[发明专利]一种燃料电池控制系统及控制方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及燃料电池控制系统，尤其涉及质子交换膜燃料电池控制系统，用于对燃料电池工作参数进行控制，以保证燃料电池的发电性能。

【背景技术】

燃料电池是由燃料和氧化剂产生电能的装置，可以获得高发电效率。燃料电池系统中，以高分子电解质膜为中心，其两侧设置有阳极(ANODE)和阴极(CATHODE)，作为燃料的氢气在上述阳极发生电化学还原反应，作为氧化剂的氧气在阴极发生电化学氧化反应，此时通过生成的电子的移动，产生电能。

以典型的质子交换膜燃料电池(PEM燃料电池)为例，以氢气为燃料，在阳极反应中，氢气经由扩散层进入，借助催化层的催化剂如铂金属的催化作用，将氢气分解为氢质子及电子，前者经由质子交换膜进入阴极反应区，后者则经由集电装置向外部负载输出，另一方面，氧气经由阴极侧的扩散层进入，借助催化层的催化剂如铂金属的催化反应作用将氧化分解，并结合来自于质子交换膜的氢质子及来自集电装置的电子，于阴极反应区生成水。一个PEM燃料电池系统通常由反应气供应单元、PEM燃料电池单体或多节串连或并联燃料电池堆体、燃料电池控制器构成。

燃料电池控制器根据负载对功率的要求，随时调节反应气流量、压力，以保证电化学反应有效地进行和反应产物水适时地排出，并且通过热交换将反应温度控制到最佳度，对整个PEM燃料电池进行水管理及热管理。

由于工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量及催化剂的活性等参数都对PEM燃料电池发电性能有很大影响，且各种参数间数学关系复杂。目前燃料电池控制系统组成方法如图1所示，系统由作为被控对象的燃料电池3、输出参数量测单元4、控制器及控制策略单元1、执行机构2以及反馈通路5构成，量测单元4实时将燃料电池的输出电压、输出电流参数及其变化量通过反馈通道5反馈给控制器及控制策略单元1，控制器及控制策略单元1预先存储控制算法，算法为实现输出量及其变化量关于工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量等主要参数的函数，或者是工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量等主要参数关于输出量及其变化量的函数，利用执行机构2实现函数功能，执行机构2由温度控制、湿度控制、流量控制、压力控制等子执行机构组成，各子执行机构联动，由控制器及控制策略单元1控制，从而实现工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量等参数的闭环控制。该控制系统保证了在每个功率点燃料电池都具备高性能，然而闭环控制的方法造成了建立PEM燃料电池控制系统数学模型的难度以及PEM燃料电池控制系统组成的复杂化，而大量应用模糊控制、神经网络辨识等现代控制理论组建一个理想的PEM燃料电池控制系统，各参数子执行机构协同工作实现复杂函数，也使得PEM燃料电池控制器成本大幅增加。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决上述问题，提出一种简单、低成本的燃料电池控制系统，实现对燃料电池的工作参数的控制，保证燃料电池的发电性能。

本发明另一目的是提出一种燃料电池控制系统的控制方法，利用一种简单、低成本的电池控制系统，实现对燃料电池的工作参数的控制，保证燃料电池的发电性能。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池控制系统，包括控制单元、用于输出被控燃料电池工作参数的至少一个参数控制执行机构和量测单元，所述量测单元用于与负载相连并监测负载的输入电特性，还包括存储单元和调节单元，所述存储单元内存储有燃料电池的各个输出电特性区间、各个输出电特性区间的优选电特性点及与该优选电特性点对应的第一工作参数值，所述控制单元分别与量测单元、存储单元、参数控制执行机构和调节单元连接，所述控制单元响应量测单元的输出，将负载的输入电特性与存储单元中的电池输出电特性区间对比，确定出负载的输入电特性所属的电池输出电特性区间，读取与该电池输出电特性区间对应的优选电特性点和第一工作参数值，将负载的输入电特性和优选电特性点进行比较，根据比较结果控制调节单元，以使燃料电池工作在优选电特性点上，并按照第一工作参数值输出控制信号至参数控制执行机构。