RO129407B1 - Staţie energetică de mică putere şi procedeu de optimizare şi alimentare a consumului de hidrogen şi aer - Google Patents

Description

Invenția se referă la o stație energetică de mică putere și la un procedeu de optimizare și alimentare a consumului de hidrogen și aer pentru stația energetică de mică putere.

Stația este realizată cu pile de combustibil de tip PEM (PEM - Proton Exchange Membrane, membrană schimbătoare de protoni) și generează o putere electrică de până la maxim 5 kW.

Procedeul este utilizat pentru adaptarea puterii generate de stație la necesitățile consumatorului, în condiții de optimizare a consumurilor.

Pilele de combustibil sunt dispozitive electrochimice capabile să convertească în mod direct energia chimică eliberată în urma reacției dintre un combustibil și un oxidant în energie electrică, și sunt de mai multe tipuri, în funcție de configurație și de combustibilul utilizat.

Răspândirea acestora pe scara din ce în ce mai largă se datorează eficienței ridicate, versatilității și impactului redus (sau chiar nul, în cazul pilelor alimentate cu hidrogen) asupra mediului.

Pilele de combustibil de tip PEM au anodul și catodul realizați din țesătură sau hârtie din fibră de carbon impregnată cu un catalizator metalic din grupa platinei. Electrozii sunt separați de un electrolit solid sub formă de membrană realizată dintr-un polimer sulfonat având conductibilitate protonică, dar nu și electronică, permițând transportul ionilor de hidrogen (protoni) de la anod la catod și determinând stabilirea în 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 și oxigen sau un amestec conținând oxigen (de exemplu aer) la catod.

Conductivitatea protonică a membranei este favorizată de prezența moleculelor de apă, o membrană insuficient hidratată conducând la reducerea semnificativă a puterii generate de pila de combustibil. De asemenea, funcționarea cu membrană uscată reduce durata de viață a acesteia. Din această cauză, este important ca în interiorul fiecărei pile de combustibil să fie menținută o cantitate suficientă de umiditate, condiție satisfăcută prin utilizarea de gaze de alimentare umidificate.

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

Reacția electrochimică catalizată între fluxul de combustibil (hidrogen) furnizat la anod și cel de oxidant (oxigen sau aer) furnizat la catod este caracterizată de o valoare definită și limitată a diferenței de potențial maxime între cei doi electrozi și produce atât energie electrică, cât și căldură.

Pentru creșterea tensiunii furnizate se utilizează conectarea în serie a mai multor pile de combustibil într-un ansamblu de pile de combustibil (numit în continuare APC). Această conectare se realizează fizic prin alăturarea sub formă de sandwich a pilelor, ceea ce poate conduce la supraîncălzirea acestora pe seama căldurii de reacție, mergând până la distrugerea ansamblului membrană-electrod.

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

- alimentarea în vederea asigurării stoichiometriei reacției și a preîntâmpinării deficitului de reactanți;

- asigurarea nivelului optim de umidificare a reactanților;

- managementul termic, care trebuie să mențină ansamblul de pile de combustibil la temperatura optimă de funcționare.

RO 129407 Β1

Din punct de vedere al alimentării cu hidrogen la anod, APC de tip PEM poate fi 1 operat în trei moduri:

- cu ieșirea anodică deschisă, caz în care alimentarea este continuă și controlată prin 3 debit. Fluxul de hidrogen parcurge continuu circuitul anodic al ansamblului, debitul fiind determinat de valoarea curentului generat și trebuind să fie dimensionat astfel încât să 5 depășească în orice moment stoichiometria. Dacă debitul de hidrogen este insuficient (substoichiometric), APC va absorbi aer pe la ieșirea anodică, ceea ce poate produce oxidarea 7 și deteriorarea ireversibilă a catalizatorului. în anumite situații, în care în circuitul anodic se produce o acumulare de apă pe seama difuziei retrograde a apei generate la catod, devine 9 necesară mărirea semnificativă a debitului de hidrogen, pentru evacuarea acesteia;

- cu ieșirea anodică închisă, caz în care alimentarea este intermitentă și controlată 11 prin presiune. La intrare se menține o presiune constantă, ieșirea circuitului anodic fiind închisă prin intermediul unei valve, care este comandată să se deschidă periodic, în vederea 13 purjării anodului. Frecvența și factorul de umplere al semnalului de comandă sunt determinate de valoarea curentului generat; 15

- cu recirculare anodică, ceea ce presupune întoarcerea la intrare a excesului de reactant (hidrogen) neutilizat de la ieșirea anodică. Acest mod de operare nu se utilizează 17 decât în cazul în care alimentarea se face cu gaz pur.

Modurile de operare menționate pentru alimentarea cu gaz la anod se pot utiliza și 19 la catod, cu mențiunea suplimentară că alimentarea cu ieșirea catodică închisă se utilizează numai dacă pila lucrează cu oxigen pur drept agent oxidant. 21

Există în literatură diferite scheme de monitorizare, comandă și control al ansamblurilor de pile de combustibil de tip PEM care să asigure cât mai fidel urmărirea cerințelor 23 sarcinii [Claire H. Woo, J. B. Benziger, PEM fuel cell current regulation by fuel feed control - în Chemical Engineering Science 62 (2007) 957 - 968, și US 2005/0136296 A1, Controlling 25 a Fuel cell system], Acestea prezintă însă aplicabilitate limitată în aplicații de serie, în care problema optimizării consumului de hidrogen are o mare importanță. 27

Sunt prezentate, de asemenea, diverse metode și sisteme concepute pentru realizarea de funcționalități specifice prin utilizarea pilelor de combustibil de tip PEM, cum este 29 cogenerarea de energie electrică și termică (CHP - Combined Heat and Power): RO 126812 A0, “Sistem de cogenerare de 5 kW pe baza de celule cu combustibil și 31 US 2004/0096713 A1, “Method and apparatus for controlling a combined heat and power fuel cell system. Aceste metode și sisteme de producere combinată de energie electrică și 33 termică bazate pe ansambluri de pile de combustibil (APC) de tip PEM sunt abordate din punct de vedere al structurii constructive și al metodelor de operare asociate, în vederea 35 armonizării cantității de energie electrică și termică generată cu cerințele de consum pe sarcină. Aspectele legate de optimizarea, constructivă și/sau a consumului de combustibil, 37 în vederea realizării scopului propus, nu sunt evidențiate.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția se referă la optimizarea funcționării din 39 punct de vedere al consumurilor și reglării a unei stații energetice de mică putere, în funcție de regimul sarcinii: static sau dinamic. 41

Această problemă tehnică se rezolvă cu o stație energetică de mică putere, realizată cu pile de combustibil de tip PEM, compusă din:43

- un ansamblu (100) de pile de combustibil de tip PEM de mică putere;

- un sistem de gestiune a temperaturii de funcționare a ansamblului (100) de pile de 45 combustibil de tip PEM;

- un sistem de gestiune optimizată a umidificării reactanților;47

- un sistem de gestiune optimizată a alimentării cu hidrogen și aer în corelație cu sarcina;49

RO 129407 Β1

- un sistem de monitorizare, comandă și control al funcționării stației energetice de mică putere, și la care, conform invenției, ansamblul de pile de combustibil este realizat dintr-o succesiune de pile de combustibil de tip PEM conectate în serie, intercalate cu plăci de răcire, cuprinse între două plăci colectoare, anod și catod, și două plăci de capăt, pentru a produce energie electrică utilizând hidrogen și aer.

Sistemul de gestiune a temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil asigură menținerea temperaturii de funcționare a ansamblului de pile de combustibil la o valoare inferioară temperaturii limită de 90°C, prin utilizarea de plăci de răcire realizate din grafit de înaltă densitate, prin canalizația cărora circulă apa deionizată.

Plăcile de răcire ale ansamblului de pile de combustibil se intercalează după fiecare a doua pilă de combustibil, dispunere care asigură temperatura de funcționare necesară ansamblului de pile de combustibil pentru puteri de până la 5 kW.

Sistemul de gestiune optimizată a umidificării reactanților realizează reducerea consumului de apă deionizată prin colectarea apei deionizate produse la catod și a celei obținute prin difuzie retrogradă la anod, utilizând condensorii, reintroducând-o în circuitul de umidificare a reactanților.

Sistemul de monitorizare, comandă și control al funcționării sale, realizat pe structura unui controler programabil de automatizare, include un regulator fuzzy pentru comanda modificării debitului de combustibil în funcție de regimul sarcinii, consumatorii stației.

Regulatorul fuzzy utilizează un algoritm de reglare a debitului de hidrogen bazat pe patru variabile de intrare, debit și presiune hidrogen, curent și tensiune pe sarcină, o bază cu 185 de reguli și două variabile de ieșire, și anume: durata de purjare a hidrogenului și intervalul de timp dintre două purjări succesive, pentru a genera un semnal digital modulat în durată a impulsului, semnal PWM, utilizat pentru comanda reglării debitului de hidrogen în funcție de necesarul de putere pe sarcină, consumatorii stației.

Procedeul de optimizare și alimentare a consumului de hidrogen și aer pentru stația energetică de mică putere, revendicată mai sus, conform invenției, are următoarea succesiune de operații:

- se selectează secvența de operare corespunzătoare regimului dinamic sau static de funcționare pentru adaptarea puterii furnizate de ansamblul de pile de combustibil la necesarul de putere al consumatorilor, pe baza monitorizării cererii de energie pe sarcină,

- se realizează alimentarea ansamblului de pile de combustibil cu hidrogen în mod discontinuu pe perioadele când sarcina funcționează în regim static;

- se realizează alimentarea ansamblului de pile de combustibil cu hidrogen în mod continuu pe intervalele de timp în care sarcina funcționează în regim dinamic;

- se comandă alimentarea ansamblului de pile de combustibil în modul discontinuu de alimentare, cu un semnal PWM generat de către regulatorul fuzzy.

Avantajele invenției sunt evidențiate prin faptul că sarcina funcționează în regim static în cea mai mare parte a timpului, variațiile bruște ale puterii absorbite producându-se pe durate scurte de timp, cel mai frecvent la pornire-oprire, precum și la intrarea-ieșirea de consumatori în/din sistem.

Alimentarea discontinuă este comandată de un semnal periodic de formă dreptunghiulară cu durata impulsului reglabilă - semnal modulat PWM (Puise Width Modulation), al cărui factor de umplere determină valoarea debitului de hidrogen la intrarea în pilă. Modalitatea de comandă cu semnal PWM permite reglarea fină a debitului, ceea ce oferă posibilitatea de a opera alimentarea APC cu stoichiometrie redusă, conducând la utilizarea celei mai mici cantități de hidrogen pentru obținerea unei anumite puteri la ieșire.

RO 129407 Β1

Această metodă de reglare nu se comportă bine la semnale de intrare cu viteză de 1 variație mare, așa cum este cazul la funcționarea sarcinii în regim dinamic. Pentru a depăși acest obstacol, în cazul funcționării sarcinii în regim dinamic s-a adoptat metoda alimentării 3 continue, prin care variațiile de putere pe sarcină sunt satisfăcute prin operarea APC cu stoichiometrie mare, ceea ce conduce însă la consumuri mărite de hidrogen. Chiar dacă 5 această metodă de reglare a puterii furnizate de APC funcționează și în cazul sarcinii operând în regim static, utilizarea ca metodă unică de reglare ar crește nejustificat consumul 7 de hidrogen, ceea ce reprezintă un obstacol destul de mare în aplicații de serie.

Desenele explicative de funcționare a stației energetice de mică putere, realizată cu 9 pile de combustibil de tip PEM, sunt următoarele:

- fig. 1, stație energetică de mică putere realizată cu pile de combustibil de tip PEM. 11 Schema bloc;

- fig. 2, controler programabil de automatizare de tip CompactRIO. Schema bloc; 13

- fig. 3, schema logică a rutinei R1 - programul principal de monitorizare, comandă și control al funcționării stației energetice de mică putere realizată cu pile de combustibil de 15 tip PEM;

- fig. 4, schema logică a subrutinei R2 de monitorizare, comandă și control al tempe- 17 raturii și presiunii de operare a ansamblului de pile de combustibil;

- fig. 5, schema logică a subrutinei R3 de stabilire și menținere a umidității gazelor 19 de alimentare a ansamblului de pile de combustibil;

- fig. 6, schema logică a subrutinei R4 de comandă și control al funcționării în regim 21 static a stației energetice de mică putere;

- fig. 7, schema logică a subrutinei R5 de comandă și control al funcționării în regim 23 dinamic a stației energetice de mică putere;

- fig. 8, schema logică a subrutinei R6 de comandă și control al procedurii de 25 recuperare a apei din ansamblul de pile de combustibil;

- fig. 9, schema logică a subrutinei R7 de oprire controlată a ansamblului de pile de 27 combustibil;

- fig. 10, interfața software pentru monitorizarea, comanda și controlul funcționării 29 stației energetice de mică putere realizată cu pile de combustibil de tip PEM.

Stația energetică de mică putere realizată cu pile de combustibil de tip PEM conform 31 invenției cuprinde un ansamblu 100 de pile de combustibil de tip PEM (APC), subansamblurile de gestionare a parametrilor de operare (debite, presiuni, temperaturi, umidități) ai 33 acestuia, subansamblurile care realizează adaptarea între puterea generată de APC și cea cerută de sarcină, și subansamblul de monitorizare, comandă și control condus cu un 35 calculator PC 300.

APC 100 este realizat dintr-o succesiune de 40 pile de combustibil de tip PEM având 37 suprafața activă a membranei de 250 cm², conectate în serie, intercalate cu plăci de răcire, cuprinse între două plăci colectoare - anod și catod, și două plăci de capăt. Puterea maximă 39 a APC este de 5 kW, iar tensiunea generată în domeniul de 20...38 V la un curent maxim de 250 A. Presiunea de lucru la partea anodică și catodică nu trebuie să depășească 2 bar, iar 41 diferența de presiune anod-catod nu trebuie să fie mai mare de 0,3 bar. Temperatura de funcționare este între 65 și 90°C. Alimentarea se face cu hidrogen de puritate 99,999% la 43 anod și cu aer la catod.

Temperatura de operare a APC se realizează prin intermediul unui sistem 10 de 45 gestionare a temperaturii de funcționare a APC, care include un schimbător de căldură în al cărui circuit primar se conectează, după necesități, un încălzitor electric sau o buclă de răcire 47 cu apă.

RO 129407 Β1

Umidificarea gazelor reactante se realizează cu ajutorul a două umidificatoare, unul 21 cu 780 de tuburi de Nafion, având debitul maxim în sistem apă-gaz de 450 LPM la o presiune maximă de 2 bar, pentru hidrogen, și celălalt 41 cu 1660 tuburi, de până la 1000 SLPM la 3 bar, pentru aer.

în funcție de regimul de funcționare al stației energetice, sistemul de baterii 3 este încărcat în curent constant pe durata regimului static, în funcție de starea sa de încărcare, SoC (State of Charge). încărcarea bateriilor se face cu un convertor DC-DC 4 care primește la intrare tensiune produsă de APC 100, pe care o convertește la ieșire într-o tensiune pe magistrala DC în domeniul de 48...56 VDC. Tensiunea de ieșire a convertorului DC-DC 4 este convertită în tensiune de curent alternativ 220 V, 50 Hz prin intermediul convertorului DC-AC 2.

în fig. 1 se prezintă schema bloc a stației energetice de mică putere realizată cu pile de combustibil de tip PEM.

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

Monitorizarea, comanda, reglarea și controlul parametrilor funcționali ai sistemului energetic se realizează prin intermediul unui controler programabil de automatizare 200, numit în cele ce urmează CPA, condus cu calculatorul 300.

Aducerea temperaturii ansamblului de pile de combustibil de tip PEM la valoarea optimă de funcționare, cuprinsă în general între 65 și 80°C, precum și menținerea temperaturii de funcționare a APC de tip PEM sub valoarea limită superioară de 90°C, se realizează prin utilizarea de plăci de răcire intercalate după fiecare a doua pilă de combustibil, prin canalizația cărora circulă agentul termic sub formă de apă deionizată. Reglarea temperaturii ansamblului de pile utilizează drept sursă rece apa deionizată, iar drept sursă caldă un încălzitor electric. Debitul agentului termic este comandat de către un sistem de răcire/încălzire 10, care realizează gestionarea temperaturii și presiunii de funcționare a APC 100 de tip PEM în funcție de temperatura măsurată de senzorul de temperatură T7 13 la ieșirea catodică 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 constantă, reglarea temperaturii ansamblului de pile realizându-se prin modificarea debitului de agent termic efectuată prin varierea turației pompei de agent de termic 11.

Ansamblul 100 de pile de combustibil de tip PEM funcționează cu ieșirea anodică închisă, utilizând pentru controlul debitului de alimentare o electrovalvă 30, comandată de un regulator fuzzy implementat în controlerul programabil de automatizare C1 200.

Alimentarea anodului 39 APC se realizează cu hidrogen de puritate 99,999%, îmbuteliat într-un recipient 20 sub presiune, prin intermediul unui ventil 23, al unui regulator de presiune 24 și al unui sistem de umidificare a reactanților, numit în continuare SUR_APC, care include un umidificator 21, un condensor 22 care servește condensării vaporilor de apă în exces, o pompă de recirculare 25 și o electrovalvă 26. Pe circuitul anodic se măsoară temperatura T1 31 pe umidificatorul 21 și temperatura T2 32, presiunea P1 33, debitul D1 35 și umiditatea RH1 34 a hidrogenului la intrarea în pilă, precum și temperatura T3 36 și presiunea P2 37 ale fluidului la ieșirea anodică și nivelul apei L1 38 în condensorul 22.

în momentul în care nivelul L1 38 al apei în condensorul 22 atinge o anumită valoare prescrisă, Lmax, CPA 200 comandă deschiderea electrovalvei 26 și pornirea pompei 25; când nivelul L1 38 atinge valoarea Lmin, CPA 200 comandă închiderea electrovalvei 26 și oprirea pompei 25.

RO 129407 Β1

Alimentarea catodului 59 APC se face cu aer atmosferic, prin intermediul unui blower 1 40 și al unui sistem de umidificare a reactanților 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 3 servește condensării vaporilor de apă în exces și întoarcerii apei rezultate în umidificatorul 41. Pe circuitul catodic se măsoară la intrare temperatura T4 51 pe umidificatorul 41 și tem- 5 peratura T5 52, presiunea P3 53, debitul D2 55 și umiditatea RH2 54 ale aerului la intrarea în ansamblul de pile 100, precum și temperatura T6 56 și presiunea P4 57 ale fluidului la 7 ieșirea catodică, și nivelul apei L2 58 în condensorul 42.

în momentul în care nivelul L2 58 al apei în condensorul 42 atinge o anumită valoare 9 prescrisă, Lmax, CPA 200 comandă deschiderea electrovalvei 44 și pornirea pompei 43; când nivelul L2 58 atinge valoarea Lmin, CPA 200 comandă închiderea electrovalvei 44 și 11 oprirea pompei 43.

Energia electrică furnizată de APC 100 alimentează sarcina 1 prin intermediul unui 13 convertor DC-DC 4 care face adaptarea cu sarcina 1 și a unui convertor DC-AC 2 care transformă energia electrică de curent continuu în energie electrică de curent alternativ, respectiv 15 încarcă un sistem de baterii tampon 3 prin intermediul aceluiași convertor DC-DC 4. în funcție de regimul sarcinii 1, staționar sau variabil, energia electrică necesară este furnizată 17 de APC 100, respectiv de sistemul de baterii tampon 3 pe durata necesară modificării parametrilor de operare ai APC 100. 19

Adaptarea puterii furnizate cu cerințele sarcinii se realizează prin modificarea parametrilor de operare ai APC 100, în funcție de puterea instantanee absorbită și de regimul de 21 funcționare a sarcinii.

Pe circuitul de sarcină se măsoară curentul l_FC 6 și tensiunea U_FC 5 la ieșirea APC 23 100 de tip PEM, curentul absorbit de sarcina 1, l_sar 7, precum și curentul l_bat 9 și tensiunea de încărcare U_bat 8 ale bateriei 3. 25

Dacă regimul de funcționare al stației energetice este unul static, în care sarcina se află în regim permanent (curentul electric absorbit este practic constant), debitul de hidrogen 27 la anod se reglează în mod discontinuu, valoarea sa fiind dată de perioada și de factorul de umplere al semnalului de comandă modulat PWM (Puise Width Modulation) generat de CPA 29 200.

Dacă regimul de funcționare al stației energetice este unul dinamic, în care sarcina 31 se află în regim tranzitoriu (curentul absorbit poate varia în ambele sensuri, cu viteze diferite) și în funcție de valoarea curentului absorbit l_SAR 7, se stabilește modalitatea de reglare a 33 debitului de hidrogen în regim continuu, astfel încât APC 100 să furnizeze la ieșire curentul cerut de sarcina 1. 35

Debitul de agent oxidant - aer este dependent de debitul de hidrogen și se reglează astfel încât să se asigure în permanență raportul stoichiometric al celor două debite de aii- 37 mentare, hidrogen și aer. Pe durata regimurilor tranzitorii ale sarcinii, asigurarea necesarului de putere cerut de consumator se face utilizând bateria 3. 39 în schema bloc din fig. 2 se prezintă controlerul programabil de automatizare

CPA 200. 41

Acesta este un sistem industrial cu microcontrolercare se compune dintr-o parte software și o parte hardware specifică și adaptată să funcționeze în medii industriale. Schema 43 bloc a CPA este prezentă în fig. 2. Partea hardware a CPA este compusă dintr-un controler C1_1 cu sistem de operare în timp real, un modul analogic de măsurare a temperaturii C1_2, 45 două module analogice de citire semnale de la senzorii C1_3 și C1_4, un modul analogic de

RO 129407 Β1 comandă elemente de execuție C1_5, un modul digital de comandă factor de umplere C1_6, un modul digital de comandă On/Off C1_7 și un modul digital de citire ON/Off C1_8. Aceste module permit interconectarea semnalelor provenite de la senzorii și elementele de comandă și execuție ale stației energetice.

Controlerul C1_1 reprezintă partea cea mai importantă CPA C1 și este compus dintr-un procesor cu frecvență de 400 MHz, o memorie RAM de 128 MB, o memorie nevolatilă de 2 GB și un port Ethernet ce permite conectarea CPA 200 la un calculator 300 tip PC. Algoritmii de reglare ai buclelor de control sunt implementați în memoria C1_1, prin utilizarea soluției - Field-Programmable Gate Array (FPGA), care poate executa simultan până la 20 de bucle de control de tipul Proportional-Integrativ-Derivativ (PID) și fuzzy, la o rată de 100 kHz.

Modulul de citire temperaturi C1_2 permite conectarea directă a senzorilor de temperatură de tip termocuplu utilizând compensarea hardware a joncțiunii reci. C1_2 are caracteristica de filtrare și rejectare a zgomotului pe 50/60 Hz. Frecvența de citire a semnalelor este de 100 citiri/s 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, semnalele fiind următoarele: canalul 1 -T1 temperatura 31 umidificator21 hidrogen, canalul 2 - T2 temperatura 32 traseu 39 încălzit intrare anod, canalul 3 - T3 temperatura 36 la ieșire anod, canalul 4 - T4 temperatura 51 umidificator aer, canalul 5 - T5 temperatura 52 traseu 59 încălzit intrare catod, canalul 6 - T6 temperatura 56 ieșire catod, canalul 7 - T7 temperatura 13 pe APC 100 și canalul 8 - T8 temperatura 14 pe schimbătorul de căldură al sistemului de încălzire/răcire 10. Senzorii de temperatură sunt termocupluri de tipul K.

Modulele analogice de citire senzori C1_3 și C1_4 includ funcții hardware de amplificare a semnalului, filtrare, izolare electrică și multiplexare. Domeniul analogic de intrare este ±10 V, o amplificare de 500 și un convertor analog-digital de 16 biți care are rezoluția de 153 pV. Modulul C1_3 are 8 canale de intrare, semnalele fiind următoarele: canalul 1 P1 presiune 33 la intrare anod, canalul 2 - P2 presiune 37 la ieșire anod, canalul 3 - P3 presiune 53 la intrare catod, canalul 4 - P4 presiune 57 la ieșire catod, canalul 5 - P5 presiune 12 pe ieșire apă de răcire APC 100, canalul 6 - RH1 umiditate 34 hidrogen la intrare anod, canalul 7 - RH2 umiditate 54 aer la catod. Senzorii de presiune utilizați sunt senzori cu transmitere ce au domeniu de intrare de 0...2,5 bar, iar semnalul electric de ieșire este de 0...10 V. Senzorii de umiditate sunt senzori capacitivi ce măsoară umiditate în flux continuu în domeniul 0...100%, iar semnalul electric de ieșire este de 0...1 V.

Modulul C1_4 are 8 canale de intrare, semnalele fiind următoarele: canalul 1 - D debit de hidrogen la ieșire 61 anod, domeniu de măsură 0...20 SLPM, semnal 0...5 V, canalul 2 - D1 debit hidrogen la intrare 39 anod, domeniu de măsură 0...100 SLPM, semnal 0...5 V, canalul 3 - D2 debit aer la intrare 59 catod, domeniu de măsură 0...500 SLPM, semnal 0...10 V, canalul 4 - l_sar curent 7 consumat de sarcină, canalul 5 - l_bat curent 9 încărcare/descărcare baterie, canalul 6- l_FCcurent 6 generat de APC 100, canalul 7 - U_FC tensiune 5 generată de APC 100 și canalul 8 - U_bat tensiune 8 pe magistrala DC/baterie. Senzorii de curent sunt senzori de tipul Hali și au domeniul de măsură 0...200 A și semnalul de ieșire 0...5 V. Senzorii de tensiune sunt de tipul divizori de tensiune și măsoară tensiuni în domeniul 0...100 V, semnalul de ieșire fiind 0...10 V.

Modulul analogic de comandă actuatori C1_5 este implementat cu un convertor digital analog pe 16 biți, fiecare ieșire fiind definită de o buclă de reglare prin program și prin natura semnalului furnizat de 0...10 V sau de 4...20 mA. Modulul analogic de ieșire permite conectarea modulului C1_5 la elemente de preacționare pentru a acționa funcții de comandă

RO 129407 Β1 și de reglare. Modulul C1_5 are 4 canale de ieșire, semnalele fiind următoarele: canalul 1 1 - cmdAOI comanda regulator presiune de intrare, semnalul de comandă este de 0...5 V, iar domeniul regulatorului de presiune este de 0...5 bar; canalul 2 - cmdAO2 comanda 3 regulator debit hidrogen la ieșire, semnalul de comandă este de 0...10 V, iar domeniul regulatorului de debit este de 20 SLPM; canalul 3 - cmdAO3 comanda tensiune magistrală 5 DC/baterie, semnalul de comandă este de 0... 10 V, iar ieșirea convertorului DC-DC este de 48...56 VDC; canalul 4 - cmdAO4 comanda debit de apă răcire APC 100, semnalul de 7 comandă este de 0.. .5 V, iar domeniul de variație al debitului pompei de apă este 0...20 LPM.

Modulul digital de comandă a factorului de umplere C1_6 este implementat cu 9 posibilitatea de modificare în trepte a frecvenței: 500 Hz, 5 KHz și 15MHz, cu factor de umplere variabil de la 0 la 100% a semnalului de comandă digital. 11

Modulul C1_6 este utilizat pentru comanda releelor de putere de pe circuitele de încălzire ale stației energetice și ale blowerului 40 de pe intrarea 59 catodică a APC 100. 13

Modulul C1_6 are 4 canale de ieșire, semnalele fiind următoarele: canalul 1 - cmdPWMI comanda încălzire umidificator 21 hidrogen, frecvența semnal 500 Hz, canalul 2 - cmdPWM2 15 comanda încălzire umidificator 41 aer, frecvența semnal 500 Hz, canalul 3 - cmdPWM3 comanda încălzire apă APC 100, frecvența semnal 5 KHz și canalul 4 - cmdPWM4 comanda 17 debit aer la intrare 59 catod, frecvența semnal de 15 KHz.

Modulul digital de comandă On/Off C1_7 acționează asupra elementelor de acționare 19 de tip releu. C1_7 este compus din 6 canale: canalul 1 - cmdDOI comanda digitală pompa 25 apă la anod, canalul 2 - cmdDO2 comanda digitală electrovalva 26, pompă apă anod, 21 canalul 3 - cmdDO3 comanda digitală pompa 43 apă la catod, canalul 4 - cmdDO4 comanda digitală electrovalva 44, pompa apă catod, canalul 5 - cmdDO5 comanda electrovalva 15 23 răcire APC 100 și canalul 6 - cmdDO6 comanda purjare 30 anod.

Modulul digital de citire semnale On/Off C1_8 are funcția de a citi semnale de tipul 25 On/Off, în cazul de față: On = 24 V, iar Off = 0 V. Modulul C1_8 are două canale: canalul 1 - L1 nivel 38 apă condensor 22 anod și canalul 2 - L2 nivel 58 apă condensor 42 catod. 27 în fig. 3 se prezintă schema logică a rutinei R1 - programul principal de monitorizare, comandă și control al funcționării stației energetice de mică putere realizată cu pile de corn- 29 bustibil de tip PEM.

Rutina R1 este implementată într-un mediu de programare orientat pe instrumentație 31 virtuală, pagina principală a acesteia fiind prezentată în fig. 10. R1 rulează pe un calculator 300 conectat la un controler programabil de automatizare C1 200 cu o ciclicitate de 10/s. 33

Rutina R1 cuprinde 6 subrutine și 5 blocuri decizionale.

Lansarea rutinei R1 se realizează la comanda operatorului. Primele secvențe urmă- 35 resc aducerea APC 100 la temperatura și gradul de umidificare nominale, prin intermediul subrutinei R2, respectiv R3. 37

Prin intermediul blocului decizional R1_1 se verifică temperatura de funcționare a

APC 100. Temperatura se măsoară pe canalul 7 al modulului analogic C1_2. Trecerea la 39 nivelul următor se realizează numai după ce temperatura a atins valoarea de 80°C.

Prin intermediul blocului decizional R1_2 se verifică gradul de umidificare al 41 reactanților. Pentru hidrogen, umiditatea se măsoară pe canalul 6 al modulului analogic C1_3, iar pentru aer, pe canalul 7 al aceluiași modul. Trecerea la nivelul următor se reali- 43 zează numai după ce gradul de umidificare a atins valoarea de 80% atât pentru hidrogen, cât și pentru aer. 45

Pe nivelul următor se testează valoarea parametrilor de funcționare nominali: tensiunea 5 și curentul 6 pe APC 100, diferența de presiune anod-catod P1-P3, diferența de 47 presiune intrare-ieșire atât pe partea anodică P1-P2, cât și pe cea catodică P3-P4.

RO 129407 Β1

U_FC 5 se măsoară pe canalul 7 din modulul analogic C1_4, iar l_FC 6 pe canalul 6 al aceluiași modul.

Presiunea P1 33 la intrarea anodică se măsoară pe canalul 1 al modulului analogic C1_3, iar cea de la ieșirea anodică, P2 37, pe canalul 2 al modulului analogic C1_3; presiunea la intrarea catodică P3 53 se măsoară pe canalul 3 al modulului analogic C1_3, iar presiunea P4 57 la ieșirea catodică se măsoară pe canalul 4 al modulului analogic C1_3.

Dacă una dintre valorile măsurate se situează în afara intervalului admisibil pentru parametrii nominali ai APC100, se apelează subrutina de oprire controlată R7 a stației energetice. în caz contrar, se monitorizează R1_4 curentul de sarcină, l_SAR 7. Dacă l_SAR = constant, se apelează subrutina R4, de funcționare în regim static, iar în caz contrar, se apelează subrutina R5, de funcționare în regim dinamic. Se apelează în continuare subrutina R6, de recuperare a apei generate la electrozi.

Decuplarea stației energetice de mică putere se realizează la comanda operatorului R1_5. în acest caz, se apelează subrutina de oprire controlată R7.

în fig. 4 se prezintă schema logică a subrutinei R2 de monitorizare, comandă și control al temperaturii și presiunii de operare a APC 100. Sistemul de gestionare a temperaturii și presiunii de funcționare a APC 100 (numit în continuare SGTP_APC) utilizează ca agent termic (încălzire/răcire) apa deionizată cu o conductivitate mai mică de 17 pS la o presiune mai mică de 0,5 bar și asigură o viteză de încălzire de până la 10°C/min. încălzirea APC 100 este realizată cu un circuit de rezistențe electrice, iar răcirea APC 100 este realizată cu un schimbător de căldură ce utilizează ca agent termic de răcire apa dintr-un circuit exterior. Trebuie ținut cont de faptul că, întrucât gazele de alimentare intră în APC 100 la temperatura ambiantă, debitul acestora va influența echilibrul termic al APC 100. Astfel, pentru debite mici de alimentare, ceea ce corespunde funcționării APC 100 la densități mici de curent, încălzirea APC 100 se face cu viteză mai mare decât în cazul în care debitele de alimentare sunt mari, dacă se păstrează ceilalți parametri de operare nemodificați.

SGTP_APC este constituit dintr-un sistem deîncălzire/răcire 10, o pompă 11 de recirculare cu debit variabil pentru antrenarea agentului termic, un senzor de presiune 12 care măsoară presiunea la ieșire circuitului de răcire a APC, un senzor de temperatură 13 care măsoară temperatura la ieșirea catodică a APC, un senzor de temperatură 14 care măsoară temperatura agentului termic, o electrovalvă 15 care controlează debitul agentului termic și din sistemul de conducte de legătură aferent. Sistemul de încălzire/răcire include un vas de apă demineralizată, circuitul de rezistențe electrice cu releu de control integrat și un schimbător de căldură, nereprezentate în fig. 1. SGTP_APC are și rolul de a asigura răcirea celor două condensoare 22 și 42 pentru eliminarea apei din gazele reactante de la ieșirea APC 100. Apa care este colectată din gazele de ieșire ale APC 100 este reintrodusă în cele două umidificatoare 21 și 41.

Funcția SGTP_APC este aceea de a reduce durata de intrare în regim normal de funcționare a APC 100, în special în situațiile în care sunt prezente fluctuații de putere pe sarcina 1. Rolul SGTP_APC este de a stabili cât mai exact domeniul de temperatură și presiune al agentului termic, astfel încât APC să funcționeze cu o eficiență cât mai ridicată.

Subrutina R2 este apelată din rutina de program principal R1. La momentul inițial se citesc valorile temperaturii T7 13 și presiunii P5 12 a agentului de răcire al APC 100 R2_1. Temperatura T7 13 este măsurată cu un termocuplul de tip K, poziționat la ieșirea catodică a APC 100, de către modulul de citire temperaturi C1_2 pe canalul 7 al controlerului programabil de automatizare C1. Presiunea P5 a agentului termic este măsurată cu un senzor de presiune cu transmitter, poziționat la ieșirea circuitului termic al APC 100, având domeniul

RO 129407 Β1 de măsură între 0 și 2,5 bar și semnal electric de ieșire între 0 și 5 V, de către modulul de 1 intrări analogice C1_3 canalul 5 al controlerului programabil de automatizare C1. Reglarea temperaturii și presiunii se face într-un sistem de reglare în cascadă, format dintr-o buclă 3 exterioară în care se realizează reglajul de presiune și două bucle interioare, din care una este responsabilă cu procesul de încălzire și cealaltă cu procesul de răcire. Algoritmul de 5 reglare se inițiază prin compararea presiunii P5 12 cu o valoare prestabilită, P = 0,5 bar, în blocul de decizie R2_2. Reglarea presiunii este un proces care se realizează prin controlul 7 debitului pompei 11. Pompa are debitul în domeniul 0...20 LPM și este controlată de un semnal analogic de tensiune în domeniul 0...10V generat de canalul 4 al modulului de ieșiri 9 analogice C1_5 al controlerului programabil de automatizare 200 C1. Regulatorul care execută bucla de reglare este de tipul PD (proporțional-derivativ) și este implementat în C1. 11

Dacă rezultatul comparației R2_2 este DA, se comandă acționarea pompei 11 R2_3 din subrutina R2. Dacă rezultatul comparației R2_2 este NU, adică presiunea P5 > 0,5 bar, se 13 ajunge în blocul de decizie R2_4 din interiorul sistemului de reglare în cascadă, în care se compară temperatura T7 13 cu o valoare prescrisă de 65°C. Dacă temperatura T7 13 este 15 mai mică sau egală cu 65°C, se execută bucla de reglare R2_5, necesară pentru încălzirea APC 100. Algoritmul de reglare a temperaturii este implementat într-un regulator de tip PI D 17 (proporțional - integral - derivativ) care compară temperatura T7 cu valoarea prestabilită și calculează parametrii PID optimi ce acționează asupra elementului de încălzire prin inter- 19 mediul unui releu încorporat comandat în semnal PWM cu factor de umplere reglat din modulul C1_6, canalul 3 din C1. în bucla R2_5, elementul de execuție pentru răcirea APC 21 100 este întotdeauna decuplat. Dacă rezultatul comparației R2_4 este NU, adică temperatura T7 este mai mare de 80°C, se execută bucla de reglare R2_6 pentru răcirea APC 100. 23

Algoritmul de reglare este implementat într-un regulator de tipul ON-OFF. în această buclă, sistemul de încălzire cu rezistențe este decuplat. Răcirea se face cu apă dintr-un circuit 25 exterior, care traversează un schimbător de căldură cu o putere de 4 kW, având rolul de a răci agentul termic din vasul cu apă demineralizată. Controlul debitului de apă din circuitul 27 exterior este realizat cu ajutorul unui electroventil 15 de tip solenoid, care este comandat de un semnal digital de ieșire din canalul 5, modulul C1_7, al C1 200. 29

Energia termică extrasă din circuitul de răcire al APC 100 sub formă de apă caldă la temperatura de circa 60°C se poate recupera și utiliza într-un circuit exterior, ceea ce poate 31 mări eficiența energetică a stației energetice de mică putere prin transformarea acesteia într-un sistem de cogenerare de energie electrică și termică. 33 în fig. 5 se prezintă schema logică a subrutinei R3 de stabilire și menținere a umidității gazelor de alimentare a ansamblului de pile de combustibil. 35

Sistemul de gestionare optimizată a umidificării reactanțilordin ansamblul de pile de combustibil este numitîn continuare SUR_APC. Rolul SUR_APC este de a permite controlul 37 optim al umidității gazelor reactante la intrările anodică 39 și catodică 59 ale APC 100, printr-un sistem special de umidificare. Se cunoaște faptul că nivelul de umidificare al mem- 39 branelor pilelor de combustibil de tip PEM influențează conductivitatea protonică, un nivel ridicat de umidificare favorizând transportul protonilor de la anod la catod, deci creșterea 41 puterii generate. Nivelul de umidificare al membranelor rezultă în urma determinării soluției de compromis între valorile mari ale umidității, care determină creșterea pierderilor rezistive 43 prin membrana și valorile reduse, care reduc conductivitatea protonică a membranei. Metoda de umidificare utilizată este cea prin care se realizează umidificarea reactanților, umiditatea 45 transportată de aceștia realizând umidificarea membranelor.

RO 129407 Β1

Umidificatoarele utilizate în SUR_APC sunt sub forma unui schimbător de căldură tubular, cu un ansamblu de tuburi cuprinse într-o manta, realizate din membrană Nafion. Hidrogenul, respectiv aerul, circulă prin interiorul tuburilor, iar apa deionizată încălzită, prin interiorul mantalei și exteriorul tuburilor. Transportul apei prin pereții tuburilor este determinat de diferența de presiune parțială a acesteia. Unul din avantajele principale ale acestui tip de umidificator este că transferul de apă nu poate depăși saturația, valoarea umidității fiind dată de temperatura apei deionizate. De asemenea, umidificatorul acționează ca un filtru pentru eventualele impurități din apă, pe care nu le lasă să treacă în gaz.

Sistemele de umidificare a reactanților pe partea anodică (hidrogen) și pe partea catodică (aer) a APC 100 sunt identice. Se prezintă SUR_APC pentru alimentarea cu hidrogen pe partea anodică a APC 100, care este constituit dintr-un umidificator 21, o pompă de recirculare 25, un electroventil 26, sistemul de răcire/încălzire 10, un senzor de temperatură T1 31, un senzor de presiune P1 33, un senzor de debit D1 35, un senzor de umiditate RH1 34, un senzor de temperatură T2 32 poziționat la intrare anodică și sistemul de conducte de legătură aferent. Conexiunea între umidificatorul 21 și anodul 39 este încălzită și izolată termic pentru evitarea condensării vaporilor în interiorul conductei.

Rolul SUR_APC este de a optimiza gradul de umidificare al membranei. Umiditatea hidrogenului este în funcție de temperatura apei deionizate din umidificator. Principala cauză a modificării temperaturii este reprezentată de creșterile bruște ale fluxului de hidrogen necesare pentru a susține creșterile de putere solicitate de sarcina 1 (consumator). Subrutina responsabilă pentru menținerea gradului optim de umectare, R3, este apelată din rutina programului principal R1. în continuare, se prezintă modul de apelare al subrutinei R3 pentru partea anodică, cel pentru partea catodică fiind identic. La momentul inițial, R3_1 citește valoarea temperaturii T1 31 pe umidificatorul 21 de hidrogen și umiditatea RH1 34 a hidrogenului la intrarea anodică a APC 100. Temperatura T1 31 este măsurată cu un termocuplu tip K, al cărui semnal este monitorizat pe canalul 1 din modulul analogic de temperaturi C1_2 al controlerului C1. Umiditatea hidrogenului este măsurată în flux continuu în domeniul 0...100%, de către senzorul RH1 montat la intrarea anodică, iar semnalul electric de ieșire de 0...1 V este citit pe canalul 6 din modulul C1_3. Pentru controlul optim al umidității, se folosește un sistem de reglare în cascadă constituit dintr-o buclă exterioară care controlează temperatura umidificatorului și o buclă interioară responsabilă cu calculul optim al umidității. Algoritmul de reglare se inițiază prin compararea temperaturii T1 cu valoarea prestabilită, T = 80°C, în blocul de decizie R3_2. Dacă valoarea temperaturii T1 < 80°C, se comandă încălzirea apei deionizate R3_3 utilizând un regulator de temperatură pentru care acordarea parametrilor PID a fost calculată cu un timp de răspuns foarte mic, chiar dacă se riscă eventual depășirea valorii presetate a temperaturii. în momentul în care T1 > 80°C, subrutina R3 va testa R3_4 valoarea umidității măsurate cu senzorul de umiditate RH1 34. Dacă aceasta este mai mică sau egală cu 80%, încălzirea umidificatorului va continua R3_5 cu parametrii PID modificați, pentru a obține o stabilitatea mai bună a temperaturii. Dacă umiditatea va depăși valoarea de 80%, sistemul de încălzire este decuplat R3_6. Algoritmul de reglare a temperaturii este implementat într-un regulator de tip PID care permite modificarea parametrilor de acordare în funcție de condițiile din subrutina R3 și acționează asupra elementului de încălzire prin intermediul unui releu încorporat comandat în semnal PWM cu factor de umplere comandat de canalul 1 al modulului C1_6.

Sistemul SUR_APC permite obținerea unui control optim al umidității gazelorîntr-un timp cât mai scurt, prin utilizarea unui regulator de tip cascadă care realizează modificarea parametrilor PID în funcție de temperatura umidificatorului și de gradul de umidificare al reactanților.

RO 129407 Β1 în fig. 6 se prezintă schema logică a subrutinei R4 de comandă și control al funcționării în regim static a stației energetice de mică putere realizată cu pile de combustibil de tip PEM. Subrutina R4 se utilizează pentru comanda stației energetice de mică putere atunci când curentul absorbit de sarcină este constant în timp, situație care definește regimul static de funcționare. în această situație, funcționarea electrovalvei 30 este setată pe modul discontinuu, controlul valorii debitului de hidrogen necesar pentru generarea la ieșirea APC 100 a valorii curentului cerut de sarcină realizându-se prin modificarea frecvenței și a factorului de umplere ale semnalului de comandă a alimentării, realizate prin intermediul unui regulator fuzzy implementat în controlerul programabil de automatizare C1 200.

La momentul inițial, se citesc R4_1 valorile următorilor parametri: temperatura T713 la ieșirea catodică a APC 100, curentul IFC 6 furnizat de APC 100, tensiunea UFC 5 pe APC 100, presiunea P1 33 la intrarea anodică, presiunea P2 37 la ieșirea anodică, debitul de hidrogen D1 35 la intrarea anodică, tensiunea pe baterie U_BAT 8 și curentul pe baterie l_BAT 9.

Pe baza valorilor achiziționate, programul de calcul calculează R4_2 debitul de hidrogen D, necesar pentru generarea puterii cerute de sarcină, ținând cont de stoichiometria prescrisă.

Debitele de hidrogen și aer consumate de APC 100 se calculează din legea lui Faraday, considerând că gazele reactante se supun legii gazelor ideale. în funcție de regimul de funcționare, static sau dinamic, se utilizează pentru stoichiometrie valoarea de 1,1, respectiv 1,5 la anod și 2,0 la catod.

Debit hidrogen _calculat hidrogen ^-ncell-R-T > -7 · F anod ^hidrogen [SLPM]

Aer-Calculat

Ă_aer-I-n_cell-R-T-1000-60 > -7 · F catod ^aer —^—[SLPM]

0.209

Unde: = 40, z_hidrogen = 2, z_aer= 4, F = 96485 As/mol, R = 8.3145 J/molK29 / - curentul generat de APC în [A];

T- temperatura de funcționare a APC în [K];31

P- presiunea la anod în [Pa],

Secvența de comandă a electrovalvei 30, care va deschide periodic ieșirea circuitului 33 anodic al APC, este comandată și controlată de către regulatorul fuzzy implementat în C1.

Regulatorul fuzzy este proiectat în cinci pași.35 în pasul unu se definesc variabilele de intrare/ieșire ale regulatorului. Prima variabilă de intrare este diferența, notată AD, dintre debitul de hidrogen la intrare D1 35 și debitul de 37 hidrogen D calculat anterior R4_2, care se calculează conform relației AD = D1 - D; a doua variabilă de intrare este diferența de presiune dintre presiunea citită la intrarea anodică P1 39 33 și presiunea citită la ieșirea anodică P2 37, notată AP și calculată conform relației AP = = P1 - P2; a treia variabilă de intrare este valoarea curentului generat de APC, l_FC 6, iar a 41 patra variabilă de intrare este tensiunea pe APC, U_FC 5. Prima variabilă de ieșire este durata dintre două purjări, notată t_2purje, iar a doua variabilă de ieșire este durata purjării t_purje. 43 în pasul doi se stabilesc variabilele lingvistice asociate celor patru intrări ale regulatorului fuzzy ca fiind cinci termeni lingvistici cu funcții de apartenență de formă triunghiulară, 45 iar celor două variabile de ieșire ale regulatorului fuzzy li se asociază șapte termeni lingvistici cu funcții de apartenență de formă trapezoidală. 47

RO 129407 Β1 în pasul trei se realizează implementarea bazei de reguli care este formată din 185 de reguli. Baza de reguli a fost stabilită în urma mai multor experimente, astfel încât acesta să acopere întreg spectrul de acțiuni dorit.

în pasul patru se utilizează metoda MAX-MIN a lui Mamdani pentru evaluarea inferențelor, iar defuzzificarea comenzilor vagi are loc pe baza centrului de greutate.

Rolul regulatorului fuzzy este de a stabili cât mai corect durata între două purjări ale electroventilului 30 și durata cât acesta rămâne deschis, ambele depinzând de puterea generată de APC 100. De exemplu, la puteri mici (100 W), intervalul dintre două purjări este de 300 s, iar durata de purjare 0,5 s, iar la puteri mari (5 kW) intervalul dintre două purjări este de 20 s, iar durata de purjare 2 s.

în pasul următor se verifică starea de încărcare a bateriei, SoC (State of Charge). SoC se exprimă în procente și definește cantitatea de energie din total, disponibilă în baterie. Pentru determinarea SoC au fost folosite metode de indicare a stării de încărcare care se bazează pe măsurarea și integrarea curentului, în funcție de rata de autodescărcare, temperatură, eficiența încărcării și descărcării. Valorile SoC sunt stocate tabelar.

în blocul decizional R4_4 se verifică dacă SoC este mai mic decât 60%. în caz afirmativ, înseamnă că bateria este defectă și CPA 200 execută rutina de oprire R7, iar în caz negativ, se verifică în blocul decizional R4_6 dacă valoarea stării de încărcare este mai mică decât 80%. în caz afirmativ, bateria se încarcă R4_7 cu un curent de 20-lnominal, iar în caz negativ, bateria se încarcă R4_8 cu un curent de 10-lnominal. în cazul în care SoC = 100%, CPA decuplează de stația energetică sistemul de baterii (care este încărcat).

în fig. 7 se prezintă schema logică de funcționare în regim dinamic a stației energetice de mică putere.

Subrutina R5 se utilizează pentru comanda stației energetice de mică putere atunci când curentul absorbit de sarcină variază în timp, situație care definește regimul dinamic de funcționare.

Regimul dinamic de funcționare are loc pe durata regimului tranzitoriu care apare la modificarea într-un sens sau altul a puterii absorbite de sarcina 1 și se caracterizează prin durata relativ redusă. Răspunsul sistemului, în acest caz, se produce prin reglarea continuă a debitului de hidrogen de alimentare a APC 100, cu o stoichiometrie mărită la valoarea de 1,5 care să favorizeze adaptarea rapidă la variațiile sarcinii. Pe durata persistenței regimului dinamic de funcționare, având în vedere inerția inerentă a răspunsului APC 100 la modificarea sarcinii 1, care este de 3 până la 5 s, energia necesară este funizată consumatorului 1 de bateria 3, care acționează ca tampon.

La momentul inițial se citesc R5_1 valorile următorilor parametri: temperatura T7 13, curentul IFC 6 furnizat de APC, tensiunea U_FC 5 pe APC, presiunea P1 33 la intrarea anodică, presiunea P3 53 la intrarea catodică, debitul de hidrogen D1 35 la intrarea anodică, debitul de hidrogen D3 30 la ieșirea anodică, debitul de aer D2 55 la intrarea catodică, tensiunea pe baterie U_BAT 8 și curentul pe baterie l_BAT 9, curentul de sarcină l_SAR7.

Se verifică starea de încărcare a bateriei R5_2, SoC.

Dacă SoC > 80%, se cuplează bateria 3 în circuitul de sarcină R5_3, iar în caz contrar, se comută funcționarea sistemului în regim static R5_4.

Se calculează valoarea curentului necesar a fi furnizat de către APC 100 R5_5, ca diferență între curentul de sarcină și curentul furnizat de baterie, I_SAr-Ibat·

Se calculează R5_6 valorile debitelor de hidrogen și aer necesare pentru generarea curentului absorbit de sarcina 1.

RO 129407 Β1

Se comută R5_7 regimul de funcționare al electrovalvei 30 pe funcționare continuă. 1 Se determină valoarea debitului de hidrogen utilizat pentru generarea curentului absorbit de sarcină, ca diferență între valorile măsurate ale debitelor de hidrogen de la intrarea D1 35 3 și de la ieșirea D3 30 a APC 100.

Se compară R5_9 valoarea curentului generat de APC 100, IFC, cu valoarea calcu- 5 lată în pasul R5_5.

Dacă valoarea curentului generat de APC 100, l_FC, este mai mică decât valoarea 7 calculată, ceea ce înseamnă că APC 100 singur nu este momentan capabil să furnizeze puterea cerută, se comută regimul de funcționare în regim static. 9 în fig. 8 se prezintă schema logică a subrutinei R6 de recuperare a apei generate în

APC 100. 11

Așa cum s-a arătat, pe partea catodică a celulei de combustibil se produce apa în urma reacției dintre ionii de hidrogen (protoni) formați la anod, care trec prin electrolitul solid 13 (membrana), și oxigenul din aerul furnizat la catod. Astfel, pe membrana pilei de combustibil se produce o diferență a presiunii parțiale a vaporilor de apă care favorizează fenomenul 15 așa-numit de difuzie retrogradă (retrodifuzie) a apei de la catod (unde s-a format), prin membrană, la anod. Apa formată la catod, la fel ca și cea migrată prin membrană la anod, 17 este o apă ultrapură, ale cărei proprietăți o fac potrivită pentru utilizarea în dispozitivele de umidificare a reactanților. Recuperarea și utilizarea acesteia în umidificatoare va contribui 19 la diminuarea aportului exterior de apă deionizată.

Sistemele de recuperare a apei generate la catodul și anodul APC 100, SRA_APC, 21 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 apă generați la catodul APC 23 100; electroventilul 44; pompa de recirculare 43; sesizor de nivel minim-maxim L2 58 pe condensor 42; conductele de legătură aferente. 25

Sistemul SRA_APC are rolul de a condensa, colecta și întoarce în circuitul umidificatorului 41 apa generată la catodul, respectiv anodul APC. 27

Rutina R6 se inițializează prin citirea R6_1 stării sesizoarelor de nivel L1 38, respectiv

L2 58 în condensorul de la anod și în cel de la catod. 29

Se prezintă ramura decizională aferentă catodului, ramura anodică fiind identică.

Dacă nivelul de condens este maxim R6_6, se comandă deschiderea R6_7 electroventilului 31 44, și pornirea pompei de recirculare 43 , apa din condensorul 42 fiind introdusă în umidificatorul 41. La sesizarea nivelului minim R6_8 în condensorul 42, se comandă închiderea 33 R6_9 electroventilului 44, și oprirea pompei de recirculare 43. Algoritmul de reglare este implementat într-un regulator de tipul ON-OFF în controlerul C1. 35

Având în vedere faptul că apa utilizată pentru umidificarea membranelor APC 100 nu se recuperează, prin intermediul SGTP_APC se reduce aportul exterior de apă deionizată 37 necesară alimentării umidificatoarelor.

în fig. 9 se prezintă schema logică a subrutinei R7 de oprire controlată a stației energetice. 39

Subrutina R7 este apelată din rutina principală R1 în momentul în care se dorește închiderea controlată a stației energetice R1_5 sau când unul din parametrii stației 41 energetice este în afara plajei de control. în primul pas R7_1 al subrutinei R7 se decuplează APC 100 de la circuitul electric al Convertorului DC-DC 4 prin trecerea în 0 V a semnalului 43 de comandă de pe canalul 3 al modulului C1_5 din CPA 200. în pasul următor R7_2 se închide alimentarea cu hidrogen a APC 100 prin închiderea regulatorului de presiune 24 de 45 pe traseul anodic al APC 100, comandă executată pe canalul 1 al modulului C1_5 din CPA 200. în ultimul pas se oprește alimentarea cu aer a APC 100, prin oprirea blowerului 40, 47 comandă executată pe canalul 4 al modulului C1_6 din CPA 200.

în fig. 10 se prezintă interfața software pentru monitorizarea, comanda și controlul 49 funcționării stației energetice de mică putere realizată cu pile de combustibil de tip PEM.

Claims (7)

1. Revendicări

   1. Stație energetică de mică putere, realizată cu pile de combustibil de tip PEM, compusă din:

   - un ansamblu (100) de pile de combustibil de tip PEM de mică putere;

   - un sistem de gestiune a temperaturii de funcționare a ansamblului (100) de pile de combustibil de tip PEM;

   - un sistem de gestiune optimizată a umidificării reactanților;

   - un sistem de gestiune optimizată a alimentării cu hidrogen și aer în corelație cu sarcina;

   - un sistem de monitorizare, comandă și control al funcționării stației energetice de mică putere, caracterizată prin aceea că ansamblul (100) de pile de combustibil este realizat dintr-o succesiune de pile de combustibil de tip PEM conectate în serie, intercalate cu plăci de răcire, cuprinse între două plăci colectoare, anod și catod, și două plăci de capăt, pentru a produce energie electrică utilizând hidrogen și aer.
2. 2. Stație conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că sistemul de gestiune a temperaturii de funcționare a ansamblului (100) de pile de combustibil asigură menținerea temperaturii de funcționare a ansamblului (100) de pile de combustibil la o valoare inferioară temperaturii limită de 90°C, prin utilizarea de plăci de răcire realizate din grafit de înaltă densitate, prin canalizația cărora circulă apa deionizată.
3. 3. Stație conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că plăcile de răcire ale ansamblului (100) de pile de combustibil se intercalează după fiecare a doua pilă de combustibil, dispunere care asigură temperatura de funcționare necesară ansamblului (100) de pile de combustibil pentru puteri de până la 5 kW.
4. 4. Stație conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că sistemul de gestiune optimizată a umidificării reactanților realizează reducerea consumului de apă deionizată prin colectarea apei deionizate produse la catod și a celei obținute prin difuzie retrogradă la anod, utilizând condensorii (42), respectiv (22), reintroducând-o în circuitul de umidificare a reactanților.
5. 5. Stație conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că sistemul de monitorizare, comandă și control al funcționării sale, realizat pe structura unui controler (200) programabil de automatizare, include un regulator fuzzy pentru comanda modificării debitului de combustibil în funcție de regimul sarcinii, consumatorii (1) stației.
6. 6. Stație conform revendicării 5, caracterizat prin aceea că regulatorul fuzzy utilizează un algoritm de reglare a debitului de hidrogen bazat pe patru variabile de intrare, debit și presiune hidrogen, curent și tensiune pe sarcină, o bază cu 185 de reguli și două variabile de ieșire, și anume: durata de purjare a hidrogenului și intervalul de timp dintre două purjări succesive, pentru a genera un semnal digital modulat în durată a impulsului, semnal PWM, utilizat pentru comanda reglării debitului de hidrogen în funcție de necesarul de putere pe sarcină, consumatorii (1) stației.
7. 7. Procedeu de optimizare și alimentare a consumului de hidrogen și aer pentru stația energetică de mică putere, revendicată mai sus caracterizat prin aceea că succesiunea de operații este următoarea:

   - se selectează secvența de operare corespunzătoare regimului dinamic sau static de funcționare pentru adaptarea puterii furnizate de ansamblul (100) de pile de combustibil la necesarul de putere al consumatorilor, pe baza monitorizării cererii de energie pe sarcină;

   RO 129407 Β1

   - se realizează alimentarea ansamblului (100) de pile de combustibil cu hidrogen în 1 mod discontinuu pe perioadele când sarcina funcționează în regim static;

   - se realizează alimentarea ansamblului (100) de pile de combustibil cu hidrogen în 3 mod continuu pe intervalele de timp în care sarcina funcționează în regim dinamic;

   - se comandă alimentarea ansamblului (100) de pile de combustibil în modul discon- 5 tinuu de alimentare, cu un semnal PWM generat de către regulatorul fuzzy.