本發(fā)明涉及能源技術應用，具體涉及一種高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

1、質子交換膜燃料電池是一種能將氫氣和氧氣在電化學反應過程中產生的化學能直接轉換為電能和熱能的能量轉換裝置，具有低溫性能好、紅外輻射小、綠色無污染、低噪聲、高轉換效率等特點。美歐已將高溫質子交換膜燃料電池作為重要發(fā)展方向，在關鍵材料與部件方面走在世界前列。2022年，美國los?alamos、brookhaven、nrel三大國家實驗室宣布組成聯(lián)合團隊，開展高溫質子交換膜燃料電池的技術研發(fā)，重點推進在重型車輛上應用，以降低溫室氣體排放。advent?technology開發(fā)的advent?tps高溫膜電極，可在160℃下連續(xù)運行2萬小時以上，同時具備優(yōu)異的酸管理特性和高機械強度。德國巴斯夫研發(fā)的celtec高溫膜電極，工作溫度140～180℃，可穩(wěn)定運行時間2萬小時以上，具備優(yōu)異的穩(wěn)定性。丹麥電力系統(tǒng)開發(fā)的dapozol高溫質子膜，工作溫度150～200℃，在膜電極中連續(xù)運行1.5萬小時以上，具備高co耐受性。

2、在國內單臺燃料電池發(fā)電模塊輸出功率等級在500w～12kw之間，即使在國外也僅在25w～15kw之間，單臺燃料電池發(fā)電模塊輸出功率無法滿足大功率(＞100kw)用電需求。大功率燃料電池發(fā)電系統(tǒng)需由多臺燃料電池發(fā)電模塊串并聯(lián)而成。系統(tǒng)在實際運行過程中，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有動態(tài)響應較慢，輸出電壓隨功率變化的特點。為了提高系統(tǒng)瞬態(tài)響應能力，需加輔助能源(鋰電池組)實現(xiàn)系統(tǒng)削峰填谷，保障發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了克服燃料電池輸出電壓受功率變化影響較大的缺點，在燃料電池發(fā)電模塊側加dc/dc，相互并聯(lián)后接入系統(tǒng)負載母線，實現(xiàn)燃料電池單模塊輸出電壓與負載母線電壓隔離。大功率燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是一個多輸入多輸出、具有強非線性和強耦合關系的復合能源系統(tǒng)，內部含有水/氣/熱/電等多個物理域，故亟需開發(fā)一套高效、安全的高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)瞬態(tài)響應能力弱、系統(tǒng)輸出電壓受功率變化影響較大的缺陷。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)，包含燃料供給系統(tǒng)、上位機界面控制系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、能量管理子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)、電子負載；

3、所述上位機界面控制系統(tǒng)包含系統(tǒng)設置模塊、數(shù)據(jù)測量模塊、閥門控制模塊、陰極間歇吹掃模塊、cvm數(shù)據(jù)顯示模塊、自動溫壓控制模塊、急停和數(shù)據(jù)記錄模塊；

4、所述發(fā)電子系統(tǒng)包含燃料供給系統(tǒng)和8臺發(fā)電模塊，每一臺發(fā)電模塊配有一套獨立的燃料電池控制器進行控制；

5、所述能量管理子系統(tǒng)包含鋰電池組、單雙向dc/dc、主控制器和高壓控制箱；

6、所述輔助子系統(tǒng)包含配電柜、高壓控制箱、電纜線；

7、所述燃料供給系統(tǒng)通過共軌管路向8臺發(fā)電模塊供給氫氣和空氣，所述配電柜通過電纜線向單雙向dc/dc、上位機屏幕、主控制器和發(fā)電模塊供電；每兩臺發(fā)電模塊串聯(lián)后接一臺單向dc/dc，形成一個燃料電池模組；四個燃料電池模組相互并聯(lián)，輸出端并聯(lián)至負載母線；鋰電池組外接雙向dc/dc后也將并聯(lián)至負載母線；主控制器通過控制單雙向dc/dc實現(xiàn)系統(tǒng)能量管理，瞬態(tài)功率削峰填谷，以保障發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

8、本發(fā)明還提供了一種高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)的控制方法，利用所述的高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)進行控制。

9、較佳地，所述控制方法包含上位機界面控制、燃料電池模塊控制、復合能源系統(tǒng)控制，進而實現(xiàn)高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)的上電自檢、升溫控制、升壓控壓、發(fā)電準備、發(fā)電拉載、降載、降溫吹掃和關機。

10、較佳地，所述上電自檢具體是指燃料電池控制器根據(jù)系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器以及cvm上傳的信號，基于燃料電池控制器內事先標定的故障閾值進行對比，當信號超過所述故障閾值，燃料電池控制器生成故障碼并上傳至所述上位機界面控制系統(tǒng)。

11、較佳地，所述升壓控壓具體是指對燃料電池陰極、陽極進行閉環(huán)控制，根據(jù)燃料電池模塊輸出電流選擇陰極、陽極壓力控制目標。

12、較佳地，所述發(fā)電準備具體是指利用主控制器依次控制1臺雙向dc/dc和4臺單向dc/dc預充、開機和升壓，并限制鋰電池充電電流，實現(xiàn)高壓穩(wěn)定輸出并預防鋰電池過充。

13、較佳地，所述發(fā)電拉載具體是指所述主控制器控制負載主繼電器吸合，在發(fā)電拉載階段，陽極氣體供應采取預控策略；降載階段，氣壓控制采取陰極跟隨陽極的方式；拉載瞬間，所述主控制器控制儲能電池組為負載供電以彌補燃料電池瞬態(tài)反應慢的特性，并對鋰電池soc實行管理和調控。

14、較佳地，所述降載具體是指所述主控制器通過控制電子負載按5a步長降載，對鋰電池soc實行管理和調控；當復合能源系統(tǒng)母線輸出電流＜10a，所述主控制器依次控制負載主繼電器和電子負載斷開，并依次控制4臺單向dc/dc和1臺雙向dc/dc關機。

15、較佳地，所述降溫吹掃具體是指8臺燃料電池控制器控制氫氣出口開關閥常開、背壓閥開度為40％，將陰極、陽極進堆壓力閉環(huán)控制在120kpa，陽極測通入氮氣吹掃，空氣側通入空氣吹掃，降溫階段，燃料電池控制器分段控制三通比例閥開度和油泵轉速，將冷卻油進堆溫度均降低至25℃以下。

16、較佳地，所述關機具體是指8臺燃料電池控制器控制所有開關閥和比例閥關閉、背壓閥關閉、三通比例閥門處在小循環(huán)位置、油泵停轉、加熱器斷開、負載主繼電器斷開、電子負載斷開。

17、相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果至少包含：

18、(1)本發(fā)明的高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)的控制方法包含上位機界面控制、燃料電池模塊控制和復合能源系統(tǒng)控制三部分，可以自動探測電堆熱平衡點，當電堆發(fā)熱量足以維持工作溫度時，燃料電池控制器主動控制加熱器斷開，有效降低了系統(tǒng)能耗。

19、(2)由于燃料電池動態(tài)響應慢的特點，本發(fā)明的高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)加入了輔助子系統(tǒng)(儲能電池組)，實現(xiàn)了系統(tǒng)削峰填谷，保障發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

20、(3)根據(jù)燃料經濟型以及系統(tǒng)控制策略的實現(xiàn)效果等方面的綜合分析，選擇性能更好燃料電池側dc/dc結構混合能源拓撲結構，燃料電池的輸出電壓和母線上的電壓分開，很好地解決了燃料電池輸出電壓受功率變化影響較大的缺點，燃料電池的輸出也與直流母線形成了隔離，更有利于對燃料電池的優(yōu)化和控制。

技術特征：

1.一種高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)，其特征在于，包含燃料供給系統(tǒng)、上位機界面控制系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、能量管理子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)、電子負載；

2.一種高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，利用如權利要求1所述的高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)進行控制。

3.如權利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包含上位機界面控制、燃料電池模塊控制、復合能源系統(tǒng)控制，進而實現(xiàn)高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)的上電自檢、升溫控制、升壓控壓、發(fā)電準備、發(fā)電拉載、降載、降溫吹掃和關機。

4.如權利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述上電自檢具體是指燃料電池控制器根據(jù)系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器以及cvm上傳的信號，基于燃料電池控制器內事先標定的故障閾值進行對比，當信號超過所述故障閾值，燃料電池控制器生成故障碼并上傳至所述上位機界面控制系統(tǒng)。

5.如權利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述升壓控壓具體是指對燃料電池陰極、陽極進行閉環(huán)控制，根據(jù)燃料電池模塊輸出電流選擇陰極、陽極壓力控制目標。

6.如權利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述發(fā)電準備具體是指利用主控制器依次控制1臺雙向dc/dc和4臺單向dc/dc預充、開機和升壓，并限制鋰電池充電電流，實現(xiàn)高壓穩(wěn)定輸出并預防鋰電池過充。

7.如權利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述發(fā)電拉載具體是指所述主控制器控制負載主繼電器吸合，在發(fā)電拉載階段，陽極氣體供應采取預控策略；降載階段，氣壓控制采取陰極跟隨陽極的方式；拉載瞬間，所述主控制器控制儲能電池組為負載供電以彌補燃料電池瞬態(tài)反應慢的特性，并對鋰電池soc實行管理和調控。

8.如權利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述降載具體是指所述主控制器通過控制電子負載按5a步長降載，對鋰電池soc實行管理和調控；當復合能源系統(tǒng)母線輸出電流＜10a，所述主控制器依次控制負載主繼電器和電子負載斷開，并依次控制4臺單向dc/dc和1臺雙向dc/dc關機。

9.如權利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述降溫吹掃具體是指8臺燃料電池控制器控制氫氣出口開關閥常開、背壓閥開度為40％，將陰極、陽極進堆壓力閉環(huán)控制在120kpa，陽極測通入氮氣吹掃，空氣側通入空氣吹掃，降溫階段，燃料電池控制器分段控制三通比例閥開度和油泵轉速，將冷卻油進堆溫度均降低至25℃以下。

10.如權利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述關機具體是指8臺燃料電池控制器控制所有開關閥和比例閥關閉、背壓閥關閉、三通比例閥門處在小循環(huán)位置、油泵停轉、加熱器斷開、負載主繼電器斷開、電子負載斷開。

技術總結
本發(fā)明公開了一種高溫質子交換膜燃料電池復合能源系統(tǒng)及其控制方法，復合能源系統(tǒng)包含燃料供給系統(tǒng)、上位機界面控制系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、能量管理子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)、電子負載；上位機界面控制系統(tǒng)包含系統(tǒng)設置模塊、數(shù)據(jù)測量模塊、閥門控制模塊、陰極間歇吹掃模塊、CVM數(shù)據(jù)顯示模塊、自動溫壓控制模塊、急停和數(shù)據(jù)記錄模塊；發(fā)電子系統(tǒng)包含燃料供給系統(tǒng)和8臺發(fā)電模塊，每一臺發(fā)電模塊配有一套燃料電池控制器進行控制；量管理子系統(tǒng)包含鋰電池組、單雙向DC/DC、主控制器和高壓控制箱；輔助子系統(tǒng)包含配電柜、高壓控制箱、電纜線。本發(fā)明可以解決系統(tǒng)瞬態(tài)響應能力弱、輸出電壓受功率變化影響大的問題。

技術研發(fā)人員：鄧呈維,王騰飛,羅若尹,姬峰,杜瑋,劉勇
受保護的技術使用者：上?？臻g電源研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/26