CN111342088A - 一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置及方法，通过控制各类阀门协同工作使燃料电池阳极压力在稳态、加载、减载和排气各个阶段都能稳定在合适的范围内，这样既可以稳定的控制阳极压力、快速的补充氢气流量，又具有安全性高，成本低的特点。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更为具体地讲，涉及一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置及方法。
背景技术
在全球日益增长的能源需求、愈演愈烈的环境危机等背景下，新型的清洁能源利用方式越来越受到人们的重视。其中，质子交换膜燃料电池因高效率、零污染、低噪音、启动快等优势走入大众的视线。
燃料电池正常工作时需要阴极提供足够的氧气、阳极提供足够的氢气量，同时在氢气量满足的情况下需要阳极提供一定的压力，阳极合适的压力值能提高燃料电池的性能，保证燃料电池工作在最佳的工作状态，如果反应气体短缺，燃料电池的性能及寿命会受到很大的影响。
燃料电池应用于实际生活中时需要解决许多棘手的问题，为了提高氢气的利用率，需要燃料电池系统尽可能的工作在死端模式下。与此同时，随着电化学反应的进行，阳极液态水和氮气的积累都使得燃料电池性能大大降低，因此系统需要采用间歇性排气，及时排出反应生成的水和积累的氮气。实际应用的挑战在于：当Purge排气阀由关闭到打开时，阳极压力急剧下降，燃料电池性能降低，该时间段加载存在很大的引发燃料饥饿的风险，此外，阳极压力的突变导致阴极和阳极压力差的变化，轻则影响膜电极的寿命，重则直接导致质子交换膜的穿孔或破裂，对燃料电池产生不可逆的损坏。因此，理想的设计是当Purge打开时，通过某种方式及时补充足够的氢气量，防止反应气体短缺，同时保持阳极的压力稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置及方法，通过动态调节燃料电池氢气路压力，使燃料电池氢气侧压力在各个阶段都保持最佳值。
为实现上述发明目的，本发明一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置，其特征在于，包括：比例组合阀、共轨喷射阀、Purge电磁阀、压力测量传感器组、控制器及管路；
所述比例组合阀，由电磁阀和比例阀串联组成，一端连接氢气源的进气管路，另一端通过管路与燃料电池电堆的进气口连接；
所述共轨喷射阀，由多个相同或不同口径的喷嘴组成，各喷嘴的进气口汇流成为共轨喷射阀的进气口，各喷嘴的出气口汇流成为共轨喷射阀的出气口；整个共轨喷射阀与比例组合阀同向并联于燃料电池电堆的阳极进气管路上；
所述Purge电磁阀，位于燃料电池电堆阳极出气管路上，其一端通过管路与燃料电池电堆的出气口连接；另一端通过管路排入环境大气中；
所述压力测量传感器组，有四个压力测量传感器组成，分别位于比例组合阀和共轨喷射阀的进气管路和出气管路，以及Purge电磁阀的进气管路和出气管路上，分别用于测量氢气源的压力、电堆进气口压力、电堆出气口压力和环境大气压力，并将压力测量传感器组测得的压力值上传给控制器；
所述控制器，通过AI口采集各压力测量传感器测得的压力值并进行相关计算，然后通过DO口定时输出高低电平控制Purge电磁阀开关，通过PWM1口和PWM2口输出相应脉冲信号对比例组合阀中比例阀和共轨喷射阀进行控制，从而实现燃料电池阳极气体供应回路的动态调压。
一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、压力测量传感器组分别测量氢气源的压力、电堆进气口压力、电堆出气口压力和环境大气压力，并将压力测量传感器组测得的压力值上传给控制器；
(2)、控制器根据燃料电池氢气动态调压装置的具体工作模式，完成燃料电池阳极气体供应回路的动态调压；
(2.1)、当燃料电池氢气动态调压装置工作在比例组合阀调压模式
控制器定时通过DO口输出低电平控制Purge电磁阀关闭，控制器通过PWM1口输出相应脉冲控制共轨喷射阀关闭，同时控制比例组合阀中的电磁阀打开；然后控制器通过AI口采集电堆进气口压力值，并计算与设定目标压力值的差值，然后通过控制算法实时计算比例阀所需开度，最后通过PWM 2口输出相应脉冲信号控制比例阀开度，进而稳定燃料电池电堆进气口压力；
(2.2)、当燃料电池氢气动态调压装置工作在共轨喷射阀补氢模式
控制器定时通过DO口输出高电平控制Purge电磁阀打开，比例组合阀中的电磁阀维持打开状态，控制器通过控制PWM 2口输出的脉冲信号保持不变锁定比例阀开度不变，控制器根据AI口采集电堆进气口压力值计算与设定目标压力值的差值，计算共轨喷射阀门所需开度和时间，调节喷氢流量，进而稳定燃料电池电堆进气口压力。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置及方法，通过控制各类阀门协同工作使燃料电池阳极压力在稳态、加载、减载和排气各个阶段都能稳定在合适的范围内，这样既可以稳定的控制阳极压力、快速的补充氢气流量，又具有安全性高，成本低的特点。
同时，本发明一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置及方法还具有以下有益效果：
(1)、燃料电池在负载变化和Purge电磁阀开通关闭转换时都能快速有效地将燃料电池电堆进气口端压力稳定在目标值；
(2)、通过共轨喷射阀补充氢气有效的避免了燃料电池在Purge时短暂氢气量不足，提高了燃料电池在Purge时的输出性能，减少因为压力失衡导致膜破裂的风险。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置的一种具体实施方式架构图；
图2是比例组合阀调压模式图；
图3是共轨喷射阀补氢模式图；
图4是比例阀调压控制图；
图5是比例阀在变载时调压控制图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置的一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置，包括：比例组合阀、共轨喷射阀、Purge电磁阀、压力测量传感器组、控制器及管路，按照图1进行管路连接。其中，压力测量传感器P1～P4的值通过模拟量输入AI通道接进控制器，比例组合阀中比例阀由控制器采用带功率驱动能力的PWM2输出口进行控制，共轨喷射阀由控制器采用PWM1输出口进行控制，比例组合阀中电磁阀和Purge电磁阀通过控制器的数字量输出DO通道进行控制。
比例组合阀，由电磁阀和比例阀串联组成，一端连接氢气源的进气管路，另一端通过管路与燃料电池电堆的进气口连接；
共轨喷射阀，由多个相同或不同口径的喷嘴组成，各喷嘴的进气口汇流成为共轨喷射阀的进气口，各喷嘴的出气口汇流成为共轨喷射阀的出气口；整个共轨喷射阀与比例组合阀同向并联于燃料电池电堆的阳极进气管路上；
Purge电磁阀，位于燃料电池电堆阳极出气管路上，其一端通过管路与燃料电池电堆的出气口连接；另一端通过管路排入环境大气中；
压力测量传感器组，有四个压力测量传感器P1～P4组成，分别位于比例组合阀和共轨喷射阀的进气管路和出气管路，以及Purge电磁阀的进气管路和出气管路上，分别用于测量氢气源的压力、电堆进气口压力、电堆出气口压力和环境大气压力，并将压力测量传感器组测得的压力值上传给控制器；
控制器，通过AI口采集各压力测量传感器测得的压力值并进行相关计算，然后通过DO口定时输出高低电平控制Purge电磁阀开关，通过PWM1口和PWM2口输出相应脉冲信号对比例组合阀中比例阀和共轨喷射阀进行控制，从而实现燃料电池阳极气体供应回路的动态调压。
下面我们对一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压方法的具体过程进行详细描述，包括以下步骤：
S1、压力测量传感器P1～P4分别测量氢气源的压力、电堆进气口压力、电堆出气口压力和环境大气压力，并将压力测量传感器组测得的压力值上传给控制器；
S2、控制器根据燃料电池氢气动态调压装置的具体工作模式，完成燃料电池阳极气体供应回路的动态调压；
S2.1、如图2所示，当燃料电池氢气动态调压装置工作在比例组合阀调压模式；
控制器控制打开电磁阀和Purge电磁阀，比例组合阀入口P1点的压力值P1保持不变，设定燃料电池电堆进气口P2点的目标压力为P，根据图4所示，通过PID计算PWM1信号的占空比D1，线性调节比例阀开度以改变进堆气体的流量，使得燃料电池电堆进气口P2点压力值稳定在目标压力值；
例如，气源压力P1＝800Kpa保持不变，燃料电池电堆进气口P2点实际压力P2＝105Kpa，设置电堆进气口目标压力P＝125Kpa，差值ΔP＝20Kpa，通过PID第一个控制周期调节PWM2输出口的脉冲占空比D1＝47.23，使比例阀开度开到47.23％，此时P2＝108Kpa，差值ΔP＝17Kpa；通过PID第二个控制周期调节，PWM2输出口的脉冲占空比D1＝49.05，使比例阀开度开到49.05％，此时P2＝115Kpa，差值ΔP＝10Kpa；经过多个控制周期的调节，PWM2输出口的脉冲占空比D1＝51.02，使比例阀开度开到51.02％，此时P2点实际压力稳定在125Kpa；
运行在比例组合阀调压模式，当燃料电池负载变化ΔI安培时，根据图5所示，通过前馈的方式在PID调节下PWM2输出口的脉冲占空比D1的基础上加上ΔI×α(α为前馈系数)，即作用在比例阀上的脉冲占空比为D2＝D1+ΔI×α，采用负载电流变化值直接前馈的方式来快速调节比例阀开度，保证在负载增加或减少瞬间燃料电池电堆进气口P2点压力值稳定；
例如，前馈系数α＝0.01，P2点压力稳定125Kpa，此时PID调节下PWM2输出口的脉冲占空比D1＝51.02，当负载减少40安培时，通过前馈调节作用在比例阀上的脉冲占空比D2＝51.02-40×0.003＝50.9，快速抵消负载减少40安培时引起压力增加的3Kpa，使P2点压力稳定在125Kpa；同理当负载增加40安培时，通过前馈调节作用在比例阀上的脉冲占空比D2＝51.02+40×0.003＝51.14，快速抵消负载增加40安培时引起压力降低的3Kpa，使P2点压力稳定在125Kpa；
S2.2、如图3所示，当燃料电池氢气动态调压装置工作在共轨喷射阀补氢模式；
Purge电磁阀打开时保持比例阀开度不变，以Purge电磁阀打开前P2点压力为目标，通过滞环控制算法控制共轨喷射阀单个喷嘴应开启的阀门开度，Purge电磁阀关闭后，回到比例组合阀调压模式；
例如，设Purge电磁阀打开前P2点压力稳定在125Kpa，未使用共轨喷射阀补氢Purge电磁阀打开时P2点压力降到110Kpa，此时共轨喷射阀可打开一个喷嘴，喷嘴开度采用滞环控制，共轨喷射阀补氢模式下以Purge电磁阀打开前P2点的125Kpa压力为目标，第一个控制周期内P2点实际压力值低于125Kpa时喷嘴阀门开度提高5％，第二个控制周期P2点实际压力值若还低于125Kpa时喷嘴阀门开度继续提高5％，第三个控制周期内P2点实际压力值高于125Kpa时喷嘴阀门开度降低2.5％，第四个控制周期内P2点实际压力值低于125Kpa时喷嘴阀门开度提高1.25％，以此类推直到共轨喷射阀补氢模式结束，任何一个控制周期内当P2点压力稳定在125Kpa时保持当前喷嘴阀门开度直到共轨喷射阀补氢模式结束；
根据在未使用共轨喷射阀补氢时Purge电磁阀打开前后P2点压力降低的程度不同，可选择不同规格的喷嘴进行组合，满足当前损失的氢气流量需求；
这样根据Purge阀的口径、电堆出气口压力值和环境大气压力值计算Purge阀打开时电堆损失的氢气流量，再计算共轨喷射阀上并联的多个喷嘴的开启数量及开启的时间，最后，按照喷嘴的开启数量及开启的时间调节喷氢流量；
例如，假设Purge电磁阀打开前P2点压力稳定在150Kpa，未使用共轨喷射阀补氢Purge电磁阀打开时P2点压力降到110Kpa，此时单个喷嘴阀门全开无法满足要求，可选择两个或多个喷嘴，并控制喷嘴阀门开度进行补氢，其中，共轨喷射阀单个喷嘴喷射时间为Purge电磁阀设定的打开时间；
当燃料电池负载变化ΔI安培时，控制共轨喷射阀各个喷嘴阀门开度进行补氢，在比例阀保持不变的脉冲占空上直接加ΔI×α，保证运行在共轨喷射阀补氢模式下负载增加或减少瞬间燃料电池电堆进气口P2点压力值稳定；
例如，前馈系数α＝0.003，运行在共轨喷射阀补氢模式，比例阀开度保持不变，此时作用在比例阀上的脉冲占空比D2＝57.80不变，当燃料电池负载减少80安培时，作用在比例阀上的脉冲占空比D2＝57.80-80×0.003＝57.56，防止此时P2点压力过高；同理负载增加80安培时作用在比例阀上的脉冲占空比D2＝57.80+80×0.003＝58.04，防止此时P2点压力过低；
通过该燃料电池氢气动态调压装置工作模式之间的转换，一方面能有效的将燃料电池阳极氢气压力控制在合适的值，无论系统增加负载还是减少负载都能保证阳极氢气压力处于目标值；另一方面当Purge时通过共轨喷射阀补充相应的氢气流量，保证燃料电池在Purge时氢气量充足，提高燃料电池在Purge时性能，使得Purge时燃料电池系统可不受压力限制地加减载。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压装置，其特征在于，包括：比例组合阀、共轨喷射阀、Purge电磁阀、压力测量传感器组、控制器及管路；
所述比例组合阀，由电磁阀和比例阀串联组成，一端连接氢气源的进气管路，另一端通过管路与燃料电池电堆的进气口连接；
所述共轨喷射阀，由多个相同或不同口径的喷嘴组成，各喷嘴的进气口汇流成为共轨喷射阀的进气口，各喷嘴的出气口汇流成为共轨喷射阀的出气口；整个共轨喷射阀与比例组合阀同向并联于燃料电池电堆的阳极进气管路上；
所述Purge电磁阀，位于燃料电池电堆阳极出气管路上，其一端通过管路与燃料电池电堆的出气口连接；另一端通过管路排入环境大气中；
所述压力测量传感器组，有四个压力测量传感器组成，分别位于比例组合阀和共轨喷射阀的进气管路和出气管路，以及Purge电磁阀的进气管路和出气管路上，分别用于测量氢气源的压力、电堆进气口压力、电堆出气口压力和环境大气压力，并将压力测量传感器组测得的压力值上传给控制器器；
所述控制器，通过AI口采集各压力测量传感器测得的压力值并进行相关计算，然后通过DO口定时输出高低电平控制Purge电磁阀开关，通过PWM1口和PWM2口输出相应脉冲信号对比例组合阀中比例阀和共轨喷射阀进行控制，从而实现燃料电池阳极气体供应回路的动态调压。
2.一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、压力测量传感器组分别测量氢气源的压力、电堆进气口压力、电堆出气口压力和环境大气压力，并将压力测量传感器组测得的压力值上传给控制器；
(2)、控制器根据燃料电池氢气动态调压装置的具体工作模式，完成燃料电池阳极气体供应回路的动态调压；
(2.1)、当燃料电池氢气动态调压装置工作在比例组合阀调压模式
控制器定时通过DO口输出低电平控制Purge电磁阀关闭，控制器通过PWM1口输出相应脉冲控制共轨喷射阀关闭，同时控制比例组合阀中的电磁阀打开；然后控制器通过AI口采集电堆进气口压力值，并计算与设定目标压力值的差值，然后通过控制算法实时计算比例阀所需开度，最后通过PWM 2口输出相应脉冲信号控制比例阀开度，进而稳定燃料电池电堆进气口压力；
(2.2)、当燃料电池氢气动态调压装置工作在共轨喷射阀补氢模式
控制器定时通过DO口输出高电平控制Purge电磁阀打开，比例组合阀中的电磁阀维持打开状态，控制器通过控制PWM 2口输出的脉冲信号保持不变锁定比例阀开度不变，控制器根据AI口采集电堆进气口压力值计算与设定目标压力值的差值，计算共轨喷射阀门所需开度和时，调节喷氢流量，进而稳定燃料电池电堆进气口压力。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压方法，其特征在于，所述比例组合阀调压模式或共轨喷射阀补氢模式下，当燃料电池的负载电流发生扰动，导致氢气的消耗量发生变化时，将负载电流的扰动乘以前馈系数，叠加至比例阀开度的控制信号上，以稳定燃料电池电堆进气口压力。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池阳极气体供应回路的动态调压方法，其特征在于，所述共轨喷射阀补氢模式下，调节喷氢流量的具体方法为：
根据Purge阀的口径、电堆出气口压力值和环境大气压力值计算Purge阀打开时电堆损失的氢气流量，再计算共轨喷射阀上并联的多个喷嘴的开启数量及开启的时间，最后，按照喷嘴的开启数量及开启的时间调节喷氢流量。
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