CN111463458A - 一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法及系统，属于燃料电池技术领域。本发明的方法包括：当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。本发明能够从能量和压力两个方面同时对燃料电池进行管控，快速调节制氢速度和燃料电池输出功率的平衡，从而确保安全性及燃料电池的正常工作。

Description

一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法及系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法及系统。

背景技术

近些年来，绿色氢能得到大力发展，与之相匹配的燃料电池系统也发展火热。目前，燃料电池通常配置储氢容器进行工作，但是在氢能基础设施尚未完善之前，氢气的来源成为限制燃料电池发展的重要因素。行业内也意识这个问题，在一些对氢气流量要求不高的场合采用现场化学制氢的方式，但是由于化学反应极度不稳定，而微型燃料电池系统对于体积要求较高，不能配置较大的缓冲罐，因此，现场化学制氢产生氢气的压力和流量极度不稳定，一旦反应罐内的压力过大，会造成爆罐的风险；而反应罐内的压力过小，则会造成系统停止工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法及系统，其能够从能量和压力两个方面同时对燃料电池进行管控，快速调节制氢速度和燃料电池输出功率的平衡，从而确保安全性及燃料电池的正常工作。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，包括：

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；

当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；

当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

本发明根据能量管理与压力管理之间的关联性，对整个燃料电池系统进行调节，以维持燃料电池内置蓄电池的剩余电量稳定性和反应罐压力稳定性，从而确保燃料电池的正常工作。一方面，燃料电池内置蓄电池的剩余电量会因外界负载大小和持续时间影响出现变化，为了维持剩余电量的稳定性，需要调节燃料电池电堆的输出功率，即调节消耗电量，同时调节反应罐的制氢速度（压力随之变化），即调节产生电量，以快速调节剩余电量至合理范围内。另一方面，反应罐内的压力会因制氢反应的不稳定性而出现变化，为了维持压力的稳定性，需要调节反应罐内的制氢速度，即调节产生氢气量，同时调节燃料电池电堆的输出功率（剩余电量随之变化），即调节消耗氢气量，以快速调节反应罐内压力至合理范围内。

作为本发明优选，采用DC/DC控制增大或减小燃料电池电堆的输出功率；采用蠕动泵加快或减慢向反应罐的注水速度，来加快或减慢反应罐的产氢速度。

作为本发明优选，所述剩余电量增加或减少具体指超过或低于设定范围，所述压力增大或减小具体指超过或低于设定范围。通过设定一个合理的范围，来避免系统进行频繁而不必要的调节，进而提高了整个系统工作的稳定性。并且，也避免了能量管控和压力管控出现矛盾的情况，比如当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，本应该减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；若同一时间反应罐内的压力正在增大（由于反应的不稳定性），则压力管控会要求减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率。而对剩余电量和压力均设置了一个安全的范围后，则类似上述的情况会因为剩余电量和/或压力处于安全范围内而不会发生。当然，在无法完全避免的一些极端情况下，比如系统故障，能量管控和压力管控之间产生矛盾时，为了确保安全，优先满足压力管控。

作为本发明优选，当燃料电池内置蓄电池的剩余电量在设定范围内时，监测剩余电量的变化率，若剩余电量的变化率大于最大设定值，则增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；若剩余电量的变化率小于最小设定值，则减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度。由于系统做出调节动作后，达到调节效果还需要一定的时间，所以即使剩余电量在设定的范围内时，也需要考虑其变化率是否过快，以提前进行调节，避免当剩余电量超过或低于设定范围后，无法在安全时间内调节到位。

作为本发明优选，当反应罐内的压力在设定范围内时，监测反应罐内压力的变化率，若反应罐内压力的变化率大于最大设定值，则减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；若反应罐内压力的变化率小于最小设定值，则加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。同理，需要考虑反应罐内压力的变化率是否过快，以提前进行调节，避免当压力超过或低于设定范围后，无法在安全时间内调节到位。

本发明还提供一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，包括：

能量监测模块，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量变化；

压力监测模块，实时监测反应罐内的压力变化；

控制模块，根据所述能量监测模块及压力监测模块的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；

当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；

当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

作为本发明优选，所述控制模块通过控制DC/DC来增大或减小燃料电池电堆的输出功率；所述控制模块通过控制蠕动泵加快或减慢向反应罐的注水速度，来加快或减慢反应罐的产氢速度。

作为本发明优选，所述剩余电量增加或减少具体指超过或低于设定范围，所述压力增大或减小具体指超过或低于设定范围。

作为本发明优选，所述能量监测模块包括：

能量变化量监测单元，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量是否在设定范围内；

能量变化率监测单元，当所述能量变化量监测单元的结果在设定范围内时，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量的变化率是否在设定范围内；

所述控制模块根据所述能量变化率监测单元的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

若剩余电量的变化率大于最大设定值，则增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；若剩余电量的变化率小于最小设定值，则减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度。

作为本发明优选，所述压力监测模块包括：

压力变化量监测单元，实时监测反应罐内的压力是否在设定范围内；

压力变化率监测单元，当所述压力变化量监测单元的结果在设定范围内时，实时监测反应罐内压力的变化率是否在设定范围内；

所述控制模块根据所述压力变化率监测单元的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

若反应罐内压力的变化率大于最大设定值，则减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；若反应罐内压力的变化率小于最小设定值，则加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

本发明的优点是：

1、响应速度快：无论是能量管理还是压力管理，均从产生端和消耗端进行同时调节，以快速调节燃料电池内置蓄电池的剩余电量稳定性和反应罐内的压力稳定性，从而确保整个系统的安全性及正常工作。

2、损耗小，氢气利用率高：由于系统对能量变化和压力变化的响应速度较快，可以有效避免出现超压排空氢气的情况，大大提高了氢气的利用率，延长了系统的续航时间。

3、管控逻辑更为合理：相较于传统的能量管理算法和控制逻辑，本发明中增加了压力因素作为能量管理的辅助判断，使得整体控制逻辑更加趋于合理。

附图说明

图1为本发明方法一种实施例的流程图；

图2为本发明系统一种实施例的结构原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，包括：

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；

当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；

当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

本发明根据能量管理与压力管理之间的关联性，对整个燃料电池系统进行调节，以维持燃料电池内置蓄电池的剩余电量稳定性和反应罐压力稳定性，从而确保燃料电池的正常工作。一方面，燃料电池内置蓄电池的剩余电量会因外界负载大小和持续时间影响出现变化，为了维持剩余电量的稳定性，需要调节燃料电池电堆的输出功率，即调节消耗电量，同时调节反应罐的制氢速度（压力随之变化），即调节产生电量，以快速调节剩余电量至合理范围内。另一方面，反应罐内的压力会因制氢反应的不稳定性而出现变化，为了维持压力的稳定性，需要调节反应罐内的制氢速度，即调节产生氢气量，同时调节燃料电池电堆的输出功率（剩余电量随之变化），即调节消耗氢气量，以快速调节反应罐内压力至合理范围内。

具体的，本发明采用DC/DC控制增大或减小燃料电池电堆的输出功率；采用蠕动泵加快或减慢向反应罐的注水速度，来加快或减慢反应罐的产氢速度。

而所述剩余电量增加或减少具体指超过或低于设定范围，所述压力增大或减小具体指超过或低于设定范围。通过设定一个合理的范围，来避免系统进行频繁而不必要的调节，进而提高了整个系统工作的稳定性。并且，也避免了能量管控和压力管控出现矛盾的情况，比如当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，本应该减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；若同一时间反应罐内的压力正在增大（由于反应的不稳定性），则压力管控会要求减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率。而对剩余电量和压力均设置了一个安全的范围后，则类似上述的情况会因为剩余电量和/或压力处于安全范围内而不会发生。当然，在无法完全避免的一些极端情况下，比如系统故障，能量管控和压力管控之间产生矛盾时，为了确保安全，优先满足压力管控。

进一步的，当燃料电池内置蓄电池的剩余电量在设定范围内时，监测剩余电量的变化率，若剩余电量的变化率大于最大设定值，则增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；若剩余电量的变化率小于最小设定值，则减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度。由于系统做出调节动作后，达到调节效果还需要一定的时间，所以即使剩余电量在设定的范围内时，也需要考虑其变化率是否过快，以提前进行调节，避免当剩余电量超过或低于设定范围后，无法在安全时间内调节到位。

相应的，当反应罐内的压力在设定范围内时，监测反应罐内压力的变化率，若反应罐内压力的变化率大于最大设定值，则减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；若反应罐内压力的变化率小于最小设定值，则加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。同理，需要考虑反应罐内压力的变化率是否过快，以提前进行调节，避免当压力超过或低于设定范围后，无法在安全时间内调节到位。

本发明还提供一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，包括：

能量监测模块，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量变化；

压力监测模块，实时监测反应罐内的压力变化；

控制模块，根据所述能量监测模块及压力监测模块的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；

当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；

当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

具体的，所述控制模块通过控制DC/DC来增大或减小燃料电池电堆的输出功率；所述控制模块通过控制蠕动泵加快或减慢向反应罐的注水速度，来加快或减慢反应罐的产氢速度。

而所述剩余电量增加或减少具体指超过或低于设定范围，所述压力增大或减小具体指超过或低于设定范围。

进一步的，所述能量监测模块包括：

能量变化量监测单元，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量是否在设定范围内；

能量变化率监测单元，当所述能量变化量监测单元的结果在设定范围内时，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量的变化率是否在设定范围内；

所述控制模块根据所述能量变化率监测单元的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

若剩余电量的变化率大于最大设定值，则增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；若剩余电量的变化率小于最小设定值，则减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度。

所述压力监测模块包括：

压力变化量监测单元，实时监测反应罐内的压力是否在设定范围内；

压力变化率监测单元，当所述压力变化量监测单元的结果在设定范围内时，实时监测反应罐内压力的变化率是否在设定范围内；

所述控制模块根据所述压力变化率监测单元的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

若反应罐内压力的变化率大于最大设定值，则减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；若反应罐内压力的变化率小于最小设定值，则加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，该具体实施方式是基于本发明整体构思下的一种实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，其特征在于，包括：

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；

当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；

当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，其特征在于，采用DC/DC控制增大或减小燃料电池电堆的输出功率；采用蠕动泵加快或减慢向反应罐的注水速度，来加快或减慢反应罐的产氢速度。

3.根据权利要求1所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，其特征在于，所述剩余电量增加或减少具体指超过或低于设定范围，所述压力增大或减小具体指超过或低于设定范围。

4.根据权利要求3所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，其特征在于，当燃料电池内置蓄电池的剩余电量在设定范围内时，监测剩余电量的变化率，若剩余电量的变化率大于最大设定值，则增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；若剩余电量的变化率小于最小设定值，则减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度。

5.根据权利要求3所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法，其特征在于，当反应罐内的压力在设定范围内时，监测反应罐内压力的变化率，若反应罐内压力的变化率大于最大设定值，则减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；若反应罐内压力的变化率小于最小设定值，则加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

6.一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，其特征在于，包括：

能量监测模块，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量变化；

压力监测模块，实时监测反应罐内的压力变化；

控制模块，根据所述能量监测模块及压力监测模块的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量增加时，增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；

当燃料电池内置蓄电池的剩余电量减少时，减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度；

当反应罐内的压力增大时，减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；

当反应罐内的压力减小时，加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

7.根据权利要求6所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，其特征在于，所述控制模块通过控制DC/DC来增大或减小燃料电池电堆的输出功率；所述控制模块通过控制蠕动泵加快或减慢向反应罐的注水速度，来加快或减慢反应罐的产氢速度。

8.根据权利要求6所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，其特征在于，所述剩余电量增加或减少具体指超过或低于设定范围，所述压力增大或减小具体指超过或低于设定范围。

9.根据权利要求8所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，其特征在于，所述能量监测模块包括：

能量变化量监测单元，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量是否在设定范围内；

能量变化率监测单元，当所述能量变化量监测单元的结果在设定范围内时，实时监测燃料电池内置蓄电池的剩余电量的变化率是否在设定范围内；

所述控制模块根据所述能量变化率监测单元的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

若剩余电量的变化率大于最大设定值，则增大燃料电池电堆的输出功率，同时减慢反应罐的产氢速度；若剩余电量的变化率小于最小设定值，则减小燃料电池电堆的输出功率，同时加快反应罐的产氢速度。

10.根据权利要求8所述的一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控系统，其特征在于，所述压力监测模块包括：

压力变化量监测单元，实时监测反应罐内的压力是否在设定范围内；

压力变化率监测单元，当所述压力变化量监测单元的结果在设定范围内时，实时监测反应罐内压力的变化率是否在设定范围内；

所述控制模块根据所述压力变化率监测单元的结果，调节燃料电池电堆的输出功率及反应罐的产氢速度：

若反应罐内压力的变化率大于最大设定值，则减慢反应罐的产氢速度，同时增大燃料电池电堆的输出功率；若反应罐内压力的变化率小于最小设定值，则加快反应罐的产氢速度，同时减小燃料电池电堆的输出功率。

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