CN115832372B - 一种pem电池堆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PEM电池堆系统，属于直接转变化学能为电能技术领域，包括：PEM电解槽、PEM电池堆、水箱、第一分离器、第二分离器、电源、处理模块、开关模块、储能模块、升压模块、旁路开关和负载。PEM电池堆系统具有低压模式和高压模式，在PEM电池堆系统处于高压模式时，处理模块的输出电压大于PEM电池堆系统的额定电压，通过开关模块导通储能模块，利用储能模块对超过额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动PEM电池堆系统，通过旁路开关断开升压模块；通过旁路开关导通升压模块，利用升压模块将输出电压调整至额定电压。
Description
技术领域
本发明属于直接转变化学能为电能技术领域，具体涉及一种PEM电池堆系统。
背景技术
PEM（ProtonExchange Membrane，质子交换膜）电池作为新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。PEM电池能够将氢气和氧气直接转化为电能，对于PEM电池所需的氢气和氢气，可以通过PEM电解槽进行电解水的方式获得。
现有技术中，现有技术中存在在PEM电池堆系统中集成PEM电解槽，以为PEM电池堆提供氢气和氧气，但是为了实现环保节能，往往采用太阳能等清洁能源作为PEM电池堆系统中PEM电解槽进行电解水的电源，太阳能等清洁能源易受外部环境的影响，从而导致电源电压波动，难以保证PEM电池堆系统的稳定性。同时，当前PEM电池堆系统气温低于10℃的启动也是限制PEM电池技术发展的一个重大瓶颈，也是其商业化进程中必须克服的一个障碍。
发明内容
为了解决现有技术存在的清洁能源作为PEM电池堆系统的电源时易受外部环境的影响，从而导致电源电压波动，难以保证PEM电池堆系统的稳定性，并且，当前PEM电池堆系统气温低于10℃的启动时存在严重困难的技术问题，本发明提供一种PEM电池堆系统。
本发明提供一种PEM电池堆系统，包括：
PEM电解槽、PEM电池堆、水箱、换热器、去离子器、循环泵、第一分离器、第二分离器、纯化器、电源、电压计、处理模块、开关模块、储能模块、升压模块、旁路开关和负载；
水箱包括出水口和入水口；
PEM电解槽包括去离子水入口、第一氧气出口和第一氢气出口；
PEM电池堆包括氧气入口、氢气入口、第二氢气出口和第二氧气出口；
水箱的出水口连接换热器的第一输入端；
换热器的输出端连接去离子器的输入端，去离子器用于将水处理为去离子水，去离子器的输出端连接循环泵的输入端；
循环泵的输出端连接PEM电解槽的去离子水入口，PEM电解槽用于将去离子水分解为氧气和氢气；
PEM电解槽的第一氧气出口连接第一分离器的输入端，第一分离器的第一输出端连接PEM电池堆的氧气入口，第一分离器的第二输出端连接水箱的入水口；
PEM电解槽的第一氢气出口连接第二分离器的输入端，第二分离器的第一输出端通过纯化器连接PEM电池堆的氢气入口，第二分离器的第二输出端连接水箱的入水口；
PEM电池堆与负载电性连接，PEM电池堆为负载供电；
电源的输出端连接处理模块，处理模块用于对电源的输出电压进行调整，以减小其波动性；
处理模块连接开关模块的固定端，开关模块的第一输出端连接储能模块的输入端，开关模块的第二输出端连接升压模块的输入端；
电压计设置于处理模块与开关模块之间，用于监测处理模块的输出电压；
储能模块的输出端连接换热器的第二输入端；
升压模块的输出端连接PEM电解槽；
旁路开关与升压模块并联；
其中，PEM电池堆系统具有低压模式和高压模式，在PEM电池堆系统处于高压模式的情况下，处理模块的输出电压大于PEM电池堆系统的额定电压，通过开关模块导通储能模块，利用储能模块对超过额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动PEM电池堆系统，通过旁路开关断开升压模块；在PEM电池堆系统处于低压模式的情况下，处理模块的输出电压小于PEM电池堆系统的额定电压，通过开关模块断开储能模块，通过旁路开关导通升压模块，利用升压模块将输出电压调整至额定电压。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
（1）在本发明中，首先，处理模块会先对电压不稳定的电源进行一次调整以减少其波动性，其次，在调整后的电压小于PEM电池堆系统的额定电压的情况下，利用升压模块将输出电压调整至额定电压，以维持电压的稳定性。
（2）在本发明中，在调整后的电压大于PEM电池堆系统的额定电压的情况下，利用储能模块对超过额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动PEM电池堆系统。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明提供的一种PEM电池堆系统在高压模式下的结构示意图；
图2是本发明提供的一种PEM电池堆系统在低压模式下的结构示意图；
图3是本发明提供的一种PEM电解槽的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在一个实施例中，参考说明书附图1，本发明提供的一种PEM电池堆系统在高压模式下的结构示意图。参考说明书附图2，本发明提供的一种PEM电池堆系统在低压模式下的结构示意图。参考说明书附图3，本发明提供的一种电解槽的结构示意图。
本发明提供的一种PEM电池堆系统，包括：PEM电解槽1、PEM电池堆9、水箱2、换热器3、去离子器4、循环泵5、第一分离器6、第二分离器7、纯化器8、电源11、电压计12、处理模块13、开关模块14、储能模块15、升压模块16、旁路开关17和负载10。
水箱2包括出水口和入水口，其中，出水口用于向PEM电解槽1提供电解水所需要的水资源，而入水口则用于回收没有反应完全的水资源。
PEM电解槽1包括去离子水入口、第一氧气出口和第一氢气出口，其中，PEM电解槽1可将从去离子水入口进入的去离子水电解为氧气和氢气，通过第一氧气出口排出氧气，通过第一氢气出口排出氢气。
PEM电池堆9包括氧气入口、氢气入口、第二氢气出口和第二氧气出口，其中，PEM电池堆9可将氧气和氢气转化为电能，并通过第二氧气出口排出多余的氧气，通过第二氢气出口排出多余的氢气。
水箱2的出水口连接换热器3的第一输入端，换热器3的输出端连接去离子器4的输入端，换热器3用于将储能模块15中存储的热量传递到整个PEM电池堆系统中，去离子器4用于将水处理为去离子水，去离子器4的输出端连接循环泵5的输入端。
循环泵5的输出端连接PEM电解槽1的去离子水入口，PEM电解槽1用于将去离子水分解为氧气和氢气。
PEM电解槽1的第一氧气出口连接第一分离器6的输入端，第一分离器6的第一输出端连接PEM电池堆9的氧气入口，第一分离器6的第二输出端连接水箱2的入水口。其中，第一分离器6可以分离出从第一氧气出口流出的水和氧气，将氧气传输至PEM电池堆9的氧气入口，而将水传输回水箱2。
PEM电解槽1的第一氢气出口连接第二分离器7的输入端，第二分离器7的第一输出端通过纯化器8连接PEM电池堆9的氢气入口，第二分离器7的第二输出端连接水箱2的入水口。其中，第二分离器7可以分离出从第一氢气出口流出的水和氢气，将氢气传输至PEM电池堆9的氢气入口，而将水传输回水箱2。纯化器8可以对氢气进行进一步地提纯，以便获得纯度更高的氢气。
PEM电池堆9与负载10电性连接，PEM电池堆9为负载10供电。
电源11的输出端连接处理模块13，处理模块13用于对电源11的输出电压进行调整，以减小其波动性。处理模块首先对电压不稳定的电源进行一次调整以减少其波动性，以便预先获得一个较为稳定的电压。
处理模块13连接开关模块14的固定端，开关模块14的第一输出端连接储能模块15的输入端，开关模块14的第二输出端连接升压模块16的输入端。
电压计12设置于处理模块13与开关模块14之间，用于监测处理模块13的输出电压。
储能模块15的输出端连接换热器3的第二输入端，其中，储能模块用于对超出额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动PEM电池堆系统。
升压模块16的输出端连接PEM电解槽1，其中，升压模块16用于将小于额定电压的输出电压调整至额定电压。
旁路开关17与升压模块16并联。
PEM电池堆系统具有低压模式和高压模式，在PEM电池堆系统处于高压模式的情况下，处理模块13的输出电压大于PEM电池堆系统的额定电压，如图1所示，通过开关模块14导通储能模块15，利用储能模块15对超过额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动PEM电池堆系统，通过旁路开关17断开升压模块16。
在PEM电池堆系统处于低压模式的情况下，处理模块13的输出电压小于PEM电池堆系统的额定电压，如图2所示，通过开关模块14断开储能模块15，通过旁路开关17导通升压模块16，利用升压模块16将输出电压调整至额定电压。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
（1）在本发明中，首先，处理模块会先对电压不稳定的电源进行一次调整以减少其波动性，其次，在调整后的电压小于PEM电池堆系统的额定电压的情况下，利用升压模块将输出电压调整至额定电压，以维持电压的稳定性。
（2）在本发明中，在调整后的电压大于PEM电池堆系统的额定电压的情况下，利用储能模块对超过额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动PEM电池堆系统。
在一种可能的实施方式中，处理模块13用于：
S101：获取预设时间段内的电压信号
U(
t)；
S102：将电压信号
U(
t)分解为
n段，第
i段的电压偏移量
U Δ
i,n 可表示为公式1：
（1）；
其中，
i=1, 2, 3,…,
n，表示第
i段的起始时刻，
t i 表示第
i段的终止时刻，
U i,g 第
i段的目标输出电压；
S103：根据公式2调整各个分段的起始时刻以及目标输出电压，以使n段电压信号的电压偏移量的总方差最小：
（2）；
S104：输出调整完毕的目标输出电压。
本发明实施例中，处理模块13能够以电压偏移量的总方差最小作为目标，将不稳定的电压信号调整为整体偏差较小的电压信号，很大程度上解决了清洁能源作为PEM电池堆系统的电源时易受外部环境的影响，从而导致电源电压波动的问题。
在一种可能的实施方式中，每段电压信号的时长均在预设时长范围内。
其中，将每段电压信号的时长均限制在预设时长范围内，一方面可以避免分解出的段数过多而导致的电压信号连续性降低，同时也可以减小处理模块13的计算量。
在一种可能的实施方式中，分段数n可根据公式3进行计算：
（3）；
其中，
c表示分解系数，调整
n取值，使得
c的值发生变化，当
c的数值最小时，此时的
n为最佳分段数，
U Δ
n 表示总功率偏移量，。
其中，分解系数
c可以平衡分段数
n的增加与总体电压偏移量增量之间的矛盾，一方面可限制分段数
n的无限增加，另一方面也可用于确定出最佳分段数。
在一种可能的实施方式中，PEM电池堆系统还包括：缓冲器18，缓冲器18的第一输入端连接第一分离器6的第二输出端，缓冲器18的第二输入端连接第二分离器7的第二输出端，缓冲器19的输出端连接水箱2的入水口，缓冲器18用于对回收的水流进行泄压缓冲，可以避免第一分离器6和第二分离器7分离出的水的水压过高，在直接通入水箱2时造成水箱2的损坏，提高PEM电池堆系统的安全性。
在一种可能的实施方式中，开关模块14包括分压单元，分压单元用于在PEM电池堆系统处于高压模式的情况下，将处理模块13的输出电压分解为两部分，一部分用于满足PEM电池堆系统的额定电压，另一部分用于在储能模块15中储能。
可选地，分压单元可以选用分压器。
在一种可能的实施方式中，PEM电池堆系统还包括：除湿器19，除湿器19设置在第二分离器7与纯化器8之间。除湿器19用于去除第二分离器7分离出的氢气中残余的水分，以提升氢气的纯度。
在一种可能的实施方式中，PEM电池堆系统还包括：压缩器20，压缩器20设置于纯化器8与PEM电池堆9的氢气入口之间。压缩器20用于对纯化器8输出的氢气进行压缩。
在一种可能的实施方式中，PEM电解槽1包括叠置的阳极板101、阳极扩散层102、PEM膜103、阴极扩散层104和阴极板105；PEM膜103上靠近阳极扩散层102的一侧设置有阳极催化剂106，PEM膜103上靠近阴极扩散层104的一侧设置有阴极催化剂107。
在一种可能的实施方式中，去离子水入口和第一氧气出口均开设在阳极板101上，第一氢气出口开设在阴极板105上。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种PEM电池堆系统，其特征在于，包括：PEM电解槽、PEM电池堆、水箱、换热器、去离子器、循环泵、第一分离器、第二分离器、纯化器、电源、电压计、处理模块、开关模块、储能模块、升压模块、旁路开关和负载；
所述水箱包括出水口和入水口；所述PEM电解槽包括去离子水入口、第一氧气出口和第一氢气出口；所述PEM电池堆包括氧气入口、氢气入口、第二氢气出口和第二氧气出口；所述水箱的出水口连接所述换热器的第一输入端；所述换热器的输出端连接所述去离子器的输入端，所述去离子器用于将水处理为去离子水，所述去离子器的输出端连接循环泵的输入端；所述循环泵的输出端连接所述PEM电解槽的去离子水入口，所述PEM电解槽用于将去离子水分解为氧气和氢气；
所述PEM电解槽的第一氧气出口连接所述第一分离器的输入端，所述第一分离器的第一输出端连接所述PEM电池堆的氧气入口，所述第一分离器的第二输出端连接所述水箱的入水口；所述PEM电解槽的第一氢气出口连接所述第二分离器的输入端，所述第二分离器的第一输出端通过所述纯化器连接所述PEM电池堆的氢气入口，所述第二分离器的第二输出端连接所述水箱的入水口；
所述PEM电池堆与所述负载为电性连接，所述PEM电池堆为所述负载供电；
所述电源的输出端连接所述处理模块，所述处理模块用于对所述电源的输出电压进行调整，以减小其波动性；所述处理模块连接所述开关模块的固定端，所述开关模块的第一输出端连接所述储能模块的输入端，所述开关模块的第二输出端连接所述升压模块的输入端；所述电压计设置于所述处理模块与所述开关模块之间，用于监测所述处理模块的输出电压；所述储能模块的输出端连接所述换热器的第二输入端，所述升压模块的输出端连接所述PEM电解槽，所述旁路开关与所述升压模块并联；
其中，所述PEM电池堆系统具有低压模式和高压模式，在所述PEM电池堆系统处于所述高压模式的情况下，所述处理模块的输出电压大于所述PEM电池堆系统的额定电压，通过所述开关模块导通所述储能模块，利用所述储能模块对超过额定电压的部分电压进行储能，以便在气温低于10℃的环境下启动所述PEM电池堆系统，通过所述旁路开关断开所述升压模块；在所述PEM电池堆系统处于所述低压模式的情况下，所述处理模块的输出电压小于所述PEM电池堆系统的额定电压，通过所述开关模块断开所述储能模块，通过所述旁路开关导通所述升压模块，利用所述升压模块将输出电压调整至额定电压。
2.根据权利要求1所述的PEM电池堆系统，其特征在于，所述处理模块用于：
获取预设时间段内的电压信号U(t)；
将所述电压信号U(t)分解为n段，第i段的电压偏移量U Δi,n可表示为公式1：
（1）；
其中，i=1, 2, 3,…, n，t i-1表示第i段的起始时刻，t i表示第i段的终止时刻，U i,g第i段的目标输出电压；
根据公式2调整各个分段的起始时刻以及目标输出电压，以使n段电压信号的电压偏移量的总方差最小：
（2）；
输出调整完毕的目标输出电压；
其中，每段电压信号的时长均在预设时长范围内。
3.根据权利要求2所述的PEM电池堆系统，其特征在于，分段数n可根据公式3进行计算：
（3）；
其中，c表示分解系数，调整n取值，使得c的值发生变化，当c的数值最小时，此时的n为最佳分段数，U Δn表示总功率偏移量，。
4.根据权利要求1所述的PEM电池堆系统，其特征在于，还包括缓冲器；
所述缓冲器的第一输入端连接所述第一分离器的第二输出端，所述缓冲器的第二输入端连接所述第二分离器的第二输出端，所述缓冲器的输出端连接所述水箱的入水口，所述缓冲器用于对回收的水流进行泄压缓冲。
5.根据权利要求1所述的PEM电池堆系统，其特征在于，所述开关模块包括分压单元，所述分压单元用于在所述PEM电池堆系统处于所述高压模式的情况下，将所述处理模块的输出电压分解为两部分，一部分用于满足所述PEM电池堆系统的额定电压，另一部分用于在所述储能模块中储能。
6.根据权利要求1所述的PEM电池堆系统，其特征在于，还包括除湿器；
所述除湿器设置在所述第二分离器与所述纯化器之间，用于去除所述第二分离器分离出的氢气中残余的水分。
7.根据权利要求6所述的PEM电池堆系统，其特征在于，还包括压缩器；
所述压缩器设置于所述纯化器与所述PEM电池堆的氢气入口之间，用于对所述纯化器输出的氢气进行压缩。
8.根据权利要求1所述的PEM电池堆系统，其特征在于，所述PEM电解槽包括叠置的阳极板、阳极扩散层、PEM膜、阴极扩散层和阴极板；
所述PEM膜上靠近所述阳极扩散层的一侧设置有阳极催化剂，所述PEM膜上靠近所述阴极扩散层的一侧设置有阴极催化剂。
9.根据权利要求8所述的PEM电池堆系统，其特征在于，所述去离子水入口和所述第一氧气出口均开设在所述阳极板上，所述第一氢气出口开设在所述阴极板上。
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