CN201374016Y - 质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器，包括乘法器、功率跟踪控制器、化学计量表、压力控制器、氢气流量控制器、氧气流量控制器，水含量监测系统、温度控制器、空气冷却器、水冷却器、功率转换控制器、可控硅、铅酸电池。本实用新型采用人工智能技术、模糊自适应控制技术、模糊预测控制技术和PID控制技术组成的控制器，实现了质子交换膜燃料电池的氢气和空气最少、温度和压力恒定、输出功率最大和故障保护等功能，使用本实用新型，具有无环境污染、节约能源、体积小、重量轻、结构紧凑、操作方便、使用灵活、工作性能良好、不易造成质子交换膜燃料电池损坏的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器，属于质子交换膜燃料电池的智能控制技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。目前研究开发的质子交换膜燃料电池及其控制器，作为一种有前景的新能源装置，存在制造成本高和使用寿命短等严重因素，已成为目前广泛应用的瓶颈。特别是质子交换膜燃料电池在操作使用过程中极易造成电池性能衰减或损坏，其原因除燃料电池制造关键材料性能下降外，主要是控制器的设计方法和操作因素造成的。而且，目前研究开发设计的控制器只是对一个和几个变量进行控制，缺乏综合的智能优化控制和监测能力。设计的控制器要么燃料/空气的给定量总是很大，由于尾气排放，浪费了大量的燃料；要么进行仿真研究，缺乏实验研究和应用结果。由于传统装备存在这些严重因素，使其价格较昂贵，保养、维护费用也较高，制约了质子交换膜燃料电池的广泛应用和深入发展。
发明内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器，这种控制器可实现质子交换膜燃料电池的氢气和空气最少、输出功率最大、温度和压力恒定等功能。
为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
本实用新型与质子交换膜燃料电池对应连接，用于监测和控制质子交换膜燃料电池，在质子交换膜燃料电池的输出端连接有UPS不间断电源，在UPS不间断电源的输出端连接负载，其创新之处在于：其包括乘法器、功率跟踪控制器、化学计量表、压力控制器、氢气流量控制器、氧气流量控制器，水含量监测系统、温度控制器、空气冷却器、水冷却器、功率转换控制器、可控硅、铅酸电池；
其中，乘法器的输入信号端分别与质子交换膜燃料电池的电流输出端和电压输出端连接，乘法器的控制信号输出端分别与功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端连接；功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端还与水含量监测系统的控制信号输出端，功率跟踪控制器的控制信号输出端与化学计量表的信号输入端连接；压力控制器的氢气信号输入端同时与化学计量表的氢气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氢气压力信号输出端连接，压力控制器的氧气信号输入端同时与化学计量表的氧气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氧气压力信号输出端连接，压力控制器的氢气流量信号输出端与氢气流量控制器的信号输入端连接，压力控制器的氧气流量信号输出端与氧气流量控制器的信号输入端连接；氢气流量控制器的氢气输出端与质子交换膜燃料电池的氢气输入端连接，氧气流量控制器的氧气输出端与质子交换膜燃料电池的氧气输入端连接；温度控制器的输入端同时与水含量监测系统的控制信号输出端和质子交换膜燃料电池的温度信号输出端连接，温度控制器的控制信号输出端分别与空气冷却器和水冷却器的输入端连接；空气冷却器和水冷却器的输出端分别与质子交换膜燃料电池的空气信号输入端和水信号输入端连接；功率转换控制器的两个信号输出端分别与两个可控硅的控制信号端对应连接；其中一个可控硅的电压信号输入端与质子交换膜燃料电池的电压输出端连接，另一个可控硅的电压信号输入端与铅酸电池的输出端连接，两个可控硅的电压输出端同时与UPS不间断电源的电压输入端连接。
本实用新型通过功率跟踪控制器、压力控制器、氢气流量控制器和氧气(也可以为空气)流量控制器、温度控制器、以及功率转换控制器组成的综合的智能优化控制器和水含量监测系统，同时实现燃料和氧气(或空气)最少和质子交换膜燃料电池输出功率最大。解决了燃料和氧气(或空气)缺失现象、电堆损坏和膜电极泄漏的问题。在运行过程中，首先通过水含量监测系统在线检测质子交换膜燃料电池的输出电压、电流、温度、压力和膜的电阻，然后计算膜的水含量，用乘法器计算出质子交换膜燃料电池的输出功率；然后，根据上述的检测量和计算量，作为综合的智能优化控制器的给定控制量的依据；最后，通过功率跟踪控制器、压力控制器、氢气流量控制器和氧气(或空气)流量控制器、温度控制器、以及功率转换控制器的智能综合优化控制技术，辅以铅酸电池(或超级电容器)，实现智能、综合、优化的控制和监测的目的。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型采用人工智能技术、模糊自适应控制技术、模糊预测控制技术和传统的PID控制技术组成的微电脑实现了对质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制，并实现质子交换膜燃料电池的氢气和空气最少、温度和压力恒定、输出功率最大和故障保护等功能；此外，使用本实用新型还具有无环境污染、节约能源、体积小、重量轻、结构紧凑、操作方便、使用灵活、工作性能良好、不易造成质子交换膜燃料电池损坏的优点，有利于使质子交换膜燃料电池得以广泛应用和深入发展。
附图说明
附图为本实用新型的系统结构框图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步具体说明：
如附图所示，本实用新型与质子交换膜燃料电池对应连接，用于监测和控制质子交换膜燃料电池，在质子交换膜燃料电池的输出端连接有UPS不间断电源，在UPS不间断电源的输出端连接负载，本实用新型包括乘法器、功率跟踪控制器、化学计量表、压力控制器、氢气流量控制器、氧气流量控制器，水含量监测系统、温度控制器、空气冷却器、水冷却器、功率转换控制器、可控硅、铅酸电池；
其中，乘法器的输入信号端分别与质子交换膜燃料电池的电流输出端IO和电压输出端UO连接，乘法器的控制信号输出端分别与功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端连接；功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端还与水含量监测系统的控制信号输出端，功率跟踪控制器的控制信号输出端与化学计量表的信号输入端连接；压力控制器的氢气信号输入端同时与化学计量表的氢气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氢气压力信号输出端连接，压力控制器的氧气信号输入端同时与化学计量表的氧气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氧气压力信号输出端连接，压力控制器的氢气流量信号输出端与氢气流量控制器的信号输入端连接，压力控制器的氧气流量信号输出端与氧气流量控制器的信号输入端连接；氢气流量控制器的氢气输出端与质子交换膜燃料电池的氢气输入端连接，氧气流量控制器的氧气输出端与质子交换膜燃料电池的氧气输入端连接；温度控制器的输入端同时与水含量监测系统的控制信号输出端和质子交换膜燃料电池的温度信号输出端连接，温度控制器的控制信号输出端U1和U2分别与空气冷却器和水冷却器的输入端连接；空气冷却器和水冷却器的输出端分别与质子交换膜燃料电池的空气信号输入端和水信号输入端连接；功率转换控制器的两个信号输出端U3和U4分别与可控硅1和可控硅2的控制信号端对应连接；可控硅1的电压信号输入端与质子交换膜燃料电池的电压输出端连接，可控硅2的电压信号输入端与铅酸电池的输出端连接，可控硅1和可控硅2的电压输出端同时与UPS不间断电源的电压输入端连接。
结合附图，在应用过程中，当质子交换膜燃料电池的输出电压和电流由于其负载变化而发生变化时，功率跟踪控制器根据检测到的质子交换膜燃料电池的输出电压值和电流值，应用乘法器进行乘法运算，计算出当前的输出功率。然后，通过模糊预测控制技术，可以输出氢气和氧气(或空气)的给定量，并经过化学计量表来实现给定输出。
当氢气压力和氧气(或空气)压力发生变化时，本实用新型应用氢气压力和氧气(或空气)压力的反馈控制机理，通过基于数字比例积分微分(PID)控制技术的压力控制器，来实现氢气压力和空气压力的恒定控制。
当氢气流量和氧气(或空气)流量发生变化时，本实用新型应用氢气流量和氧气(或空气)流量的反馈控制机理，氢气流量控制器和氧气(或空气)流量控制器基于模糊预测控制技术，实现氢气流量和空气流量的最优控制。
当质子交换膜燃料电池的内部温度发生变化时，本实用新型应用温度反馈控制机理，温度控制器基于模糊自适应控制技术，通过空气冷却器和水冷却器，实现质子交换膜燃料电池温度的智能控制。
当水含量监测系统通过电流中断法检测到质子交换膜燃料电池的内部水含量发生变化时，它能改变温度的给定量，控制膜中的水含量，以改善质子交换膜燃料电池的性能。当膜中的水含量缺失超过30％，水含量监测系统通过改变功率跟踪控制器的给定量及功率转换控制器的输出控制逻辑信号Uw，控制可控硅1和可控硅2的导通状态，使用电设备(如本例中的UPS不间断电源)的能量由质子交换膜燃料电池转换供应到铅酸电池(或超级电容器)供应。
当质子交换膜燃料电池发生故障，或尾气排放，或负载变化超过50％，或铅酸电池(或超级电容器)的电压低于最低保护电压时，通过人工智能技术的产生式规则，功率转换控制器可控制可控硅1和可控硅2的导通状态，使用电设备(如本例中的UPS不间断电源)的能量，由质子交换膜燃料电池供应转换到铅酸电池(或超级电容器)供应，并实现质子交换膜燃料电池对铅酸电池(或超级电容器)的自动充电。
Claims (1)
1、一种质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器，与质子交换膜燃料电池对应连接，用于监测和控制质子交换膜燃料电池，在质子交换膜燃料电池的输出端连接有UPS不间断电源，在UPS不间断电源的输出端连接负载，其特征在于：其包括乘法器、功率跟踪控制器、化学计量表、压力控制器、氢气流量控制器、氧气流量控制器，水含量监测系统、温度控制器、空气冷却器、水冷却器、功率转换控制器、可控硅、铅酸电池；
其中，乘法器的输入信号端分别与质子交换膜燃料电池的电流输出端和电压输出端连接，乘法器的控制信号输出端分别与功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端连接；功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端还与水含量监测系统的控制信号输出端，功率跟踪控制器的控制信号输出端与化学计量表的信号输入端连接；压力控制器的氢气信号输入端同时与化学计量表的氢气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氢气压力信号输出端连接，压力控制器的氧气信号输入端同时与化学计量表的氧气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氧气压力信号输出端连接，压力控制器的氢气流量信号输出端与氢气流量控制器的信号输入端连接，压力控制器的氧气流量信号输出端与氧气流量控制器的信号输入端连接；氢气流量控制器的氢气输出端与质子交换膜燃料电池的氢气输入端连接，氧气流量控制器的氧气输出端与质子交换膜燃料电池的氧气输入端连接；温度控制器的输入端同时与水含量监测系统的控制信号输出端和质子交换膜燃料电池的温度信号输出端连接，温度控制器的控制信号输出端分别与空气冷却器和水冷却器的输入端连接；空气冷却器和水冷却器的输出端分别与质子交换膜燃料电池的空气信号输入端和水信号输入端连接；功率转换控制器的两个信号输出端分别与两个可控硅的控制信号端对应连接；其中一个可控硅的电压信号输入端与质子交换膜燃料电池的电压输出端连接，另一个可控硅的电压信号输入端与铅酸电池的输出端连接，两个可控硅的电压输出端同时与UPS不间断电源的电压输入端连接。
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