CN114551942A - 一种高温燃料电池低气压运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温燃料电池低气压运行控制方法，包括：通过阴极气压获取元件得到电堆阴极气体供给管路出口处的气体压力，根据气体压力值控制气泵转速；通过阳极气压获取元件得到电堆阳极气体供给管路出口处的气体压力，根据气体压力值控制气体喷射阀的脉冲频率；气压条件改变的情况下，通过调节气泵的转速改变电堆阴极侧空气需求量；当阴极侧空气流量快速变化时，调节气体喷射阀的脉冲频率，使得阳极供给管路中气体的瞬时流量随气泵转速改变快速响应，实现电堆的阴、阳极两侧入口处气体压力比值维持在正常气压条件下的实测参数比值，保证高温甲醇燃料电池系统电堆的稳定输出以及安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及高温燃料电池技术领域，具体涉及一种高温燃料电池低气压运行控制方法。
背景技术
高温甲醇燃料电池系统通过阳极富氢甲醇重整反应气与阴极空气中的氧气发生电化学反应进行放电。燃料电池系统的工作条件包括压力、温度、流量。流量调节的控制目标是保证提供足够的反应物供燃料电池系统消耗。当燃料电池系统在高海拔低气压地区运行时，受低气压影响环境空气密度小于正常气压条件下的密度，单位体积空气中氧含量也随之降低。向高温甲醇燃料电池系统供给与正常气压条件情况相同流量的阴极空气(氧气)，与正常气压条件相比需要提高阴极气泵转速。
但是，随着气泵转速的提高，气泵工作点发生偏移，这导致了在燃料电池系统电堆阴极入口处的压力与空气流量同时随气泵转速改变而改变。为了提高燃料电池系统每消耗单位量甲醇的输出功率，控制燃料电池系统进入电堆阳极侧的甲醇重整反应气的流量随阴极侧气体压力和流量变化快速和安全的瞬态响应的控制方法具有重要的意义。
发明内容
本发明提供一种高温甲醇燃料电池系统在低气压条件下运行的控制方法，能够通过以下方式来实现。
一种高温燃料电池低气压运行控制方法，包括：
通过置于阴极气体供给管路上阴极气压获取元件得到电堆阴极气体供给管路出口处的气体压力，根据所获得的气体压力值控制气泵的转速；通过置于阳极气体供给管路上阳极气压获取元件得到电堆阳极气体供给管路出口处的气体压力，根据所获得的气体压力值控制置于阳极气体供给管路上气体喷射阀的脉冲频率；
气压条件改变的情况下，通过调节气泵的转速改变电堆阴极侧空气需求量；当阴极侧空气流量快速变化时，调节气体喷射阀的脉冲频率脉冲频率和气泵转速；
阳极侧排气管路、阴极侧排气管路分别与燃料电池电堆的阳极侧和阴极侧连接。
所述该方法是基于高温甲醇燃料电池系统实现的，该系统包括：燃料电池电堆、重整器反应器、电堆阳极气体供给管路、电堆阴极气体供给管路、气泵、控制器、阳极侧排气管路、阴极侧排气管路；
燃料电池电堆，通过阳极气体与阴极气体进行电化学反应发电；
重整器反应器，用于甲醇进行重整反应提供富氢的燃料气体，置于阳极气体供给管路前端；
电堆阳极气体供给管路，阳极供给管路上带有阳极气压获取元件，带有气体喷射阀，输送甲醇重整反应气进入燃料电池电堆阳极；
电堆阴极气体供给管路，阴极供给管路上带有阴极气压获取元件，输送空气进入燃料电池电堆阴极；
气泵，从外界环境获取阴极气体，向燃料电池电堆送入外部空气，置于阴极气体供给管路前端；
控制器，与气体喷射阀、阳极气压获取元件、阴极气压获取元件、气泵电性连接，用于采集电堆阳极气体供给管路和电堆阴极气体供给管路上的气体压力，调节气体喷射阀开度和气泵转速；
阳极侧排气管路、阴极侧排气管路分别与燃料电池电堆的阳极侧和阴极侧连接。
所述气体喷射阀采用脉冲电磁阀，置于阳极供给管路上，通过设置气体喷射阀的脉冲频率改变阳极供给管路中气体的瞬时流量。
所述阳极气压获取元件采用压力表，置于阳极气体供给管路上靠近电堆阳极入口处，用于监测阳极气体供给管路出口处气体压力。
所述阴极气压获取元件采用压力表，置于阴极气体供给管路上靠近电堆阴极入口处，用于监测阴极气体供给管路出口处气体压力。
所述正常气压条件下的实测值为1～1.5，优选为1.2；控制燃料电池系统电堆阴极侧的气体压力比上阳极侧的气体压力等于阈值时，能保证电池系统稳定运行。
所述气压条件改变的情况下，通过调节气泵的转速改变电堆阴极侧空气需求量为：由于正常气压条件下，改变气泵转速时输送气体流量与气泵扬程的变化关系有扬程变化正比于输送气体流量变化的平方，根据对高温甲醇燃料电池输出功率的不同需求，可改变燃料电池系统电堆阴极侧空气的流量。
当阴极侧空气流量快速变化时，通过控制气体喷射阀脉冲频率使得阳极供给管路中流量快速响应。
所述阳极供给管路获取的气体压力与阴极供给管路获取的气体压力，两者之比Pb/Pa一直维持等于正常气压条件下进行高温甲醇燃料电池运行实验实测的燃料电池系统电堆阴极侧、阳极侧的气体压力比阈值，用于保证燃料电池系统电堆两侧避免因任一侧压力过高导致电堆内部结构损坏，进而保证高温甲醇燃料电池系统电堆的安全运行。
本发明具有以下有益效果及效果：
1.本发明控制方法中，控制部分的控制参数基于在正常气压条件下的实测值。在正常气压条件下进行高温甲醇燃料电池运行实验，实验涉及的燃料电池系统为上述燃料电池系统，控制燃料电池系统电堆阴极侧的气体压力比上阳极侧的气体压力等于阈值(实测值为(1～1.5)，优选为1.2)，可以保证电池系统稳定运行。正常气压条件下，改变气泵转速时输送气体流量与气泵扬程的变化关系有扬程变化正比于输送气体流量变化的平方。实验中根据对高温甲醇燃料电池输出功率的不同需求，改变燃料电池系统电堆阴极侧空气的流量。
2.本发明控制方法中，阳极供给管路的控制部分基于当阴极侧空气流量快速变化时，通过控制气体喷射阀脉冲频率使得阳极供给管路中流量快速响应。在间隔一定时间内甲醇消耗不变时，该段间隔时间内流经气体喷射阀的甲醇重整反应气的流量也不会改变。当阴极侧所需气体流量减少时，主要通过减小进入重整反应器中的甲醇流量进而改变甲醇重整反应气的总流量。通过改变气泵转速进而改变阴极侧空气流量的瞬时响应比通过改变甲醇进料控制阳极侧甲醇重整反应气迅速，因此在阳极供给管路上使用气体喷射阀变频控制，结果可以实现阳极侧流量变化快速的瞬态响应。
3.本发明控制方法中，阳极供给管路获取的气体压力与阴极供给管路获取的气体压力，两者之比Pb/Pa一直维持等于正常气压条件下进行高温甲醇燃料电池运行实验实测的燃料电池系统电堆阴极侧、阳极侧的气体压力比阈值，同时保证燃料电池系统电堆两侧，避免因任一侧压力过高导致电堆内部结构损坏，进而保证高温甲醇燃料电池系统电堆的安全运行。
附图说明
图1燃料电池系统构成概略图；
图2阴极侧控制部分11流程图；
图3阳极侧控制部分12流程图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明中控制方法涉及高温甲醇燃料电池系统，包括：燃料电池电堆，通过阳极气体与阴极气体进行电化学反应发电；电堆阳极气体供给管路，阳极供给管路上带有气压获取元件，带有气体喷射阀，输送甲醇重整反应气进入燃料电池电堆阳极；气体喷射阀(脉冲电磁阀)，置于阳极供给管路上，通过设置气体喷射阀的脉冲频率改变阳极供给管路中气体的瞬时流量；电堆阴极气体供给管路，阴极供给管路上带有气压获取元件，输送空气进入燃料电池电堆阴极；重整器反应器，甲醇进行重整反应提供富氢的燃料气体，置于阳极气体供给管路前端；阳极气压获取元件(压力表)，置于阳极气体供给管路上靠近电堆阳极入口处，用于监测阳极气体供给管路气体压力；阴极气压获取元件(压力表)，置于阴极气体供给管路上靠近电堆阳极入口处，用于监测阴极气体供给管路气体压力；气泵，从外界环境获取阴极气体，向燃料电池电堆送入外部空气，置于阴极气体供给管路前端；阴极供给管路上的控制部分，构成为通过置于阴极管路上气压获取元件得到电堆阴极出口处的气体压力，为保证燃料电池电堆阴极侧有充足的空气，避免在低气压环境条件下氧饥饿的发生，根据所获得的气体压力值控制提高气泵的转速；阳极供给管路上的控制部分，构成为通过比较阴、阳极两侧入口处气体压力，压力比值不等于阈值时，控制气体喷射阀脉冲频率，使得阳极供给管路中气体的瞬时流量随气泵转速改变快速响应；阳极侧排气管路；阴极侧排气管路。
上述控制方法中，控制部分的控制参数基于在正常气压条件下的实测值。在正常气压条件下进行高温甲醇燃料电池运行实验，实验涉及的燃料电池系统为上述燃料电池系统，控制燃料电池系统电堆阴极侧的气体压力比上阳极侧的气体压力等于阈值(实测值为(1～1.5)，优选为1.2)，可以保证电池系统稳定运行。正常气压条件下，改变气泵转速时输送气体流量与气泵扬程的变化关系有扬程变化正比于输送气体流量变化的平方。实验中根据对高温甲醇燃料电池输出功率的不同需求，改变燃料电池系统电堆阴极侧空气的流量。
上述的控制方法中，阳极供给管路的控制部分基于当阴极侧空气流量快速变化时，通过控制气体喷射阀脉冲频率使得阳极供给管路中流量快速响应。在间隔一定时间内甲醇消耗不变时，该段间隔时间内流经气体喷射阀的甲醇重整反应气的流量也不会改变。当阴极侧所需气体流量减少时，主要通过减小进入重整反应器中的甲醇流量进而改变甲醇重整反应气的总流量。通过改变气泵转速进而改变阴极侧空气流量的瞬时响应比通过改变甲醇进料控制阳极侧甲醇重整反应气迅速，因此在阳极供给管路上使用气体喷射阀变频控制，结果可以实现阳极侧流量变化快速的瞬态响应。
上述的控制方法中，阳极供给管路获取的气体压力与阴极供给管路获取的气体压力，两者之比Pb/Pa一直维持等于正常气压条件下进行高温甲醇燃料电池运行实验实测的燃料电池系统电堆阴极侧、阳极侧的气体压力比阈值，同时保证燃料电池系统电堆两侧，避免因任一侧压力过高导致电堆内部结构损坏，进而保证高温甲醇燃料电池系统电堆的安全运行。
图1示出了应用本发明实施例的高温甲醇燃料电池系统的示例。
如该图所示，甲醇重整反应器3(甲醇-水蒸汽重整反应)反应制得的富氢甲醇重整气经由阳极供气管路4进入电堆1的阳极侧。阳极供气管路上带有阳极气压获取元件8(在此采用压力表)、气体喷射阀10(在此采用脉冲电磁阀)。剩余气体经电堆阳极侧排气管路5排出燃料电池系统电堆。
空气经由气泵2流经阴极供给管路6进入电堆1的阴极侧，剩余空气经阴极侧排气管路7排出燃料电池系统电堆。阴极供气管路上带有阴极气压获取元件9(在此采用压力表)。
上述燃料电池系统在正常大气压条件下运行，恒功率500W放电。通过实验测试得到放电要求下甲醇重整反应气与空气需求量(P01)，作为低气压条件下燃料电池系统运行时参考。在低气压条件下空气流量通过阴极供给管路上的控制部分11进行控制，如图2所示。外部气压小于常压时(P02)，提高气泵转速(P03)，增大空气流量。流量与转速关系符合：
气泵9提供的压头与转速关系符合：
当压力表9得到b处压力等于P01要求值时(P04)，维持转速恒定(P05)。当b处压力不等于P01要求且大于值P01要求时(P06)降低气泵转速(P07)，否则继续提泵的转速。阴极侧控制部分11的控制目的是保证燃料电池电堆阴极侧有充足的空气，避免在低气压环境条件下氧饥饿的发生。
如上所述，燃料电池系统在低气压条件下运行时，阳极侧富氢甲醇重整反应气通过阴极供给管路上的控制部分12进行控制，如图3所示。放电要求(P01)与阴极侧一致。根据正常大气压条件下实验值得到图1中a、b两处压力Pb/Pa＝阈值(此处采用值为1.2)时(P11)燃料电池系统稳定运行，脉冲电磁阀脉冲频率恒定。在低气压条件下b处压力随气泵2改变，当Pb/Pa大于1.2时(P13)，则减少气体喷射阀脉冲喷涌时间或增大脉冲间隔时间(P14)，提高阳极侧a处瞬时气压。同理当当Pb/Pa小于1.2时，则增大气体喷射阀脉冲喷涌时间或减小脉冲间隔时间(P15)，降低阳极侧a处瞬时气压。
通过上述实施方式，上述高温甲醇燃料电池系统在高原低气压环境下满足500W恒功率放电。使用阳极供给管路上气体喷射阀变频控制，以实现阳极侧流量变化快速的瞬态响应，弥补了仅通过控制进入重整反应器甲醇流量来响应的控制滞后性。同时又保证了阳极侧与阴极侧的气压比在安全阈值内，避免电堆内部结构损坏引发安全问题。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，包括：
通过置于阴极气体供给管路(6)上阴极气压获取元件(9)得到电堆(1)阴极气体供给管路(6)出口处的气体压力，根据所获得的气体压力值控制气泵(2)的转速；通过置于阳极气体供给管路(4)上阳极气压获取元件(8)得到电堆(1)阳极气体供给管路(4)出口处的气体压力，根据所获得的气体压力值控制置于阳极气体供给管路(4)上气体喷射阀(10)的脉冲频率；
气压条件改变的情况下，通过调节气泵(2)的转速改变电堆阴极侧空气需求量；当阴极侧空气流量快速变化时，调节气体喷射阀(10)的脉冲频率脉冲频率和气泵(2)转速；
阳极侧排气管路(5)、阴极侧排气管路(7)分别与燃料电池电堆(1)的阳极侧和阴极侧连接。
2.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述该方法是基于高温甲醇燃料电池系统实现的，该系统包括：燃料电池电堆(1)、重整器反应器(3)、电堆阳极气体供给管路(4)、电堆阴极气体供给管路(6)、气泵(2)、控制器、阳极侧排气管路(5)、阴极侧排气管路(7)；
燃料电池电堆(1)，通过阳极气体与阴极气体进行电化学反应发电；
重整器反应器(3)，用于甲醇进行重整反应提供富氢的燃料气体，置于阳极气体供给管路(4)前端；
电堆阳极气体供给管路(4)，阳极供给管路(4)上带有阳极气压获取元件(8)，带有气体喷射阀(10)，输送甲醇重整反应气进入燃料电池电堆阳极；
电堆阴极气体供给管路(6)，阴极供给管路(6)上带有阴极气压获取元件(9)，输送空气进入燃料电池电堆阴极；
气泵(2)，从外界环境获取阴极气体，向燃料电池电堆送入外部空气，置于阴极气体供给管路(6)前端；
控制器，与气体喷射阀(10)、阳极气压获取元件(8)、阴极气压获取元件(9)、气泵(2)电性连接，用于采集电堆阳极气体供给管路(4)和电堆阴极气体供给管路(6)上的气体压力，调节气体喷射阀(10)开度和气泵(2)转速；
阳极侧排气管路(5)、阴极侧排气管路(7)分别与燃料电池电堆(1)的阳极侧和阴极侧连接。
3.根据权利要求2所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述气体喷射阀采用脉冲电磁阀，置于阳极供给管路(4)上，通过设置气体喷射阀的脉冲频率改变阳极供给管路(4)中气体的瞬时流量。
4.根据权利要求2所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述阳极气压获取元件(8)采用压力表，置于阳极气体供给管路(4)上靠近电堆阳极入口处，用于监测阳极气体供给管路(4)出口处气体压力。
5.根据权利要求2所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述阴极气压获取元件(9)采用压力表，置于阴极气体供给管路(6)上靠近电堆阴极入口处，用于监测阴极气体供给管路(6)出口处气体压力。
6.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述正常气压条件下的实测值为1～1.5，优选为1.2；控制燃料电池系统电堆阴极侧的气体压力比上阳极侧的气体压力等于阈值时，能保证电池系统稳定运行。
7.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述气压条件改变的情况下，通过调节气泵(2)的转速改变电堆阴极侧空气需求量为：由于正常气压条件下，改变气泵转速时输送气体流量与气泵扬程的变化关系有扬程变化正比于输送气体流量变化的平方，根据对高温甲醇燃料电池输出功率的不同需求，可改变燃料电池系统电堆阴极侧空气的流量。
8.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，当阴极侧空气流量快速变化时，通过控制气体喷射阀(10)脉冲频率使得阳极供给管路(4)中流量快速响应。
9.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池低气压运行控制方法，其特征在于，所述阳极供给管路(4)获取的气体压力与阴极供给管路(6)获取的气体压力，两者之比Pb/Pa一直维持等于正常气压条件下进行高温甲醇燃料电池运行实验实测的燃料电池系统电堆(1)阴极侧、阳极侧的气体压力比阈值，用于保证燃料电池系统电堆两侧避免因任一侧压力过高导致电堆内部结构损坏，进而保证高温甲醇燃料电池系统电堆的安全运行。
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