[发明专利]一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统有效

专利信息
申请号: 201910386879.0 申请日: 2019-05-10
公开(公告)号: CN110120537B 公开(公告)日: 2020-12-08
发明(设计)人: 彭飞;李立伟;王凯;张明 申请(专利权)人: 青岛大学
主分类号: H01M8/04298 分类号: H01M8/04298;H01M8/04992
代理公司: 青岛智地领创专利代理有限公司 37252 代理人: 林琪超
地址: 266071 山*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 水合 状态 自适应 均衡 燃料电池 发电 系统
【说明书】:

发明公开了一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统,包括燃料电池串级单元、燃料电池水合状态均衡单元、燃料电池辅机单元、直流变换单元和主控单元,燃料电池串级单元分别与燃料电池水合状态均衡单元和燃料电池辅机单元相连,燃料电池水合状态均衡单元与直流变换单元相连,主控单元分别与燃料电池辅机单元和直流变换单元相连,燃料电池水合状态均衡单元还连接有燃料电池水合状态自适应均衡从控单元。该系统通过自适应控制燃料电池模块的输出电压实现对其膜水含量的调节,能够有效避免大功率燃料电池系统实际运行过程中出现膜干和水淹现象,能够有效改善膜干和水淹等现象对质子交换膜性能衰退和耐久性的影响,提高电池效率和寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统领域,具体涉及一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统。

背景技术

氢能作为一种新型可再生能源形式,其研究应用受到日益重视,作为其主要应用之一的大功率集成燃料电池发电有着广阔的应用前景。近年来,随着燃料电池制造工艺以及系统集成技术的进步,燃料电池系统的功率密度不断提高,服役寿命不断延长,使得大功率集成燃料电池系统的应用场景不断扩展。目前,大功率集成燃料电池系统在分布式发电以及交通领域的应用中取得了飞速的发展。

现有大功率集成燃料电池发电系统的工作原理为,由负载驱动控制单元向燃料电池系统控制单元发出对应于需求功率的电流请求,根据该请求电流,由燃料电池系统控制单元计算得到燃料电池系统正常运行所需的空气质量流量、冷却液质量流量以及运行温度指令,进而由燃料电池辅机控制单元基于上述指令信号对空压机、冷却循环泵以及散热风机等辅机设备进行控制调节;同时,由燃料电池系统控制单元向负载驱动控制单元发送电流设定信号,负载驱动控制单元控制系统负荷汲取指定电流设定点对应的燃料电池系统输出功率,从而实现大功率集成燃料电池系统的闭环稳定控制。

然而,基于实时控制需要,上述大功率集成燃料电池发电系统的闭环控制过程所需指令通常基于简单的离线实验数据插值生成,并且,其中并未有效考虑燃料电池发电系统燃料电池串级单元中多个燃料电池模块的性能差异。由于燃料电池模块制作工艺及其生产控制过程较为复杂,不可避免地会导致燃料电池模块间的性能差异。大功率集成燃料电池发电系统是是与环境存在密切能量交互的,包含气、液、热多能流过程的,非线性、强耦合的复杂机电动态系统,如果对于性能参数不同的燃料电池模块应用相同的控制过程参数,势必会导致集成燃料电池系统效率损失,由此引起不同燃料电池模块中质子交换膜的膜干和水淹,将会同时显著影响燃料电池系统的服役寿命。因此,大功率集成燃料电池系统运行过程控制对基于燃料电池系统效率影响显著;燃料电池系统过程控制的最优能效跟踪性能,对燃料电池内部电化学反应活性的提升和循环使用寿命的延长至关重要。

发明内容

针对现有的燃料电池系统效率不高,影响燃料电池寿命的问题,本发明提供了一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统,以提高燃料电池串级单元中各燃料电池模块水合状态的一致性,避免大功率燃料电池系统出现膜干和水淹的发生,提高所述大功率集成燃料电池系统能效的同时,有助于所述大功率集成燃料电池串级发电系统服役寿命的延长。

本发明采用以下的技术方案:

一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统,包括燃料电池串级单元、燃料电池水合状态均衡单元、燃料电池辅机单元、直流变换单元和主控单元,燃料电池串级单元分别与燃料电池水合状态均衡单元和燃料电池辅机单元相连,燃料电池水合状态均衡单元与直流变换单元相连,所述主控单元分别与燃料电池辅机单元和直流变换单元相连,所述燃料电池水合状态均衡单元还连接有燃料电池水合状态自适应均衡从控单元;

所述燃料电池串级单元包括至少一个燃料电池模块,当燃料电池串级单元包括多个燃料电池模块时,多个燃料电池模块相互串联连接。

优选地,所述燃料电池水合状态自适应均衡从控单元包括燃料电池水合状态监测估计子单元和燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元,燃料电池水合状态监测估计子单元对燃料电池串级单元的水合状态进行监测估计;

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