[發(fā)明專利]一種燃料電池鼓泡加濕器控制系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110151434.1
• 申請(qǐng)日: 2021-02-03
• 公開（公告）號(hào): CN112713288B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯浩;文禹鴻;殷聰;宋亞婷;高艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04119
• 分類號(hào): H01M8/04119;H01M8/04313;H01M8/0432;H01M8/04492;H01M8/04694;H01M8/04701;H01M8/04828;H01M8/04992
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發(fā)明公開了一種燃料電池鼓泡加濕器控制系統(tǒng)及控制方法，屬于燃料電池加濕技術(shù)領(lǐng)域，包括控制器和鼓泡加濕器，控制器包括參考軌跡模型單元、優(yōu)化算法單元、預(yù)測(cè)模型單元、溫度控制單元和液位控制單元，鼓泡加濕器包括加熱單元、散熱單元、水循環(huán)單元、補(bǔ)水單元、鼓泡塔、溫度變送單元、液位變送單元和氣體濕度變送單元；參考軌跡模型單元根據(jù)采樣露點(diǎn)溫度更新參考軌跡；預(yù)測(cè)模型單元根據(jù)采樣露點(diǎn)溫度和去離子水溫度的待優(yōu)化控制律預(yù)測(cè)濕度響應(yīng)曲線；優(yōu)化算法單元根據(jù)參考軌跡和濕度響應(yīng)曲線計(jì)算性能指標(biāo)，獲得最優(yōu)控制律；溫度控制單元根據(jù)最優(yōu)控制律的控制量控制去離子水溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體的濕度控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池加濕技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池鼓泡加濕器控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

人類的快速發(fā)展離不開能源的開發(fā)利用，但如今所有能源中占比最大的化石能源屬于不可再生能源，將隨著時(shí)間的流逝不斷耗盡。氫能作為一種二次能源，可以通過風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生能源電解水獲取，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。在氫能?yīng)用領(lǐng)域，燃料電池是氫能利用的理想形式，通過化學(xué)反應(yīng)高效地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，整個(gè)反應(yīng)過程不受卡諾循環(huán)的約束。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)系統(tǒng)具有易于操作、轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

為了提高PEMFC的性能，提高質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，必須使質(zhì)子交換膜的水含量控制在合適范圍內(nèi)。如果質(zhì)子交換膜的水含量太小，將會(huì)導(dǎo)致燃料電池的歐姆阻抗增大，性能下降；如果質(zhì)子交換膜的水含量太大，將會(huì)導(dǎo)致燃料電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸汽凝結(jié)，形成液態(tài)水，阻塞反應(yīng)氣體的流道，導(dǎo)致反應(yīng)氣體在燃料電池內(nèi)分布不均勻，增大同一時(shí)刻不同單電池電壓之間的標(biāo)準(zhǔn)差，降低PEMFC的發(fā)電效率。

鼓泡加濕器可以實(shí)現(xiàn)有效且精確的濕度控制效果，能夠通過控制反應(yīng)氣體濕度來改變質(zhì)子交換膜的水含量。為了避免PEMFC在啟動(dòng)及加減載過程中，由于水含量不合適而導(dǎo)致輸出性能的持續(xù)下降，通常在動(dòng)態(tài)過程中就需要及時(shí)控制陰陽極中氣態(tài)水濃度。鼓泡加濕器在恒溫控制時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1所示，啟動(dòng)過程中，當(dāng)使去離子水溫度17穩(wěn)定在32℃時(shí)，由于反應(yīng)氣體加熱和除沫器升溫的時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)氣體在加濕后經(jīng)過除沫器時(shí)會(huì)被冷卻，氣體露點(diǎn)溫度18需6000s后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)30.8℃，該響應(yīng)速度難以滿足燃料電池系統(tǒng)的需求。因此，需提高鼓泡加濕器濕度控制的快速響應(yīng)能力以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需求。目前，為了加快燃料電池系統(tǒng)加濕的響應(yīng)速度，大多將噴霧加濕和鼓泡加濕進(jìn)行組合，通過控制噴霧加濕來提高鼓泡加濕的響應(yīng)速度，然而該裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高。

因此，急需在不增加裝置復(fù)雜度、不增加制造成本的情況下，針對(duì)鼓泡加濕器設(shè)計(jì)一種快速響應(yīng)控制系統(tǒng)及控制方法，增大除沫器溫度的變化率，加快氣體濕度的響應(yīng)速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種燃料電池鼓泡加濕器控制系統(tǒng)及控制方法，在提升系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時(shí)，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和能耗，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種燃料電池鼓泡加濕器控制系統(tǒng)，包括控制器1和鼓泡加濕器7，其特征在于，所述控制器1包括參考軌跡模型單元2、優(yōu)化算法單元3、預(yù)測(cè)模型單元4、溫度控制單元5和液位控制單元6，所述鼓泡加濕器7包括加熱單元8、散熱單元9、水循環(huán)單元10、補(bǔ)水單元11、鼓泡塔13、溫度變送單元14、液位變送單元15和氣體濕度變送單元16；

所述氣體濕度變送單元16用于監(jiān)測(cè)鼓泡塔13的出口氣體溫度和出口氣體相對(duì)濕度，并計(jì)算得到鼓泡塔13內(nèi)氣體的采樣露點(diǎn)溫度；所述溫度變送單元14用于監(jiān)測(cè)鼓泡塔13內(nèi)去離子水溫度和鼓泡塔13外部環(huán)境溫度；所述液位變送單元15用于監(jiān)測(cè)鼓泡塔13內(nèi)去離子水的液位；

所述參考軌跡模型單元2根據(jù)氣體濕度變送單元16提供的采樣露點(diǎn)溫度更新露點(diǎn)溫度的參考軌跡；