[发明专利]一种燃料电池空气过量比控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种燃料电池空气过量比控制方法及系统，该方法为：实时测量空气系统尾排气的氧浓度；根据氧浓度测量值与氧浓度参考值之间的差值计算对氢气进气量进行PID控制时的反馈常数K；判断当前空气系统尾排气的含氧状态，根据当前时刻与上一时刻含氧状态的变化，在反馈常数K上加上或减去不同的比例值得到新的反馈常数用于计算氢气进气量。该系统包括燃料电池控制器及与燃料电池控制器连接的空气流量计、氧浓度传感器、电流传感器及氢气调节阀。本发明的方法及系统可以有效的改善控制的灵敏度，并通过反馈常数反馈控制使空气过量比平滑的改变，从而很方便的将空气过量比与燃料电池电流调到匹配状态，并能得到恒定的控制。

技术领域

本发明涉及燃料电池控制技术领域，具体涉及一种燃料电池空气过量比控制方法及系统。

背景技术

燃料电池是一种将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。由于其发电过程中不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转化效率高、环境友好的优点，同时，燃料电池还具有可在室温快速启动、无电解液流失、比功率和比能量高等突出特点。基于以上优点，燃料电池作为新一代发电技术，将具有广泛的应用前景。

现有燃料电池的氧化剂多采用空气中的氧气，通过空压机源源不断的把空气泵入电堆内与氢气进行电化学反应，然后再通过尾排阀把反应后的空气通过尾排通道排出燃料电池。

为了保证燃料电池正常、稳定的运行，一方面应保证燃料供给的控制灵敏度，另一方面实现燃料的充分利用。反映燃料电池燃料燃烧状况的一个重要指标为空气过量比。空气过量比是指燃料电池化学反应实际进入的空气质量与燃料电池化学反应理论所用的空气质量之比。

目前燃料电池燃料通常使用的空气过量比的控制方法一般是基于经典控制理论的PID控制，其所包括的步骤一般为：通过氧传感器检测燃料电池空气系统的尾排气含氧状态，并再根据所检测的尾排气含氧状态改变积分方向时，对氧传感器的输出进行积分，然后根据积分的结果修正供给燃料电池的空气量和氢气量。但由于有滤波延时和传感器响应延迟会导致控制灵敏度的下降，并且随着燃料电池电流的增加，空气系统的尾排气含氧状况的富-贫反比时间(即空气系统的尾排气含氧状况中富氧态与贫氧态反比的时间)也将减少.而且积分作用虽能消除控制系统的静差，但它也有一个副作用，即会引起积分饱和。在偏差始终存在的情况下，造成积分过量，当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出才脱离饱和区。这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调，恶化调节品质。基于以上积分饱和现象，当燃料电池电流增大或减小时，氧传感器的输出进行积分，当积分方向改变时，就会存在需经过一段时间后，输出才脱离饱和区，造成调节滞后，将使空气过量比向一个方向偏移，难以实现调整燃料电池空气过量比与燃料电池电流相匹配。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池空气过量比控制方法及系统，以解决现有的空气过量比的控制方法控制延迟所导致的空气过量比将向一个方向偏移，难以实现调整燃料电池空气过量比与燃料电池电流相匹配的问题。

为解决上述技术问题，本发明的燃料电池空气过量比控制方法包括以下六个单元方案：

单元方案一，该方法包括如下步骤：

1)实时测量空气系统尾排气的氧浓度，将氧浓度测量值与氧浓度参考值作比较，当氧浓度测量值大于氧浓度参考值，记空气系统尾排气处于富氧态，否则记为贫氧态；

2)根据氧浓度测量值与氧浓度参考值之间的差值计算对氢气进气量进行PID控制时的反馈常数K；

3)判断当前空气系统尾排气的含氧状态，若当前空气系统尾排气处于富氧态，而上一时刻空气系统尾排气处于贫氧态，则将所述反馈常数K上加上第一预定比例值作为当前用于计算氢气进气量的反馈常数Kˊ；

若当前空气系统尾排气及上一时刻空气系统尾排气均处于富氧态，则将所述反馈常数K上加上第二预定比例值作为当前用于计算氢气进气量的反馈常数Kˊ；