CN110649282B - 一种ht-pem甲醇水燃料电池控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HT‑PEM甲醇水燃料电池控制系统，属于燃料电池技术领域，包括三个独立的控制环路，所述控制环路包括进液环路、加热发电环路和热交换环路。本发明通过对三个独立控制环路简化了控制流程，缩短了前期重整室、电堆升温时间，从而达到缩短冷机启动时间，将重整室温度保持在正常稳定工作温度范围内，使得重整室进液量与氢气转换效率更加稳定，从而进入电堆的氢气量也相对达到稳定，电堆输出功率更加稳定，解决了之前存在的系统不稳定的问题，并且针对系统出现异常状况无法自动恢复问题，进行优化控制逻辑，可以完成系统异常自恢复，实用性好，值得推广。

Description

一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统及控制方法。
背景技术
目前，市场上的燃料电池主要以低温电堆为主，低温电堆要求有较高浓度的氢气，对甲醇燃料也有输出功率低、氢气浓度高的要求。基于HT-PEM的甲醇水燃料电池具有燃料适应性强，输出功率密度大的特点，具有很好的市场推广前景。HT-PEM采用高温堆，并且对甲醇燃料的纯度要求降低从而可以压缩成本，并且由于系统在高温条件下运行，提高甲醇转化氢气效率，减少一氧化碳生成，提高了电堆使用寿命。
现有HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统的发电工作流程一般分为七个阶段，分别为：
（1）燃烧室电加热阶段；
（2）燃烧室甲醇水燃烧阶段；
（3）重整室升温阶段；
（4）电堆升温阶段；
（5）重整室甲醇水进液阶段；
（6）电堆发电温升阶段；
（7）电堆稳定输出功率阶段。
但是，该发电工作流程存在以下主要问题：
1、HT-PEM甲醇水燃料电池冷机启动时间长；
2、燃料电池工作不稳定，在第五到第七阶段系统特别容易中断重启；
3、工作流程复杂，错误恢复能力差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统及控制方法，以解决上述提出的问题。
本发明的技术方案是：
一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统，包括三个独立的控制环路，所述控制环路包括进液环路、加热发电环路和热交换环路；
所述进液环路用于维持燃料的持续稳定的供给，所述进液环路包括与外设燃料罐连通的管道，所述管道依次连接控制阀、甲醇水缓冲罐进液泵和甲醇水缓冲罐，所述甲醇水缓冲罐上设置有阈值液位检测元件，所述控制阀、甲醇水缓冲罐进液泵和阈值液位检测元件分别与主控制器电连接；
所述加热发电环路用于维持系统稳定工作的温度条件和输出功率调整，所述加热发电环路包括燃烧室单元、重整室单元、电堆单元、电能转换单元和负载单元；所述燃烧室单元包括燃烧室、设置在燃烧室内的加热装置一和温度检测装置一，所述燃烧室上连接有用于给燃烧室内部供氧的供氧风机、用于给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵，所述加热装置一、温度检测装置一、供氧风机和燃烧室进液泵分别与主控制器电连接；所述重整室单元包括用于将甲醇水溶液重整制为氢气，为燃烧室和电堆提供氢气的重整室、设置在重整室内的温度检测装置二，所述重整室上连接有用于给重整室内部供给甲醇水燃料的重整室进液泵，所述重整室和燃烧室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给燃烧室，所述温度检测装置二和重整室进液泵分别与主控制器电连接；所述电堆单元包括用于将氢气转换为电能的电堆，所述电堆上设置有温度检测装置三，电堆和重整室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给电堆，所述电堆连接有用于给电堆供氧的电堆供氧风机，所述温度检测装置三和电堆供氧风机分别与主控制器电连接；所述电能转换单元用于将电堆单元输出的电能进行稳压处理和拉升电堆输出功率，所述电能转换单元连接在电堆单元和负载单元之间且与主控制器电连接，负载单元主要用于消耗电能或存储电能；
所述热交换环路用于预加热阶段辅助电堆升温、发电阶段维持电堆温度和缩小电堆两端温差，所述热交换环路包括热交换室，所述热交换室内设置有热交换介质、压力检测单元和加热装置二，所述热交换室与电堆之间设置有构成连通回路的管道，所述管道上设置有给热交换介质提供流通动力、使供热交换介质经由电堆入口向出口单方向循环的热循环泵，所述热循环泵、压力检测单元和加热装置二分别与主控制器电连接；所述热交换室上还连接有散热风机，所述散热风机与主控制器电连接。
优选的，所述阈值液位检测元件包括设置在液位上阈值的高液位传感器和液位下阈值的低液位传感器。
优选的，进液环路的控制包括以下步骤：
步骤31、利用阈值液位检测元件检测液位是否超限，并将检测到的液位信息实时传送给主控制器进行处理；
步骤32、主控制器接收传送来的液位信息，并根据液位进行判断，当低液位传感器有检测信号发出时，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，控制电磁阀开启，打开燃料电池与外部燃料罐的连通开关，并同时发出控制指令使得进液泵转速提高，将外部燃料泵入甲醇水缓冲罐内，当高液位传感器有检测信号发出时，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，将控制电磁阀和进液泵关闭。
优选的，热交换环路的控制包括以下步骤：
步骤41、主控制器通过温度检测装置三实时采样电堆内部的温度值，通过温度检测装置二实时采样重整室内部的温度值，判断系统处于预加热阶段还是发电阶段；
步骤42、当系统处于预加热阶段，主控制器通过温度检测装置一实时采样燃烧室的温度，并将检测到的温度值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的温度值小于预设的燃烧室温度下阈值时，主控制器发出控制指令给加热装置一控制加热装置一开启，给燃烧室升温；当检测到的温度值大于预设的燃烧室温度上阈值时，前期电加热完成，主控制器发出控制指令给加热装置一控制加热装置一关闭，同时发出控制指令给燃烧室内部供氧的供氧风机、和给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵启动，系统进入燃烧甲醇水加热阶段；主控制器实时采集燃烧室、重整室和电堆的温度数据，来控制燃烧室甲醇水进液量和供氧量，从而使系统在平稳的温度范围内稳定提升重整室和电堆温度；
步骤43、当重整室和电堆的温度数据满足系统进入发电阶段条件时，主控制器发出控制指令给燃烧室进液泵控制燃烧室进液泵关闭，并同时发出控制指令给重整室进液泵控制重整室进液泵开启，给重整室通入甲醇水溶液通过重整产生氢气，并将生成的氢气分别送入燃烧室和电堆；主控制器实时采集电堆输出功率值，并将电堆输出功率与设计输出功率作对比，当电堆输出功率小于设计输出功率时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量提高，同时，根据重整室进液量换算出电堆输出功率指令，根据重整室温度和燃烧室温度同时进行功率弥补，以满足电堆输出功率值等于设计输出功率；当电堆输出功率值高于设计输出功率时，主控制器同时采集重整室和燃烧室的温度，当燃烧室的温度在正常工作的温度范围内时，重整室进液泵的进液量维持不变；当燃烧室的温度不在正常工作的温度范围内时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量降低；当重整室的温度在正常工作的温度范围内时，重整室进液泵的进液量维持不变；当重整室的温度不在正常工作的温度范围内时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量降低。
优选的，加热发电环路的控制包括以下步骤：
步骤51、主控制器通过温度检测装置三采样电堆内部的温度值，判断电堆处于预加热阶段还是发电阶段；
步骤52、当主控制器判断电堆处于预加热阶段，主控制器发出控制指令给加热装置二控制加热装置二开启，对热交换室内设置的热交换介质进行加热，同时主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵开启，通过热循环泵将加热后的热交换介质经管道送到电堆内部，辅助电堆内部升温，当电堆内部温度值升高，主控制器判断系统进入发电阶段时，主控制器发出控制指令给加热装置二控制加热装置二关闭，停止对电堆的辅助升温；
步骤53、当主控制器判断电堆处于发电阶段，压力检测单元实时对热交换室内的压力进行检测，并将检测到的压力值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的压力值大于预设的压力上阈值时，主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵的转速降低，热交换介质的流速降低；当检测到的压力值小于预设的压力下阈值时，主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵的转速升高，热交换介质的流速升高；
步骤54、电堆处于发电阶段时，还通过温度检测装置三对电堆内部的温度进行实时检测，并将检测到的温度值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的温度值大于预设的温度上阈值时，主控制器发出控制指令给散热风机控制散热风机的转速提高，热交换介质的流速提高；当检测到的温度值小于预设的温度下阈值时，主控制器发出控制指令给散热风机控制散热风机的转速降低，热交换介质的流速降低，以保证电堆内部温度维持恒定，使得电堆可以稳定的输出功率。
与现有技术相比，本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统及控制方法，缩短了前期重整室、电堆升温时间，从而达到缩短冷机启动时间，采用系统温度调节PID算法，将重整室温度保持在正常稳定工作温度范围内，使得重整室进液量与氢气转换效率更加稳定，从而进入电堆的氢气量也相对达到稳定，电堆输出功率更加稳定，解决了系统不稳定的问题，将以往的七个控制阶段，转换为3个独立控制环路简化控制流程，并且针对系统出现异常状况无法自动恢复问题，进行优化控制逻辑，完成系统异常自恢复，实用性好，值得推广。
附图说明
图1为本发明的进液环路的结构示意图；
图2为本发明的加热发电环路的结构示意图；
图3为本发明的热交换环路的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统及控制方法，下面结合图1到图3，对本发明进行说明。
一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统，包括三个独立的控制环路，所述控制环路包括进液环路、加热发电环路和热交换环路；
所述进液环路用于维持燃料的持续稳定的供给，所述进液环路包括与外设燃料罐连通的管道，所述管道依次连接控制阀、甲醇水缓冲罐进液泵和甲醇水缓冲罐，所述甲醇水缓冲罐上设置有阈值液位检测元件，所述控制阀、甲醇水缓冲罐进液泵和阈值液位检测元件分别与主控制器电连接；
所述加热发电环路用于维持系统稳定工作的温度条件和输出功率调整，所述加热发电环路包括燃烧室单元、重整室单元、电堆单元、电能转换单元和负载单元；所述燃烧室单元包括燃烧室、设置在燃烧室内的加热装置一和温度检测装置一，所述燃烧室上连接有用于给燃烧室内部供氧的供氧风机、用于给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵，所述加热装置一、温度检测装置一、供氧风机和燃烧室进液泵分别与主控制器电连接；所述重整室单元包括用于将甲醇水溶液重整制为氢气，为燃烧室和电堆提供氢气的重整室、设置在重整室内的温度检测装置二，所述重整室上连接有用于给重整室内部供给甲醇水燃料的重整室进液泵，所述重整室和燃烧室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给燃烧室，所述温度检测装置二和重整室进液泵分别与主控制器电连接；所述电堆单元包括用于将氢气转换为电能的电堆，所述电堆上设置有温度检测装置三，电堆和重整室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给电堆，所述电堆连接有用于给电堆供氧的电堆供氧风机，所述温度检测装置三和电堆供氧风机分别与主控制器电连接；所述电能转换单元用于将电堆单元输出的电能进行稳压处理和拉升电堆输出功率，所述电能转换单元连接在电堆单元和负载单元之间且与主控制器电连接，负载单元主要用于消耗电能或存储电能；
所述热交换环路用于预加热阶段辅助电堆升温、发电阶段维持电堆温度和缩小电堆两端温差，所述热交换环路包括热交换室，所述热交换室内设置有热交换介质、压力检测单元和加热装置二，所述热交换室与电堆之间设置有构成连通回路的管道，所述管道上设置有给热交换介质提供流通动力、使供热交换介质经由电堆入口向出口单方向循环的热循环泵，所述热循环泵、压力检测单元和加热装置二分别与主控制器电连接；所述热交换室上还连接有散热风机，所述散热风机与主控制器电连接。
进一步的，所述阈值液位检测元件包括设置在液位上阈值的高液位传感器和液位下阈值的低液位传感器。
进一步的，进液环路的控制包括以下步骤：
步骤31、利用阈值液位检测元件检测液位是否超限，并将检测到的液位信息实时传送给主控制器进行处理；
步骤32、主控制器接收传送来的液位信息，并根据液位进行判断，当低液位传感器有检测信号发出时，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，控制电磁阀开启，打开燃料电池与外部燃料罐的连通开关，并同时发出控制指令使得进液泵转速提高，将外部燃料泵入甲醇水缓冲罐内，当高液位传感器有检测信号发出时，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，将控制电磁阀和进液泵关闭。
进一步的，热交换环路的控制包括以下步骤：
步骤41、主控制器通过温度检测装置三实时采样电堆内部的温度值，通过温度检测装置二实时采样重整室内部的温度值，判断系统处于预加热阶段还是发电阶段；
步骤42、当系统处于预加热阶段，主控制器通过温度检测装置一实时采样燃烧室的温度，并将检测到的温度值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的温度值小于预设的燃烧室温度下阈值时，主控制器发出控制指令给加热装置一控制加热装置一开启，给燃烧室升温；当检测到的温度值大于预设的燃烧室温度上阈值时，前期电加热完成，主控制器发出控制指令给加热装置一控制加热装置一关闭，同时发出控制指令给燃烧室内部供氧的供氧风机、和给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵启动，系统进入燃烧甲醇水加热阶段；主控制器实时采集燃烧室、重整室和电堆的温度数据，来控制燃烧室甲醇水进液量和供氧量，从而使系统在平稳的温度范围内稳定提升重整室和电堆温度；
步骤43、当重整室和电堆的温度数据满足系统进入发电阶段条件时，主控制器发出控制指令给燃烧室进液泵控制燃烧室进液泵关闭，并同时发出控制指令给重整室进液泵控制重整室进液泵开启，给重整室通入甲醇水溶液通过重整产生氢气，并将生成的氢气分别送入燃烧室和电堆；主控制器实时采集电堆输出功率值，并将电堆输出功率与设计输出功率作对比，当电堆输出功率小于设计输出功率时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量提高，同时，根据重整室进液量换算出电堆输出功率指令，根据重整室温度和燃烧室温度同时进行功率弥补，以满足电堆输出功率值等于设计输出功率；当电堆输出功率值高于设计输出功率时，主控制器同时采集重整室和燃烧室的温度，当燃烧室的温度在正常工作的温度范围内时，重整室进液泵的进液量维持不变；当燃烧室的温度不在正常工作的温度范围内时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量降低；当重整室的温度在正常工作的温度范围内时，重整室进液泵的进液量维持不变；当重整室的温度不在正常工作的温度范围内时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量降低。
进一步的，加热发电环路的控制包括以下步骤：
步骤51、主控制器通过温度检测装置三采样电堆内部的温度值，判断电堆处于预加热阶段还是发电阶段；
步骤52、当主控制器判断电堆处于预加热阶段，主控制器发出控制指令给加热装置二控制加热装置二开启，对热交换室内设置的热交换介质进行加热，同时主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵开启，通过热循环泵将加热后的热交换介质经管道送到电堆内部，辅助电堆内部升温，当电堆内部温度值升高，主控制器判断系统进入发电阶段时，主控制器发出控制指令给加热装置二控制加热装置二关闭，停止对电堆的辅助升温；
步骤53、当主控制器判断电堆处于发电阶段，压力检测单元实时对热交换室内的压力进行检测，并将检测到的压力值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的压力值大于预设的压力上阈值时，主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵的转速降低，热交换介质的流速降低；当检测到的压力值小于预设的压力下阈值时，主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵的转速升高，热交换介质的流速升高；
步骤54、电堆处于发电阶段时，还通过温度检测装置三对电堆内部的温度进行实时检测，并将检测到的温度值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的温度值大于预设的温度上阈值时，主控制器发出控制指令给散热风机控制散热风机的转速提高，热交换介质的流速提高；当检测到的温度值小于预设的温度下阈值时，主控制器发出控制指令给散热风机控制散热风机的转速降低，热交换介质的流速降低，以保证电堆内部温度维持恒定，使得电堆可以稳定的输出功率。
本发明的技术方案是：
HT-PEM甲醇水燃料电池系统由三个独立控制环路组成，进液环路维持燃料持续供给；加热发电环路维持系稳定工作的温度条件和输出功率调整；热交换环路前期提加快重整室和电堆升温，后期维持电堆工作温度，保护电堆活性。
如图1所示，进液环路包括与外设燃料罐连通的管道，管道依次连接控制阀、进液泵和甲醇水缓冲罐，甲醇水缓冲罐上设置有阈值液位检测元件，控制阀、进液泵和阈值液位检测元件分别与主控制器电连接；
其中，阈值液位检测元件用于检测液位的报警极限位，设置有高液位传感器和低液位传感器，高液位传感器和低液位传感器分别对应的设在甲醇水缓冲罐的上液位极限和下液位极限处。
其中，控制阀可以选为电磁阀或者电动阀的其中一种。
当电磁阀开启，进液泵将外设燃料罐内的甲醇水溶液泵入甲醇水缓冲罐内，甲醇水缓冲罐内部根据高低液位传感器检测当前缓冲罐内部燃料剩余量，从而控制甲醇水溶液补给。
电磁阀作为作为进液开关设置在连接进液泵和外设燃料罐的管道上，进液泵将外部燃料罐内甲醇水燃料泵入燃料电池内部缓冲罐内；甲醇水缓冲罐作为燃料电池内部存储燃料的容器，保障燃料电池在工作过程中燃料不中断；高液位传感器和低液位传感器分别位于缓冲罐顶部和缓冲罐底部，用来检测缓冲罐内液位是否超限，并将检测到的缓冲罐内液位是否超限的信息实时传递给主控制器，当低液位传感器有检测信号发出时，说明液位到达液位下阈值，此时甲醇水缓冲罐已空，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，控制电磁阀开启，打开燃料电池与外部燃料罐的连通开关，并同时提高进液泵转速，将外部燃料泵入甲醇水缓冲罐内，当高液位传感器有检测信号发出时，说明液位到达液位上阈值，此时甲醇水缓冲罐已满，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，将控制电磁阀和进液泵关闭。
如图2所示，加热发电环路在燃料电池预加热阶段，通过燃烧室燃烧甲醇为重整室电堆升温。燃料电池发电阶段，重整室进入甲醇水溶液生成氢气，氢气一部分进入电堆用来发电，一部分进入燃烧室燃烧产生的热量来维持重整室温度。通过调整电堆输出功率，控制电堆消耗量，从而控制燃烧室氢气量，达到控制重整室温度的目的。
加热发电环路包括燃烧室单元、重整室单元、电堆单元、电能转换单元和负载单元。燃烧室单元的主要功能为前期系统预加热和后期维持系统温度，包括燃烧室、设置在燃烧室的加热装置一和温度检测装置一，燃烧室上连接有用于给燃烧室内部供氧的供氧风机、用于给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵。
其中，加热装置一优选为加热棒。
其中，温度检测装置一包括设置在燃烧室出口的温度传感器一和设置在燃烧室底部的温度传感器二。
重整室单元包括用于将甲醇水溶液重整制为氢气，为燃烧室和电堆提供氢气的重整室、设置在重整室内的温度检测装置二，重整室上连接有用于给重整室内部供给甲醇水燃料的重整室进液泵，重整室和燃烧室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给燃烧室，温度检测装置二和重整室进液泵分别与主控制器电连接。
其中，温度检测装置二包括设置在重整室入口的温度传感器三和设置在重整室出口的温度传感器四。
电堆单元包括用于将氢气转换为电能的电堆，电堆上设置有温度检测装置三，电堆和重整室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给电堆，电堆连接有用于给电堆供氧的电堆供氧风机，温度检测装置三和电堆供氧风机分别与主控制器电连接。
其中，温度检测装置三包括设置在电堆入口的温度传感器五和设置在电堆出口的温度传感器六。
电能转换单元连接在电堆单元和负载单元之间且与主控制器电连接，主要将电堆输出电能进行稳压处理和拉升电堆输出功率的功能，由输入功率检测和输出功率检测组成。
负载单元的主要功能为消耗电能或存储电能。
加热发电环路在燃料电池预加热阶段，主控制器根据燃烧室内部温度检测装置一采集的温度数据，判断当先系统处在电加热阶段还是甲醇水燃料加热阶段。当燃料电池冷机启动后，系统整体温度偏低，无法完成甲醇水燃烧加热，主控制器通过控制燃烧室加热棒，进行前期电加热。当燃烧室底部传感器反馈温度大于175℃，燃料电池前期电加热完成，主控制器关闭燃烧室加热棒，同时启动燃烧室进液泵和燃烧室供氧风机启动，系统进入燃烧甲醇水加热阶段。主控制器根据此时燃烧室温度检测装置一、重整室温度检测装置二和电堆温度检测装置三采样的温度数据，来控制燃烧室甲醇水进液量和供氧量，从而使系统在平稳的温度范围内稳定提升重整室和电堆温度。当重整室温度和电堆温度满足切换为发电阶段后。主控制器关闭燃烧室进液泵，并同时开启重整室进液泵，此时重整室开始进入甲醇水溶液通过重整制氢气，将生成的氢气分别送入燃烧室和电堆，重整室重整制氢气过程是个吸热反应，此时燃烧室通过燃烧氢气为重整室提供热能。重整室必须维持稳定的温度范围内，当重整室温过低，产生氢气效率低下并且会生成有害气体CO影响燃料电池性能；当重整室温度过高，生成CO的含量也会增加，所以只有将重整室入口温度维持在280℃~300℃范围内。主控控制器根据燃烧室温度来判断，当前重整室产生氢气量是过多还是过少，当燃烧室温度在始终维持在递减趋势，说明当前氢气生成量过低，主控制器控制重整室进液泵增大进液量，提高氢气生成量。反之，当燃烧室始终维持在递增趋势说明，氢气生成量过多，主控制器判断电堆当前温度，计算出电堆当前输出能力，当电堆当前温度允许拉升功率，主控制器将通过控制电能转换模块调整输出功率，并且控制电堆供氧风机提高转速，从而提高电堆输出功率，增大电堆对氢气的消耗量。如果电堆当前输出不能被拉升，那么主控制器将控制重整室进液泵降低进液量，达到控制氢气生成量的目的。在此控制环节中，系统内部各温度点，温度始终保持稳定。
如图3所示，热交换环路为了解决燃料电池预加热时间过长的问题，在本设计中采用在热交换模块添加加热装置二，加热装置二为加热棒，通过对加热装置二的加热，加快重整室和电堆前期升温。当燃料电池进入发电阶段，加热装置二关闭，通过电堆温度检测装置一获取电堆温度信息，通过控制热循环泵调整电堆出口入口温差，保护电堆安全工作。当电堆温度上升到额定工作温度时，通过调整散热风机控制电堆温度维持在168℃。
热交换环路由电堆和热交换部分组成，其主要功能为在预加热阶段辅助电堆升温，发电阶段维持电堆温度，缩小电堆两端温差。燃料电池进入工作模式后，主控制器通过判断电堆内部温度检测装置一采样的温度值，控制热交换内部加热装置二开启，同时根据压力传感器反馈的压力值，调整热循环泵的转速，使热交换介质整个工作过程中流速相同，热循环泵通过将热交换介质在电堆内部进行循环流动，将电堆内部温差缩小在很小温度差值范围内。燃料电池在升功率过程中，电堆温度将持续升高，热交换介质的压力值随着温度升高逐渐减小，此时主控制器将进行控制热循环泵提高转速增大压力。当电堆温度达到168℃时，此时电堆已经可以输出额定功率,主控制器通过控制散热风机将电堆温度维持在168℃范围内。
其中，热交换介质也称冷却剂，优选为三乙二醇，通过三乙二醇在电堆和热交换室之间流动，完成热交换，实现对电堆温度的调节。
本发明所设计的HT-PEM甲醇水燃料电池工作流程，应用于HT-PEM甲醇水燃料电池的整个发电过程控制，具体的详细流程描述如下：
为了简化燃料电池控制流程，HT-PEM甲醇水燃料电池将工作流程分为两个阶段，分别是：燃料电池预热阶段、燃料电池发电阶段，阶段的切换条件均为不同反馈节点的温度。
所述的燃料电池预热阶段，其控制目标为燃料电池重整室和燃料电池电堆的温度，具体控制方法，同时开启燃烧室内部加热装置一和热交换内部加热装置一。燃烧室内部加热装置一完成甲醇水溶气化，当燃烧室入口温度大于100℃，底部温度大于175℃。燃烧室进入甲醇水溶液燃烧，为重整室和电堆提供热能；热交换内部加热装置一加热热循环液体，间接挺高电堆和重整室温度。通过该方法，可以将原燃料电池加热时间50分钟，缩短至20分钟。具体指标为：燃料电池重整室的入口温度稳定在280~300°C，重整室出口温度和进口温度之差小于70°C；燃料电池电堆的出口温度大于等于127°C，燃料电池入口与出口温度之差小于3°C。当燃料电池电堆的出口温度大于127°C时，关闭热交换加热装置一燃料电池工作流程进入下一阶段。
所述的燃料电池电阶段，该阶段由于输出功率直接会影响系统温度，所以在功率输出配合上容易导致系统异常停机，燃烧室温度波动大，系统不稳定等问题。为了解决在该过程中这些存在的问题，本次设计中针对电能转换模块采用了特有的电堆输出电压保护机制。电能转换模块不允许电堆输出电压过低，当输出电压低于65V时，电能转换模块会主动降低自身输出功率，防止系统调整功率过程中调节过大，避免直接死机情况。在该阶段重整室甲醇水进液泵转速控制额定转速在5%~40%，进入重整室的甲醇水溶液将直接转换为氢气，氢气分别进入燃烧室和电堆。燃烧室通过燃烧氢气控制重整室入口温度维持在280℃~300℃范围内，通过控制电堆输出功率，调整进入燃烧室氢气量从而达到控制燃出口温度保持在550℃~630℃范围内。当功率维持稳定后系统将进入稳态。燃烧室出口温度和重整室入口温度始终维持稳定。
本燃料电池控制系统分为6种工作模式，分别为：待机、配置、告警、工作、停止和自检异常。燃料电池工作控制流程在工作模式下完成。燃料电池系统上电之后，系统将完成硬件初始化后，加载默认系统配置参数，并完成系统自检。当自检结果为正常时，系统将进入待机模式，完成系统正常工作流程；当自检结果为异常时，系统将进入自检异常模式，向用户发送自检异常信息。
燃料电池进入待机模式后，用户通过燃料电池上位机控制软件向燃料电池发送启动指令，并且设置燃料电池输出功率值。燃料电池接收到启动指令后，将从待机模式切换到工作模式。
当燃料电池进入工作模式后，燃料电池将完成以下三个控制环路：进液环路、加热发电环路和热交换环路，进液环路通过缓冲罐当前液位高度，判断是否需要进液。当液位高度显示低时，进液开启。反之，进液关闭。
加热发电环路又被分为预加热阶段和发电阶段，预加热阶段燃料电池通过判断燃烧室温度来确定燃烧室加热方式，当燃烧室温度低时，将开启燃烧室加热装置一。当燃烧室温度时，将进行甲醇水溶液燃烧加热，燃烧室加热装置一被关闭，通过判断重整室和电堆温度，确定燃料电池是否能够进入发电阶段。当温度不满足时，系统将通过调整燃烧室甲醇进液泵和燃烧室供氧风机，来确保燃烧室正常燃烧甲醇燃料，为重整室和电堆提供升温所需热能。当温度满足时，此时燃料电池加热发电环路将进入发电阶段。进入发电阶段后，通过对电堆输出功率与设计输出功率的判断，来完成升功率调整和功率维持。当电堆输出功率低于设计输出功率后，重整室进液泵调整，根据重整室进液量换算出电堆输出功率指令，根据重整室温度和燃烧室温度进行功率弥补。最终调整电堆输出功率。当电堆输出功率高于功率指令时，此时根据燃烧室温度调整重整室进液量。当燃烧室温度在安全范围内，重整室进液量将不调整，当燃烧室温度高于或低于安全范围，重整室进液量将进行相应调整。当重整室温度在安全范围内，重整室进液量将不调整，当重整室温度高于或低于安全范围，重整室进液量将进行相应调整。
热交换环路通过判断加热发电环路阶段，当燃料电池加热发电环路处在预加热阶段，热交换内部加热装置二被开启；当处在发电阶段，热交换内部的加热装置二将被关闭。主控制器通过判断热交换内部压力传感器，判断热交换内部冷却液流速是否正常，当压力过低时，热循环泵转速提高；当压力过低时，热循环泵转速降低。通过判断电堆温度，控制散热风机转速，当电堆温度过高时，提高散热风机转速；当电堆温度过低时，散热风机转速降低，使电堆温度始终维持在恒定温度范围内。
本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统及控制方法，缩短了前期重整室、电堆升温时间，从而达到缩短冷机启动时间，采用系统温度调节PID算法，将重整室温度保持在正常稳定工作温度范围内，使得重整室进液量与氢气转换效率更加稳定，从而进入电堆的氢气量也相对达到稳定，电堆输出功率更加稳定。解决了系统不稳定的问题，将以往的七个控制阶段，转换为3个独立控制环路简化控制流程，并且针对系统出现异常状况无法自动恢复问题，进行优化控制逻辑，完成系统异常自恢复，实用性好，值得推广。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统，其特征在于，包括三个独立的控制环路，所述控制环路包括进液环路、加热发电环路和热交换环路；
所述进液环路用于维持燃料的持续稳定的供给，所述进液环路包括与外设燃料罐连通的管道，所述管道依次连接控制阀、甲醇水缓冲罐进液泵和甲醇水缓冲罐，所述甲醇水缓冲罐上设置有阈值液位检测元件，所述控制阀、甲醇水缓冲罐进液泵和阈值液位检测元件分别与主控制器电连接；
所述加热发电环路用于维持系统稳定工作的温度条件和输出功率调整，所述加热发电环路包括燃烧室单元、重整室单元、电堆单元、电能转换单元和负载单元；所述燃烧室单元包括燃烧室、设置在燃烧室内的加热装置一和温度检测装置一，所述燃烧室上连接有用于给燃烧室内部供氧的供氧风机、用于给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵，所述加热装置一、温度检测装置一、供氧风机和燃烧室进液泵分别与主控制器电连接；所述重整室单元包括用于将甲醇水溶液重整制为氢气，为燃烧室和电堆提供氢气的重整室、设置在重整室内的温度检测装置二，所述重整室上连接有用于给重整室内部供给甲醇水燃料的重整室进液泵，所述重整室和燃烧室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给燃烧室，所述温度检测装置二和重整室进液泵分别与主控制器电连接；所述电堆单元包括用于将氢气转换为电能的电堆，所述电堆上设置有温度检测装置三，电堆和重整室通过气流通道连通，以便于重整室内产生的氢气供给电堆，所述电堆连接有用于给电堆供氧的电堆供氧风机，所述温度检测装置三和电堆供氧风机分别与主控制器电连接；所述电能转换单元用于将电堆单元输出的电能进行稳压处理和拉升电堆输出功率，所述电能转换单元连接在电堆单元和负载单元之间且与主控制器电连接，负载单元主要用于消耗电能或存储电能；
所述热交换环路用于预加热阶段辅助电堆升温、发电阶段维持电堆温度和缩小电堆两端温差，所述热交换环路包括热交换室，所述热交换室内设置有热交换介质、压力检测单元和加热装置二，所述热交换室与电堆之间设置有构成连通回路的管道，所述管道上设置有给热交换介质提供流通动力、使供热交换介质经由电堆入口向出口单方向循环的热循环泵，所述热循环泵、压力检测单元和加热装置二分别与主控制器电连接；所述热交换室上还连接有散热风机，所述散热风机与主控制器电连接；
进液环路的控制包括以下步骤：
步骤31、利用阈值液位检测元件检测液位是否超限，并将检测到的液位信息实时传送给主控制器进行处理；
步骤32、主控制器接收传送来的液位信息，并根据液位进行判断，当低液位传感器有检测信号发出时，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，控制电磁阀开启，打开燃料电池与外部燃料罐的连通开关，并同时发出控制指令使得进液泵转速提高，将外部燃料泵入甲醇水缓冲罐内，当高液位传感器有检测信号发出时，主控制器发出控制信号给电磁阀和进液泵，将控制电磁阀和进液泵关闭；
热交换环路的控制包括以下步骤：
步骤41、主控制器通过温度检测装置三实时采样电堆内部的温度值，通过温度检测装置二实时采样重整室内部的温度值，判断系统处于预加热阶段还是发电阶段；
步骤42、当系统处于预加热阶段，主控制器通过温度检测装置一实时采样燃烧室的温度，并将检测到的温度值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的温度值小于预设的燃烧室温度下阈值时，主控制器发出控制指令给加热装置一控制加热装置一开启，给燃烧室升温；当检测到的温度值大于预设的燃烧室温度上阈值时，前期电加热完成，主控制器发出控制指令给加热装置一控制加热装置一关闭，同时发出控制指令给燃烧室内部供氧的供氧风机、和给燃烧室内部供给甲醇水燃料的燃烧室进液泵启动，系统进入燃烧甲醇水加热阶段；主控制器实时采集燃烧室、重整室和电堆的温度数据，来控制燃烧室甲醇水进液量和供氧量，从而使系统在平稳的温度范围内稳定提升重整室和电堆温度；
步骤43、当重整室和电堆的温度数据满足系统进入发电阶段条件时，主控制器发出控制指令给燃烧室进液泵控制燃烧室进液泵关闭，并同时发出控制指令给重整室进液泵控制重整室进液泵开启，给重整室通入甲醇水溶液通过重整产生氢气，并将生成的氢气分别送入燃烧室和电堆；主控制器实时采集电堆输出功率值，并将电堆输出功率与设计输出功率作对比，当电堆输出功率小于设计输出功率时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量提高，同时，根据重整室进液量换算出电堆输出功率指令，根据重整室温度和燃烧室温度同时进行功率弥补，以满足电堆输出功率值等于设计输出功率；当电堆输出功率值高于设计输出功率时，主控制器同时采集重整室和燃烧室的温度，当燃烧室的温度在正常工作的温度范围内时，重整室进液泵的进液量维持不变；当燃烧室的温度不在正常工作的温度范围内时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量降低；当重整室的温度在正常工作的温度范围内时，重整室进液泵的进液量维持不变；当重整室的温度不在正常工作的温度范围内时，主控制器发出控制指令给重整室进液泵，使得重整室进液泵的进液量降低；
加热发电环路的控制包括以下步骤：
步骤51、主控制器通过温度检测装置三采样电堆内部的温度值，判断电堆处于预加热阶段还是发电阶段；
步骤52、当主控制器判断电堆处于预加热阶段，主控制器发出控制指令给加热装置二控制加热装置二开启，对热交换室内设置的热交换介质进行加热，同时主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵开启，通过热循环泵将加热后的热交换介质经管道送到电堆内部，辅助电堆内部升温，当电堆内部温度值升高，主控制器判断系统进入发电阶段时，主控制器发出控制指令给加热装置二控制加热装置二关闭，停止对电堆的辅助升温；
步骤53、当主控制器判断电堆处于发电阶段，压力检测单元实时对热交换室内的压力进行检测，并将检测到的压力值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的压力值大于预设的压力上阈值时，主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵的转速降低，热交换介质的流速降低；当检测到的压力值小于预设的压力下阈值时，主控制器发出控制指令给热循环泵控制热循环泵的转速升高，热交换介质的流速升高；
步骤54、电堆处于发电阶段时，还通过温度检测装置三对电堆内部的温度进行实时检测，并将检测到的温度值实时传送给主控制器进行处理，当检测到的温度值大于预设的温度上阈值时，主控制器发出控制指令给散热风机控制散热风机的转速提高，热交换介质的流速提高；当检测到的温度值小于预设的温度下阈值时，主控制器发出控制指令给散热风机控制散热风机的转速降低，热交换介质的流速降低，以保证电堆内部温度维持恒定，使得电堆可以稳定的输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统，其特征在于，所述阈值液位检测元件包括设置在液位上阈值的高液位传感器和液位下阈值的低液位传感器。
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