CN103456974B - 一种燃料电池发动机系统及加减载控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池发动机系统及加减载控制方法，系统包括空气系统、氢气系统、冷却循环系统、电堆模块和电控系统；氢气系统中增加了一个安装在控制阀件与电堆氢气进口之间的管路上的缓冲罐，缓冲罐容积大于等于极限加载速率时阳极所需气量的体积。该系统加减载控制方法包括以缓冲罐内的气量为上限，在燃料电池发动机加减载过程中，控制阴极加减载，以设定的阴极加减载速率上限值为最大加减载速率，进行系统的阶梯形加减载控制。本发明的有益效果是：通过氢气缓冲罐的引入，有效避免了阳极欠气；通过对加减载的控制，减小了电压的波动，可以有效的提高发动机系统的寿命。

Description

一种燃料电池发动机系统及加减载控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池发动机系统动力输出控制领域。

背景技术：

为保护环境，减少城市中的大气污染，以PEMFC（质子交换膜燃料电池）为动力的装置受到越来越多的关注，当PEMFC以纯氢为燃料时，它能达到真正的“零”排放。目前PEMFC在交通、通讯等领域均有一定的应用。现有技术的燃料电池发动机系统的不足是：在加减载过程中，由于氢气系统和空气系统之间存在供气差异，造成燃料电池电压波动，电压波动会引起燃料电池中的铂（Pt）溶解，造成催化剂衰减，从而使燃料电池的使用寿命减短。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池工作过程中电压的波动较小的燃料电池发动机系统及加减载控制方法。

本发明从影响燃料电池耐久性的机理出发，减小燃料电池工作过程中，电压的波动，减少Pt的溶解，以提高发动机系统的寿命。通过控制载荷变化过程中的燃料或者氧化剂供应来减小电势波动，减缓催化剂衰减。

本发明的技术方案是：一种燃料电池发动机系统，包括空气系统、氢气系统、冷却循环系统、电堆模块和电控系统；氢气系统包括氢气储罐、控制阀件和氢尾排阀件，其特征在于所述氢气系统中还包括缓冲罐，缓冲罐安装在控制阀件与电堆氢气进口之间的管路上，缓冲罐容积大于等于极限加载速率时阳极所需气量的体积。

本发明所述的一种燃料电池发动机系统，其特征在于所述极限加载速率时阳极所需气量的体积按以下公式计算

$V\left(L\right)=\frac{\mathrm{\ΔI}\×N\×22.4\×1}{96485\×2}$

式中：V(L)为缓冲罐容积，△I为加减载速率上限值，N为电堆节数，96485为法拉第常数，2为反应转移电子数。

本发明所述一种燃料电池发动机系统的加减载控制方法，包括阳极加减载控制和阴极加减载控制，其特征在于：所述阳极加减载控制是以缓冲罐内的气量为上限，在燃料电池发动机加减载过程中，控制阴极加减载，所述控制阴极加减载方法是：设定一个阴极加减载速率上限值，以设定的加减载速率上限值为最大加减载速率，进行系统的阶梯形加减载控制，所述阶梯形加减载控制包括以下步骤：

加载过程：

1）电控系统判断：需求加载速率是否大于阴极设定的加减载速率上限值，如不大于阴极设定的加载速率上限值，电控系统按原设定加载速率加载；如大于阴极设定的加载速率上限值，电控系统按阴极限设定的加载速率上限值加载，

2）完成步骤1）后，再次重复步骤1），直至需求加载速率不大于阴极设定的加载速率上限值；

减载过程：

1）电控系统判断：需求减载速率是否大于阴极设定的减载速率上限值，如不大于阴极设定的减载速率上限值，电控系统按原设定加载速率减载；如大于减载速率上限值，电控系统按设定的减载速率上限值减载，

2）完成步骤1）后，再次重复步骤1），直至需求减载速率不大于阴极设定的减载速率上限值。

本发明所述一种燃料电池发动机系统的加减载控制方法，其特征在于所述阴极设定的加减载速率上限值设定方法为：设阴极化学计量比范围为S₁～S₂,正常计量比工作值为S,S₁为化学计量比范围的下限值，S₂为化学计量比范围的上限值，当前电流为I₁,目标电流I₂，△t为电流变化时间，则满足以下关系：

加载过程I₁×S=I₂×S₁

减载过程I₁×S=I₂×S₂

根据以上关系式，在I₁为已知时，可求得I₂，则有

△I=∣I₁-I₂∣

△I为阴极加减载速率上限值。

本发明所述一种燃料电池发动机系统的加减载控制方法，其特征在于所述缓冲罐内的气量是阴极加减载速率上限值时阳极所需的气量。

本发明的有益效果是：通过氢气缓冲罐的引入，有效避免了阳极欠气；通过对加减载的控制，减小了电压的波动，可以有效的提高发动机系统的寿命。

附图说明

图1是燃料电池发动机系统示意图

图2是本发明的空气供给系统与氢气供给系统组成示意图

图3是本发明的加减载控制曲线图

附图中，（1）过滤消音器、（2）供风机械、（3）加湿器、（4）分水器；（5）氢气储罐、（6）控制阀件、（7）缓冲罐、（8）氢尾排阀件、（9）电堆模块

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

燃料电池发动机系统包括空气系统、氢气系统、冷却循环系统、电堆模块

（9）和电控系统；空气系统包括过滤消音器（1）、供风机械（2）、加湿器（3）和分水器（4）；氢气系统包括氢气储罐（5）、控制阀件（6）、氢尾排阀件（8）和缓冲罐（7），缓冲罐（7）安装在控制阀件（6）与电堆模块（9）氢气进口之间的管路上，电堆模块（9）为400节电池模块，工况测试氢气利用率高于95%，阴极化学计量比2.5，即S为2.5，加载化学计量比最低值为2.0，即S₁为2.0，降载化学计量比最高值为3.0，即S₂为3，即全工况化学计量比控制在2～3之间。

将上述参数带入加载过程的关系式I₁×S=I₂×S₁计算，

I₁×2.5=I₂×2

I₂=5/4I₁

则加载速率上限值△I⁺为：△I⁺=∣I₁-I₂∣=∣I₁-5/4I₁∣=1/4I₁

△I⁺=1/4I₁

将上述参数带入减载过程的关系式I₁×S=I₂×S₂计算，

I₁×2.5=I₂×3

I₂=5/6I₁

则减载速率上限值△I^-为：△I^-=∣I₁-I₂∣=∣I₁-5/6I₁∣=1/6I₁

△I^-=1/6I₁

缓冲罐（7）体积V(L)的计算如下：

$V\left(L\right)=\frac{\mathrm{\ΔI}\×N\×22.4\×1}{96485\×2}$

V(L)=（1/4I₁×400×22.4）/（95486×2）=2240I₁/190972=0.01173I₁

I₁以燃料电池的最大电流值270A计算，

V(L)=0.01173I₁

=0.01173×270

=3.1671L

依此计算结果为依据，将缓冲罐（7）体积定为5L,大于3.1671L。

加减载控制过程是：

阳极以缓冲罐（7）内的气量为上限，在燃料电池发动机加减载过程中，控制阴极加减载，阴极加减载速率上限值△I，以△I为最大加减载速率，进行系统的阶梯形加减载控制，阶梯形加减载控制步骤如下：

加载过程：

1）电控系统判断：需求加载速率是否大于阴极设定的加减载速率上限值△I⁺=1/4I₁，如不大于△I⁺，系统按原设定加载速率加载；如大于△I⁺，按△I⁺加载，

2）完成步骤1）后，再次重复步骤1），直至需求加载速率不大于△I⁺；

减载过程：

1）电控系统判断：需求减载速率是否大于阴极设定的减载速率上限值△I^-=1/6I₁，如不大于△I^-，系统按原设定减载速率减载；如大于△I^-，系统按△I^-减载，

2）完成步骤1）后，再次重复步骤1），直至需求减载速率不大于△I^-。

本实施例的燃料电池发动机系统寿命可由原控制策略的2000h提升至寿命3000h。

Claims (3)

1.一种燃料电池发动机系统，包括空气系统、氢气系统、冷却循环系统、电堆模块(9)和电控系统；氢气系统包括氢气储罐(5)、控制阀件(6)和氢尾排阀件(8)，其特征在于所述氢气系统中还包括缓冲罐(7)，缓冲罐(7)安装在控制阀件(6)与电堆氢气进口之间的管路上，缓冲罐(7)容积大于等于极限加载速率时阳极所需气量的体积；所述极限加载速率时阳极所需气量的体积按以下公式计算

$V\left(L\right)=\frac{\mathrm{\ΔI}\×N\×22.4\×1}{96485\×2}$

式中：V(L)为缓冲罐(7)容积，△I为加减载速率上限值，N为电堆节数，96485为法拉第常数，2为反应转移电子数。

2.一种权利要求1所述的燃料电池发动机系统的加减载控制方法，包括阳极加减载控制和阴极加减载控制，阳极加减载控制是以缓冲罐(7)内的气量为上限，在燃料电池发动机加减载过程中，控制阴极加减载，控制阴极加减载的方法是：设定一个阴极加减载速率上限值，以设定的加减载速率上限值为最大加减载速率，进行系统的阶梯形加减载控制，阶梯形加减载控制包括以下步骤：

加载过程：

1)电控系统判断：需求加载速率是否大于阴极设定的加减载速率上限值，如不大于阴极设定的加载速率上限值，电控系统按原设定加载速率加载；如大于阴极设定的加载速率上限值，电控系统按阴极限设定的加载速率上限值加载，

2)完成步骤1)后，再次重复步骤1)，直至需求加载速率不大于阴极设定的加载速率上限值；

减载过程：

1)电控系统判断：需求减载速率是否大于阴极设定的减载速率上限值，如不大于阴极设定的减载速率上限值，电控系统按原设定减载速率减载；如大于减载速率上限值，电控系统按设定的减载速率上限值减载，

2)完成步骤1)后，再次重复步骤1)，直至需求减载速率不大于阴极设定的减载速率上限值；

其特征在于所述阴极设定的加减载速率上限值设定方法为：设阴极化学计量比范围为S₁～S₂，正常计量比工作值为S,S₁为化学计量比范围的下限值，S₂为化学计量比范围的上限值，当前电流为I₁,目标电流I₂，△t为电流变化时间，则满足以下关系：

加载过程 I₁×S＝I₂×S₁

减载过程 I₁×S＝I₂×S₂

根据以上关系式，在I₁为已知时，可求得I₂，则有

△I＝∣I₁-I₂∣

△I为阴极加减载速率上限值。

3.根据权利要求2所述一种燃料电池发动机系统的加减载控制方法，其特征在于所述缓冲罐(7)内的气量是阴极加减载速率上限值时阳极所需气量。