传感器的数据，维持进入燃料电池堆的空气的流量值和压力值在一定的范围内波动；其中，空气进气流量计的流量为2500-2580L/min，空气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa；

外循环冷却控制单元的控制过程：主控制器开启外循环冷却控制单元的第二液体循环泵，当热交换器中的液位传感器检测到热交换器中水位低于设定值时，将信号传送到主控制器，提醒工作人员在热交换器中添加水。

进一步地说，所述排水电磁阀与所述主控制器的控制方法包括以下两种：

第一种：设定主控制器每5-10min打开排水电磁阀，将氢气控制单元中产生的水排放出去，间隔0.5-1.5s后关闭排水电磁阀，如此循环；

第二种：排水电磁阀的上游设有一出水液位传感器，出水液位传感器与主控制器电连接，当出水液位传感器检测到氢气控制单元中排水管道的水位超过设定值时，将信号传输至主控制器，从而主控制器控制排水电磁阀打开，排水。

本发明的有益效果至少具有以下几点：

一、本发明通过主控制器对氢气控制单元、空气控制单元和液体循环控制单元中的多种传感元件和执行元件进行实时监控以及数据采集，利于提高燃料电池系统的工作效率以及运行安全性；

二、本发明对空气控制单元中设有的空气进气流量计和空气进气压力传感器进行数据采集并通过空气增压器调节，能够精确控制空气的流量，保证系统的运行要求；

三、本发明氢气控制单元上设有的氢气循环泵能够将燃料电池堆反应后残余的氢气重新泵入氢气控制单元，避免氢气外排造成资源浪费；

四、本发明液体循环控制单元上设有的电导率传感器能够检测进入燃料电池堆的液体的电导率，使其循环液体保持良好的绝缘性能；出水温度传感器能够检测循环水温，当温度达到设定值时能够及时关闭预热循环控制单元，靠燃料电池堆产生的热量进行运行，减少燃料电堆系统的能源消耗。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的管路连接结构示意图；

图3是本发明的控制原理示意图；

附图中各部分标记如下：

氢气控制单元1、空气控制单元2、燃料电池堆3、预热循环控制单元4、外循环冷却控制单元5、主控制器6、氢气进气电磁阀8、电动调节阀9、氢气进气流量计10、氢气进气压力传感器11、气水分离器12、氢气循环泵13、氢气进气温度传感器15、氢气进气湿度传感器16、排水电磁阀17、排水管道18、空气增压器19、空气进气流量计20、加湿器21、空气进气压力传感器22、加热器23、第一液体循环泵24、热交换器25、液位传感器26、第二液体循环泵27、进水压力传感器28、进水温度传感器29、电导率传感器30和出水温度传感器31。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例：一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统，如图1-图3所示，包括氢气控制单元1、空气控制单元2和液体循环控制单元；

所述氢气控制单元1上依次设有氢气进气电磁阀8、电动调节阀9、氢气进气流量计10、氢气进气压力传感器11、气水分离器12和氢气循环泵13，所述氢气进气压力传感器11位于燃料电池堆3的氢气进口端，所述氢气循环泵13的一端与所述燃料电池堆3的氢气出口端连接且位于所述气水分离器12的下游，所述氢气循环泵13的另一端与所述燃料电池堆3的氢气进口端连接且位于所述氢气进气流量计10的上游；

所述空气控制单元2上依次设有空气增压器19、空气进气流量计20、加湿器21和空气进气压力传感器22，所述空气进气压力传感器22位于所述燃料电池堆3的空气进口端；

所述液体循环控制单元包括预热循环控制单元4和外循环冷却控制单元5，所述预热循环控制单元4上依次设有加热器23和第一液体循环泵24，所述外循环冷却控制单元5上设有热交换器25和第二液体循环泵27，所述预热循环控制单元4和所述外循环冷却控制单元5两者的通用管路上设有进水压力传感器28、进水温度传感器29、电导率传感器30和出水温度传感器31，所述进水压力传感器28、所述进水温度传感器29和所述电导率传感器30皆位于所述燃料电池堆3的液体进口端，所述出水温度传感器31位于所述燃料电池堆3的液体出口端，所述热交换器25内设有液位传感器26；

还包括主控制器6，所述氢气进气电磁阀8、电动调节阀9、氢气进气流量计10、氢气进气压力传感器11、氢气循环泵13、空气增压器19、空气进气流量计20、空气进气压力传感器22、加热器23、第一液体循环泵24、进水压力传感器28、进水温度传感器29、电导率传感器30、液位传感器26、第二液体循环泵27和出水温度传感器31分别与所述主控制器6电连接。

所述氢气控制单元1上还设有氢气进气温度传感器15和氢气进气湿度传感器16，所述氢气进气温度传感器15和所述氢气进气湿度传感器16皆位于所述燃料电池堆3的氢气进口端，所述氢气进气温度传感器15和所述氢气进气湿度传感器16分别与所述主控制器6电连接。

所述氢气控制单元1上还设有排水电磁阀17和排水管道18，所述排水管道18的一端与所述气水分离器12连通，所述排水电磁阀17位于所述排水管道18上，所述排水电磁阀17与所述主控制器6电连接。

所述主控制器6为PLC(西门子系列)。

所述的一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步：主控制器控制预热循环控制单元的加热器和第一液体循环泵打开，液体经加热器加热后通入燃料电池堆；其中，进水压力传感器控制进水压力为10-50KPa，电导率传感器控制进水电导率不高于200μS/cm，进水温度传感器控制进水温度为65-70℃；

第二步：当出水温度传感器检测到出水温度为75-80℃时，主控制器关闭预热循环控制单元的第一液体循环泵和加热器，同时启动氢气控制单元、空气控制单元和外循环冷却控制单元；

氢气控制单元的控制过程：主控制器控制氢气进气电磁阀打开，氢气通过管道进入燃料电池堆，在燃料电池堆的氢气进口端通过采集氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器的数据，将采集的数据由主控制器作出判断后，再由主控制器发出指令给氢气进气电磁阀和氢气进气电动调节阀，从而通过控制氢气进气电磁阀来控制氢气的压力，通过控制氢气进气电动调节阀来控制氢气流量；另外，氢气循环泵将气水分离器中分离出的氢气重新泵入燃料电池堆，当燃料电池堆的氢气进口端的氢气进气压力传感器检测到氢气进气的压力值超过设定值时，将信号传递给主控制器，并由主控制器控制电动调节阀调节氢气进气流量；其中，氢气进气流量计的流量为650-700L/min，氢气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa，氢气进气温度传感器的温度维持在大于60℃，氢气进气湿度传感器的湿度维持在90-100％；

空气控制单元的控制过程：空气通过加湿器进入燃料电池堆，并在燃料电池堆的空气进口端采集空气进气流量计和空气进气压力传感器的数据，维持进入燃料电池堆的空气的流量值和压力值在一定的范围内波动；其中，空气进气流量计的流量为2500-2580L/min，空气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa；

外循环冷却控制单元的控制过程：主控制器开启外循环冷却控制单元的第二液体循环泵，当热交换器中的液位传感器检测到热交换器中水位低于设定值时，将信号传送到主控制器，提醒工作人员在热交换器中添加水。

所述排水电磁阀与所述主控制器的控制方法包括以下两种：

第一种：设定主控制器每5-10min打开排水电磁阀，将氢气控制单元中产生的水排放出去，间隔0.5-1.5s后关闭排水电磁阀，如此循环；

第二种：排水电磁阀的上游设有一出水液位传感器，出水液位传感器与主控制器电连接，当出水液位传感器检测到氢气控制单元中排水管道的水位超过设定值时，将信号传输至主控制器，从而主控制器控制排水电磁阀打开，排水。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种燃料电池堆发电系统的信号控制系统，包括氢气控制单元（1）、空气控制单元（2）、液体循环控制单元，其特征在于：

所述氢气控制单元上依次设有氢气进气电磁阀（8）、电动调节阀（9）、氢气进气流量计（10）、氢气进气压力传感器（11）、气水分离器（12）和氢气循环泵（13），所述氢气进气压力传感器位于燃料电池堆（3）的氢气进口端，所述氢气循环泵的一端与所述燃料电池堆的氢气出口端连接且位于所述气水分离器的下游，所述氢气循环泵的另一端与所述燃料电池堆的氢气进口端连接且位于所述氢气进气流量计的上游；

所述空气控制单元上依次设有空气增压器（19）、空气进气流量计（20）、加湿器（21）和空气进气压力传感器（22），所述空气进气压力传感器位于所述燃料电池堆的空气进口端；

所述液体循环控制单元包括预热循环控制单元（4）和外循环冷却控制单元（5），所述预热循环控制单元上依次设有加热器（23）和第一液体循环泵（24），所述外循环冷却控制单元上设有热交换器（25）和第二液体循环泵（27），所述预热循环控制单元和所述外循环冷却控制单元两者的通用管路上设有进水压力传感器（28）、进水温度传感器（29）、电导率传感器（30）和出水温度传感器（31），所述进水压力传感器、所述进水温度传感器和所述电导率传感器皆位于所述燃料电池堆的液体进口端，所述出水温度传感器位于所述燃料电池堆的液体出口端，所述热交换器内设有液位传感器（26）；

还包括主控制器（6），所述氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气循环泵、空气增压器、空气进气流量计、空气进气压力传感器、加热器、第一液体循环泵、进水压力传感器、进水温度传感器、电导率传感器、液位传感器、第二液体循环泵和出水温度传感器分别与所述主控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的信号控制系统，其特征在于：所述氢气控制单元上还设有氢气进气温度传感器（15）和氢气进气湿度传感器（16），所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器皆位于所述燃料电池堆的氢气进口端，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器分别与所述主控制器电连接。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的信号控制系统，其特征在于：所述氢气控制单元上还设有排水电磁阀（17）和排水管道（18），所述排水管道的一端与所述气水分离器连通，所述排水电磁阀位于所述排水管道上，所述排水电磁阀与所述主控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的信号控制系统，其特征在于：所述主控制器为PLC。

5.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的信号控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：主控制器控制预热循环控制单元的加热器和第一液体循环泵打开，液体经加热器加热后通入燃料电池堆；其中，进水压力传感器控制进水压力为10-50KPa，电导率传感器控制进水电导率不高于200μS/cm，进水温度传感器控制进水温度为65-70℃；

第二步：当出水温度传感器检测到出水温度为75-80℃时，主控制器关闭预热循环控制单元的第一液体循环泵和加热器，同时启动氢气控制单元、空气控制单元和外循环冷却控制单元；

氢气控制单元的控制过程：主控制器控制氢气进气电磁阀打开，氢气通过管道进入燃料电池堆，在燃料电池堆的氢气进口端通过采集氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器的数据，将采集的数据由主控制器作出判断后，再由主控制器发出指令给氢气进气电磁阀和氢气进气电动调节阀，从而通过控制氢气进气电磁阀来控制氢气的压力，通过控制氢气进气电动调节阀来控制氢气流量；另外，氢气循环泵将气水分离器中分离出的氢气重新泵入燃料电池堆，当燃料电池堆的氢气进口端的氢气进气压力传感器检测到氢气进气的压力值超过设定值时，将信号传递给主控制器，并由主控制器控制电动调节阀调节氢气进气流量；其中，氢气进气流量计的流量为650-700L/min，氢气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa，氢气进气温度传感器的温度维持在大于60℃，氢气进气湿度传感器的湿度维持在90-100%；

空气控制单元的控制过程：空气通过加湿器进入燃料电池堆，并在燃料电池堆的空气进口端采集空气进气流量计和空气进气压力传感器的数据，维持进入燃料电池堆的空气的流量值和压力值在一定的范围内波动；其中，空气进气流量计的流量为2500-2580L/min，空气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa；

外循环冷却控制单元的控制过程：主控制器开启外循环冷却控制单元的第二液体循环泵，当热交换器中的液位传感器检测到热交换器中水位低于设定值时，将信号传送到主控制器，提醒工作人员在热交换器中添加水。

6.根据权利要求3所述的燃料电池堆发电系统的信号控制系统的控制方法，其特征在于：所述排水电磁阀与所述主控制器的控制方法包括以下两种：

第一种：设定主控制器每5-10min打开排水电磁阀，将氢气控制单元中产生的水排放出去，间隔0.5-1.5s后关闭排水电磁阀，如此循环；

第二种：排水电磁阀的上游设有一出水液位传感器，出水液位传感器与主控制器电连接，当出水液位传感器检测到氢气控制单元中排水管道的水位超过设定值时，将信号传输至主控制器，从而主控制器控制排水电磁阀打开，排水。