RO129407A2 - Staţie energetică de mică putere, realizată cu pile de combustibil de tip pem - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o staţie energetică de mică putere, până la maximum 5 kW, şi la modalitatea de control utilizată pentru adaptarea puterii generate de staţie la necesităţile consumatorului. Staţia energetică conform invenţiei cuprinde un ansamblu (100) de pile de combustibil de tip PEM (Proton Exchange Membrane), alimentat cu hidrogen (20) şi aer (40), fiind gestionată prin intermediul unui controler (200) programabil de automatizare, condus de un calculator (300), pentru a asigura în orice moment necesarul de putere pe sarcină (1), un sistem de gestionare a temperaturii de funcţionare a ansamblului (100) de pile de combustibil de tip PEM, un sistem de gestionare optimizată a umidificării reactanţilor, un sistem de gestionare a alimentării cu hidrogen (20) şi aer (40) în corelaţie cu sarcina (1), şi un sistem de monitorizare, comandă şi control al funcţionării staţiei energetice.

Description

Invenția se refera la o stafie energetica de mica putere , pana la max. 5 kW electric, realizata cu pile de combustibil cu membrana schimbătoare de protoni (PEM- Proton Exchange Membrane), si la modalitatea de control utilizata pentru adaptarea puterii generate de statie la necesitățile consumatorului.

Pilele de combustibil sunt dispozitive electrochimice capabile sa convertească in mod direct energia chimica eliberata in urma reacției dintre un combustibil si un oxidant in energie electrica, si sunt de mai multe tipuri, in funcție de configurație si de combustibilul utilizat.

Raspandirea acestora pe scara din ce in ce mai larga se datoreaza eficientei ridicate, versatilității si impactului redus (sau chiar nul, in cazul pilelor alimentate cu hidrogen) asupra mediului.

Pilele de combustibil de tip PEM au anodul si catodul realizați din tesatura sau hârtie din fibra de carbon impregnata cu un catalizator metalic din grupa platinei. Electrozii sunt separați de un electrolit solid sub forma de membrana realizata dintr-un polimer sulfonat avand conductibilitate protonica dar nu si electronica, permițând transportul ionilor de hidrogen (protoni) de la anod la catod si determinând stabilirea in circuitul exterior a unui curent electric circulând de la anod la catod.

Alimentarea pilelor de combustibil de tip PEM se face cu hidrogen la anod si oxigen sau un amestec conținând oxigen (de exemplu aer) la catod.

Conductivitatea protonica a membranei este favorizata de prezenta moleculelor de apa, o membrana insuficient hidratata conducând la reducerea semnificativa a puterii generate de pila de combustibil. Deasemenea, funcționarea cu membrana uscata reduce durata de viata a acesteia. Din aceasta cauza este important ca in interiorul fiecărei pile de combustibil sa fie menținută o cantitate suficienta de umiditate, condiție satisfăcuta prin utilizarea de gaze de alimentare umidificate.

Pe partea catodica a celulei de combustibil se produce apa in urma reacției dintre ionii de hidrogen (protoni) furnizați la anod, care au trecut prin electrolitul solid (membrana), si oxigenul din aerul furnizat la catod. Acumularea acesteia este posibila in anumite condiții si are drept urmare inundarea electrodului, cu reducerea consecutiva a disponibilului de oxidant, deci si a puterii furnizate.

din 20

CV? 0 1 2 - 0 0 6 8 5 ’

6 -D9- 2012

Reacția electrochimica catalizata intre fluxul de combustibil (hidrogen) furnizat la anod si cel de oxidant (oxigen sau aer) furnizat la catod este caracterizata de o valoare definita si limitata a diferenței de potențial maxime intre cei doi electrozi si produce atat energie electrica cat si căldură.

Pentru creșterea tensiunii furnizate se utilizează conectarea in serie a mai multor pile de combustibil intr-un ansamblu de pile de combustibil ( numit in continuare APC). Aceasta conectare se realizează fizic prin alaturarea sub forma de sandwich a pilelor, ceea ce poate conduce la supraîncălzirea acestora pe seama căldurii de reacție, mergând pana la distrugerea ansamblului membrana- electrod.

Modul de operare al unui ansamblu de pile de combustibil de tip PEM trebuie sa răspundă cerințelor legate de:

alimentarea in vederea asigurării stoichiometriei reacției si a preîntâmpinării deficitului de reactanti;

asigurarea nivelului optim de umidificare a reactantilor;

managementul termic, care trebuie sa mențină ansamblul de pile de combustibil la temperatura optima de funcționare.

Din punct de vedere al alimentarii cu hidrogen la anod, APC de tip PEM poate fi operat in trei moduri;

Cu ieșirea anodica deschisa, caz in care alimentarea este continua si controlata prin debit. Fluxul de hidrogen parcurge continuu circuitul anodic al ansamblului, debitul fiind determinat de valoarea curentului generat si trebuind sa fie dimensionat astfel incat sa depaseasca in orice moment stoichiometria. Daca debitul de hidrogen este insuficient (substoichiometric), APC va absorbi aer pe la ieșirea anodica, ceea ce poate produce oxidarea si deteriorarea ireversibila a catalizatorului. In anumite situații, in care in circuitul anodic se produce o acumulare de apa pe seama difuziei retrograde a apei generate la catod, devine necesara marirea semnificativa a debitului de hidrogen, pentru evacuarea acestuia.

Cu ieșirea anodica închisa, caz in care alimentarea este intermitenta si controlata prin

din 20 <2 Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 5 - 2 6 -09- 2012

închisa prin intermediul unei valve, care este comandata sa se deschidă periodic, in vederea purjarii anodului. Frecventa si factorul de umplere al semnalului de comanda sunt determinate de valoarea curentului generat.

Cu recirculare anodica, ceea ce presupune întoarcerea la intrare a excesului de reactant (hidrogen) neutilizat de la ieșirea anodica. Acest mod de operare nu se utilizează decât in cazul in care alimentarea se face cu gaz pur.

Modurile de operare menționate pentru alimentarea cu gaz la anod se pot utiliza si la catod, cu mențiunea suplimentara ca alimentarea cu ieșirea catodica închisa se utilizează numai daca pila lucrează cu oxigen pur drept agent oxidant.

Exista in literatura diferite scheme de monitorizare, comanda si control al ansamblurilor de pile de combustibil de tip PEM [Claire H.Woo, J.B. BenzigerH, PEM fuel cell current regulation by fuel feed control- in Chemical Engineering Science 62 (2007) 957 - 968], [US 2005/0136296 Al

Controlling a Fuel cell system] care au aplicabilitate limitata in aplicații de serie, in care se pune problema optimizării consumului de hidrogen.

O problema tehnica pe care o poate rezolva invenția se refera la imbunatatirea acurateței cu care statia energetica urmărește variațiile de putere cerute de sarcina, in condițiile unui consum minim de hidrogen, prin utilizarea a doua tehnici de alimentare cu hidrogen a ansamblului de pile de combustibil, in funcție de regimul de funcționare al sarcinii: alimentare discontinua in cazul funcționarii sarcinii in regim static si alimentare continua in cazul funcționarii sarcinii in regim dinamic. Se menționează faptul ca sarcina funcționează in regim static in cea mai mare parte a timpului, variații bruște ale puterii absorbite producandu-se pe durate scurte de timp, cel mai frecvent la pornire - oprire, precum si la intrarea - ieșirea de consumatori in / din sistem. Alimentarea discontinua este comandata de un semnal periodic de forma dreptunghiulara cu durata impulsului reglabila - semnal modulat pwm (puise width modulation), al cărui factor de umplere determina valoarea debitului de hidrogen la intrarea in pila. Modalitatea de comanda cu semnal pwm permite reglarea fina al debitului, ceea ce oferă posibilitatea de opera alimentarea APC cu stoichiometrie redusa, conducând la utilizarea celei mai mici cantitati de hidrogen pentru obținerea unei anumite puteri la ieșire.

din 20

V 2 Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 5 - 2 · -09- 2912

Aceasta metoda de reglare nu se comporta bine la semnale de intrare cu viteza de variație mare, asa cum este cazul la funcționarea sarcinii in regim dinamic. Pentru a depăși acest obstacol, in cazul funcționarii sarcinii in regim dinamic s-a adoptat metoda alimentarii continue, prin care variațiile de putere pe sarcina sunt satisfăcute prin operarea APC cu stoichiometrie mare, ceea ce conduce insa la consumuri mărite de hidrogen. Chiar daca aceasta metoda de reglare a puterii furnizate de APC funcționează si in cazul sarcinii operand in regim static, utilizarea ca metoda unica de reglare ar creste nejustificat consumul de hidrogen, ceea ce reprezintă un obstacol destul de mare in aplicații de serie.

A doua problema tehnica pe care o poate rezolva invenția este aceea a creșterii acurateței de reglare a debitului la funcționarea in regim static prin utilizarea unui regulator fuzzy.

Statia energetica de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM conform invenției cuprinde un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM (APC), subansamblurile de gestionare a parametrilor de operare ( debite, presiuni, temperaturi, umidități) ai acestuia, subansamblurile care realizează adaptarea intre puterea generata de APC si cea ceruta de sarcina si subansamblul de monitorizare, comanda si control condus cu un calculator PC.

APC (100) este realizat dintr-o succesiune de 40 pile de combustibil de tip PEM avand suprafața activa a membranei de 250 cm2, conectate in serie, intercalate cu placi de răcire, cuprinse intre doua placi colectoare - anod si catod, si doua placi de capat. Puterea maxima a APC este de 5kW, iar tensiune generata in domeniul de 20-38 V la un curent maxim de 250 A. Presiunea de lucru la partea anodica si catodica nu trebuie sa depaseasca 2 bar, iar diferența de presiune anod- catod nu trebuie sa fie mai mare de 0.3 bari. Temperatura de funcționare este intre 65 si 90°C. Alimentarea se face cu hidrogen de puritate 99,999% la anod si cu aer la catod.

Temperatura de operare a APC se realizează prin intermediul unui sistem de gestionare a temperaturii de funcționare a APC, care include un schimbător de căldură in al cărui circuit primar se conectează după necesitați un încălzitor electric sau o bucla de răcire cu apa.

Umidificarea gazelor reactante se realizează cu ajutorul a doua umidificatoare, unul cu 780 de tuburi de Nafion, avand debitul maxim in sistem apa-gaz de 450 LPM la o presiune maxima de 2

^-2012-00685-2 6 -09- 2012

In funcție de regimul de funcționare al statiei energetice, sistemul de baterii (3) este incarcat in curent constant pe durata regimului static, in funcție de starea de incarcare SoC (State of Charge). Incarcarea bateriilor se face cu un convertor DC-DC (4) care primește la intrare tensiune produsa de APC (100), pe care o convertește la ieșire intro tensiune pe magistrala DC in domeniul de 48 - 56 VDC. Tensiunea de ieșire a convertorului DC-DC (4) este convertita in tensiune de curent alternativ 220 V, 59 Hz prin intermediul convertorului DC-AC.

In figura 1 se prezintă schema bloc a statiei energetice de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM.

Generatorul de energie este un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM (100) de mica putere (5 kW), alimentat cu hidrogen (20) si aer (40).

Monitorizarea, comanda, reglarea si controlul parametrilor funcționali ai sistemului energetic se realizează prin intermediul unui controler programabil de automatizare (200), numit in cele ce urmeaza CPA, condus cu calculatorul (300).

Aducerea temperaturii ansamblului de pile de combustibil de tip PEM la valoarea optima de funcționare, cuprinsa in general intre 65°C si 80°C, precum si menținerea temperaturii de funcționare a APC de tip PEM sub valoarea limita superioara de 90°C, se realizează prin utilizarea de placi de răcire intercalate după fiecare a doua pila de combustibil, prin canalizatia carora circula agentul termic sub forma de apa deionizata. Reglarea temperaturii ansamblului de pile utilizează drept sursa rece apa deionizata, iar drept sursa calda un încălzitor electric. Debitul agentului termic este comandat de către un sistem de gestionare a temperaturii si presiunii (SGTP_APC) (10) de funcționare a APC de tip PEM in funcție de temperatura masurata de senzorul de temperatura T7 la ieșirea catodica a APC. La încălzire, agentul termic are debit constant, iar reglarea temperaturii sale se face prin intermediul puterii disipate pe încălzitorul electric. La răcire, agentul termic are temperatura constanta, reglarea temperaturii ansamblului de pile realizandu-se prin modificarea debitului de agent termic efectuata prin varierea turației pompei de agent de termic (3).

Ansamblul de pile de combustibil de tip PEM funcționează cu ieșirea anodica închisa, utilizând pentru controlul debitului de alimentare electrovalva (30), comandata de un regulator fuzzy

Ο 1 2 - Ο Ο δ 8 5 - 2 6 -09- 2012

Alimentarea anodului APC se realizează cu hidrogen de puritate 99,999%, îmbuteliat intr-un recipient sub presiune (20), prin intermediul unui ventil (23), al unui regulator de presiune (24) si al unui sistem de umidificare a reactantilor, numit in continuare SUR APC, care include un umidificator (21), un condensor (22) care servește condensării vaporilor de apa in exces, o electrovalva (26) si o pompa de recirculare (25). Pe circuitul anodic se masoara temperatura Tl(31) pe umidificatorul (21) si temperatura T2 (32), presiunea Pl(33), debitul Dl(35) si umiditatea RH1(34) a hidrogenului la intrarea in pila, precum si temperatura T3(36) si presiunea P2(37) ale fluidului la ieșirea anodica si nivelul apei LI in condensorul (22).

In momentul in care nivelul Ll(38) al apei in condensorul (22) atinge o anumita valoare prescrisa, Lmax, CPA (200) comanda deschiderea electrovalvei (26) si pornirea pompei (25); când nivelul Ll(38) atinge valoarea Lmin, CPA (200) comanda închiderea electrovalvei (26) si oprirea pompei (25).

Alimentarea catodului ansamblului de pile de combustibil de tip PEM (100) se face cu aer atmosferic, prin intermediul unui blower (40) si al unui sistem de umidificare a reactantilor SUR_APC identic celui de la anod. Ieșirea de la catodul ansamblului de pile de combustibil de tip PEM se face pe un condensor (42) care servește condensării vaporilor de apa in exces si si întoarcerii apei rezultate in umidificator (41). Pe circuitul catodic se masoara la intrare temperatura T4(51) pe umidificatorul (41) si temperatura T5(52), presiunea P3(53), debitul D2(55) si umiditatea RH2(54) ale aerului la intrarea in ansamblul de pile (1), precum si temperatura T6(56) si presiunea P3(53) ale fluidului la ieșirea catodica si nivelul apei L2(58) in condensorul (42).

In momentul in care nivelul L2(58) al apei in condensorul (44) atinge o anumita valoare prescrisa, Lmax, CPA (200) comanda deschiderea electrovalvei (44) si pornirea pompei (43); când nivelul L2(58) atinge valoarea Lmin, CPA (200) comanda închiderea electrovalvei (44) si oprirea pompei (43).

Energia electrica furnizata de APC (100) alimentează sarcina (1) prin intermediul unui convertor DC-DC (4) care face adaptarea cu sarcina si a unui convertor DC-AC (2) care transforma energia electrica de curent continuu in energie electrica de curent alternativ, respectiv incarca un

^2012-00885-2 6 -09- 2012 regimul sarcinii, staționar sau variabil, energia electrica necesara este furnizata de APC (100), respectiv de sistemul de baterii tampon (3) pe durata necesara modificării parametrilor de operare ai ansamblului.

Adaptarea puterii furnizate cu cerințele sarcinii se realizează prin modificarea parametrilor de operare ai APC (100), in funcție de puterea instantanee absorbita si de regimul de funcționare a sarcinii.

Pe circuitul de sarcina se masoara curentul l_FC(6) si tensiunea U_FC(5) la ieșirea APC de tip PEM (100), curentul absorbit de sarcina (1), l_sar(7), precum si curentul lbat(9) si tensiunea de încărcare Ubat(8)ale bateriei (3).

Daca regimul de funcționare al statiei energetice este unul static, in care sarcina se afla in regim permanent (curentul electric absorbit este practic constant), debitul de hidrogen la anod se reglează in mod discontinuu, valoarea sa fiind data de perioada si de factorul de umplere al semnalului de comanda.

Daca regimul de funcționare al statiei energetice este unul dinamic, in care sarcina se afla in regim tranzitoriu (curentul absorbit poate varia in ambele sensuri, cu viteze diferite) si in funcție de valoarea curentului absorbit I_SAr (7), se Stabilește modalitatea de reglare a debitului de hidrogen in regim continuu , astfel incat APC sa furnizeze la ieșire curentul cerut de sarcina (1). Debitul de agent oxidant- aer se reglează astfel incat sa se asigure in permanenta raportul stoichiometric al celor doua debite de alimentare, hidrogen si aer. Pe durata regimurilor tranzitorii ale sarcinii, asigurarea necesarului de putere cerut de consumator se face utilizând bateria (3).

In schema bloc din figura 2 se prezintă controlerul programabil de automatizare (200).

Acesta este un sistem industrial cu microcontroler care se compune dintr-o parte software si o parte hardware specifica si adaptata sa funcționeze in medii industriale. Schema bloc a CPA este prezentata in figura 2. Partea hardware a CPA este compus dintr-un controler Cl_l cu sistem de operare real-time, un modul analogic de măsurare a temperaturii Cl_2, doua module analogice de citire semnale de la senzorii Cl_3 si Cl_4, un modul analogic de comanda elemente de execuție Cl_5, un modul digital de comanda factor de umplere Cl_6, un modul

Ο 1 2 - Ο Ο δ 8 5 - 2 Β -09- 2012 permit interconectarea semnalelor provenite de la senzorii si elementele de comanda si execuție ale statiei energetice .

Controlerul Cl_l reprezintă partea cea mai importanta CPA (CI) si este compus dintr-un procesor cu frecventa de 400 MHz, o memorie RAM de 128 MB, o memore nevolatila de 2GB si un port Ethernet ce permite conectarea CPA (200) la un calculator tip PC (300). Algoritmii de reglare ai buclelor de control sunt implementați in memoria Cl_l, prin utilizarea soluției FPGA, care poate executa simultan pana la 20 de bucle de control de tipul PID si fuzzy, la o rata de 100 kHz.

Modulul de citire temperaturi Cl_2 permite conectarea directa a senzorilor de temperatura de tip termocuplu utilizând compensarea hardware a joncțiunii reci. Cl_2 are caracteristica de filtrare si rejectare a zgomotului pe 50/60Hz. Frecventa de citire a semnalelor este de 100 citiri/secunda cu o precizie de 0,1 °C. Pentru conversia semnalelor se folosește un convertor analogic digital pe 16 biți de tip sigma/delta. Modulul are 8 canale de intrare, semanele fiind următoare: canalull - TI temperatura umidificator hidrogen, canalul 2 -T2 temperatura traseu încălzit intrare anod, canalul 3 - T3 temperatura ieșire la catod, canalul 4 - T4 temperatura umidificator aer, canalul 5 - T5 temperatura traseu încălzit intrare catod, canalul 6 - T6 temperatura ieșire catod, canalul 7 - T7 temperatura APC si canalul 8 - T8 temperatura schimbător de căldură. Senzorii de temperatura sunt termocuple de tipul K.

Modul analogic de citire senzori Cl_3 si Cl_4 include funcții hardware de amplificarea a semnalului, filtrare, izolare electrica si multiplexare. Domeniul analogic de intrare este ±10 V, o amplificare de 500 si un convertor analog-digital de 16 biți care are rezoluția de 153 pV. Modulul Cl_3 are 8 canale de intrare, semnalele fiind următoarele: canalul 1 - PI presiune intrare anod, canalul 2 - P2 presiune ieșire anod, canalul 3 - P3 presiune intrare catod, canalul 4 - P4 presiune ieșire catod, canalul 5 - P5 presiune ieșire apa răcire APC, canalul 6 - RH1 umiditate hidrogen la anod, canalul 7 - RH2 umiditate aer la catod. Senzorii de presiune utilizați sunt senzori cu transmiter ce au domeniu de intrare de 0-2.5 bari, iar semnalul electric de ieșire este de 0-10V. Senzorii de umiditate sunt senzori capacitivi ce masoara umiditate in flux

CV 2 Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 5 - ^{2 5} -09- 2012

Modulul Cl_4 are 8 canale de intrare, semnalele fiind următoarele: canalul 1 - D debitul de hidrogen la ieșire anod, domeniu de măsură 0-20 SLPM semnal 0-5V, canalul 2 - Dl debit hidrogen la intrare anod, domeniu de măsură 0-100 SLPM semnal 0-5V, canalul 3 - D2 debit aer la intrare catod, domeniu de măsură 0-500 SLPM semnal 0-10V, canalul 4 - l_sar curent consumat de sarcina, canalul 5 - l_bat curent incarcare/descarcare baterie, canalul 6 - l_FC curent generat de APC, canalul 7 - U_FC tensiune generata de APC si canalul 8 - Ubat tensiune magistrala DC/baterie. Senzorii ce masoara curentii sunt senzori de tipul Hali si au domeniul de măsură 0-200 A si semnalul de ieșire 0-5 V. Senzorii ce masoara tensiuniile sunt senzori divizori de tensiune ce masoara tensiuni in domeniul 0-100 V, iar semnalul de ieșire este de 0-10 V.

Modulul analogic de comanda actuatori Cl_5 este implementat cu un convertor digital analog pe 16 biți, fiecare ieșire fiind definita de o bucla de reglare prin program si prin natura semnalului furnizat de 0-10V sau de 4-20mA. Modulul analogic de ieșire permite conectarea a Cl_5 la elemente de preactionare pentru a acționa funcții de comanda si de reglare. Modulul Cl_5 are 4 canale de ieșire, semnalele fiind următoarele: canalul 1 - cmdAOl comanda regulator presiune de intrare, semnalul de comanda este de 0-5V iar domeniul regulatorului de presiune este de 0-5 bar, canaul 2 - cmdAO2 comanda regulator debit hidrogen la ieșire, semnalul de comanda este de 0-10 V iar domeniul regulatorului de debit este de 20 SLPM, canalul 3 - cmdAO3 comanda tensiune magistrala DC/baterie, semnalul de comnada este de 010 V, iar ieșirea convertorului DC-DC este de 48-56 VDC, canalul 4 - cmdAO4 comanda debit de apa răcire APC, semnalul de comanda este de 0-5 V, iar ieșirea debitul pompei de apa este de 020 LPM.

Modulul digital de comanda factor de umplere Cl_6 este implementat cu posibilitatea de modificarea in mai multe trepte a frecventei: 500Hz, 5 KHz si 15MHz , cu factor de umplere variabil de 0-100 % a semnalului de comanda digital.

Modulul Cl_6 este utilizat pentru comanda releelor de putere de pe circuitele de încălzire ale statiei energetice si ale blowerului de pe intrarea catodica a APC. Modulul Cl_6 are 4 canale de ieșire, semnalele fiind următoarele: canalul 1 - cmdPWMl comanda încălzire umidificator

din 20 ^-2012-00685-2 6 -09- 2οΐ2

frecventa semnal 500Hz, canalul 3 - cmd PWM3 comanda încălzire apa APC, frecventa semnal 5 KHz si canalul 4 - cmdPWM4 comanda debit aer intrare la catod, frecventa semnal de 15KHz.

Modul digital de comanda ON/Off Cl_7 actioneaza asupra elementelor de acționare de tip releu. Cl_7 este compus din 6 canale: canalul 1 - cmdDOl comanda digitala pompa apa la anod, canalul 2 - cmdDO2 comanda digitala electrovalva pompa apa anod, canalul 3 - cmdDO3 comanda digitala pompa apa la catod, canalul 4 - cmdDO4 comanda digitala electrovalva pompa apa catod, canalul 5 - cmdDOS comanda electrovalva răcire APC si canalul 6 - cmdDO6 comanda purjare anod.

Modulul digital de citire semnale On/Off Cl_8 are funcția de a citi semnale de tipul On/Off, in cazul de fata On=24 V, iar Off=0 V. Modulul Cl_8 are doua canale: canalul 1 - LI nivel apa condensor anod si canalul 2 - L2 nivel apa condensor la catod.

In figura 3 se prezintă schema logica a rutinei Rl- programul principal de monitorizare, comanda si control al funcționarii statiei energetice de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM.

Rutina Rl este implementata intrun mediu de programare orientat pe instrumentație virtuala, pagina principala a acesteia fiind prezentata in figura 10. Rl ruleaza pe un calculator (300) conectat la un controler programabil de automatizare CI (200) cu o ciclicitate de 10/sec.

Rutina Rl cuprinde 6 subrutine si 5 blocuri decizionale.

Lansarea rutinei Rl se realizează la comanda operatorului. Primele secvențe urmăresc aducerea APC la temperatura si gradul de umidificare nominale, prin intermediul subrutinei R2, respectiv R3.

Prin intermediul blocului decizional Rl_l se verifica temperatura de funcționare a APC. Temperatura se masoara pe canalul 7 al modulului analogic Cl_2. Trecerea la nivelul următor se realizează numai după ce temperatura a atins valoarea de 80°C.

Prin intermediul blocului decizional Rl_2 se verifica gradul de umidificare al reactantilor.

Pentru hidrogen, umiditatea se masoara pe canalul 6 al modulului analogicCl_3, iar pentru aer, pe canalul 7 al aceluiași modulul . Trecerea la nivelul următor se realizează numai dupa.gr de umidificare a atins valoarea de 80% atat pentru hidrogen cat si pentru aer.

ii \v

din 20 <\·2Ο1 2-0068 5-- ³ * -DU- 20f2

Pe nivelul următor se testează valoarea parametrilor de funcționare nominali: tensiunea si curentul pe APC, diferența de presiune anod- catod, diferența de presiune intrare- ieșire atat pe partea anodica cat si pe cea catodica.

U_FC se masoara pe canalul 7 din modulul analogic Cl_4, iar l_FC pe canalul 6 al aceluiași modul. Presiunea la intrarea anodica se masoara pe canalul 1 al modulului analogic Cl_3, iar cea de la ieșirea anodica , pe canalul 2 al modulului analogic Cl_3, presiunea la intrarea catodica se masoara pe canalul 3 al modulului analogic Cl_3, iar presiunea la ieșirea catodica se masoara pe canalul 4 al modulului analogic Cl_3.

Daca una dintre valorile măsurate se situează in afara intervalului admisibil pentru parametrii nominali ai APC, se apeleaza subrutina de oprire controlata (R7) a statiei energetice. In caz contrar se monitorizează (Rl_4) curentul de sarcina, I_SAr . Daca l_SAR=constant, se apeleaza subrutina R4, de funcționare in regim static, iar in caz contrar, se apeleaza subrutina R5, de funcționare in regim dinamic. Se apeleaza in continuare subrutina R6, de recuperare a apei generate la electrozi.

Decuplarea statiei energetice de mica putere se realizează la comanda operatorului (Rl_5). In acest caz se apeleaza subrutina de oprire controlata R7.

In figura 4 se prezintă schema logica a subrutinei R2 de monitorizare, comanda si control al temperaturii si presiunii de operare a APC. Sistemul de gestionare a temperaturii si presiunii de funcționare a APC (numit in continuare SGTP APC) utilizează ca agent termic (incalzire/racire) apa deionizata cu o conductivitate mai mica de 17 pS la o presiune mai mica de 0.5 bar si asigura o viteza de încălzire de pana la 10°C/min. încălzirea APC este realizata cu un circuit de rezistente electrice, iar racirea APC este realizata cu un schimbător de căldură ce utilizează ca agent termic de răcire apa dintrun circuit exterior. Trebuie tinut cont de faptul ca, întrucât gazele de alimentare intra in APC la temperatura ambianta, debitul acestora va influenta echilibrul termic al APC. Astfel, pentru debite mici de alimentare, ceea ce corespunde funcționarii APC la densități mici de curent, încălzirea APC se face cu viteza mai mare decât in

f-2 O 1 2 - 0 0 5 8 5 -2 ⁵ -OS- 20(2

SGTPAPC este constituit dintrun sistem de incalzire/racire (10), o pompa de recirculare cu debit variabil (11) pentru antrenarea agentului termic, un senzor de presiune (12) care masoara presiunea la ieșire circuitului de răcire a APC, un senzor de temperatura (13) care masoara temperatura la ieșirea catodica a APC, un senzor de temperatura (14) care masoara temperatura agentului termic, o electrovalva (15) care controlează debitul agentului termic si din sistemul de conducte de legătură aferent. SGT (prezentat in schema ca un singur bloc) este la rândul sau compus dintrun vas de apa demineralizata, circuitul de rezistente electrice cu releu de control integrat si un schimbător de căldură. SGTP APC are si rolul de a asigura racirea celor doua condensoare (22) si (42) pentru eliminarea apei din gazele reactante de la ieșirea APC. Apa care este colectata din gazele de ieșire ale APC este reintrodusa in cele doua umidificatoare (21) si (41).

Funcția SGTP APC este de a reduce durata de intrare in regim de funcționare normal a APC, in special in situațiile in care sunt prezente fluctuații de putere pe sarcina (1). Rolul SGTP_APC este de stabili cat mai exact domeniul de temperatura si presiune al agentului termic, astfel incat APC sa funcționeze cu o eficienta cat mai ridicata.

Subrutina R2 este apelata din rutina de program principal Rl. La momentul inițial se citesc valorile temperaturii si presiunii agentului de răcire al APC (R2_l). Temperatura T7 este masurata cu un termocuplul (13) de tip K, poziționat la ieșirea catodica a APC, de către modulul de citire temperaturi Cl_2 pe canalul 7 al controlerului programabil de automatizare CI. Presiunea P5 a agentului termic este masurata cu un senzor de presiune cu transmitter (12), poziționat la ieșirea circuitului termic al APC, avand domeniul de măsură intre 0 si 2.5 bari si semnal electric de ieșire intre 0 si 5V, de către modulul de intrări analogice Cl_3 canalul 5 al controlerului programabil de automatizare CI. Reglarea temperaturii si presiunii se face intrun sistem de reglare in cascada, format dintro bucla exterioara in care se realizează reglajul de presiune si doua bucle interioare, din care una este responsabila cu procesul de încălzire si cealalta cu procesul de răcire. Algoritmul de reglare se initiaza prin compararea presiunii P5 (12) cu o valoare prestabilita, P=0,5 bar, in blocul de decizie R2_2. Reglarea presiunii este un proces care se realizează prin controlul debitului pompei (11). Pompa are debitul in domeniul 0-20

Ο 1 2 - Ο Ο δ 8 5 - 2 6 -09- 2012 al modulului de ieșiri analogice Cl_5 al controlerului programabil de automatizare CI. Regulatorul care executa bucla de reglare este de tipul PD (proporțional- derivativ) si este implementat in CI. Daca rezultatul comparației R2_2 este DA, se comanda acționarea pompei (11) - R2_3 din subrutina R2. Daca rezultatul comparației R2_2 este NU, adica presiunea P5 > 0.5 bari, se ajunge in blocul de decizie R2_4 din interiorul sistemului de reglare in cascada, in care se compara temperatura T7 (13) cu o valoare prescrisa de 65°C. Daca temperatura T7 este mai mica sau egala cu 65 °C se executa bucla de reglare R2_5, necesara pentru încălzirea a APC. Algoritmul de reglarea a temperaturii este implementat intrun regulator de tip PID proportionalintegral- derivativ) care compara temperatura T7 cu valoarea prestabilita si calculează parametrii PID optimi ce actioneaza asupra elementului de încălzire prin intermediul unui releu incorporat comandat in semnal pwm (puise - width modulation) cu factor de umplere reglat din modulul Cl_6, canalul 3 din CI. In bucla R2_5 elementul de execuție pentru racirea APC este intodeauna decuplat. Daca rezultatul comparației R2_4 este NU, adica temperatura T7 este mai mare de 80 °C, se executa bucla de reglare R2_6 pentru racirea APC. Algoritmul de reglare este implementat intrun regulator de tipul ON-OFF. In aceasta bucla sistemul de încălzire cu rezistente este decuplat. Racirea se face cu apa dintrun circuit exterior ce traversează un schimbător de căldură cu o putere de 4 kW, care are rolul de a raci agentul termic din vasul cu apa demineralizata. Controlul debitului de apa din circuitul exterior este realizat cu ajutorul unui electroventil de tip solenoid (15), care este comandat de un semnal digital de ieșire din canalul 5, modulul Cl_7, al CI.

Energia termica extrasa din circuitul de răcire al APC (apa calda la temperatura de cca. 60°C) se poate recupera si utiliza intr-un circuit exterior, transformând astfel statia energetica de mica putere intr-un sistem de cogenerare de energie electrica si termica.

Sistemul SGTP APC permite menținerea condițiilor de temperatura si presiune optime ale circuitului termic al APC printro dimensionare corecta a pompei de recirculare si a schimbătorului de căldură, monitorizate si controlate de un sistem de reglare in cascada.

In figura 5 se prezintă schema logica a subrutinei R3 de de alimentare a ansamblului de pile de combustibil.

din 20

Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 5 - 2 6 -09- 2012

Sistemul de gestionare optimizata a umidificarii reactantilor din ansamblul de pile de combustibil este numit in continuare SURAPC. Rolul SURAPC este de a permite controlul optim al umidității gazelor reactante la intrările anodica si catodica ale APC, printrun sistem special de umidificare. Se cunoaște faptul ca nivelul de umidificare al membranelor APC influențează conductivitatea protonica, un nivel ridicat de umidificare favorizând transportul protonilor de la anod la catod, deci creșterea puterii generate. Nivelul de umidificare al membranelor APC rezulta in urma determinării soluției de compromis intre valorile mari ale umidității, care determina creșterea pierderilor rezistive prin membrana si valorile reduse, care reduc conductivitatea protonica a membranei. Metoda de umidificare utilizata este cea prin care se realizează umidificarea reactantilor, umiditatea transportata de aceștia realizând umidificarea membranelor.

Umidificatoarele utilizate in SUR_APC sunt sub forma unui schimbător de căldură tubular, cu un ansamblu de tuburi cuprinse intro manta, realizate din membrana Nafion. Hidrogenul, respectiv aerul, circula prin interiorul tuburilor, iar apa deionizata încălzită, prin interiorul mantalei si exteriorul tuburilor. Transportul apei prin pereții tuburilor este determinat de diferența de presiune parțiala a acesteia. Unul din avantajele principale ale acestui tip de umidificator este ca transferul de apa nu poate dapasi saturația, valoarea umidității fiind data de temperatura apei deionizate. De asemenea, umidificatorul actioneaza ca un filtru pentru eventualele impurități din apa, pe care nu le lașa sa treaca in gaz.

Sistemele de umidificare a reactantilor pe partea anodica (hidrogen) si pe partea catodica (aer) a APC sunt identice. Se prezintă SUR_APC pentru alimentarea cu hidrogen pe partea anodica a APC, care este constituit dintr-un umidificator (21), o pompa de recirculare (25), un electroventil (26), sistemul de încălzire (10), un senzor de temperatura TI (31), un senzor de presiune PI (33), un senzor de debit Dl (35), un senzor de umiditate RH1 (34), un senzor de temperatura T2 (32) poziționat la intrare anodica si sistemul de conducte de legătură aferent. Conexiunea intre umidificator si anod (39) este încălzită si izolata termic pentru evitarea condensării vaporilor in conducta.

Rolul SUR_APC este de a optimiza gradul de umidificare al membranei. Umiditatea hidrogenului

cV 2 Ο 1 2 - Ο Ο δ 8 5 - 2 6 -09- 2012 modifica temperatura sunt creșterile bruște ale fluxului de hidrogen necesare pentru a susține creșterile de putere solicitate de consumator. Subrutina responsabila pentru menținerea gradului optim de umectare, R3, este apelata din rutina programului principal Rl. In continuare se prezintă modul de apelare al subrutinei R3 pentru partea anodica (la partea catodica fiind identica). La momentul inițial, R3 (R3_l) citește valoarea temperaturii TI (31) a umidificatorului de hidrogen (21) si umiditatea hidrogenului la intrarea anodica a APC, RH1 (34). Temperatura TI este masurata cu un termocuplu tip K, al cărui semnal este monitorizat pe canalul 1 din modulul analogic de temperaturi Cl_2 al controlerului CI. Umiditatea hidrogenului este masurata in flux continuu in domeniul 0-100%, de către senzorul RH1 (34) montat la intrarea anodica, iar semnalul electric de ieșire de 0-1 V este citit pe canalul 6 din modulul Cl_3. Pentru controlul optim al umidității se folosește un sistem de reglare in cascada constituit dintro bucla exterioara care controlează temperatura umidificatorului si o bucla interioara responsabila cu calculul optim al umidității. Algoritmul de reglare se initiaza prin compararea temperaturii TI cu valoarea prestabilita, T=80°C, in blocul de decizie R3_2. Daca valoarea temperaturii TI < 80 °C, se comanda încălzirea apei deionizate (R3_3) utilizând un regulator de temperatura la care acordarea parametrilor PID a fost calculata cu un timp de răspuns foarte mic, chiar daca se risca eventual depășirea valorii presetate a temperaturii. In momentul in care TI > 80 °C, subrutina R3 va testa (R3_4) valoarea umidității măsurate cu senzorul de umiditate RH1 (34). Daca aceasta este mai mica sau egala cu 80%, încălzirea umidificatorului va continua (R3_5) cu parametrii PID modificați, pentru a obține o stabilitatea mai buna a temperaturii. Daca umiditatea va depăși valoarea de 80%, sistemul de încălzire este decuplat (R3_6). Algoritmul de reglare a temperaturii este implementat intrun regulator de tip PID care permite modificarea parametrilor de acordare in funcție de condițiile din subrutina R3 si actioneaza asupra elementului de încălzire prin intermediul unui releu incorporat comandat in semnal pwm cu factor de umplere comandat de canalul 1 al modulului Cl_6.

Sistemul SUR_APC permite obținerea unui control optim al umidității gazelor cat mai rapid prin utilizarea unui regulator de tip cascada realizează modificarea parametrilor PID in funcție de

^-2012-00385-2 6 -09- 2012

In figura 6 se prezintă schema logica a subrutinei R4 de comanda si control al funcționarii in regim static a statiei energetice de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM. Subrutina 4 se utilizează pentru comanda statiei energetice de mica putere atunci când curentul absorbit de sarcina este constant in timp, situație care definește regimul static de funcționare. In aceasta situație, funcționarea electrovalvei (30) este setata pe modul discontinuu, controlul valorii debitului de hidrogen necesar pentru generarea la ieșirea APC a valorii curentului cerut de sarcina realizandu-se prin modificarea frecventei si a factorului de umplere ale semnalului de comanda a alimentarii, realizate prin intermediul unui regulator fuzzy implementat in controlerul programabil de automatizare Cl(200).

La momentul inițial se citesc (R4_l) valorile următorilor parametri: temperatura T7 (13) la ieșirea catodica a APC, curentul l_FC ( 6 ) furnizat de APC, tensiunea U_FC (5) pe APC, presiunea PI (33) la intrarea anodica, presiunea P2 (37) la ieșirea anodica, debitul de hidrogen Dl (35) la intrarea anodica, tensiunea pe baterie U_Bat (8) si curentul pe baterie I_BAt (9).

Pe baza valorilor achiziționate, programul de calcul calculează (R4_2) debitul de hidrogen D, necesar pentru generarea puterii cerute de sarcina, ținând cont de stoichiometria prescrisa.

Debitele de hidrogen si aer consumate de APC se calculează din legea lui Faraday, considerând ca gazele reactante se supun legii gazelor ideale. In funcție de regimul de funcționare, static sau dinamic, se utilizează pentru stoichiometrie valoarea de 1,1 respectiv 1,5 la anod si 2,0 la catod.

n > _ ^-hidrogen * l*ⁿcell * ^R*^T *1000*60

Debit_{Hidogen ca}icuiat _{p P} [SLPM] ^anod*^zhidrogen _ Ă_aer * I*n_ceU * R*T *1000*60 1 _rrinhil

Debit_{Aer calculat} - ------_p„__t7____tP-----* [SLPM] ^Rcatod*^zaer*^R

Unde: n_cell = 40, z_hidrogen= 2 , z_aer= 4 , F = 96485 As/mol, R = 8.3145 V_m0/ κ

I - curentul generat de APC in [ A ];

T - temperatura de funcționare a APC in [ K ];

P - presiunea la anod in [ Pa ].

din 20

ΛΣ2 Ο 1 2 - ο Ο δ 8 5 - ^{2 5} -09- 2012

Secvența de comanda a electrovalvei (30), care va deschide periodic ieșirea circuitului anodic al APC este comandata si controlata de către un regulator fuzzy implementat in CI.

Regulatorul fuzzy este proiectat in cinci pași. In pasul unu se definesc variabilele de intrare/iesire ale regulatorului, prima variabila de intrare fiind diferența, notata AD, dintre debitele hidrogenului la intrare Dl (35) si debitul hidrogenului D calculat (R4_2) înainte, calculata conform relației AD = Dl - D; a doua variabila de intrare este diferența de presiune dintre presiunea citita la intrarea anodica PI (33) si presiunea citita la ieșirea anodica P2 (37), notata AP si calculata conform relației AP = PI - P2; a treia variabila de intrare este valoarea curentului generat de APC, l_Fc (6), iar a patra variabila de intrare este tensiunea pe APC, U_FC (5). Prima variabila de ieșire este durata dintre doua purjari, notat t_{2 pur}je , iar a doua variabila de ieșire este durata purjarii t_purj_e. In pasul doi se stabilesc variabilele lingvistice asociate celor patru intrări ale regulatorului fuzzy ca fiind cinci termeni lingvistici cu funcții de apartenența de forma triunghiulara, iar pentru cele doua variabile de ieșire ale regulatorului fuzzy avem șapte termeni lingvistici cu funcții de apartenența de forma trapezoidala. In pasul trei se realizarea implementarea bazei de reguli care este formata din 185 de reguli. Baza de reguli a fost stabilita in urma mai multor experimente, astfel incat acesta sa acopere întreg spectrul dorit. In pasul patru se utilizează metoda MAX-MIN a lui Mamdani pentru evaluarea inferențelor, iar defuzzificarea comenziilor vagi are loc pe baza centrului de greutate.

Rolul regulatorului fuzzy este de-a stabili cat mai corect durata intre doua purjari ale electroventilului (30) si perioada de deschiderea a acestuia, acestea depinzând de puterea generata de APC. De ex: la puteri mici (100W) durata dintre doua purjari este de 300 sec, iar perioada de purjare 0.5sec, merganda pana la puteri mari (5kW) durata dintre doua purjari este de 20 sec, iar perioada de purjare 2 sec.

In pasul următor se verifica starea bateriei, SoC.

Starea de încărcare (SoC) este exprimata in procente si definește cantitatea de energie disponibila in baterie. Pentru determinarea SoC au fost folosite metode tabelare de indicare a stării de încărcare care se bazeaza pe masurarea si integrarea curentului, in funcție de rata de autodescarcare, temperatura, tabular.

eficienta încărcării si descărcării. Valoarile SoC sunt ocate

O 1 2 - O O o 8 5 - 2 6 -09- 2012

In blocul decisional (R4_4) se verifica daca SoC este mai mic decât 60%. In caz afirmativ, inseamna ca bateria este defecta si CPA (200) executa rutina de oprire (R7), iar in caz negativ, se verifica in blocul decizional R(4_6) daca valoarea stării de încărcare este mai mica decât 80%. In caz afirmativ, bateria se incarca (R4_7) cu un curent de 20-lnominal, iar in caz negativ, bateria se incarca (R4_8) cu un curent de 10-lnominal. In cazul in care SoC = 100%, CPA decuplează de statia energetica sistemul de baterii (care este incarcat).

In figura 7 se prezintă schema logica de funcționare in regim dinamic a statiei energetice de mica putere

Subrutina 5 se utilizează pentru comanda statiei energetice de mica putere atunci când curentul absorbit de sarcina variaza in timp, situație care definește regimul dinamic de funcționare.

Regimul dinamic de funcționare are loc pe durata regimului tranzitoriu care apare la modificarea intr-un sens sau altul a puterii absorbite de sarcina (1) si se caracterizează prin durata relativ redusa. Răspunsul sistemului in acest caz se produce prin reglarea continua a debitului de hidrogen de alimentare a APC, cu o stoichiometrie mărită de 1,5 care sa favorizeze adaptarea rapida la variațiile sarcinii. Pe durata persistentei regimului dinamic de funcționare, avand in vedere inerția inerenta a răspunsului APC la modificarea sarcinii, care este de 3 pana la 5 sec, energia necesara este funizata consumatorului (1) de bateria (3), care actioneaza ca tampon.

La momentul inițial se citesc (R5_l) valorile următorilor parametri: temperatura T7 (13), curentul l_FC( θ ) furnizat de APC, tensiunea U_FC (5) pe APC, presiunea PI (33) la intrarea anodica, presiunea P3 (53) la intrarea catodica, debitul de hidrogen Dl (35) la intrarea anodica, debitul de hidrogen D3 (30) la ieșirea anodica, debitul de aer D2 (55) la intrarea catodica, tensiunea pe baterie U_Bat (8) si curentul pe baterie I_Bat (9)/ curentul de sarcina I_SAr (7).

Se verifica starea de incarcare a bateriei (R5_2), SoC (State of Charge).

Daca SoC > 80% se cuplează bateria in circuitul de sarcina (R5_3), iar in caz contrar se comuta funcționarea sistemului in regim static (R5_4).

Se calculează valoarea curentului necesar a fi furnizat de către APC (R5_5), ca diferența

din 20 curentul de sarcina si curentul furnizat de baterie.

c\“ 2 Ο 1 2 - Ο Ο ο 8 5 - ² 6 -09- 2012

Se calculează (R5-6) valorile debitelor de hidrogen si aer necesare pentru generarea curentului absorbit de sarcina (1).

Se comuta (R5_7) regimul de funcționare al electrovalvei (30) pe funcționare continua. Se determina valoarea debitului de hidrogen utilizat pentru generarea curentului absorbit de sarcina, ca diferența intre valorile măsurate ale debitelor de hidrogen de la intrarea Dl (35) si de la ieșirea D3 (30) APC.

Se compara (R5_9) valoarea curentului generat de APC, l_FC, cu valoarea calculata in pasul (R5_5). Daca valoarea curentului generat de APC, l_FC, este mai mica decât valoarea calculata, ceea ce inseamna ca APC singur nu este momentan capabil sa furnizeze puterea ceruta, se comuta regimul de funcționare in regim static.

In figura 8 se prezintă schema logica a subrutinei 6 de recuperare a apei generate in APC.

Asa cum s-a aratat, pe partea catodica a celulei de combustibil se produce apa in urma reacției dintre ionii de hidrogen (protoni) formați la anod, care trec prin electrolitul solid (membrana), si oxigenul din aerul furnizat la catod. Se produce astfel pe membrana pilei de combustibil o diferența a presiunii parțiale a vaporilor de apa care favorizează fenomenul asa-numit de difuzie retrograda a apei de la catod, unde s-a format, prin membrana, la anod . Apa formata la catod, la fel ca si cea migrata prin membrana la anod, este o apa ultrapura, ale cărei proprietăți o fac potrivita pentru utilizarea in dispozitivele de umidificare a reactantilor. Recuperarea si utilizarea acesteia in umidificatoare diminuează aportul exterior de apa deionizata.

Sistemele de recuperare a apei generate la catodul si anodul APC, SRA_APC, sunt identice. Sistemul de recuperare a apei de la catod cuprinde: un condensor (42) răcit prin intermediul SGTP APC, care are rolul de a condensa vaporii de apa generați la catodul APC ; electroventilul (44); pompa de recirculare (43); sesizor de nivel minim-maxim L2(58) pe condensor (42);

conductele de legătură aferente.

Sistemul SRA APC are rolul de a condensa, colecta si întoarce in circuitul umidificatorului (41) apa generata la catodul, respectiv anodul APC.

Rutina R6 se inițializează prin citirea (R6_l) stării sesizoarelor de nivel LI (38), respectiv L2JȘȘ)

in condensorul de la anod si in cel de la catod.

ftr 2 Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 5 - 2 6 -09- 2012

Se prezintă ramura decizionala aferenta catodului, ramura anodica fiind identica. Daca nivelul de condens este maxim (R6_6), se comanda deschiderea (R6_7) electroventilului (44), si pornirea pompei de recirculare (43) , apa din condensorul (42) fiind introdusa in umidificatorul (41). La sesizarea nivelului minim (R6_8) in condensorul (42), se comanda închiderea (R6_9) electroventilului (44), si oprirea pompei de recirculare (43). Algoritmul de reglare este implementat intrun regulator de tipul ON-OFF in controlerul CI.

Avand in vedere faptul ca apa utilizata pentru umidificarea membranelor APC nu se recuperează, prin intermediul SGTP_APC se reduce aportul exterior de apa deionizata necesara alimentarii umidificatoarelor.

In figura 9 se prezintă schema logica a subrutinei R7 de oprire controlata a statiei energetice. Subrutina (R7) este apelata din rutina principala (Rl) in momentul in care se dorește închiderea controlata a statiei energetice (Rl_5) sau când unul din parametrii statiei energetice este in afara plajei de control. In primul pas (R7_l) al subrutinei (R7) se decuplează APC de la circuitul electric al Convertorului DC-DC (4) prin trecerea in OV a semnalului de comnada de pe canalul 3 al modulului (Cl_5) din (CI). In pasul următor (R7_2) se închide alimentarea cu hidrogen a APC prin închiderea regulatorului de presiune (24) de pe traseul anodic al APC, comanda executata pe canalul 1 al modulului (Cl_5) din (CI). In ultimul pas se oprește alimentarea cu aer a APC, prin oprirea blowerului (40), comanda executata pe canalul 4 al modulului (Cl_6) din (CI)

In figura 10 se prezintă interfața software pentru monitorizarea, comanda si controlul funcționarii statiei energetice de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM

Claims (14)

1. REVENDICĂRI

   1. Statie energetica de mica putere, bazata pe un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM, potrivit schemei din figura 1, care cuprinde:

   Un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM de mica putere, caracterizat prin aceea ca este realizat dintr-o succesiune de pile de combustibil de tip PEM conectate in serie, intercalate cu placi de răcire, cuprinse intre dcua placi colectoare - anod si catod, si doua placi de capat, realizat pentru a produce energie electrica utilizând hidrogen si aer;

   Sistem de gestionare a temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil de tip PEM;

   Sistem de gestionare optimizata a umidificarii reactantilor;

   Sistem de gestionare a alimentarii cu hidrogen si aer in corelație cu sarcina;

   Sistem de monitorizare, comanda si control al funcționarii statiei energetice.
2. 2. Sistemul de gestionare a temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil de tip PEM menționat in revendicarea 1, caracterizat prin aceea ca asigura menținerea temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil de tip PEM la o valoare inferioara temperaturii limita de 90°C, prin utilizarea de placi de răcire intercalate după fiecare a doua pila de combustibil, cu debit variabil de agent de răcire apa deionizata, avand elementele componente in contact cu apa de răcire realizate din materiale nemetalice, compus din:

   Placi de răcire realizate din gafit de înalta densitate prin canalizatia carora circula apa deionizata, care se intercalează după fiecare a doua pila de combustibil, aceasta dispunere avand capabilitatea de a asigura temperatura de funcționare a ansamblului pentru puteri pana la 5 kW.

   Schimbător de căldură;

   Rezervor de apa deionizata de răcire;

   Pompa de recirculare;

   (λ- 2 O 1 2 - O O δ 8 5 - 2 6 -09- 2012

   Circuitul de măsură a temperaturii si presiunii apei de răcire la intrarea in ansamblul de pile de combustibil, format din senzorii T8 si P5, controlerul CPA si conexiunile electrice aferente.;

   Circuitul de monitorizare a temperaturii ansamblului de pile de combustibil de tip PEM, format din senzorul T7, controlerul CPA si conexiunile electrice aferente.
3. 3. Sistemul de gestionare a temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil de tip PEM din revendicarea 2, caracterizat prin aceea ca reglează temperatura pe ansamblul de pile intr-o bucla de reglare care primește date de intrare de la circuitul de monitorizare a temperaturii ansamblului de pile de combustibil de tip PEM, calculează debitul corespunzător de apa de răcire si comanda modificarea turației pompei de recirculare, utilizând un sistem de reglare in cascada.
4. 4. Sistemul de de gestionare a temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil de tip PEM din revendicarea 2, caracterizat prin aceea ca oferă posibilitatea utilizării conform necesităților a energiei termice reziduale colectate din circuitul secundar al schimbătorului de căldură.
5. 5. Sistemul de gestionare optimizata a umidificarii reactantilor menționat in revendicarea

   1, caracterizat prin aceea ca realizează colectarea apei produse la catod si a celei obținute prin difuzie retrograda la anod- apa deionizata, si o reintroduce in circuitul de umidificare a reactantilor, si prin aceea ca elementele in contact cu apa deionizata sunt realizate din materiale nemetalice, compus din:

   - Vas colector;

   Pompa;

   Sistemul aferent de conducte si robineti.

   Circuitul de monitorizare a nivelului in condensor, format din format din senzorii LI la anod si L2 la catod, controlerul CPA si conexiunile electrice aferente.
6. 6. Sistemul de gestionare optimizata a umidificarii reactantilor menționat in revendicarea

   1, caracterizat prin aceea ca utilizează un regulator de tip cascada ce permite modificarea parametrilor PID in funcție de temperatura umidificatorului si de gradul de ^2012-00685-2 6 -09- 20J2
7. 7. Sistemul de gestionare a alimentarii cu hidrogen si aer in corelație cu sarcina menționat in revendicarea 1, caracterizat prin aceea ca utilizează un algoritm de reglare a alimentarii cu hidrogen si aer a ansamblului de pile de combustibil de tip PEM astfel incat acesta sa furnizeze la ieșire puterea ceruta de sarcina, compus din:

   Circuitul de alimentare cu hidrogen (la anod);

   Circuitul de alimentare cu aer (la catod);

   Convertorul DC-DC pentru realizarea încărcării bateriei;

   Baterie tampon;

   Convertor DC-AC;

   Circuitul de monitorizare a stării de încărcare a bateriei, format din senzorii l_BAȚ si Ubat, controlerul CPA si conexiunile electrice aferente.

   Circuitul de monitorizare a sarcinii, format din senzorul I_SAr si controlerul CPA si conexiunile electrice aferente.
8. 8. Circuitul de alimentare cu hidrogen in corelație cu sarcina din revendicarea 6, caracterizat prin aceea ca permite doua moduri de funcționare: continuu in regim static de funcționare a sarcinii, elementul de execuție fiind un element de strangulare, sau discontinuu, in regimul dinamic de funcționare a sarcinii, elementul de execuție fiind in acest caz un electroventil.
9. 9. Circuitul de alimentare cu aer din revendicarea 6, caracterizat prin aceea ca utilizează un compresor sau un blower, prin modificarea turației carora se reglează debitul de alimentare cu aer astfel incat sa se asigure stoichiometria reacției electrochimice.
10. 10. Sistemul de monitorizare, comanda si control al funcționarii statiei energetice conform revendicării 1, compus din controlerul de automatizare CPA, calculator personal, senzorii de măsură pentru parametrii operare ai statiei energetice de mica putere si conexiunile electrice aferente, avand structura din figura 2.
11. 11. Rutina principala R1 de gestionare a funcționarii statiei energetice de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM, care include 6 subrutine si 5 blocuri decizionale, implementata intrun mediu de programare orientat pe instrumentație virtuala.

    (V 2 Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 5 - 2 6 -09- 2012
12. 12. Rutina principala R1 de gestionare a funcționarii statiei energetice de mica putere realizata cu pile de combustibil de tip PEM, care realizează adaptarea puterii furnizate de APC la necesarul de putere al consumatorului prin deglarea debitelor gazelor reactante in funcție de regimul de funcționare a sarcinii.
13. 13. Algoritmul de reglare a debitului de alimentare cu hidrogen, respectiv aer, din revendicarea 12, caracterizat prin aceea ca, pornind de la informația furnizata de circuitul de monitorizare a stării de încărcare a bateriei, calculează debitele de alimentare si comanda elementele de execuție din circuitele de alimentare cu hidrogen, respectiv aer.
14. 14. Regulatorul fuzzy care implementează algoritmul de reglare a debitului de hidrogen din revendicarea 12, construit din patru variabile de intrare (debit, presiune, curent si tensiune), o baza cu 185 de reguli si doua variabile de ieșire (durata intre doua purjari de hidrogen si perioada de purjare a hidrogenului)