CN108258266A - 一种自适应燃料电池系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应燃料电池系统及控制方法，系统包括：供能模块，包括多个并联的燃料电池堆；温湿度调节模块，与供能模块连接；供能调节模块，通过温湿度调节模块与供能模块连接；系统控制模块，分别与供能模块、温湿度调节模块和供能调节模块连接；方法包括：供能调节步骤，根据负载的功率需求，调节向供能模块内输送的气体量，实现供能模块提供电能值的调节；湿度调节步骤，采集当前供能模块内部的湿度状态，根据采集结果对供能模块进行湿度调节；温度调节步骤，采集当前排出的废水温度，根据采集结果对待回收的废水温度进行调节，三个步骤相互独立。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、成本低以及提高燃料电池寿命等优点。

Description

一种自适应燃料电池系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种自适应燃料电池系统及控制方法。

背景技术

21世纪世界范围内大力发展和推广燃料电池技术，燃料电池通过电化学反应将化学能直接转化为电能，极大的降低了对环境的污染。同时，燃料电池能量转化不受卡诺循环限制，能量利用率高达40％～60％。

空间站、重型汽车、潜艇等应用场景对燃料电池功率有很高要求，而对于燃料电池的管理过程中，随之而来的将燃料电池和水、热进行统一管理成为了技术难点。专利CN105633435A提出了一种燃料电池电源系统及其管理方法，虽然可以实现燃料电池系统的水热管理，然而该系统仍是针对单堆燃料电池来进行的水热管理，而且该系统将燃料电池湿度作为主要参考量，以此控制燃料电池空气、氢气进气量，忽略了电源负载对燃料电池的功率需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种自适应燃料电池系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种自适应燃料电池系统，所述系统包括：

供能模块，包括多个并联的燃料电池堆，用于通过燃料电池反应提供电能；

温湿度调节模块，与供能模块连接，用于调节供能模块的温度和湿度；

供能调节模块，通过温湿度调节模块与供能模块连接，用于调节供能模块提供的电能值；

系统控制模块，分别与供能模块、温湿度调节模块和供能调节模块连接，用于根据供能模块的内部状态，通过调控温湿度调节模块和供能调节模块，实现对供能模块状态的控制。

优选地，所述温湿度调节模块包括：

水箱，用于提供并回收温湿度调节所需用水；

湿度调节回路，分别与水箱、供能模块、供能调节模块和系统控制模块连接，用于在系统控制模块的控制下，利用水箱供水，结合供能调节模块调节供能模块内部的反应湿度；

温度调节回路，分别与水箱、供能模块和系统控制模块连接，用于在系统控制模块的控制下，对流经供能模块的废水温度调节后供给至水箱。

优选地，所述湿度调节回路包括加湿泵和加湿器，所述加湿泵分别连接水箱和加湿器，所述加湿器分别与供能调节模块、供能模块和水箱连接。

优选地，所述温度调节回路包括冷却泵、冷却水路和冷却组件，所述冷却泵与水箱连接，所述冷却水路分别连接冷却泵和供能模块，以及供能模块和冷却组件，所述冷却组件与水箱连接。

优选地，所述供能调节模块包括反应气体供应器，所述反应气体供应器通过温湿度调节模块与供能模块连接，所述反应气体供应器上设置有调节阀，所述调节阀与系统控制模块连接。

优选地，所述系统控制模块包括相互连接的控制器和状态采集传感器，所述控制器分别与温湿度调节模块和供能调节模块连接，所述状态采集传感器分别设置于温湿度调节模块和负载上。

一种自适应燃料电池系统的控制方法，所述方法包括：

供能调节步骤，根据负载的功率需求，调节向供能模块内输送的气体量，实现供能模块提供电能值的调节；

湿度调节步骤，采集当前供能模块内部的湿度状态，根据采集结果对供能模块进行湿度调节；

温度调节步骤，采集当前排出的废水温度，根据采集结果对待回收的废水温度进行调节；

所述供能调节步骤、温度调节步骤和湿度调节步骤相互独立。

优选地，所述供能调节步骤包括：

A1)采集当前时刻的负载需求功率，并判断负载需求功率是否发生变化，若是则调节燃料电池堆的开启个数，若否则返回步骤A1)；

A2)根据燃料电池堆的开启个数变化，确定燃料电池堆内供给的气体变化量；

A3)根据气体变化量，反向调节气体供应器上的调节阀，确保燃料电池堆内的反应气体量保持充足。

优选地，所述湿度调节步骤包括：

B1)采集当前供能模块内部的湿度状态，并与控制器内部存储的参考湿度进行比对；

B2)根据比对结果，通过温湿度调节模块调节供能模块内部的湿度，保证供能模块内部的湿度与参考湿度相同。

优选地，所述温度调节步骤包括：

C1)采集温湿度调节模块内废水的温度值，并与控制器内存储的参考温度进行比对；

C2)根据比对结果，通过温湿度调节模块调节废水的温度，保证废水的温度与参考温度相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的自适应燃料电池系统，通过多个并联的燃料电池堆进行供电，减小了电池堆的膜电极和双极板的制造难度，提高了系统的可靠性；而且系统中设有温湿度调节模块和供能调节模块，二者通过系统控制模块进行控制，从而可以对系统内废水的温度、燃料电池堆的反应湿度以及燃料电池堆的反应过程均进行调节，比起现有的仅根据燃料电池堆内部湿度进行调节相比，调节对象更广，因而系统的性能更优，可以保证系统充分响应负载的需求，保证供电量。

(2)温湿度调节模块包括水箱和温度调节回路与湿度调节回路这两个独立的回路，二者共用一个水箱可以减小系统的体积和成本，而两个回路之间相互独立，则可以保证温度调节和湿度调节之间相互不发生干扰，从而可以以最高的集成度实现温度和湿度的独立调节。

(3)湿度调节回路通过加湿泵和加湿器实现，加湿器可以将水箱内的水变为气体与燃料电池堆的反应气体相混合，从而实现对燃料电池堆湿度的控制，而加湿泵的设置则实现了湿度的调节，从而使得燃料电池堆达到自适应调节湿度的目的。

(4)温度调节回路包括冷却泵、冷却水路和冷却组件，通过冷却组件调节废水温度，由于冷却组件功率可调，从而实现温度的自适应调节，而冷却水路的设置提供了冷却水的流通通道，最终通过冷却泵实现冷却水流量的调节，保证燃料电池堆可以及时散热，避免不及时散热带来的安全隐患。

(5)功能调节模块通过设有调节阀的反应气体，调节燃料电池堆内反应气体的流量，从而可以保证无论反应气体的流量与燃料电池堆的开启数量相匹配，从而使得所有的燃料反应堆都能提供足够的电能，继而实现系统功能和负载需求的匹配。

(6)系统控制模块通过状态采集传感器采集系统内的温度、湿度和气体流量等状态，再通过控制器进行相应的调节，从而可以保证系统可以自适应调控来保证最好的供能状态。

(7)本发明提出的自适应燃料电池系统的控制方法，通过三个相互独立的供能调节步骤、湿度调节步骤和温度调节步骤，使得系统的供电量、反应堆湿度和废水温度都保持在最好的状态，从而可以保证系统与负载需求的高度匹配，提高系统的自适应性能。

(8)供能调节步骤首先根据负载需求开启相应的燃料电池堆，从而使得系统的供能达到负载的需求，而改变燃料电池堆的开启个数，则会导致反应堆内提供的反应气体量过量或不足，继而影响到反应效果导致供能不足，因此接下来会根据反应推内的反应气体变换相应的调节调节阀，从而保证所有燃料反应堆都能处于最好的工作状态，最终实现系统供电量和负载需求的高度匹配。

(9)温度和湿度的调节虽然相互独立，但都是通过与控制器内存储的参考值进行比对，来保证废水温度和燃料反应堆湿度的稳定，这样的调节方式节省成本的同时可以确保较好的自适应调节效果，因而可以提高系统的性价比。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本实施例中供能调节的控制流程图；

图3为本实施例中湿度调节的控制流程图；

其中，1为加湿泵，2为水箱，3为冷却水路总管，4为冷却泵，5为废水冷却系统，6为燃料电池模块，7为空气流量计，8为氢气流量计，9为空气加湿器，10为氢气加湿器，11为空气进气总管，12为空压机，13为储氢罐，14为氢气进气总管，15为稳压阀，16为控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为了解决现有燃料电池系统无法根据负载需求进行自适应调节的问题，本实施例提供了一种自适应燃料电池系统，该系统包括：供能模块，包括多个并联的燃料电池堆，用于通过燃料电池反应提供电能；温湿度调节模块，与供能模块连接，用于调节供能模块的温度和湿度；供能调节模块，通过温湿度调节模块与供能模块连接，用于调节供能模块提供的电能值；系统控制模块，分别与供能模块、温湿度调节模块和供能调节模块连接，用于根据供能模块的内部状态，通过调控温湿度调节模块和供能调节模块，实现对供能模块状态的控制。

其中，温湿度调节模块包括：水箱，用于提供并回收温湿度调节所需用水；湿度调节回路，分别与水箱、供能模块、供能调节模块和系统控制模块连接，用于在系统控制模块的控制下，利用水箱供水，结合供能调节模块调节供能模块内部的反应湿度；温度调节回路，分别与水箱、供能模块和系统控制模块连接，用于在系统控制模块的控制下，对流经供能模块的废水温度调节后供给至水箱。湿度调节回路包括加湿泵和加湿器，加湿泵分别连接水箱和加湿器，加湿器分别与供能调节模块、供能模块和水箱连接。加湿器包括空气加湿器和氢气加湿器，空气加湿器分别与加湿泵、供能调节模块和供能模块内燃料电池堆的正极连接，氢气加湿器分别与空气加湿器、供能调节模块、水箱和供能模块内燃料电池堆的负极连接。温度调节回路包括冷却泵、冷却水路和冷却组件，冷却泵与水箱连接，冷却水路分别连接冷却泵和供能模块，以及供能模块和冷却组件，冷却组件与水箱连接。冷却组件包括风扇与散热片，也可以包括其他能使废水降温的装置，根据实际情况进行装配即可。供能调节模块包括反应气体供应器，反应气体供应器通过温湿度调节模块与供能模块连接，反应气体供应器上设置有调节阀，调节阀与系统控制模块连接。反应气体供应器包括空气进气总管、氢气进气总管和储氢罐，空气进气总管两端分别与外界空气和空气加湿器连接，氢气进气总管两端分别与储氢罐和氢气加湿器连接，空气进气总管上设置有空压机，用来调节空气流量，氢气进气总管上设置有稳压阀，用来调节氢气流量。系统控制模块包括相互连接的控制器和状态采集传感器，控制器分别与温湿度调节模块和供能调节模块连接，状态采集传感器分别设置于温湿度调节模块和负载上。

基于上述燃料电池系统，本实施例提出了相应的一种自适应燃料电池系统的控制方法，主要包括：供能调节步骤，根据负载的功率需求，调节向供能模块内输送的气体量，实现供能模块提供电能值的调节；湿度调节步骤，采集当前供能模块内部的湿度状态，根据采集结果对供能模块进行湿度调节；温度调节步骤，采集当前排出的废水温度，根据采集结果对待回收的废水温度进行调节；其中，供能调节步骤、温度调节步骤和湿度调节步骤相互独立。

供能调节步骤具体包括：

A1)采集当前时刻的负载需求功率，并判断负载需求功率是否发生变化，若是则调节燃料电池堆的开启个数，若否则返回步骤A1)；

A2)根据燃料电池堆的开启个数变化，确定燃料电池堆内供给的气体变化量；

A3)根据气体变化量，反向调节气体供应器上的调节阀，确保燃料电池堆内的反应气体量保持充足。

湿度调节步骤具体包括：

B1)采集当前供能模块内部的湿度状态，并与控制器内部存储的参考湿度进行比对；

B2)根据比对结果，通过温湿度调节模块调节供能模块内部的湿度，保证供能模块内部的湿度与参考湿度相同。

温度调节步骤具体包括：

C1)采集温湿度调节模块内废水的温度值，并与控制器内存储的参考温度进行比对；

C2)根据比对结果，通过温湿度调节模块调节废水的温度，保证废水的温度与参考温度相同。

根据上述系统结构和控制方法，如图1所示，本实施例中提出了一种具体的可以根据负载需求及自身状态进行自适应调节的燃料电池系统，包括：加湿泵1：安装于加湿水循环回路上，分别与水箱2和空气加湿器9相连，为整个加湿水循环回路提供动力；水箱2：提供燃料电池堆冷却用水和气体加湿用水，回收燃料电池排出废水和加湿器排出废水；冷却水路总管3：冷却燃料电池用水的水源总管，由水箱引出，并且之后分流出多路冷却水循环回路；冷却泵4：安装于冷却水路总管3上，为多路冷却水循环回路提供动力；废水冷却系统5：分别与多路燃料电池出水管相连，收集并冷却燃料电池排出废水；燃料电池模块6：电源系统动力源，包含多个燃料电池堆，提供电源系统的需求功率；空气流量计7：安装于空气歧管上，测量空气歧管中气体流量，并将此数据实时传送到燃料电池系统控制器16；氢气流量计8：安装于空气歧管上，测量氢气歧管中气体流量，并将此数据实时传送到燃料电池系统控制器16；空气加湿器9：分别与多路空气进气歧管和空气进气总管11相连，水源直接来自于水箱2，排出到氢气加湿器10，用于增加反应空气的湿度；氢气加湿器10：分别与多路氢气进气歧管和氢气进气总管14相连，水源来自于空气加湿器9，回流到水箱2，用于增加反应氢气的湿度；空气进气总管11：连接在空气加湿器9上，燃料电池电源系统空气进气通道；空压机12：安装于空气进气总管11上，接收燃料电池系统控制器16控制信号，调整空气进气总管11的压力；储氢罐13：储存燃料电池用氢气；氢气进气总管14：连接储氢罐13和氢气加湿器10，燃料电池电源系统氢气进气通道；稳压阀15：安装于氢气进气总管14上，接收燃料电池系统控制器16控制信号，适当调整自身开度，控制氢气进气总管11的压力；控制器16：接收各个传感器传送数据，控制加湿泵1、冷却泵4、废水冷却系统5、空压机12、稳压阀15的功率和开度。

其中，燃料电池模块6中每个燃料电池堆上都安装有相应的温度传感器、湿度传感器，用以监测燃料电池内部温度、湿度状态。废水冷却系统5包括冷却风扇、散热片和温度传感器。

该系统的控制过程主要分为三个部分：供能控制、温度控制和湿度控制，其中供能控制的过程如图2所示，具体为：

定义：

q_a为当前空气歧管中实际流量，q_a-ref为当前空气歧管中流量参考值；

q_h为当前氢气歧管中实际流量，q_h-ref为当前氢气歧管中流量参考值；

q'_a为T1刻空气歧管中实际流量，q'_a-ref为T1刻空气歧管中流量参考值；

q'_h为T1刻氢气歧管中实际流量，q'_h-ref为T1刻氢气歧管中流量参考值；

q”_a为T2刻空气歧管中实际流量，q'_a-ref为T2刻空气歧管中流量参考值；

q”_h为T2刻氢气歧管中实际流量，q'_h-ref为T2刻氢气歧管中流量参考值；

假设系统由5个燃料电池堆构成燃料电池模块，每个电堆的额定功率为50kW。当前负载需求功率为150kW，由3个燃料电池堆工作在额定状态下提供。此时有q_a＝q_a-ref，q_h＝q_h-ref，T1刻系统负载需求功率突然升至160kW，则系统增加燃料电池堆开启数量到4个。每个燃料电池实际需求功率变为40kW，此时歧管中实际气体流量变为：

参考气体流量比例变为：

则：

q′_a＜q′_a-ref，q′_h＜q′_h-ref

燃料电池控制器发出控制信号，增大空压机功率，增大空气歧管中气体流量，直到q'_a＝q'_a-ref，q'_h＝q'_h-ref；

反之，若T2刻系统负载需求功率突然降至90kW，则系统减少燃料电池堆开启数量到2个。每个燃料电池实际需求功率变为45kW，

此时歧管中实际气体流量变为：

参考气体流量比例变为：

则：

q″_a＞q″_a-ref，q″_h＞q″_h-ref

燃料电池控制器发出控制信号，减小空压机功率，减小空气歧管中气体流量，直到q″_a＝q″_a-ref，q″_h＝q″_h-ref；

系统湿度控制方法如下，过程如图3所示：

湿度传感器检测燃料电池内部湿度，并且将数据实时发送给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器比较湿度参考值与实际湿度。若实际湿度大于参考湿度值，则减小加湿泵的功率，直到燃料电池实际湿度与参考湿度相等；若实际湿度小于参考湿度值，则增大加湿泵的功率，直到燃料电池实际湿度与参考湿度相等。

冷却系统温度控制方法如下：

温度传感器检测排出废水温度，并且将数据实时发送给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器比较温度参考值与实际温度。若实际温度大于参考温度值，则增大废水冷却系统的功率，直到排出废水温度与参考温度相等；若实际温度小于参考温度值，则减小冷却的功率，直到排出废水实际温度与参考温度相等。

除此以外还可以对系统整体温度进行控制，方法如下：

温度传感器检测燃料电池内部温度，并且将数据实时发送给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器比较温度参考值与实际温度。若实际温度大于参考温度值，则增大冷却泵的功率，直到燃料电池实际温度与参考温度相等；若实际温度小于参考温度值，则减小冷却的功率，直到燃料电池实际温度与参考温度相等。

Claims (10)

1.一种自适应燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括：

供能模块，包括多个并联的燃料电池堆，用于通过燃料电池反应提供电能；

温湿度调节模块，与供能模块连接，用于调节供能模块的温度和湿度；

供能调节模块，通过温湿度调节模块与供能模块连接，用于调节供能模块提供的电能值；

系统控制模块，分别与供能模块、温湿度调节模块和供能调节模块连接，用于根据供能模块的内部状态，通过调控温湿度调节模块和供能调节模块，实现对供能模块状态的控制。

2.根据权利要求1所述的自适应燃料电池系统，其特征在于，所述温湿度调节模块包括：

水箱，用于提供并回收温湿度调节所需用水；

湿度调节回路，分别与水箱、供能模块、供能调节模块和系统控制模块连接，用于在系统控制模块的控制下，利用水箱供水，结合供能调节模块调节供能模块内部的反应湿度；

温度调节回路，分别与水箱、供能模块和系统控制模块连接，用于在系统控制模块的控制下，对流经供能模块的废水温度调节后供给至水箱。

3.根据权利要求2所述的自适应燃料电池系统，其特征在于，所述湿度调节回路包括加湿泵和加湿器，所述加湿泵分别连接水箱和加湿器，所述加湿器分别与供能调节模块、供能模块和水箱连接。

4.根据权利要求2所述的自适应燃料电池系统，其特征在于，所述温度调节回路包括冷却泵、冷却水路和冷却组件，所述冷却泵与水箱连接，所述冷却水路分别连接冷却泵和供能模块，以及供能模块和冷却组件，所述冷却组件与水箱连接。

5.根据权利要求1所述的自适应燃料电池系统，其特征在于，所述供能调节模块包括反应气体供应器，所述反应气体供应器通过温湿度调节模块与供能模块连接，所述反应气体供应器上设置有调节阀，所述调节阀与系统控制模块连接。

6.根据权利要求1所述的自适应燃料电池系统，其特征在于，所述系统控制模块包括相互连接的控制器和状态采集传感器，所述控制器分别与温湿度调节模块和供能调节模块连接，所述状态采集传感器分别设置于温湿度调节模块和负载上。

7.一种自适应燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

供能调节步骤，根据负载的功率需求，调节向供能模块内输送的气体量，实现供能模块提供电能值的调节；

湿度调节步骤，采集当前供能模块内部的湿度状态，根据采集结果对供能模块进行湿度调节；

温度调节步骤，采集当前排出的废水温度，根据采集结果对待回收的废水温度进行调节；

所述供能调节步骤、温度调节步骤和湿度调节步骤相互独立。

8.根据权利要求7所述的自适应燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述供能调节步骤包括：

A1)采集当前时刻的负载需求功率，并判断负载需求功率是否发生变化，若是则调节燃料电池堆的开启个数，若否则返回步骤A1)；

A2)根据燃料电池堆的开启个数变化，确定燃料电池堆内供给的气体变化量；

A3)根据气体变化量，反向调节气体供应器上的调节阀，确保燃料电池堆内的反应气体量保持充足。

9.根据权利要求7所述的自适应燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述湿度调节步骤包括：

B1)采集当前供能模块内部的湿度状态，并与控制器内部存储的参考湿度进行比对；

B2)根据比对结果，通过温湿度调节模块调节供能模块内部的湿度，保证供能模块内部的湿度与参考湿度相同。

10.根据权利要求7所述的自适应燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述温度调节步骤包括：

C1)采集温湿度调节模块内废水的温度值，并与控制器内存储的参考温度进行比对；

C2)根据比对结果，通过温湿度调节模块调节废水的温度，保证废水的温度与参考温度相同。