CN111864234A - 一种闭环加压的燃料电池水管理系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭环加压的燃料电池水管理系统及控制方法，包括氧气供给系统、压力控制系统；所述氧气供给系统包括燃料电池电堆、加热加湿器、三通阀a、空气压缩机、气水分离器、电动循环气泵、三通阀b、流量计、储水箱、阀门开度传感器；所述的压力控制系统包括压力传感器a(4)、压力传感器b(7)、电压检测装置(5)、比较器(20)、PLC控制器(17)、蓄电池(15)；本发明将整个氧气回路封闭起来加压，使整体压力上升，电堆内部流道受压更加均匀，避免尾部流道水淹时，加压效果不明显，其闭环控制系统采用负反馈控制控制的方法，可以有效抑制被控制量产生的影响，控制精度高，系统运行稳定。

Description

一种闭环加压的燃料电池水管理系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种闭环加压的燃料电池水管理系统及其控制方法，属于燃料电池水管理技术领域
背景技术
随着人类科学技术的发展和应用，当今的节约能源和环境保护已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当今世界各国能源决策和科技导向的关紧因素。同时，它也是促进能源科技发展的巨大动力，20世纪建立起来的庞大能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池与一般发电装置的不同之处是直接通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能，能量转化率高，对环境无污染，具有广阔的发展前景。
燃料电池可以是理想的全固态机械结构，即没有可移动的部件，这样的系统具有高可靠性和长寿命。并且在燃料电池以氢气和氧气为燃料时生成水，没有污染，对环境比较友好。
氢燃料电池的性能受燃料电池中的水的量和分布的影响。过多的水可能导致性能恶化，然而由于燃料电池的干涸而导致过少的水，也一样可能导致性能恶化。过多的水的极端情况可能导致燃料电池溢流，该溢流使得燃料电池无法使用。即使没有溢流，水位管理不善不仅会导致性能恶化，而且可能会缩短燃料电池的使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种闭环加压的燃料电池水管理系统及其控制方法。通过进出口压力变化以及水流量的变化判断燃料电池电堆内部水状态，利用闭环控制的方法，将氧气排气通道封闭，将氧气回路变成封闭回路，让进气回路变成加压回路，从而改善燃料电池电堆水淹问题。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案，一种闭环加压的燃料电池水管理系统及其控制方法的具体方案包括氧气供给系统、压力控制系统；
所述氧气供给系统包括燃料电池电堆6、加热加湿器3、三通阀a2、空气压缩机1、气水分离器8、电动循环气泵9、三通阀b10、流量计11、储水箱12、阀门开度传感器13；
燃料电池电堆6上有两个形成氧气循环回路的通道，第一个是氧气输送管路，氧气输送管路上空气压缩机1将空气压缩之后通过三通阀a2用管路将压缩空气输送到燃料电池电堆6里，加热加湿器3位于三通阀a2和燃料电池电堆6之间；
第二个是氧气排放通道，氧气排放通道上依次设置气水分离器8、电动循环气泵9、三通阀b10；三通阀a2的一端和三通阀b10的一端相连，三通阀b10的排气口端将废气排出；所述气水分离器8将出气通道的氧气、水分开，其中氧气依次流经电动循环气泵9、三通阀b10的两端至排气口；其中水分流入到储水箱12中，气水分离器8和储水箱12之间设有流量计11，三通阀b10排气口端设有阀门开度传感器13；
所述的压力控制系统包括压力传感器a4、压力传感器b7、电压检测装置5、比较器20、PLC控制器17、蓄电池15；燃料电池电堆6上设有电池电压监测装置5，所述电池电压监测装置5通过电压监测装置控制线束18和PLC控制器17相连，燃料电池电堆6的氧气进口处设有压力传感器a4，压力传感器a4通过压力传感器a控制线束19和比较器20相连，比较器20通过比较器控制线束22和PLC控制器17相连，燃料电池电堆6尾部排气口处设有压力传感器b7，压力传感器b7通过压力传感器b控制线束21与比较器20相连，蓄电池15通过PLC控制器电源线束24和PLC控制器17相连；
流量计11通过流量计控制线束23和PLC控制器17相连，电动循环气泵9通过电动循环气泵电源线束25与蓄电池15相连，三通阀b10通过三通阀b控制线束26和PLC控制器17相连，阀门开度传感器13通过阀门开度传感器控制线束27和PLC控制器17相连，加热加湿器3通过加热加湿器控制线束16和PLC控制器17相连，，三通阀a2通过三通阀a控制线束14和PLC控制器17相连。
本发明方法的技术方案为：一种闭环加压的燃料电池水管理系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：压力传感器a4获取燃料电池电堆6进口的压力数值P1，并将数值发送到比较器20，压力传感器b7获取燃料电池电堆6出口的压力数值P2并发送到比较器20上，比较器20将P2和P1的差值发送到PLC控制器17上；电池电压监测装置5将燃料电池电堆6的电压数据U1发送给PLC控制器17；
步骤二：PLC控制器17通过比较器20得到的进出口压力的差值P2-P1和燃料电池电压数据U1，结合燃料电池电堆的正常工况下的进出口压力的差值P0以及正常的工作电压U0判断燃料电池电堆6内部是否产生水淹；
步骤三：实时的进出口压力差值P2-P1和U1作为闭环控制的反馈信号与当前工况下P0和正常的工作电压U0进行比较，当实时的进出口压力差值P2-P1大于正常工况下的进出口压力的差值P0且U1小于U0，执行步骤四；
步骤四：PLC控制器17开启排气三通阀b10与进气三通阀a2连接管道的阀口，关闭三通阀b10排气口处的阀口，执行加压操作；
步骤五：开启氧气加压回路后，继续将实时的进出口压力的差值P2-P1与正常工况下的进出口压力的差值P0作比较，若P2-P1>P0，则继续加压。若P2-P1≤P0，执行步骤六；
步骤六：U1作为新的负反馈的信号，当电压U1小于正常工况下的电压值U0，则继续加压，当电压U1大于U0，则开启排气口三通阀b10的排气口阀门对整个氧气循环回路进行减压，阀门的开度K则是与电压U1的变化相关联，电压U1上升则加大阀门开度K，电压U1下降则减小阀门开度K，电压U1过小则关闭阀门，直至电压趋于稳定且等于正常工况下的电压后执行步骤七；
步骤七：关闭进气三通阀a2与排气三通阀b10连接的阀门，排气三通阀b10排气口的阀门完全打开，燃料电池电堆内部水淹情况处理完成；负反馈信号再次换成进出口压力的差值P2-P1，若P2-P1大于正常工况下的进出口压力差值P0则执行步骤一。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)将整个氧气回路封闭起来加压，使整体压力上升，电堆内部流道受压更加均匀，避免尾部流道水淹时，加压效果不明显。
(2)利用尾气，让氧气的利用率更大，同时封闭的回路只需要持续的进气就可以达到加压的效果，节省了单独的加压装置，减轻燃料电池水管理系统的负担。
(3)闭环控制系统采用负反馈控制控制的方法，可以有效抑制被控制量产生的影响，控制精度高，系统运行稳定。
附图说明
图1为本发明实施提供的结构框图
图2为本发明实施提供的系统框图
图3为本发明实施提供的控制流程图
其中：1-空气压缩机、2-三通阀a、3-加热加湿器、4-压力传感器a、5-电池电压监测装置、6-燃料电池电堆、7-压力传感器b、8-气水分离器、9-电动循环气泵、10-三通阀b、11-流量计、12-储水箱、13-阀门开度传感器、14-三通阀a控制线束、15-蓄电池、16-加热加湿器控制线束、17-PLC控制器、18-电压监测装置控制线束、19-压力传感器a控制线束、20-比较器、21-压力传感器b控制线束、22-比较器控制线束、23-流量计控制线束、24-PLC控制器电源线束、25-电动循环气泵电源线束、26-三通阀b控制线束、27-阀门开度传感器控制线束。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种闭环加压的燃料电池水管理系统及其控制方法，用于燃料电池水管理，改善燃料电池电堆水淹问题。
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其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1图2所示本发明提供的一种闭环加压的燃料电池水管理系统包括氧气供给系统、压力控制系统。所述氧气供给系统有燃料电池电堆6、加热加湿器3、三通阀a2、空气压缩机1、气水分离器8、电动循环气泵9、三通阀b10、流量计11、储水箱12、门开度传感器13；所述的压力控制系统包括压力传感器a4及压力传感器控制线束a19，压力传感器b7及压力传感器控制线束b21,电压检测装置5及电压检测装置控制线束18，三通阀a控制线束14，比较器20，比较器控制线束22，PLC控制器17，PLC控制器电源线束24，蓄电池15，电动循环气泵电源线束25，阀三通阀b控制线束26。
燃料电池电堆6上有两个形成氧气循环回路的通道，第一个是氧气输送管路，氧气输送管路上空气压缩机1将空气压缩之后通过三通阀a2用管路将压缩空气输送到燃料电池电堆6里，加热加湿器3位于三通阀a2和燃料电池电堆6之间，燃料电池电堆6的氧气进口处设有压力传感器a4；
第二个是氧气排放通道，氧气排放通道上依次设置、气水分离器8、电动循环气泵9、三通阀b10；三通阀a2的一端和三通阀b10的一端相连，另一朝向排气口端将废气排出；所述气水分离器8将出气通道的氧气、水分开，其中氧气依次流经电动循环气泵9、三通阀b10的两端至排气口；其中水分流入到储水箱12中，气水分离器8和储水箱12之间设有流量计11，燃料电池电堆6尾部排气口处设有压力传感器b7，三通阀b10排气口端设有阀门开度传感器13；
燃料电池电堆6上设有电池电压监测装置5，所述电池电压监测装置5通过电压监测装置控制线束18和PLC控制器17相连，压力传感器a4通过压力传感器控制线束19和比较器20相连，加热加湿器3通过加热加湿器控制线束16和PLC控制器17相连，三通阀a2通过三通阀a控制线束14和PLC控制器17相连；压力传感器b7通过压力传感器b控制线束21与比较器21相连，流量计11通过流量计控制线束23和PLC控制器17相连，电动循环气泵9通过电动循环气泵电源线束25与蓄电池15相连，三通阀b10通过三通阀b控制线束26和PLC控制器17相连，阀门开度传感器13通过阀门开度传感器控制线束27和PLC控制器17相连。
如图3所示，本发明实施例提供的一种闭环加压的燃料电池水管理系统及其控制方法如下：
步骤一：压力传感器a4获取燃料电池电堆6进口的压力数值P1，并将数值发送到比较器20，压力传感器b7获取燃料电池电堆6出口的压力数值P2并发送到比较器20上，比较器20将P2和P1的差值发送到PLC控制器17上；电压监测装置5将燃料电池电堆6的电压数据U1发送给PLC控制器17；
步骤二：PLC控制器17通过比较器20得到的进出口压力的差值P2-P1和燃料电池电压数据U1，结合燃料电池电堆的合适进出口压力的差值P0以及正常的工作电压U0判断燃料电池电堆6内部是否产生水淹；
步骤三：实时的进出口压力差值P2-P1和当前电压U1作为闭环控制的反馈信号与当前工况下合适压力差值P0和电压U0进行比较，当实时的进出口压力差值P2-P1大于正常工况下压力差值P0且U1小于U0，执行步骤四。
步骤四：PLC控制器17开启排气三通阀b10与进气三通阀a2连接管道的阀口，关闭三通阀b10排气口处的阀口，执行加压操作。
步骤五：开启氧气加压回路后，继续将实时的进出口压力的差值P2-P1与正常工况下的进出口压力的差值P0作比较，若P2-P1>P0，则继续加压。若P2-P1≤P0，执行步骤六；
步骤六：电压U1作为新的负反馈的信号，当电压U1小于正常工况下的电压值U0，则继续加压，当电压U1大于正常工况下的电压U0，则开启排气口三通阀b10的排气口阀门对整个氧气循环回路进行减压，阀门的开度K则是与电压U1的变化相关联，电压U1上升则加大阀门开度K，电压U1下降则减小阀门开度K，电压U1过小则关闭阀门，直至电压趋于稳定且等于正常工况下的电压后执行步骤七。
步骤七：关闭进气三通阀a2与排气三通阀b10连接的阀门，排气三通阀b10排气口的阀门完全打开，燃料电池电堆内部水淹情况处理完成；负反馈信号再次换成进出口压力的差值P2-P1，若进出口压力差值P2-P1大于正常工况下的进出口压力差值P0则执行步骤一。从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供一种闭环加压的燃料电池水管理系统及其控制方法，解决燃料电池电堆内部水积聚导致燃料电池性能变差的问题，稳定了燃料电池的性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种闭环加压的燃料电池水管理系统，其特征在于，包括氧气供给系统、压力控制系统；
所述氧气供给系统包括燃料电池电堆(6)、加热加湿器(3)、三通阀a(2)、空气压缩机(1)、气水分离器(8)、电动循环气泵(9)、三通阀b(10)、流量计(11)、储水箱(12)、阀门开度传感器(13)；
燃料电池电堆(6)上有两个形成氧气循环回路的通道，第一个是氧气输送管路，氧气输送管路上空气压缩机(1)将空气压缩之后通过三通阀a(2)用管路将压缩空气输送到燃料电池电堆(6)里，加热加湿器(3)位于三通阀a(2)和燃料电池电堆(6)之间；
第二个是氧气排放通道，氧气排放通道上依次设置气水分离器(8)、电动循环气泵(9)、三通阀b(10)；三通阀a(2)的一端和三通阀b(10)的一端相连，三通阀b(10)的排气口端将废气排出；所述气水分离器(8)将出气通道的氧气、水分开，其中氧气依次流经电动循环气泵(9)、三通阀b(10)的两端至排气口；其中水分流入到储水箱(12)中，气水分离器(8)和储水箱(12)之间设有流量计(11)，三通阀b(10)排气口端设有阀门开度传感器(13)；
所述的压力控制系统包括压力传感器a(4)、压力传感器b(7)、电压检测装置(5)、比较器(20)、PLC控制器(17)、蓄电池(15)；燃料电池电堆(6)上设有电池电压监测装置(5)，所述电池电压监测装置(5)通过电压监测装置控制线束(18)和PLC控制器(17)相连，燃料电池电堆(6)的氧气进口处设有压力传感器a(4)，压力传感器a(4)通过压力传感器a控制线束(19)和比较器(20)相连，比较器(20)通过比较器控制线束(22)和PLC控制器(17)相连，燃料电池电堆(6)尾部排气口处设有压力传感器b(7)，压力传感器b(7)通过压力传感器b控制线束(21)与比较器(20)相连，蓄电池(15)通过PLC控制器电源线束(24)和PLC控制器(17)相连；
流量计(11)通过流量计控制线束(23)和PLC控制器(17)相连，电动循环气泵(9)通过电动循环气泵电源线束(25)与蓄电池(15)相连，三通阀b(10)通过三通阀b控制线束(26)和PLC控制器(17)相连，阀门开度传感器(13)通过阀门开度传感器控制线束(27)和PLC控制器(17)相连，加热加湿器(3)通过加热加湿器控制线束(16)和PLC控制器(17)相连，三通阀a(2)通过三通阀a控制线束(14)和PLC控制器(17)相连。
2.一种闭环加压的燃料电池水管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：压力传感器a(4)获取燃料电池电堆(6)进口的压力数值P1，并将数值发送到比较器(20)，压力传感器b(7)获取燃料电池电堆(6)出口的压力数值P2并发送到比较器(20)上，比较器(20)将P2和P1的差值发送到PLC控制器(17)上；电池电压监测装置(5)将燃料电池电堆(6)的电压数据U1发送给PLC控制器(17)；
步骤二：PLC控制器(17)通过比较器(20)得到的进出口压力的差值P2-P1和燃料电池电压数据U1，结合燃料电池电堆的正常工况下的进出口压力的差值P0以及正常的工作电压U0判断燃料电池电堆(6)内部是否产生水淹；
步骤三：实时的进出口压力差值P2-P1和U1作为闭环控制的反馈信号与当前工况下P0和正常的工作电压U0进行比较，当实时的进出口压力差值P2-P1大于正常工况下的进出口压力的差值P0且U1小于U0，执行步骤四；
步骤四：PLC控制器(17)开启排气三通阀b(10)与进气三通阀a(2)连接管道的阀口，关闭三通阀b(10)排气口处的阀口，执行加压操作；
步骤五：开启氧气加压回路后，继续将实时的进出口压力的差值P2-P1与正常工况下的进出口压力的差值P0作比较，若P2-P1>P0，则继续加压。若P2-P1≤P0，执行步骤六；
步骤六：U1作为新的负反馈的信号，当电压U1小于正常工况下的电压值U0，则继续加压，当电压U1大于U0，则开启排气口三通阀b10的排气口阀门对整个氧气循环回路进行减压，阀门的开度K则是与电压U1的变化相关联，电压U1上升则加大阀门开度K，电压U1下降则减小阀门开度K，电压U1过小则关闭阀门，直至电压趋于稳定且等于正常工况下的电压后执行步骤七；
步骤七：关闭进气三通阀a(2)与排气三通阀b(10)连接的阀门，排气三通阀b(10)排气口的阀门完全打开，燃料电池电堆内部水淹情况处理完成；负反馈信号再次换成进出口压力的差值P2-P1，若P2-P1大于正常工况下的进出口压力差值P0则执行步骤一。
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