CN115692785A - 一种燃料电池稳定供氢装置及缓冲罐压力稳定控制方法 - Google Patents

一种燃料电池稳定供氢装置及缓冲罐压力稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池稳定供氢装置及缓冲罐压力稳定控制方法，涉及燃料电池控制领域。包括依次通过管道连接的醇水燃料存储罐、原料进料泵、重整反应器、变压吸附器、氢气缓冲罐、氢气过滤器、减压阀和调节阀；调节阀与燃料电池电堆的输入端连接；氢气缓冲罐的输入端和输出端分别设置有入罐氢气流量计和出罐氢气流量计。本发明根据氢气缓冲罐的入罐流量、出罐流量以及内部压力对燃料电池电堆电流进行调节，即对燃料电池的用氢量进行调节，使得重整反应器的制氢量与燃料电池的用氢量保持平衡，同时使得氢气缓冲罐的氢气压力保持在燃料电池电堆用氢压力范围内，能够使氢气缓冲罐以及整个装置的管道的压力得到降低。

Description

一种燃料电池稳定供氢装置及缓冲罐压力稳定控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池控制领域，具体涉及一种燃料电池稳定供氢装置及缓冲罐压力稳定控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将氢气和氧气转化为电能和水的装置，因其能量转化效率高、清洁环保无污染等优点，目前被应用于固定式电站、轨道交通、公路交通等领域。燃料电池运行需要氢源，但目前我国氢气来源难以满足燃料电池设备大规模应用，同时氢气在存储、运输均存在一定的技术困难及风险。
燃料电池系统一般通过设定发电功率的方式进行控制，现有技术中，燃料电池运行时，燃料电池入口压力的稳定目前由供氢系统通过减压阀来保持，但在甲醇制氢设备作为供氢设备的系统中，甲醇制氢的具体制氢量难以精准调节，同时存在调节速度慢，在切换变压吸附罐过程中有很大的制氢量波动的问题。目前尚未有燃料电池系统根据前级供氢系统的这些特性进行针对性的优化。
传统燃料电池用氢通常采用高压储氢瓶后接减压阀，将压力降到燃料电池系统入口要求的压力，通过这种方式，储氢罐中的压力波动对减压阀后的压力波动影响很小，无需对储氢罐中的压力做复杂的控制保持策略。但储氢罐中压力较高，储存的氢气量大，压力容器和大量存储氢气安全具有一定的安全风险。甲醇重整制氢可实现现制现用，避免长期大量存储氢气，但是如果减少氢气缓冲罐的容积及压力，则在制氢量与用氢量不平衡的时候，则会出现氢气缓冲罐中压力迅速上升或迅速下降。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种降低储氢罐的压力和容积，降低压力容器的建设及维护成本的燃料电池稳定供氢装置及缓冲罐压力稳定控制方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种燃料电池稳定供氢装置，其包括依次通过管道连接的醇水燃料存储罐、原料进料泵、重整反应器、变压吸附器、氢气缓冲罐、氢气过滤器、减压阀和调节阀；调节阀与燃料电池电堆的输入端连接；
氢气缓冲罐的输入端和输出端分别设置有入罐氢气流量计和出罐氢气流量计；氢气缓冲罐内还设置有压力传感器；
调节阀为电磁阀；
还包括内置有缓冲罐压力稳定控制方法的控制器，控制器与调节阀、入罐氢气流量计、出罐氢气流量计、压力传感器和燃料电池电堆电连接。
进一步的，还包括氢气循环泵，氢气循环泵的输入端与燃料电池电堆的输出端连接，氢气循环泵的输出端与燃料电池电堆的输入端连接；且氢气循环泵的输入端与燃料电池电堆的输出端之间还设置有气液分离阀。
进一步的，调节阀与燃料电池电堆的输入端之间还设置有安全阀。安全阀的设置便在整体掉电或控制失控时仍能完成泄压保障燃料电池电堆不会被高压力损坏。
一种基于燃料电池稳定供氢装置的缓冲罐压力稳定控制方法，其包括如下步骤：
S1：通过入罐氢气流量计测量得到非变压吸附过程时氢气缓冲罐的入罐流量Q入以及变压吸附切换区间[t1，t2]的入罐流量Q'入；
S2：根据Q入和Q'入计算得到燃料电池的输入流量Q'；
Figure 561032DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，K为修正系数；Q'入（t）为在时间t时的入罐流量，t∈[t1，t2]；
S3：根据Q入设置燃料电池的基础电堆电流；
S4：通过压力传感器感应得到氢气缓冲罐的内部瞬时压力，并根据内部瞬时压力设置补偿氢气流量Q'c；
S5：控制器根据基础电堆电流I基础和补偿氢气流量Q'c对调节阀和燃料电池电堆电流进行调节。
进一步的，补偿氢气流量的计算包括如下计算公式：
Figure 9330DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，Ks为压力差调节系数，P e 为燃料电池电堆额定工作压力，P为氢气缓冲罐瞬时氢气压力，K d 为压力变化率调节系数。
进一步的，所述步骤S5中燃料电池电堆电流调节量I=Istack-I基础；其中，Istack为燃料电池电堆电流所需设定值，
Figure 195592DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 121960DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，Q'fc为燃料电池实际用氢量；Q'c为补偿氢气流量；η H2 为燃料电池氢气利用率；K fc 为燃料电池氢气流量系数；N为燃料电池单片的数量。
进一步的，收到停机指令后，控制器控制原料进料泵停止工作，同时调节燃料电池电堆的发电功率至最小发电功率，压力传感器感应得到氢气缓冲罐的内部压力小于等于设定最小压力时，关闭燃料电池电堆，并关闭调节阀。
本发明的有益效果为：
1、本发明根据氢气缓冲罐的入罐流量、出罐流量以及内部压力对燃料电池电堆电流进行调节，即对燃料电池的用氢量进行调节，使得重整反应器的制氢量与燃料电池的用氢量保持平衡，同时使得氢气缓冲罐的氢气压力保持在燃料电池用氢压力范围内，能够使氢气缓冲罐以及整个装置的管道的压力得到降低，在建设时能够有效降低设备的成本；降低安全事故发生的概率。
2、根据氢气缓冲罐的内部瞬时压力设置补偿氢气流量，从而实现对燃料电池的用氢量的调节，从而使在变压吸附器在吸附和净化循环的切换过程中，氢气缓冲罐内部的压力的变化范围得到缩减，从而使得氢气缓冲罐的内部压力保持稳定。
3、通过将传统控制燃料电池的发电功率从而用氢量替换为控制燃料电池电堆电流从而控制燃料电池的用氢量，使得整个控制过程转变为线性控制过程，方便对燃料电池的用氢量进行调节。
附图说明
图1为燃料电池稳定供氢装置的结构示意图；
图2为缓冲罐压力稳定控制方法的流程示意图；
图3为入罐流量与时间的关系示意图。
其中，1、醇水燃料存储罐；2、原料进料泵；3、重整反应器；4、变压吸附器；5、氢气缓冲罐；6、氢气过滤器；7、减压阀；8、调节阀；9、入罐氢气流量计；10、出罐氢气流量计；11、压力传感器；12、氢气循环泵；13、气液分离阀；14、安全阀；15、燃料电池电堆。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，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。
如图1所示，一种燃料电池稳定供氢装置，其包括依次通过管道连接的醇水燃料存储罐1、原料进料泵2、重整反应器3、变压吸附器4、氢气缓冲罐5、氢气过滤器6、减压阀7和调节阀8；调节阀8与燃料电池电堆15的输入端连接；
氢气缓冲罐5的输入端和输出端分别设置有入罐氢气流量计9和出罐氢气流量计10；氢气缓冲罐5内还设置有压力传感器11；
调节阀8为电磁阀；
还包括内置有氢气缓冲罐5压力稳定控制方法的控制器，控制器与调节阀8、入罐氢气流量计9、出罐氢气流量计10、压力传感器11和燃料电池电堆15电连接。
还包括氢气循环泵12，氢气循环泵12的输入端与燃料电池电堆15的输出端连接，氢气循环泵12的输出端与燃料电池电堆15的输入端连接；且氢气循环泵12的输入端与燃料电池电堆15的输出端之间还设置有气液分离阀13。
调节阀8与燃料电池电堆15的输入端之间还设置有安全阀14。
一种基于燃料电池稳定供氢装置的缓冲罐压力稳定控制方法，如图2所示，其包括如下步骤：
S1：通过入罐氢气流量计测量得到非变压吸附过程时氢气缓冲罐的入罐流量Q入以及变压吸附切换区间[t1，t2]的入罐流量Q'入；
通过入罐氢气流量计测量得到如图3所示的入罐流量与时间的关系曲线图，有图3可知，入罐流量在时间t'时前后的入罐流量为稳定状态，即Q（t'）为非变压吸附过程时氢气缓冲罐的入罐流量Q入；因为变压吸附在运行过程中需要反复执行吸附——净化循环，因此入罐流量出现如图3中时间区间[t1，t2]的变化
S2：根据Q入和Q'入计算得到燃料电池的输入流量Q'；
Figure 326545DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，K为修正系数；Q'入（t）为在时间t时的入罐流量，t∈[t1，t2]；
S3：根据Q入设置燃料电池的基础电堆电流；
S4：通过压力传感器感应得到氢气缓冲罐的内部瞬时压力，并根据内部瞬时压力设置补偿氢气流量Q'c；
补偿氢气流量Q'c的计算包括如下计算公式：
Figure 680166DEST_PATH_IMAGE002
；
其中Q'c为补偿氢气流量，Ks为压力差调节系数，P e 为燃料电池电堆额定工作压力，P为氢气缓冲罐瞬时氢气压力，K d 为压力变化率调节系数。
S5：控制器根据基础电堆电流I基础和补偿氢气流量Q'c对调节阀和燃料电池电堆电流进行调节。
燃料电池电堆电流调节量I=Istack-I基础；其中，Istack为燃料电池电堆电流所需设定值，
Figure 353724DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 818203DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，Q'fc为燃料电池实际用氢量；Q'c为补偿氢气流量；η H2 为燃料电池氢气利用率；K fc 为燃料电池氢气流量系数；N为燃料电池单片的数量。
收到停机指令后，控制器控制原料进料泵停止工作，同时调节燃料电池电堆的发电功率至最小发电功率，压力传感器感应得到氢气缓冲罐的内部压力小于等于设定最小压力时，关闭燃料电池电堆，并关闭调节阀。

Claims (7)

1.一种燃料电池稳定供氢装置，其特征在于，包括依次通过管道连接的醇水燃料存储罐（1）、原料进料泵（2）、重整反应器（3）、变压吸附器（4）、氢气缓冲罐（5）、氢气过滤器（6）、减压阀（7）和调节阀（8）；所述调节阀（8）与燃料电池电堆（15）的输入端连接；
所述氢气缓冲罐（5）的输入端和输出端分别设置有入罐氢气流量计（9）和出罐氢气流量计（10）；所述氢气缓冲罐（5）内还设置有压力传感器（11）；
所述调节阀（8）为电磁阀；
还包括内置有氢气缓冲罐（5）压力稳定控制方法的控制器，所述控制器与调节阀（8）、入罐氢气流量计（9）、出罐氢气流量计（10）、压力传感器（11）和燃料电池电堆（15）电连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池稳定供氢装置，其特征在于，还包括氢气循环泵（12），所述氢气循环泵（12）的输入端与燃料电池电堆（15）的输出端连接，所述氢气循环泵（12）的输出端与燃料电池电堆（15）的输入端连接；且所述氢气循环泵（12）的输入端与燃料电池电堆（15）的输出端之间还设置有气液分离阀（13）。
3.根据权利要求1所述的燃料电池稳定供氢装置，其特征在于，所述调节阀（8）与燃料电池电堆（15）的输入端之间还设置有安全阀（14）。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的燃料电池稳定供氢装置的缓冲罐压力稳定控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过入罐氢气流量计测量得到非变压吸附过程时氢气缓冲罐的入罐流量Q入以及变压吸附切换区间[t1，t2]的入罐流量Q'入；
S2：根据Q入和Q'入计算得到燃料电池的输入流量Q'；
Figure 719982DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，K为修正系数；Q'入（t）为在时间t时的入罐流量，t∈[t1，t2]；
S3：根据Q入设置燃料电池的基础电堆电流；
S4：通过压力传感器感应得到氢气缓冲罐的内部瞬时压力，并根据内部瞬时压力设置补偿氢气流量Q'c；
S5：控制器根据基础电堆电流I基础和补偿氢气流量Q'c对调节阀和燃料电池电堆电流进行调节。
5.根据权利要求4所述的缓冲罐压力稳定控制方法，其特征在于，所述补偿氢气流量的计算包括如下计算公式：
Figure 65513DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，Ks为压力差调节系数，P e 为燃料电池电堆额定工作压力，P为氢气缓冲罐瞬时氢气压力，K d 为压力变化率调节系数。
6.根据权利要求4所述的缓冲罐压力稳定控制方法，其特征在于，所述步骤S5中燃料电池电堆电流调节量I=Istack-I基础；其中，Istack为燃料电池电堆电流所需设定值，
Figure 419134DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 450282DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，Q'fc为燃料电池实际用氢量；Q'c为补偿氢气流量；η H2 为燃料电池氢气利用率；K fc 为燃料电池氢气流量系数；N为燃料电池单片的数量。
7.根据权利要求4所述的缓冲罐压力稳定控制方法，其特征在于，收到停机指令后，控制器控制原料进料泵停止工作，同时调节燃料电池的发电功率至最小发电功率，压力传感器感应得到氢气缓冲罐的内部压力小于等于设定最小压力时，关闭燃料电池，并关闭调节阀。
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