CN110649296B - 一种ht-pem甲醇水燃料电池功率自适应调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HT‑PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，属于燃料电池技术领域，通过主控制器实时检测电堆输出功率Po和负载输出功率P1，并将检测出的电堆输出功率Po和负载输出功率P1作对比，当电堆输出功率Po等于负载输出功率P1时，主控制器不处理；当电堆输出功率Po与负载输出功率P1不匹配时，主控制器通过粗调控制外环路和细调控制内环路相结合，使得电堆输出功率Po与负载输出功率P1相匹配。本发明负载动态响应能力好，可以做到自适应调节，控制响应速度快，基本无延迟，控制过程平滑，不会引起系统震荡，稳定性高。

Description

一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法
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甲醇水燃料电池功率自适应调整方法。
背景技术
基于HT-PEM的甲醇水燃料电池具有燃料适应性强，使用寿命长，输出功率大的特点，具有很好的市场推广前景，但是由于电池的动态响应能力较差，特别是在燃料电池进入稳定发电阶段后，当负载发生较大波动时，甲醇水燃料电池的电堆氢气进气量无法及时根据负载情况进行调整，从而导致燃料电池的重整室或燃烧室的温度发生剧烈波动，直至发生超温保护，中断发电过程。
因此，需要设计良好的燃料电池功率自适应调整方法，扩展燃料电池的动态响应能力，才能使燃料电池的工作过程稳定可靠。
现有HT-PEM甲醇水燃料电池输出功率的调整方法为：
当预测到输出功率即将升高，即输出功率需求变大时，先反向调节燃料电池电堆的供氧量，使电堆输出功率先变小，再由于电堆功率变小导致燃料电池重整室的氢气产生量变大，从而带动燃料电池电堆输出功率增加，反之亦然。
该方法可以在一定情况下调节燃料电池电堆的输出功率，但会产生相应的问题：
1、该方法仅适用于燃料电池负载变化已知的情况下使用，而当真实负载发生波动时，因无法预知输出功率的变化方向，故该方法无法起作用；
2、该方法的功率调节过程较为缓慢，延迟现象明显，动态性能差；
3、该方法由于在调节功率时会先反向调节功率，有可能在某些情况下引起系统震荡，有控制中断的风险。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，该方法的核心在于燃料电池负载电流的动态实时感知，并将电流变化率作为甲醇水燃料电池重整室的氢气产生量控制前馈，从而以最优的动态性能补偿燃料电池电堆的输出功率变化。
本发明的技术方案是：
一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，通过主控制器实时检测电堆输出功率Po和负载输出功率P1，并将检测出的电堆输出功率Po和负载输出功率P1作对比，当电堆输出功率Po等于负载输出功率P1时，主控制器不处理；当电堆输出功率Po与负载输出功率P1不匹配时，主控制器通过粗调控制外环路和细调控制内环路相结合，使得电堆输出功率Po与负载输出功率P1相匹配；
所述粗调控制外环路的控制策略是：主控制器控制重整室产出的氢气量来适应负载输出功率P1的变化，当电堆输出功率Po大于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵降低转速Sr1，使得甲醇水的进液量降低，从而使得重整室产出的氢气量减少；当电堆输出功率Po小于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵提高转速Sr1，使得甲醇水的进液量增加，从而使得重整室产出的氢气量增加；
所述细调控制内环路的控制策略是：主控制器控制重整室产出的氢气量来适应负载输出功率P1的变化，当电堆输出功率Po大于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给燃烧室甲醇水进液泵，控制燃烧室甲醇水进液泵降低转速Sr1，使得甲醇水的进液量降低，从而使得重整室产出的氢气量减少；当电堆输出功率Po小于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给燃烧室甲醇水进液泵，控制燃烧室甲醇水进液泵提高转速Sr1，使得甲醇水的进液量提高，从而使得重整室产出的氢气量增加。
优选的，所述粗调控制外环路中，主控制器还通过实时检测燃烧室出口温度Tbe，以确认氢气量是否满足电堆输出功率Po所需，当燃烧室出口温度Tbe小于预设的温度下阈值时，主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵增大转速Sr1，使得甲醇水的进液量增大，从而使得重整室产出的氢气量提高；当燃烧室出口温度Tbe大于预设的温度上阈值时，主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵减小转速Sr1，使得甲醇水的进液量减小，从而使得重整室产出的氢气量减少。
优选的，预设的温度下阈值是580℃，预设的温度上阈值是620℃。
与现有技术相比，本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法的有益效果是：
1、本发明负载动态响应能力好，可以做到自适应调节；
2、本发明控制响应速度快，基本无延迟；
3、本发明控制过程平滑，不会引起系统震荡，稳定性高，实用性好，值得推广。
附图说明
图1为本发明的控制流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，下面结合图1的控制流程示意图，对本发明进行说明。
如图1所示，本发明的技术方案是：
一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，通过主控制器实时检测电堆输出功率Po和负载输出功率P1，并将检测出的电堆输出功率Po和负载输出功率P1作对比，当电堆输出功率Po等于负载输出功率P1时，主控制器不处理；当电堆输出功率Po与负载输出功率P1不匹配时，主控制器通过粗调控制外环路和细调控制内环路相结合，使得电堆输出功率Po与负载输出功率P1相匹配；
所述粗调控制外环路的控制策略是：主控制器控制重整室产出的氢气量来适应负载输出功率P1的变化，当电堆输出功率Po大于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵降低转速Sr1，使得甲醇水的进液量降低，从而使得重整室产出的氢气量减少；当电堆输出功率Po小于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵提高转速Sr1，使得甲醇水的进液量增加，从而使得重整室产出的氢气量增加；
所述细调控制内环路的控制策略是：主控制器控制重整室产出的氢气量来适应负载输出功率P1的变化，当电堆输出功率Po大于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给燃烧室甲醇水进液泵，控制燃烧室甲醇水进液泵降低转速Sr1，使得甲醇水的进液量降低，从而使得重整室产出的氢气量减少；当电堆输出功率Po小于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给燃烧室甲醇水进液泵，控制燃烧室甲醇水进液泵提高转速Sr1，使得甲醇水的进液量提高，从而使得重整室产出的氢气量增加。
进一步的，所述粗调控制外环路中，主控制器还通过实时检测燃烧室出口温度Tbe，以确认氢气量是否满足电堆输出功率Po所需，当燃烧室出口温度Tbe小于预设的温度下阈值时，主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵增大转速Sr1，使得甲醇水的进液量增大，从而使得重整室产出的氢气量提高；当燃烧室出口温度Tbe大于预设的温度上阈值时，主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵减小转速Sr1，使得甲醇水的进液量减小，从而使得重整室产出的氢气量减少。
进一步的，预设的温度下阈值是580℃，预设的温度上阈值是620℃。
如图1所示，HT-PEM燃料电池功率自适应调整方法，用于确保发电过程中电堆输出功率与电能转换单元输出功率的一致性、同步性。电堆输出功率Po与输出负载功率Pl是动力源与负载的关系，在电堆开始发电后，Po与Pl保持匹配是维持系统稳定工作的必要条件。电堆输出功率Po即电堆输出能力的实际表征，当温度条件达到发电要求时，电堆输出能力取决于重整室对电堆的供氢量。通过HT-PEM燃料电池功率自适应调整方法，对过程中相关参量的实时检测及动态调整，达到预期控制效果。
本发明涉及一种燃料电池的输出功率自适应调整方法，应用于HT-PEM甲醇水燃料电池的发电过程控制。具体实施方法包括以下步骤：
HT-PEM燃料电池在负载输出功率P1减小时，电堆输出功率Po>P1,电堆对氢气消耗量降低，此时燃料电池控制重整室甲醇水进液泵降低转速Sr1，减少氢气量，控制电堆输出功率Po=P1;反之，P1增大时，Po<P1,燃料电池提高Sr1，增加氢气量，是Po=P1，从而使燃料电池达到根据负载实现动态调整，做到自适应调节。
当HT-PEM燃料电池调整功率过程中，电堆通过调整输出功率控制，控制氢气的消耗，其控制相应速度较慢，有较长延时。为了弥补该控制过程不足，通过检测燃烧室出口温度Tbe，可以快速反应出重整室当前氢气量生成是否满足电堆功率输出所需，当Tbe<580℃，说明当前氢气量过低，调整重整室甲醇水进液泵转速Sr1增大，提高氢气量。当Tbe>620℃,则说明当前氢气量过多，减小Sr1，降低氢气量。此控制策略，提高燃料电池在功率调整过程中，氢气量控制速率，使其控制无延时。
HT-PEM燃料电池在电堆拉升功率过程中，重整室入口温度Tr1受燃烧室Tbe直接控制。在电堆发电阶段Tbe 维持在580℃~620℃，Tr1在280℃~300℃变化，重整室甲醇水进液泵转速Sr2作为粗调Po外环路，Tr1作为细调Po内环路，两个环路同时调整，提高燃料电池在拉升功率过程平滑性，增强燃料电池稳定性。
本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，负载动态响应能力好，可以做到自适应调节，控制响应速度快，基本无延迟，控制过程平滑，不会引起系统震荡，稳定性高，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 (3)

1.一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，其特征在于，主控制器实时检测电堆输出功率Po和负载输出功率P1，并将检测出的电堆输出功率Po和负载输出功率P1作对比，当电堆输出功率Po等于负载输出功率P1时，主控制器不处理；当电堆输出功率Po与负载输出功率P1不匹配时，主控制器通过粗调控制外环路和细调控制内环路相结合，使得电堆输出功率Po与负载输出功率P1相匹配；
所述粗调控制外环路的控制策略是：主控制器控制重整室产出的氢气量来适应负载输出功率P1的变化，当电堆输出功率Po大于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵降低转速Sr1，使得甲醇水的进液量降低，从而使得重整室产出的氢气量减少；当电堆输出功率Po小于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵提高转速Sr1，使得甲醇水的进液量增加，从而使得重整室产出的氢气量增加；
所述细调控制内环路的控制策略是：主控制器控制重整室产出的氢气量来适应负载输出功率P1的变化，当电堆输出功率Po大于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给燃烧室甲醇水进液泵，控制燃烧室甲醇水进液泵降低转速Sr1，使得甲醇水的进液量降低，从而使得重整室产出的氢气量减少；当电堆输出功率Po小于负载输出功率P1时,主控制器发出控制指令给燃烧室甲醇水进液泵，控制燃烧室甲醇水进液泵提高转速Sr1，使得甲醇水的进液量提高，从而使得重整室产出的氢气量增加。
2.根据权利要求1所述的一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，其特征在于，所述粗调控制外环路中，主控制器还通过实时检测燃烧室出口温度Tbe，以确认氢气量是否满足电堆输出功率Po所需，当燃烧室出口温度Tbe小于预设的温度下阈值时，主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵增大转速Sr1，使得甲醇水的进液量增大，从而使得重整室产出的氢气量提高；当燃烧室出口温度Tbe大于预设的温度上阈值时，主控制器发出控制指令给重整室甲醇水进液泵，控制重整室甲醇水进液泵减小转速Sr1，使得甲醇水的进液量减小，从而使得重整室产出的氢气量减少。
3.根据权利要求2所述的一种HT-PEM甲醇水燃料电池功率自适应调整方法，其特征在于，预设的温度下阈值是580℃，预设的温度上阈值是620℃。
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