CN115172808A - 一种高效率燃料电池配气控制系统与方法 - Google Patents

一种高效率燃料电池配气控制系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效率燃料电池配气控制系统与方法，本发明通过根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应空气消耗量，PID控制空压机转速；根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应空气压力，PID控制节气门开度；根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应氢空压差，PID控制比例阀开度；根据燃料电池系统输出电流查表得出对应氢气循环泵转速；根据燃料电池系统输出电流查表得出排氢阀开启和关闭的时间，从而使反应膜两端的压力差保持稳定。本发明能够动态调节电堆内反应气体的压力和流量，并通过调节氢气循环进气，提高了氢气利用率，通过调节反应气体的压差达到一个稳定状态，从而延长电堆内质子交换膜的使用寿命。

Description

一种高效率燃料电池配气控制系统与方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别是一种高效率燃料电池配气控制系统与方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池以其无污染、高效率等优点已经成为了许多传统发电装置的替代品，并且得到了多种应用。多年来，各国学者主要致力于提高燃料电池本体性能，降低电池成本。但随着燃料电池市场需求的增加，寻找一种高性能的燃料电池系统控制方法，有效提高燃料气体、氧化气体的使用率已经成为当前的首要任务。如何配气又是整个燃料电池控制系统的核心，因此燃料电池配气控制方法在整个系统中显得尤为重要。
专利CN202110741682.1燃料电池测试设备的进气控制装置，意在控制燃料电池阴极侧气体的温湿度，未对如何控制两侧反应气体进气量做详细描述；专利CN202011200534.0一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，意在描述系统的进气结构，未对系统配气方法进行说明；专利CN202023229328.0燃料电池空压机系统，突出描述了燃料电池阴极侧的进气结构，未对系统配气方法进行说明；专利CN202021255374.5一种燃料电池进气系统，只描述了一种燃料电池的进气结构，未对系统配气方法进行说明。
综上所述，目前用于燃料电池配气控制主要存在以下不足：
只注重阴极侧和阳极侧的压力和温湿度控制，只注重阴极侧和阳极侧进气结构的设计，没有形成通用、有效的控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效率燃料电池配气控制系统与方法，旨在解决现有技术中燃料电池配气控制氢气利用率低且交换膜使用寿命低的问题，实现动态调节氢气循环进气，提高氢气利用率。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种高效率燃料电池配气控制系统，所述系统包括：
燃料电池系统部件阴极侧，包括空气流量计、空压机、增湿器、节气门、温度传感器、压力传感器；
燃料电池系统部件阳极侧，包括开关阀、比例阀、氢气循环泵、进堆压力传感器、排氢阀；
所述空气流量计用于检测阴极侧进堆空气流量值，所述空压机用于给燃料电池供氧，所述增湿器用于给进堆空气增加湿度，所述节气门用于调节阴极侧空气压力，所述温度传感器和压力传感器用于检测进堆空气温度和压力；
所述开关阀用于控制器阳极侧进堆开关，所述比例阀用于调节阳极侧进氢压力，所述氢气循环泵用于将未反应的氢气泵到进氢管路，所述进堆压力传感器用于检测进堆氢气压力，所述排氢阀用于排出电堆内水汽和其他杂质气体。
优选地，所述系统还包括散热模块、DCDC以及负载；所述散热模块用于给电堆散热，所述DCDC用于根据负载动态功率使燃料电池输出驱动电流。
本发明还提供了一种利用所述系统实现的高效率燃料电池配气控制方法，所述方法包括以下操作：
在燃料电池阴极侧，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与空气进气量的关系，由空气进气量计算出理论空气消耗量，以理论空气消耗量乘以计量比作为目标值，空气流量计的监测值作为反馈，闭环PID控制空压机转速；并根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需空气压力的关系，并将此压力作为目标值，以空气压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制节气门的开度；
在燃料电池阳极侧，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需氢气压力的关系，并将此压力值作为目标值，以进氢压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制比例阀的开度；根据燃料电池系统输出电流查表得到对应氢气循环泵转速，根据燃料电池系统输出电流查表得到排氢阀开启和关闭的时间。
优选地，所述空压机转速的计算公式如下：
Figure BDA0003819364930000031
e为目标流量与当前空气流量计的流量差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制输出的空压机转速。
优选地，所述节气门开度的计算公式如下：
Figure BDA0003819364930000032
e为目标空气压力与当前空气压力差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制节气门开度。
优选地，所述比例阀开度的计算公式如下：
Figure BDA0003819364930000033
e为目标氢气压力与当前氢气压力的差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制比例阀开度。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明实施例通过在燃料电池阴极侧设置空气流量计、空压机、增湿器、节气门、温度传感器、压力传感器，在阳极侧设置开关阀、比例阀、氢气循环泵、进堆压力传感器、排氢阀，根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应空气消耗量，PID控制空压机转速；根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应空气压力，PID控制节气门开度；根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应氢空压差，PID控制比例阀开度；根据燃料电池系统输出电流查表得出对应氢气循环泵转速；根据燃料电池系统输出电流查表得出排氢阀开启和关闭的时间，从而使反应膜两端的压力差保持稳定。本发明控制结构及算法简单有效，能够动态调节电堆内反应气体的压力和流量，并通过调节氢气循环进气，提高了氢气利用率，通过调节反应气体的压差达到一个稳定状态，从而延长电堆内质子交换膜的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种高效率燃料电池配气控制系统结构示意图；
图2为本发明实施例中所提供的空气流量曲线示意图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种高效率燃料电池配气控制系统与方法进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种高效率燃料电池配气控制系统，所述系统包括：
燃料电池系统部件阴极侧，包括空气流量计、空压机、增湿器、节气门、温度传感器、压力传感器；
燃料电池系统部件阳极侧，包括开关阀、比例阀、氢气循环泵、进堆压力传感器、排氢阀；
所述空气流量计用于检测阴极侧进堆空气流量值，所述空压机用于给燃料电池供氧，所述增湿器用于给进堆空气增加湿度，所述节气门用于调节阴极侧空气压力，所述温度传感器和压力传感器用于检测进堆空气温度和压力；
所述开关阀用于控制器阳极侧进堆开关，所述比例阀用于调节阳极侧进氢压力，所述氢气循环泵用于将未反应的氢气泵到进氢管路，所述进堆压力传感器用于检测进堆氢气压力，所述排氢阀用于排出电堆内水汽和其他杂质气体。
所述系统还包括散热模块、DCDC以及负载。所述散热模块用于给电堆散热，所述DCDC用于根据负载动态功率使燃料电池输出驱动电流。
本发明实施例还公开了一种利用所述系统实现的高效率燃料电池配气控制方法，所述方法包括以下操作：
在燃料电池阴极侧，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与空气进气量的关系，由空气进气量计算出理论空气消耗量，以理论空气消耗量乘以计量比作为目标值，空气流量计的监测值作为反馈，闭环PID控制空压机转速；并根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需空气压力的关系，并将此压力作为目标值，以空气压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制节气门的开度；
在燃料电池阳极侧，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需氢气压力的关系，并将此压力值作为目标值，以进氢压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制比例阀的开度；根据燃料电池系统输出电流查表得到对应氢气循环泵转速，根据燃料电池系统输出电流查表得到排氢阀开启和关闭的时间。
对于阴极侧的配气控制，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与空气进气量的关系，由空气进气量计算出理论空气消耗量，以理论空气消耗量乘以计量比作为目标值，空气流量计的监测值作为反馈，闭环PID控制空压机转速。
以空气流量控制方法进行举例说明。
电堆输出电流与空气消耗量的关系为：
电堆电流(A)[265278104130156182208234260286312338364390400]；
空气进气量(L/min)[54882211101370137016441918219224662713274029593206345236993946]；
空气计量比[4.003.002.702.501.801.801.801.801.801.801.601.601.601.601.601.60]；
理论空气消耗量＝空气进气量/1000*60*1.29；
空气流量＝理论空气消耗量*空气计量比；
则目标空气流量为(kg/h)[169.66190.87231.97265.10190.87229.04267.22305.39343.56377.98339.32366.44397.03427.50458.08488.67]；
即电堆输出26A电流所需目标空气流量为169.66kg/h，输出400A电流所需目标空气流量为488.67kg/h。
根据以下公式得到空压机转速：
Figure BDA0003819364930000061
e为目标流量与当前空气流量计的流量差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制输出的空压机转速。
根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需空气压力的关系，并将此压力作为目标值，以空气压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制节气门的开度。
以节气门控制方法进行举例说明：
电堆电流(A)[265278104130156182208234260286312338364390400]；
空气压力(kpa)[203550658095110125140150150150150150150150]；
根据以下公式计算节气门开度：
Figure BDA0003819364930000062
e为目标空气压力与当前空气压力差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制节气门开度。
空气流量曲线如图2所示。
对于阳极侧配气控制，系统启动，检测进氢压力是否正常，判断是否打开开关阀，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需氢气压力的关系，并将此压力值作为目标值，以进氢压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制比例阀的开度。
以氢气路比例阀控制进行举例说明：
电堆电流(A)[265278104130156182208234260286312338364390400]；
目标氢压(kpa)[2540557590105125140155170170170170170170170]；
根据以下公式计算比例阀开度：
Figure BDA0003819364930000071
e为目标氢气压力与当前氢气压力的差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制比例阀开度。
根据燃料电池系统输出电流查表得到对应氢气循环泵转速，根据燃料电池系统输出电流查表得到排氢阀开启和关闭的时间，排氢阀开启时电堆内氢压会有较大波动，为了尽量保持进堆氢压的稳定，排氢阀开启前t0时间应加大比例阀PID控制的P和I的参数，根据比例阀自身动作时间设定t0通常在10-50ms内。
本发明实施例通过在燃料电池阴极侧设置空气流量计、空压机、增湿器、节气门、温度传感器、压力传感器，在阳极侧设置开关阀、比例阀、氢气循环泵、进堆压力传感器、排氢阀，根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应空气消耗量，PID控制空压机转速；根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应空气压力，PID控制节气门开度；根据燃料电池系统电堆规格书确定输出电流对应氢空压差，PID控制比例阀开度；根据燃料电池系统输出电流查表得出对应氢气循环泵转速；根据燃料电池系统输出电流查表得出排氢阀开启和关闭的时间，从而使反应膜两端的压力差保持稳定。本发明控制结构及算法简单有效，能够动态调节电堆内反应气体的压力和流量，并通过调节氢气循环进气，提高了氢气利用率，通过调节反应气体的压差达到一个稳定状态，从而延长电堆内质子交换膜的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效率燃料电池配气控制系统，其特征在于，所述系统包括：
燃料电池系统部件阴极侧，包括空气流量计、空压机、增湿器、节气门、温度传感器、压力传感器；
燃料电池系统部件阳极侧，包括开关阀、比例阀、氢气循环泵、进堆压力传感器、排氢阀；
所述空气流量计用于检测阴极侧进堆空气流量值，所述空压机用于给燃料电池供氧，所述增湿器用于给进堆空气增加湿度，所述节气门用于调节阴极侧空气压力，所述温度传感器和压力传感器用于检测进堆空气温度和压力；
所述开关阀用于控制器阳极侧进堆开关，所述比例阀用于调节阳极侧进氢压力，所述氢气循环泵用于将未反应的氢气泵到进氢管路，所述进堆压力传感器用于检测进堆氢气压力，所述排氢阀用于排出电堆内水汽和其他杂质气体。
2.根据权利要求1所述的一种高效率燃料电池配气控制系统，其特征在于，所述系统还包括散热模块、DCDC以及负载；所述散热模块用于给电堆散热，所述DCDC用于根据负载动态功率使燃料电池输出驱动电流。
3.一种利用权利要求1或2所述系统实现的高效率燃料电池配气控制方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
在燃料电池阴极侧，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与空气进气量的关系，由空气进气量计算出理论空气消耗量，以理论空气消耗量乘以计量比作为目标值，空气流量计的监测值作为反馈，闭环PID控制空压机转速；并根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需空气压力的关系，并将此压力作为目标值，以空气压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制节气门的开度；
在燃料电池阳极侧，根据所使用电堆本身特性得出电堆输出电流与所需氢气压力的关系，并将此压力值作为目标值，以进氢压力传感器的值作为反馈，闭环PID控制比例阀的开度；根据燃料电池系统输出电流查表得到对应氢气循环泵转速，根据燃料电池系统输出电流查表得到排氢阀开启和关闭的时间。
4.根据权利要求3所述的高效率燃料电池配气控制方法，其特征在于，所述空压机转速的计算公式如下：
Figure FDA0003819364920000021
e为目标流量与当前空气流量计的流量差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制输出的空压机转速。
5.根据权利要求3所述的高效率燃料电池配气控制方法，其特征在于，所述节气门开度的计算公式如下：
Figure FDA0003819364920000022
e为目标空气压力与当前空气压力差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制节气门开度。
6.根据权利要求3所述的高效率燃料电池配气控制方法，其特征在于，所述比例阀开度的计算公式如下：
Figure FDA0003819364920000023
e为目标氢气压力与当前氢气压力的差值，Kp、Ki、Kd是标定参数，k为系统运行周期，u为控制比例阀开度。
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