燃料电池分布式控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种燃料电池，尤其设及一种燃料电池分布式控制系统。本发明还设 及一种燃料电池分布式控制方法。
【背景技术】
[0002] 燃料电池（FuelCell)是将反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置。如图 1所示的质子交换膜燃料电池（PEMFC),包含电解质W及连接到电解质两侧的多孔渗水阴 极与阳极组成。电池的阴极与阳极多由集流板、反应气体流道、气体扩散层（GDL)、微孔层和 催化层组成，在运些部件中，集流板是起收集电子、向外输出电能的部件，其材料一般由导 电率高且力学稳定的金属组成；反应气体流道为反应气体提供流动的通道，同时将反应的 水排出燃料电池内部；气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，既利于反应物均匀分配 和生产物的及时排出，同时传递电子和热量；微孔层是涂布在GDL上的薄层，它可W均匀分 配反应气体，提高电堆性能；催化层的作用是使电池内部〇2与燃料发生电化学反应，催化剂 的性能直接影响到质子交换膜燃料电池的性能。如图1所示质子交换膜物质流向，燃料电 池连续不断地向阳极输送燃料化2)，向阴极输送氧气（〇2)，在电极表面催化剂的作用下发 生电化学反应。带电通过电解质从一个电极转移到另外一个电极，电子通过外部的电路 实现电流的循环，形成电流。
[0003] 如图2所示，传统的燃料利用方式往往需要化学能-热能-动能-电能转换过程， 如在火力发电系统中，需要先将化学能转换为热能，热能转换为动能，然后再将动能转换为 电能；在内燃机驱动中，需要将化学能转换为热能，然后将热能转换为动能。由于需要热 能-动能的能量转换，传统的燃料利用方式往往受到卡诺循环的限制，转换效率低，整体的 效率通常为33% -35%，有将近2/3的能量W热能形式在交换过程中损失掉。而在燃料电 池反应的过程中，通过电化学反应，燃料的化学能被直接转换为电能，而电化学反应不受到 卡诺循环的限制，运样的能量利用方式可W获得更好的化学能-电能转换效率。
[0004]另外，燃料电池与蓄电池并不完全相同。燃料电池与蓄电池都是将化学能转换为 电能的电化学装置，它们之间最大的不同在于燃料电池是能量转换装置，而蓄电池是一个 能量存储装置。理论上，只要不断的给燃料电池供给燃料，燃料电池就可W连续不断的输出 电能，运使燃料电池具有更高的功率密度。
[000引燃料电池一般包括燃料电池电堆、燃料&供给系统、空气供应系统、冷却散热系 统、自动控制系统和电能管理系统。图3所示的是一个常见的风冷质子交换膜燃料电池系 统，其包括：氨气供应（氨气瓶），减压阀，进气口电磁阀，氨气压力传感器，出气口电池阀， 电堆，溫度测量单元，电压测量单元，电流测量单元，通过控制风冷风扇转速实现空气供给 和氧气供给，燃料电池输出控制系统，数据采集和保护，性能改善单元。燃料电池控制系统 主要工作目的为：1)通过合理的开通燃料电池进气电磁阀和尾气电池阀，保持燃料电池内 部&供给量在合理范围，并定时排除尾气；2)通过控制风冷风扇，控制氧气供给的同时，控 制燃料电池的溫度在设定溫度范围；3)不间断监控燃料电池的运行状态：输出电压、电流、 压力、溫度等参数，确保燃料电池运行在安全状态，4)对燃料电池出现的警告信息作出适当 处理和反应；5)运行过程中定期改善燃料电池运行性能；6)显示与监控；7)根据系统状态 控制燃料电池的电能输出。一个合理的燃料电池控制系统，不但可W使燃料电池在不同工 况下实现高效运行，而且还能够可W电池的使用寿命。
[0006] 传统的燃料电池系统控制与监控往往采用一个控制器，和通过该控制器实现W上 描述的所有功能，包括数据存储与预算、算法控制、信息状态监控、控制执行、处理和显示。 当只有一个燃料电池电堆时，运种类型控制器，如图3所示的所示控制器，能够最大程度的 发挥燃料电池控制系统优点。
[0007] 但在实际应用中，为了增加燃料电池的输出功率，可能需要多个燃料电池串联或 并联使用的。如果仍然采用传统的单个中央处理器的控制器，如图4所示的控制器，则该中 央处理器需要监控多个燃料电池单元的状态，处理每个燃料电池单元的数据和执行每个燃 料电池单元的控制信息。运种传统的单个中央处理器型控制器在用于多个燃料电池单元串 并联形成的燃料电池系统时，具有诸多缺陷。首先，由于多个燃料电池单元的串并联使用， 控制器需要监测的参数将呈几何级增加，整个燃料电池系统将需要复杂布线。其次，单个处 理器或单数据处理中屯、的控制器面向多个燃料电池单元的控制方式导致该处理器对接收 到的运行状态信号的响应时间过长和增加了整个燃料电池系统的运行风险。整个燃料电池 系统包括多个燃料电池单元，因此，单个处理器或单数据处理中屯、的控制器需要同时针对 多个燃料电池单元进行数据处理和控制，运会导致其对接收到的运行状态信号的响应时间 过长，W致不能对整个燃料电池系统的运行及时响应，甚至是不可挽回的故障。再次，不利 于该控制器控制的多个燃料电池单元串并联形成的燃料电池系统的损坏后修理。当该燃 料电池系统发生损坏后，确定损坏部位难度大，修理成本高。还有，当燃料电池系统由多个 燃料电池单元串并联形成时，该控制器与传感器之间的信号传输易受到影响和发生错误。 组成燃料电池系统的燃料电池单元越多，控制器与传感器之间的信号传输线路越长和越复 杂，导致控制器与传感器之间出现信号传输错误的几率变大。最后，具有单个处理器的控制 器需要同时针对多个燃料电池单元进行数据处理和控制，因此需要处理器具有强大的数据 处理能力、复杂的软件和非常高的稳定性，运将会导致控制器的成本高昂和结构复杂。 阳00引 申请号为200410017053.0的中国发明专利教导了一种基于CAN通信的燃料电池 系统控制方法，该方法将多个传感器、执行机构和控制对象都连接至CAN接口，CAN总线再 与控制器连接。在该发明专利申请的技术方案中，其控制器需要接收来自上述部件信息、对 收集信息进行处理和根据信息处理结果发送运行指令。该发明专利申请提供的技术方案能 够减少模拟信号在整个线路传输的总数量和减小信号传输中的失真。但该发明专利申请并 没有解决多个燃料电池单元导致的信号传输量的线性增加。另外，由于该燃料电池系统的 所有信号处理数据都需要通过CAN总线传输到指令控制器处理，因此该技术方案也不能很 好解决整个燃料电池系统的运行风险。此外，由于该燃料电池系统的所有信号处理数据都 需要单个控制器处理，在实际运行中将难W确保所有燃料电池单元的实时控制。还有，由于 是通过CAN总线进行数据传输，当燃料电池系统的某个燃料电池单元发生损坏后，难W对 损坏燃料电池单元进行定位和替换。最后，该发明专利申请提供的技术方案针对的是水冷 燃料电池，其并不适用在风冷燃料电池系统。
【发明内容】
[0009] 本发明的主要目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够同时适用于水冷燃料电池系统和风冷燃料电池系统。
[0010] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，W提 供燃料电池系统对各个燃料电池单元的响应速度和实时控制。
[0011] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，从而 使得整个燃料电池系统的数据传输量被大幅降低和监控器对每个燃料电池单元的响应时 间被明显降低。
[0012] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，从而 大幅降低整个燃料电池系统的运行风险。
[0013] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，从而 使得整个燃料电池系统运行更加稳定和可靠。
[0014] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，W提 高整个燃料电池系统的模块化程度。
[0015] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统包括一个安全模块，其中该安全模块能够控制燃料电池系统的每个燃料电池单 元的燃料，如&控制和在收到报警信号时，在该燃料电池分布式控制系统的上位机作出响 应之前切断整个燃料电池系统的燃料，如&供应和提高燃料电池系统的运行安全。
[0016] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，从而 使得当燃料电池系统的某个燃料电池单元发生损坏时，能够被快速定位和替换。
[0017] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统提供多种检测燃料电池系统的每个燃料电池单元实时运行手段，W更好地监控 燃料电池系统的每个燃料电池单元的实时运行。
[0018] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制模块，从而 使得燃料电池系统的组装更为方便和生产成本更加低廉。本发明的另一目的在于提供一种 燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布式控制系统包括一个性能改善模块，W确 保整个燃料电池系统始终处于相对较佳的运行状态，从而改善燃料电池系统的性能和延长 整个燃料电池系统的使用寿命。
[0019] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个性能改善模块，其中该 性能改善模块被分配一个性能改善时序W使该燃料电池系统的每个燃料电池单元被依次 进行运行状态调整，其中该性能改善模块被设置W能够自该控制器接收该性能改善命令和 根据该性能改善命令改善该燃料电池的运行性能。
[0020] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制系统，其中该燃料电池分布 式控制系统的该性能改善模块被设置W能够定期和依次对燃料电池系统的每个燃料电池 单元的燃料电池进行放电，W降低燃料电池系统的每个燃料电池单元的燃料电池的电压和 改善该燃料电池的性能。本发明的另一目的在于提供一种使用上述燃料电池分布式控制系 统的燃料电池系统。
[0021] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法可分别适用于水冷燃料电池系统和风冷燃料电池系统。
[0022] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法能够分别独立控制燃料电池系统的每个燃料电池单元，W对各个燃料电池单元 的响应速度和实时控制。
[0023] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制，从而使得 整个燃料电池系统的数据传输量被大幅降低。
[0024] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制，从而大幅 降低整个燃料电池系统的运行风险。
[0025] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制，从而使得 整个燃料电池系统运行更加稳定和可靠。
[0026] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法能够分别为燃料电池系统的每个燃料电池单元提供一个独立的控制，W提高整 个燃料电池系统的模块化程度。
[0027] 本发明的另一目的在于提供一种燃料电池分布式控制方法，其中该燃料电池分布 式控制方法进一步包括一个安全检测和控制步骤，其中燃料电池系统在收到一个报警信号 时，在该燃料电池分布式控制系统的上位机作出响应之前切断整个燃料电池系统的燃料， 如&供应，W确保燃料电池