CN110649286B - 一种基于ht-pem的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法 - Google Patents

一种基于ht-pem的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于HT‑PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法，S1、将电堆工作过程中划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段，并设定划分各个阶段的温度界限值；S2、将电堆工作过程中划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段，并设定划分各个阶段的温度界限值；S3、将电堆工作过程中划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段，并设定划分各个阶段的温度界限值；S3、将电堆工作过程中划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段，并设定划分各个阶段的温度界限值。本发明保证了电堆的输出高电压，减少电堆发电的准备时间，保证电堆的输出功率快速提升，避免电堆发生发电中断情况。

Description

一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法。
背景技术
在基于HT-PEM的甲醇水燃料电池中，电堆发电需要氢气和氧气，氢气由电堆的重整室产生，而氧气则由电堆的供氧风机提供，同时，供氧风机还承担了部分电堆反应温度控制的功能，供氧风机转速越快，进氧量越大，但电堆的反应温度也下降的越快，同时，电堆的供氧量不足，会导致氢气和少量CO反应不充分，电堆输出功率下降，电堆燃烧室温度过高乃至损坏等一系列问题，因此，供氧风机控制过程的好坏直接决定了电堆输出的性能和可靠性，是HT-PEM甲醇水燃料电池控制系统设计的关键。
现有HT-PEM甲醇水燃料电池的电堆供氧风机控制策略比较简单，主要是和燃料电池电堆的输出功率做相关性调节，电堆的输出功率增加，则供氧风机的转速升高，加大供氧量；电堆输出功率降低，则供氧风机的转速降低，减少供氧量，但该方法的缺点是：
1、未考虑重整室甲醇进液的氢气转换效率，导致燃料电池在接近满功率发电时电堆供氧量不足，输出电压偏低；
2、未考虑供氧风机转速对电堆温度的影响，导致电堆发电准备时间延长，功率提升较慢；
3、未对燃料电池电堆输出功率和负载功率进行动态调整，造成电堆发电过程容易中断。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、将电堆工作过程划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段；设定电堆预热阶段入口温度的下限值Tfsmin，电堆预热阶段到电堆稳定工作阶段之间的入口温度第一界限值Tfs，设定电堆稳定工作阶段和电堆调整阶段之间的入口温度第二界限值Tfm，电堆调整阶段的上限值Tfmmax；
S2、电堆工作过程中，获取一次燃料电池的电堆工作阶段的第一参数和燃料电池的重整室工作的第二参数，第一参数包括电堆供氧风机转速Sfc、电堆入口温度Tf1、电堆的实时输出功率Pfo、电堆负载功率P1，第二参数包括重整室甲醇水进液量Vre、甲醇水进液泵转速Vrc；
S2、在电堆预热阶段，每间隔时间Δt时，获取一次电堆入口温度Tf1，
当获取的电堆入口温度Tf1<Tfsmin时，根据获取的电堆入口温度Tf1控制电堆供氧风机的转速Sfc调整到额定转速的24％～33％范围内，使得电堆预热阶段的电堆入口温度Tf1≥下限值Tfsmin；
当获取的电堆入口温度Tfsmin≤Tf1<Tfs时，根据获取的电堆入口温度Tf1控制电堆供氧风机转速Sfc维持在额定转速的30％，使得电堆预热阶段的电堆入口温度Tf1迅速达到设定的第一界限值Tfs，电堆进入稳定工作阶段；
S3、在电堆稳定工作阶段，每间隔时间Δt时，获取一次电堆入口温度Tf1，
当获取的电堆入口温度Tfs≤Tf1<Tfm时，获取重整室甲醇水进液泵转速Vrc，并根据甲醇水进液泵转速Vrc控制电堆的供氧风机转速Sfc＝Vrc×1.17+47.85，使电堆入口温度Tf1达到电堆稳定工作阶段的第二界限值±3℃，使得电堆的输出功率Pfo等于电堆额定输出功率P；
S4、在电堆调整阶段，当电堆入口温度为Tfm≤Tf1<Tfmmax+3℃，控制供氧风机转速Sfc维持在供氧风机额定转速S的90％～100％范围内，使电堆输出功率Pfo等于燃料电池负载功率P1；当Tf1>Tfmmax+3℃，控制供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的100％。
优选地，所述步骤S2中供氧风机的转速Sfc的调整方法为：
每间隔时间Δt时判断一次电堆入口温度升高值ΔTf1，当ΔTf1>3℃，电堆供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin；
当0℃<ΔTf1<3℃，电堆供氧风机的转速Sfc大于供氧风机额定转速S的24％，则控制供氧风机的转速Sfc减小额定转速S的1％，反之，当供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的24％，则供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin；
当ΔTf1<0℃，电堆供氧风机转速Sfc小于供氧风机额定转速S的33％，则控制供氧风机的转速Sfc增大额定转速S的1％，反之，当供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的33％时，则供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin。
优选地，所述S4步骤中供氧风机的转速Sfc的调整方法为：
当Pfo>1.02P，Sfc>90％S，则调节Sfc，Sfc＝90％S，则Sfc保持不变，直至电堆输出功率Pfo等于燃料电池负载功率P1；
当Pfo<0.9P，Sfc<100％S，则调节Sfc，Sfc＝100％S，则Sfc保持不变，直至电堆输出功率Pfo等于电堆负载功率P1；
当0.9P<Pfo<1.02P，则Sfc保持不变。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
1、本发明通过调整电堆供氧风机的转速，来提高重整室甲醇进液的氢气转换效率，为燃料电池的电堆提供充足的氧气，保证的输出高电压。
2、本发明通过调整供氧风机的转速，来调整的电堆的入口温度，减少电堆发电的准备时间，使电堆的输出功率快速提升。
3、本发明通过实时调整供氧风机的转速，保证电堆输出功和负载功率处于动态平衡，从而避免电堆发生发电中断情况出现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明控制方法的流程图；
图2为本发明控制方法的控制框图
图3为本发明控制方法实施例2的流程图；
图4为本发明控制方法实施例3的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法：
实施例1
如图1所示，S1、将电堆工作过程划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段；设定电堆预热阶段入口温度的下限值Tfsmin＝80℃，电堆预热阶段到电堆稳定工作阶段之间的入口温度第一界限值Tfs＝125℃，设定电堆稳定工作阶段和电堆调整阶段之间的入口温度第二界限值Tfm＝160℃，电堆调整阶段的上限值Tfmmax＝168℃。
S2、为了减少电堆发电的准备时间，使电堆的输出功率快速提升在电堆预热阶段，每间隔时间Δt时，通过电堆入口温度传感器获取一次电堆入口温度Tf1，
当获取的电堆入口温度Tf1<Tfsmin时，根据获取的电堆入口温度Tf1控制电堆供氧风机的转速Sfc调整到额定转速的24％～33％范围内，使得电堆预热阶段的电堆入口温度Tf1≥下限值Tfsmin。
当获取的电堆入口温度Tfsmin≤Tf1<Tfs时，根据获取的电堆入口温度Tf1控制电堆供氧风机转速Sfc维持在额定转速的30％，使得电堆预热阶段的电堆入口温度Tf1迅速达到设定的第一界限值Tfs，保证的输出高电压电堆进入稳定工作阶段。
S3、为了给燃料电池的电堆提供充足的氧气，在电堆稳定工作阶段，每间隔时间Δt时，获取一次电堆入口温度Tf1，
当获取的电堆入口温度Tfs≤Tf1<Tfm时，获取重整室甲醇水进液泵转速Vrc，并根据甲醇水进液泵转速Vrc控制电堆的供氧风机转速Sfc＝Vrc×1.17+47.85，使电堆入口温度Tf1达到电堆稳定工作阶段的第二界限值±3℃，使得电堆的输出功率Pfo等于电堆额定输出功率P，电堆额定输出功率P＝5000W。
S4、为了保证电堆输出功和负载功率处于动态平衡，从而避免电堆发生发电中断情况出现在电堆调整阶段，当电堆入口温度为Tfm≤Tf1<Tfmmax+3℃，控制供氧风机转速Sfc维持在供氧风机额定转速S的90％～100％范围内，使电堆输出功率Pfo等于燃料电池负载功率P1；当Tf1>Tfmmax+3℃，控制供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的100％，使电堆内的风速调整为最高，将电堆内的热量带出去，实现电堆进行降温。
实施例2
进一步的，如图3所示，在实施例1的步骤S2中供氧风机的转速Sfc的控制方法为：
每间隔时间Δt时判断一次电堆入口温度升高值ΔTf1，当ΔTf1>3℃，电堆供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin；
当0℃<ΔTf1<3℃，电堆供氧风机的转速Sfc大于供氧风机额定转速S的24％，则控制供氧风机的转速Sfc减小额定转速S的1％，反之，当供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的24％，则供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin。
当ΔTf1<0℃，电堆供氧风机转速Sfc转速小于供氧风机额定转速S的33％，则控制供氧风机的转速Sfc增大额定转速S的1％，反之，当供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的33％时，则供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin。
实施例3
进一步的，如图4所示，在实施例1的S4步骤中供氧风机的转速Sfc的控制方法为：当Pfo>1.02P，Sfc>90％S，则调节Sfc，Sfc＝90％S，则Sfc保持不变，直至电堆输出功率Pfo等于燃料电池负载功率P1。当Pfo<0.9P，Sfc<100％S，则调节Sfc，Sfc＝100％S，则Sfc保持不变，直至电堆输出功率Pfo等于电堆负载功率P1。当0.9P<Pfo<1.02P，则Sfc保持不变。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将电堆工作过程划分为电堆预热阶段、电堆稳定工作阶段以及电堆调整阶段；设定电堆预热阶段入口温度的下限值Tfsmin，电堆预热阶段到电堆稳定工作阶段之间的入口温度第一界限值Tfs，设定电堆稳定工作阶段和电堆调整阶段之间的入口温度第二界限值Tfm，电堆调整阶段的上限值Tfmmax；
S2、在电堆预热阶段，每间隔时间Δt时，获取一次电堆入口温度Tf1，
当获取的电堆入口温度Tf1<Tfsmin时，根据获取的电堆入口温度Tf1控制电堆供氧风机的转速Sfc调整到额定转速的24％～33％范围内，使得电堆预热阶段的电堆入口温度Tf1≥下限值Tfsmin；
当获取的电堆入口温度Tfsmin≤Tf1<Tfs时，根据获取的电堆入口温度Tf1控制电堆供氧风机转速Sfc维持在额定转速的30％，使得电堆预热阶段的电堆入口温度Tf1迅速达到设定的第一界限值Tfs，电堆进入稳定工作阶段；
S3、在电堆稳定工作阶段，每间隔时间Δt时，获取一次电堆入口温度Tf1，
当获取的电堆入口温度Tfs≤Tf1<Tfm时，获取重整室甲醇水进液泵转速Vrc，并根据甲醇水进液泵转速Vrc控制电堆的供氧风机转速Sfc＝Vrc×1.17+47.85，使电堆入口温度Tf1达到电堆稳定工作阶段的第二界限值±3℃，使得电堆的输出功率Pfo等于电堆额定输出功率P；
S4、在电堆调整阶段，当电堆入口温度为Tfm≤Tf1<Tfmmax+3℃，控制供氧风机转速Sfc维持在供氧风机额定转速S的90％～100％范围内，使得电堆输出功率Pfo等于燃料电池负载功率P1；当Tf1>Tfmmax+3℃，控制供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的100％。
2.如权利要求1所述的一种基于HT-PEM的甲醇水燃料电池电堆供氧风机控制方法，其特征在于，所述步骤S2中供氧风机的转速Sfc的控制方法为：
每间隔时间Δt时判断一次电堆入口温度升高值ΔTf1，当ΔTf1>3℃，电堆供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin；
当0℃<ΔTf1<3℃，电堆供氧风机的转速Sfc大于供氧风机额定转速S的24％，则控制供氧风机的转速Sfc减小额定转速S的1％，反之，当供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的24％，则供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin；
当ΔTf1<0℃，电堆供氧风机转速Sfc小于供氧风机额定转速S的33％，则控制供氧风机的转速Sfc增大额定转速S的1％，反之，当供氧风机的转速Sfc等于供氧风机额定转速S的33％时，则供氧风机转速Sfc保持不变，直至电堆入口温度值Tf1≥下限值Tfsmin。
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