CN117727969A - 燃料电池混合进气系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池混合进气系统，该系统包括：储氢罐；储氧罐，用于存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气；燃料电池电堆；阳极进气路，所述阳极进气路的一端与所述储氢罐连通，另一端与所述燃料电池电堆的阳极进气口连通；阴极混合进气路，包括：氧气支路和空气支路；所述氧气支路的一端与所述储氧罐连通，所述空气支路的一端连通空气，所述氧气支路的另一端与所述空气支路的另一端通过选择阀与所述燃料电池电堆的阴极进气口连通。本发明可以解决现有的燃料电池进气系统存在的不仅能源利用率低，而且燃料电池进气系统的功耗大及能效低的技术问题。

Description

燃料电池混合进气系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池混合进气系统。

背景技术

传统的燃料电池进气系统为空气路进气，即通过消耗空气中的氧气来完成电堆内的反应。而空气中含有氮气等不参与反应的气体，以及灰尘等杂质，既增加了压缩机能耗，又不利于反应的进行。另一方面，在综合氢能利用系统中，氧气作为制氢系统的副产，是直接排放到空气中，没有充分的利用，造成浪费。

综上，现有的燃料电池进气系统不仅能源利用率低，而且燃料电池进气系统的功耗大及能效低。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种燃料电池混合进气系统，用以解决现有的燃料电池进气系统存在的不仅能源利用率低，而且燃料电池进气系统的功耗大及能效低的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池混合进气系统，包括：

储氢罐；

储氧罐，用于存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气；

燃料电池电堆；

阳极进气路，所述阳极进气路的一端与所述储氢罐连通，另一端与所述燃料电池电堆的阳极进气口连通；

阴极混合进气路，包括：氧气支路和空气支路；

所述氧气支路的一端与所述储氧罐连通，所述空气支路的一端连通空气，所述氧气支路的另一端与所述空气支路的另一端通过选择阀与所述燃料电池电堆的阴极进气口连通。

进一步地，所述阳极进气路，包括：依次串联的第一减压阀和第一电磁阀。

进一步地，所述阳极进气路，还包括：设置在所述第一减压阀与所述第一电磁阀之间的第一关断阀，以及设置在所述第一电磁阀与所述燃料电池电堆的阳极进气口之间的第一加湿器。

进一步地，所述氧气支路，包括：依次串联的第二减压阀和第二电磁阀。

进一步地，所述氧气支路，还包括：设置在所述第二减压阀与所述第二电磁阀之间的第二关断阀，以及设置在所述第二电磁阀与所述燃料电池电堆的阴极进气口之间的第二加湿器。

进一步地，燃料电池混合进气系统，还包括：

电磁阀控制装置，用于基于所述第一电磁阀的阀门开度、所述第二电磁阀的阀门开度以及预设开度值，并结合PID控制器，对所述第一电磁阀的阀门开度和所述第二电磁阀的阀门开度进行控制。

进一步地，所述电磁阀控制装置，用于基于所述第一电磁阀的阀门开度、所述第二电磁阀的阀门开度以及预设开度值，确定所述第一电磁阀的开度偏差和所述第二电磁阀的开度偏差，将所述第一电磁阀的开度偏差及对应的开度偏差变化率，以及所述第二电磁阀的开度偏差和对应的开度偏差变化率，作为所述PID控制器的控制输入量，并将所述PID控制器的增益修正量作为控制输出量，对所述第一电磁阀的阀门开度和所述第二电磁阀的阀门开度进行控制。

进一步地，所述空气支路，包括：串联的空压机和中冷器。

进一步地，所述空气支路，还包括：串联在所述中冷器与所述选择阀之间的第三加湿器。

进一步地，燃料电池混合进气系统，还包括：

选择阀控制装置，用于将所述燃料电池电堆的历史功率数据输入至训练好的BiLSTM网络模型中，得到所述燃料电池电堆在下一时段的功率预测数据，并基于所述功率预测数据确定所需氧气的量，在确定所需氧气的量对应的供氧速率小于或等于所述储氧罐的最大氧气释放速率的情况下，控制所述选择阀将所述氧气支路与所述燃料电池电堆的阴极进气口连通，并控制所述选择阀将所述空气支路与所述燃料电池电堆的阴极进气口断开。

采用上述实现方式的有益效果是：本发明提供的燃料电池混合进气系统，设置有阴极混合进气路，阴极混合进气路包括氧气支路和空气支路，氧气支路接入储氧罐，以接入存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气，通过氧气支路回收并利用制氢系统产生的氧气，相较于传统综合氢能利用系统而言，本发明提供的系统避免将氧气直接排放至空气中，从而提高了能源利用率，而且还可以减少空压机的工作，减少辅机功耗，从而提高系统能效，因此，本发明解决了现有的燃料电池进气系统存在的不仅能源利用率低，而且燃料电池进气系统的功耗大及能效低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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。

图1为本发明提供的燃料电池混合进气系统的结构示意图；

图2为本发明提供的PID控制器控制电磁阀的阀门开度的流程图；

图3为本发明提供的选择空气支路或氧气支路工作的流程图。

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、完整的描述。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。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明， “多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

在本发明实施例中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相似的技术效果即可。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

本发明提供了一种燃料电池混合进气系统100，以下分别进行说明。

如图1所示，本发明提供的燃料电池混合进气系统100，包括：

储氢罐11；

储氧罐211，用于存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气；

燃料电池电堆30；

阳极进气路10，所述阳极进气路10的一端与所述储氢罐11连通，另一端与所述燃料电池电堆30的阳极进气口32连通；

阴极混合进气路20，所述阴极混合进气路20，包括：氧气支路21和空气支路22；

所述氧气支路21的一端与所述储氧罐211连通，所述空气支路22的一端连通空气，所述氧气支路21的另一端与所述空气支路22的另一端通过选择阀23与所述燃料电池电堆30的阴极进气口33连通。

可以理解的是，本发明提供的燃料电池混合进气系统100，包括：储氢罐11、储氧罐211、燃料电池电堆30、阳极进气路10和阴极混合进气路20，阳极进气路10一端连通储氢罐11，另一端连通电堆的阳极进气口32。

其中，氧气支路21和空气支路22可以通过选择阀23配合，以使燃料电池电堆30单独接受氧气支路21供气或单独接受空气支路22供气。在氧气支路21向燃料电池电堆30供气时，选择阀23连通氧气支路21和燃料电池电堆30的阴极进气口33，此时，空气支路22的空压机221停止工作；在空气支路22向燃料电池电堆30供气时，选择阀23连通空气支路22和燃料电池电堆30的阴极进气口33，此时，空气支路22的空压机221开始工作。

如图1所示，在一些实施例中，储氢罐11和储氧罐211可以是高压储气罐，高压储气罐内部的气体可以是高压气体，例如，高压氢气和高压氧气等，有利于将高压储气罐内的气体的高压能量转换成气体动能，既便于将气体通入燃料电池电堆30内部，又可以避免二次加压产生额外电能消耗。

本发明提供的燃料电池混合进气系统100中，氧气从储氧罐211经过氧气支路21输送至选择阀23，空气从空气支路22进入，经过空气支路22输送至选择阀23，经由选择阀23完成单一支路的连通，将支路气体输送至燃料电池阴极进气口33。

在一些实施例中，所述阳极进气路10，包括：依次串联的第一减压阀12和第一电磁阀14。

进一步地，所述阳极进气路10，还包括：设置在所述第一减压阀12与所述第一电磁阀14之间的第一关断阀13。

所述阳极进气路10，还包括：设置在所述第一电磁阀14与所述燃料电池电堆30的阳极进气口32之间的第一加湿器15。

在一些实施例中，所述氧气支路21，包括：依次串联的第二减压阀212和第二电磁阀214。

进一步地，所述氧气支路21，还包括：设置在所述第二减压阀212与所述第二电磁阀214之间的第二关断阀213。

所述氧气支路21，还包括：

设置在所述第二电磁阀214与所述燃料电池电堆30的阴极进气口33之间的第二加湿器215。

所述空气支路22，包括：串联的空压机221和中冷器222，以及串联在所述中冷器222与所述选择阀23之间的第三加湿器223。

可以理解的是，阳极进气路10具有第一减压阀12、第一关断阀13、第一电磁阀14和第一加湿器15；阴极混合进气路20具有氧气支路21、空气支路22和选择阀23，阴极混合进气路20的一端连通电堆的阴极进气口33；氧气支路21一端连通储氧罐211，一端连通选择阀23，氧气支路21具有第二减压阀212、第二关断阀213、第二电磁阀214和第二加湿器215；空气支路22一端与外界连通，一端连通选择阀23，空气支路22具有空压机221、中冷器222和第三加湿器223。

在一些实施例中，燃料电池混合进气系统100，还包括：

电磁阀控制装置35，用于基于所述第一电磁阀14的阀门开度、所述第二电磁阀214的阀门开度以及预设开度值，并结合PID控制器，对所述第一电磁阀14的阀门开度和所述第二电磁阀214的阀门开度进行控制。

进一步地，所述电磁阀控制装置35，用于基于所述第一电磁阀14的阀门开度、所述第二电磁阀214的阀门开度以及预设开度值，确定所述第一电磁阀14的开度偏差和所述第二电磁阀214的开度偏差，将所述第一电磁阀14的开度偏差及对应的开度偏差变化率，以及所述第二电磁阀214的开度偏差和对应的开度偏差变化率，作为所述PID控制器的控制输入量，并将所述PID控制器的增益修正量作为控制输出量，对所述第一电磁阀14的阀门开度和所述第二电磁阀214的阀门开度进行控制。

可以理解的是，电磁阀控制装置35可以通过通信设备34与第一电磁阀14和第二电磁阀214通信连接，实现对第一电磁阀14和第二电磁阀214的控制。

PID控制器是基于比例、积分和微分进行控制的系统。在本实施例中，第一电磁阀14和第二电磁阀214均可以采用模糊PID控制器控制阀门开度，其控制流程如图2所示。通过电磁阀位置传感器检测到的两个电磁阀的阀门开度，并将阀门开度与系统的设定开度值进行比较，得到阀门的开度偏差e。

模糊PID控制器将阀门开度偏差e与其变化率ec作为控制输入量，PID增益的修正量ΔKp、ΔKi和ΔKd作为控制输出量。将电磁阀的电压信号偏差e和电压信号偏差变化ec分为7个级别，即{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}，分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。根据设定的参数模糊控制规则表确定对应PID参数的取值，以达到快速响应、精确控制。

在一些实施例中，燃料电池混合进气系统100，还包括：

选择阀23控制装置，用于将所述燃料电池电堆30的历史功率数据输入至训练好的BiLSTM网络模型中，得到所述燃料电池电堆30在下一时段的功率预测数据，并基于所述功率预测数据确定所需氧气的量，在确定所需氧气的量对应的供氧速率小于或等于所述储氧罐211的最大氧气释放速率的情况下，控制所述选择阀23将所述氧气支路21与所述燃料电池电堆30的阴极进气口33连通，并控制所述选择阀23将所述空气支路22与所述燃料电池电堆30的阴极进气口33断开。

可以理解的是，如图3所示，本实施例中的燃料电池混合进气系统100根据以下策略工作：

首先获取系统历史功率数据，通过BiLSTM（双向长短时记忆）网络模型预测下一连续时段的功率数据。

其中，BiLSTM网络模型是一种双向长短周期训练方法，通过对历史功率数据进行向前和向后的两种顺序训练，分别得到预测结果，再将预测结果结合起来，以提高预测结果的准确性。

BiLSTM网络模型预测功率的流程如下：将历史功率数据划分为训练集和测试集，并归一化，将训练集输入BiLSTM网络模型学习训练，然后运用学习的结果去预测测试集数据，并得到预测结果，即下一时段的功率预测数据。

如图3所示，根据功率预测数据计算所需氧气的量，并与储氧罐211的最大氧气释放速率相比较，若所需氧气未达到管道限制的最大速率，此时燃料电池工作在纯氧条件下，阴极进气系统空气支路22不工作，通过选择阀23将氧气支路21与燃料电池电堆30的阴极进气口33连通。若所需氧气超过管道限制的最大速率，此时储氧罐211出口阀门关闭，空压机221开始工作，此时燃料电池工作在空气条件下，通过选择阀23将空气支路22与燃料电池电堆30的阴极进气口33连通。

在本实施例中，当储氧罐211气体足以维持燃料电池工作时，选择阀23连通氧气支路21，氧气支路21关断阀打开，电磁阀根据控制系统调整至合适开度，燃料电池在纯氧条件下工作；当氧气罐气体不足以维持燃料电池工作时，选择阀23连通空气支路22，氧气支路21关闭，空压机221开始工作，燃料电池工作在空气条件下。本实施例中燃料电池根据气罐实时储气状态和功率需求切换工作模式，在保证满足需求供应的同时，可以节省燃料电池的燃料消耗、辅机功耗和耗水量，从而提高燃料电池性能。

综上所述，本发明提供的燃料电池混合进气系统100，包括：储氢罐11；储氧罐211，用于存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气；燃料电池电堆30；阳极进气路10，所述阳极进气路10的一端与所述储氢罐11连通，另一端与所述燃料电池电堆30的阳极进气口32连通；阴极混合进气路20，所述阴极混合进气路20，包括：氧气支路21和空气支路22；所述氧气支路21的一端与所述储氧罐211连通，所述空气支路22的一端连通空气，所述氧气支路21的另一端与所述空气支路22的另一端通过选择阀23与所述燃料电池电堆30的阴极进气口33连通。

本发明提供的燃料电池混合进气系统100，设置有阴极混合进气路20，阴极混合进气路20包括氧气支路21和空气支路22，氧气支路21接入储氧罐211，以接入存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气，通过氧气支路21回收并利用制氢系统产生的氧气，相较于传统综合氢能利用系统而言，本发明提供的系统避免将氧气直接排放至空气中，从而提高了能源利用率，而且还可以减少空压机221的工作，减少辅机功耗，从而提高系统能效，因此，本发明解决了现有的燃料电池进气系统存在的不仅能源利用率低，而且燃料电池进气系统的功耗大及能效低的技术问题。

进一步地，本发明提供的燃料电池混合进气系统100，通过采用BiLSTM网络模型预测燃料电池的功率趋势，与模糊PID控制器控制阀门开度相结合的控制方案，以提高燃料电池系统的响应速度，从而维持电网的稳定性。

以上对本发明所提供的燃料电池混合进气系统100进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池混合进气系统，其特征在于，包括：

储氢罐；

储氧罐，用于存储制氢系统在制氢过程中产生的氧气；

燃料电池电堆；

阳极进气路，所述阳极进气路的一端与所述储氢罐连通，另一端与所述燃料电池电堆的阳极进气口连通；

阴极混合进气路，包括：氧气支路和空气支路；

所述氧气支路的一端与所述储氧罐连通，所述空气支路的一端连通空气，所述氧气支路的另一端与所述空气支路的另一端通过选择阀与所述燃料电池电堆的阴极进气口连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述阳极进气路，包括：依次串联的第一减压阀和第一电磁阀。

3.根据权利要求2所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述阳极进气路，还包括：设置在所述第一减压阀与所述第一电磁阀之间的第一关断阀，以及设置在所述第一电磁阀与所述燃料电池电堆的阳极进气口之间的第一加湿器。

4.根据权利要求2所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述氧气支路，包括：依次串联的第二减压阀和第二电磁阀。

5.根据权利要求4所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述氧气支路，还包括：设置在所述第二减压阀与所述第二电磁阀之间的第二关断阀，以及设置在所述第二电磁阀与所述燃料电池电堆的阴极进气口之间的第二加湿器。

6.根据权利要求4所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，还包括：

电磁阀控制装置，用于基于所述第一电磁阀的阀门开度、所述第二电磁阀的阀门开度以及预设开度值，并结合PID控制器，对所述第一电磁阀的阀门开度和所述第二电磁阀的阀门开度进行控制。

7.根据权利要求6所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述电磁阀控制装置，用于基于所述第一电磁阀的阀门开度、所述第二电磁阀的阀门开度以及预设开度值，确定所述第一电磁阀的开度偏差和所述第二电磁阀的开度偏差，将所述第一电磁阀的开度偏差及对应的开度偏差变化率，以及所述第二电磁阀的开度偏差和对应的开度偏差变化率，作为所述PID控制器的控制输入量，并将所述PID控制器的增益修正量作为控制输出量，对所述第一电磁阀的阀门开度和所述第二电磁阀的阀门开度进行控制。

8.根据权利要求1所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述空气支路，包括：串联的空压机和中冷器。

9.根据权利要求8所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，所述空气支路，还包括：串联在所述中冷器与所述选择阀之间的第三加湿器。

10.根据权利要求1-9任一项所述的燃料电池混合进气系统，其特征在于，还包括：

选择阀控制装置，用于将所述燃料电池电堆的历史功率数据输入至训练好的BiLSTM网络模型中，得到所述燃料电池电堆在下一时段的功率预测数据，并基于所述功率预测数据确定所需氧气的量，在确定所需氧气的量对应的供氧速率小于或等于所述储氧罐的最大氧气释放速率的情况下，控制所述选择阀将所述氧气支路与所述燃料电池电堆的阴极进气口连通，并控制所述选择阀将所述空气支路与所述燃料电池电堆的阴极进气口断开。