CN117096399A - 一种燃料电池系统变载运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池系统变载运行方法，涉及到燃料电池技术领域，包括燃料电池系统收到变载指令，辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统空气流量计反馈的空气流量值Q反馈与燃料电池工作在预定变载电流I1下的需求空气流量Q需求进行比较。本发明将变载过程中燃料电池的温度与变载斜率进行耦合，可以有效避免变载过程中由于燃料电池温度偏离过大，造成燃料电池流道中出现“水淹欠气”，进而影响运行燃料电池运行稳定性；将变载过程中的空气流量和空气压力与实际变载电流进行耦合，根据实际反馈的空气流量和空气压力对实际变载电流进行修正，可以有效缓解升载过程中燃料电池的欠气和欠压问题，提高燃料电池的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统变载运行方法。
背景技术
燃料电池是一种清洁的能量转化装置，能够高效地将氢气和氧气中的化学能转化为电能。根据法拉第定律，燃料电池的发电电流与气体的消耗量成正比，为了维持燃料电池稳定运行，必须根据燃料电池的发电电流供给不同流量的空气(氧气)和氢气，同时由于不同发电电流下反应气体的消耗速率不同，对反应气体的浓度扩散速率要求也不同，一般要求发电电流越大，反应气体的压力也越大。除此之外，为了维持燃料电池的水热平衡，还需要根据燃料电池的发电电流调节燃料电池温度，防止出现温度过低燃料电池出现“水淹欠气”或温度过高出现永久损害。燃料电池系统中除燃料电池外所有零部件都是辅助部件，功能就是实现燃料电池发电运行时的气体流量、压力、湿度、温度等条件。
典型的燃料电池系统架构中燃料电池阴极侧通过空气压缩机和背压阀控制空气供给的流量和压力，阳极侧通过氢气喷射器控制氢气压力以及氢气循环泵控制氢气流量，冷却路通过冷却水泵和节温器调节进入燃料电池冷却路的冷却液温度以及燃料电池冷却路出口和入口的温度差。燃料电池变载运行时燃料电池的电流响应速率必须与所有辅助部件(空气压缩机、背压阀、氢气循环泵等)的响应速率匹配，否则容易出现变载过程中燃料电池的操作条件失衡，影响燃料电池的运行稳定性和耐久性。目前的变载方法主要是升载时提前一定时间给定燃料电池操作条件(辅助部件提前运行)，降载时同步给定燃料电池操作条件(辅助部件同步运行)，变载斜率和变载电流与燃料电池操作条件变化没有耦合关系。但是由于燃料电池的升降载是线性快速变化，而辅助部件的运行map曲线不是完全线性并且冷却液温度变化是一个缓慢过程，因此变载过程中不可避免出现操作条件欠气、欠压、低温等失衡情况，给燃料电池的运行稳定性和耐久性带来不利影响。
因此，提出一种燃料电池系统变载运行方法来解决上述问题很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统变载运行方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统变载运行方法，包括以下步骤：
步骤1.燃料电池系统收到变载指令，根据变载终点的目标电流插值燃料电池操作条件表得到目标电流水温T1，当前燃料电池水温T0与目标电流水温T1相减则为燃料电池变载过程中的最大温差，该温差与阈值△T进行比较判断，根据判断结果确定本次变载的变载斜率；
步骤2.燃料电池系统按照上述判定的变载斜率，生成预定变载电流I1，根据I1得到燃料电池系统中辅助部件预定的工作点，并设定辅助部件工作至预定的工作点；
步骤3.辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统空气流量计反馈的空气流量值Q反馈与燃料电池工作在预定变载电流I1下的需求空气流量Q需求进行比较，当Q反馈-Q需求≥阈值Q1时判定此时空气供给气量过量，意味着变载电流I2可以比I1更大，当阈值Q1＞Q反馈-Q需求≥阈值Q2时判定此时空气供给气量合适，变载电流I2＝预定变载电流I1，Q反馈-Q需求＜阈值Q2，意味着变载电流I2应该比I1更小，Q1和Q2分别为变载运行过程中允许的空气流量偏离值上限和下限，变载电流I2值可以通过Q反馈反向插值燃料电池操作条件表得到；
步骤4.辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统入堆空气压力传感器反馈的空气压力值P反馈加上阈值P1，阈值P1为变载过程中允许的压力偏差下限值，对P反馈+P1反向插值燃料电池操作条件表可以得到根据空气压力判断的最大允许变载电流Imax；
步骤5.将步骤3中得到的变载电流I2与步骤四中的最大允许变载电流Imax进行比较，取其中的小值作为最终的实际变载电流I实际；
步骤6.将实际变载电流I实际应用于燃料电池进行变载运行，直至到变载目标点。
优选的，所述步骤1中当T0-T1≥等于阈值△T时燃料电池变载斜率为K1，当T0-T1＜△T阈值时燃料电池变载斜率为K2,K2＞K1。
优选的，所述步骤5中当变载电流I2＞最大允许变载电流Imax时，则实际变载电流I实际＝最大允许变载电流Imax，当变载电流I2≤最大允许变载电流Imax时，则实际变载电流I实际＝变载电流I2。
本发明的技术效果和优点：
1、将变载过程中燃料电池的温度与变载斜率进行耦合，可以有效避免变载过程中由于燃料电池温度偏离过大，造成燃料电池流道中出现“水淹欠气”，进而影响运行燃料电池运行稳定性；
2、将变载过程中的空气流量和空气压力与实际变载电流进行耦合，根据实际反馈的空气流量和空气压力对实际变载电流进行修正，可以有效缓解升载过程中燃料电池的欠气和欠压问题，提高燃料电池的耐久性。
附图说明
图1为本发明燃料电池系统变载运行过程流程图。
图2为本发明燃料电池系统变载运行过程流程图中上方部分放大结构示意图。
图3为本发明燃料电池系统变载运行过程流程图中下方左侧部分放大结构示意图。
图4为本发明燃料电池系统变载运行过程流程图中下方右侧部分放大结构示意图。
图中：
T0为当前燃料电池水温；
T1为目标变载电流燃料电池水温；
△T为温度阈值，物理意义是变载过程燃料电池偏离的温度差；
K1为变载斜率；
K2为变载斜率，K1>K2；
I1为根据变载斜率K1/K2计算出的变载电流，用于插值燃料电池操作条件得到辅助部件的运行工作点；
Q反馈为空气流量传感器反馈的流量值；
Q需求为燃料电池在预定变载电流I1下的需要空气流量；
Q1为变载运行过程中允许的空气流量值偏离上限值；
Q2为变载运行过程中允许的空气流量值偏离下限值；
T2为根据反馈的空气流量值偏离情况计算出的变载电流；
P反馈为控制压力传感器反馈的压力值；
P1为变载运行过程中允许的空气压力偏离下限值；
Tmax为根据反馈的空气压力值偏离情况计算出的变载电流；
T实际为燃料电池实际变载电流。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-图4所示的一种燃料电池系统变载运行方法，包括以下步骤：
步骤1.燃料电池系统收到变载指令，根据变载终点的目标电流插值燃料电池操作条件表得到目标电流水温T1，当前燃料电池水温T0与目标电流水温T1相减则为燃料电池变载过程中的最大温差，该温差与阈值△T进行比较判断，根据判断结果确定本次变载的变载斜率，当T0-T1≥等于阈值△T时燃料电池变载斜率为K1，当T0-T1＜△T阈值时燃料电池变载斜率为K2,K2＞K1；
步骤2.燃料电池系统按照上述判定的变载斜率，生成预定变载电流I1，根据I1得到燃料电池系统中辅助部件预定的工作点，并设定辅助部件工作至预定的工作点；
步骤3.辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统空气流量计反馈的空气流量值Q反馈与燃料电池工作在预定变载电流I1下的需求空气流量Q需求进行比较，当Q反馈-Q需求≥阈值Q1时判定此时空气供给气量过量，意味着变载电流I2可以比I1更大，当阈值Q1＞Q反馈-Q需求≥阈值Q2时判定此时空气供给气量合适，变载电流I2＝预定变载电流I1，Q反馈-Q需求＜阈值Q2，意味着变载电流I2应该比I1更小，Q1和Q2分别为变载运行过程中允许的空气流量偏离值上限和下限，变载电流I2值可以通过Q反馈反向插值燃料电池操作条件表得到；
步骤4.辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统入堆空气压力传感器反馈的空气压力值P反馈加上阈值P1，阈值P1为变载过程中允许的压力偏差下限值，对P反馈+P1反向插值燃料电池操作条件表可以得到根据空气压力判断的最大允许变载电流Imax；
步骤5.将步骤3中得到的变载电流I2与步骤四中的最大允许变载电流Imax进行比较，取其中的小值作为最终的实际变载电流I实际，当变载电流I2＞最大允许变载电流Imax时，则实际变载电流I实际＝最大允许变载电流Imax，当变载电流I2≤最大允许变载电流Imax时，则实际变载电流I实际＝变载电流I2；
步骤6.将实际变载电流I实际应用于燃料电池进行变载运行，直至到变载目标点。
本发明将变载过程中燃料电池的温度与变载斜率进行耦合，可以有效避免变载过程中由于燃料电池温度偏离过大，造成燃料电池流道中出现“水淹欠气”，进而影响运行燃料电池运行稳定性。将变载过程中的空气流量和空气压力与实际变载电流进行耦合，根据实际反馈的空气流量和空气压力对实际变载电流进行修正，可以有效缓解升载过程中燃料电池的欠气和欠压问题，提高燃料电池的耐久性。
Claims (3)
1.一种燃料电池系统变载运行方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.燃料电池系统收到变载指令，根据变载终点的目标电流插值燃料电池操作条件表得到目标电流水温T1，当前燃料电池水温T0与目标电流水温T1相减则为燃料电池变载过程中的最大温差，该温差与阈值△T进行比较判断，根据判断结果确定本次变载的变载斜率；
步骤2.燃料电池系统按照上述判定的变载斜率，生成预定变载电流I1，根据I1得到燃料电池系统中辅助部件预定的工作点，并设定辅助部件工作至预定的工作点；
步骤3.辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统空气流量计反馈的空气流量值Q反馈与燃料电池工作在预定变载电流I1下的需求空气流量Q需求进行比较，当Q反馈-Q需求≥阈值Q1时判定此时空气供给气量过量，意味着变载电流I2可以比I1更大，当阈值Q1＞Q反馈-Q需求≥阈值Q2时判定此时空气供给气量合适，变载电流I2＝预定变载电流I1，Q反馈-Q需求＜阈值Q2，意味着变载电流I2应该比I1更小，Q1和Q2分别为变载运行过程中允许的空气流量偏离值上限和下限，变载电流I2值可以通过Q反馈反向插值燃料电池操作条件表得到；
步骤4.辅助部件工作至预定的工作点后，将燃料电池系统入堆空气压力传感器反馈的空气压力值P反馈加上阈值P1，阈值P1为变载过程中允许的压力偏差下限值，对P反馈+P1反向插值燃料电池操作条件表可以得到根据空气压力判断的最大允许变载电流Imax；
步骤5.将步骤3中得到的变载电流I2与步骤四中的最大允许变载电流Imax进行比较，取其中的小值作为最终的实际变载电流I实际；
步骤6.将实际变载电流I实际应用于燃料电池进行变载运行，直至到变载目标点。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统变载运行方法，其特征在于：所述步骤1中当T0-T1≥等于阈值△T时燃料电池变载斜率为K1，当T0-T1＜△T阈值时燃料电池变载斜率为K2,K2＞K1。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统变载运行方法，其特征在于：所述步骤5中当变载电流I2＞最大允许变载电流Imax时，则实际变载电流I实际＝最大允许变载电流Imax，当变载电流I2≤最大允许变载电流Imax时，则实际变载电流I实际＝变载电流I2。
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