一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统的制作方法

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。

技术实现要素：

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；

所述燃料电池水合状态均衡单元由多级斩波电路构成，燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元通过调节多级斩波电路的占空比，完成燃料电池串级单元的水合状态的均衡。

优选地，所述燃料电池辅机单元包括空气供给子单元、氢气供给子单元、冷却液供给子单元以及散热风机子单元；

空气供给子单元为燃料电池串级单元提供所需质量流量的空气；

氢气供给子单元为燃料电池串级单元提供所需工作压力的氢气；

冷却液供给子单元为燃料电池串级单元提供所需质量流量的冷却液；

散热风机子单元为燃料电池串级单元提供所需的运行温度；

主控单元包括燃料电池辅机控制子单元和直流变换控制子单元，燃料电池辅机控制子单元分别与空气供给子单元、氢气供给子单元、冷却液供给子单元以及散热风机子单元相连，直流变换控制子单元分别与直流变换单元和燃料电池辅机控制子单元相连，完成对燃料电池串级单元的输出电流控制。

优选地，所述燃料电池水合状态均衡单元的多级斩波电路的占空比关系为：

其中，V1,V2,…,Vn分别为燃料电池串级单元中的燃料电池模块的输出电压；D1,D2,…,Dn分别为燃料电池水合状态均衡单元开关管的关断占空因数，并且有：

D1+D2+...+Dn＝1。

优选地，所述燃料电池水合状态监测估计子单元对各燃料电池模块的输出电压和输出电流进行监测采样，以特征频率下的等效阻抗模值为状态指标，相应的k时刻、特征频率f0下的燃料电池模块j的等效阻抗模值函数形式为：

其中，Wu,j(k,f)和Wi,j(k,f)分别为k时刻、特征频率f0下的燃料电池模块j的电压、电流采样序列的小波系数。

优选地，所述燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元对各燃料电池模块的水合状态进行均衡调节，其对应的极值搜索策略为：

其中，α1和α2分别为经验整定系数，n为所述燃料电池串级单元中燃料电池模块数；

Dj表示所述燃料电池水合状态均衡单元第j个开关管的关断占空因数，zj表示所述燃料电池串级单元中第j个燃料电池模块的等效阻抗，Δzj表示所述燃料电池串级单元中相邻第j个燃料电池模块与第j+1个燃料电池模块的等效阻抗模值差。

本发明具有的有益效果是：

为改善膜干和水淹问题对燃料电池系统输出效率以及燃料电池服役寿命的影响，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。相较于已有独立燃料电池发电系统，本发明的基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统，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燃料电池串级单元出现膜干和水淹现象，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，从而提高燃料电池系统的输出效率；同时，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，有助于大功率集成燃料电池串级发电系统服役寿命的延长。此外，由于燃料电池水合状态均衡单元仅通过不同燃料电池模块间的差分功率，因而其功率等级较小，可以与直流变换单元实现集成设计，且其功率损耗与所述直流变换单元相比可以忽略不计，并不影响所述基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统的整体运行效率。

附图说明

图1为本发明的基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统原理图。

图2为本发明的基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统的燃料电池辅机子单元与直流变换子单元协同控制策略原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1和图2，一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12、燃料电池水合状态均衡单元14、燃料电池辅机单元16、直流变换单元18和主控单元20。

燃料电池串级单元12分别与燃料电池水合状态均衡单元14和燃料电池辅机单元16相连，燃料电池水合状态均衡单元14与直流变换单元18相连，主控单元20分别与燃料电池辅机单元16和直流变换单元18相连，燃料电池水合状态均衡单元14还连接有燃料电池水合状态自适应均衡从控单元22。

燃料电池串级单元包括至少一个燃料电池模块120，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，多个燃料电池模块相互串联以提高输出电压。燃料电池模块可选用现有的燃料电池，如质子交换膜燃料电池。

燃料电池水合状态自适应均衡从控单元22包括燃料电池水合状态监测估计子单元220和燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元222，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。

燃料电池水合状态均衡单元14由多级斩波电路构成，燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元22通过调节多级斩波电路的占空比，完成燃料电池串级单元中各个燃料电池模块之间的质子交换膜水合状态的均衡，避免燃料电池串级单元中各个相互串联的燃料电池模块出现膜干和水淹，提高以燃料电池串级单元为发电单元的燃料电池串级发电系统的输出能效，延长其服役寿命。

燃料电池水合状态均衡单元的多级斩波电路的占空比关系为：

其中，V1,V2,…,Vn分别为燃料电池串级单元中的燃料电池模块的输出电压；D1,D2,…,Dn分别为燃料电池水合状态均衡单元开关管Q1,Q2,…,Qn的关断占空因数，并且有：

D1+D2+...+Dn＝1。

燃料电池水合状态监测估计子单元220对各燃料电池模块的输出电压和输出电流进行监测采样，以特征频率下的等效阻抗模值为状态指标，相应的k时刻、特征频率f0下的燃料电池模块j的等效阻抗模值函数形式为：

其中，Wu,j(k,f)和Wi,j(k,f)分别为k时刻、特征频率f0下的燃料电池模块j的电压、电流采样序列的小波系数。

燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元222对各燃料电池模块的水合状态进行均衡调节，其对应的极值搜索策略为：

其中，α1和α2分别为经验整定系数，n为所述燃料电池串级单元中燃料电池模块数。

Dj表示所述燃料电池水合状态均衡单元第j个开关管的关断占空因数，zj表示所述燃料电池串级单元中第j个燃料电池模块的等效阻抗，Δzj表示所述燃料电池串级单元中相邻第j个燃料电池模块与第j+1个燃料电池模块的等效阻抗模值差。

当燃料电池串级单元的各燃料电池模块的一致性较好时，各燃料电池模块的等效阻抗模值近似相等，燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元222得到的对应于燃料电池水合状态自适应均衡单元的各开关管{Qj}(j＝1,2,…,n)的关断占空因数近似为1/n。

当燃料电池串级单元的各燃料电池模块的一致性较差时，各燃料电池模块的等效阻抗模值不同，燃料电池水合状态自适应均衡控制子单元得到的对应于燃料电池水合状态自适应均衡单元的各开关管{Qj}(j＝1,2,…,n)的关断占空因数为{Dj}(j＝1,2,…,n)。

燃料电池辅机单元16包括空气供给子单元160、氢气供给子单元162、冷却液供给子单元164以及散热风机子单元166。

空气供给子单元160为燃料电池串级单元提供所需质量流量的空气MFair,sp。

氢气供给子单元162为燃料电池串级单元提供所需工作压力的氢气PH2,sp。

冷却液供给子单元164为燃料电池串级单元提供所需质量流量的冷却液MFcoolant,sp。

散热风机子单元166为燃料电池串级单元提供所需的运行温度Tstack,sp。

燃料电池辅机单元确保燃料电池串级单元中各燃料电池模块的正常功率输出。

直流变换单元18由一升压变换器构成，以实现燃料电池串级单元经燃料电池水合状态均衡单元后与负载电压之间的匹配。一方面，燃料电池串级单元属于低压大电流发电装置，而对应负载电压等级相对较高，因而需要升压型变换器实现电压匹配；另一方面，升压变换器固有的输入续流能力，有助于降低燃料电池串级单元的输出电流纹波，同时，在直流变换控制子单元的参与下，便于实现燃料电池串级单元的输出电流精确控制，以有效叠加二值伪随机电流信号序列。

主控单元20包括燃料电池辅机控制子单元200和直流变换控制子单元202，燃料电池辅机控制子单元200分别与空气供给子单元、氢气供给子单元、冷却液供给子单元以及散热风机子单元相连。燃料电池辅机控制子单元为燃料电池辅机单元正常运行提供所需的空气质量流量指令、冷却液质量流量指令以及运行温度指令。

直流变换控制子单元202分别与直流变换单元和燃料电池辅机控制子单元相连，完成对燃料电池串级单元的输出电流控制。

如图1和图2所示，燃料电池辅机控制子单元200根据负载电流需求ireq，计算得到空气供给子单元所需的空气质量流量设定点MFair,sp，计算得到冷却液供给子单元所需的冷却液质量流量设定点MFcoolant,sp，计算得到散热风机子单元所需的电堆温度设定点Tstack,sp。此外，燃料电池辅机控制子单元根据燃料电池辅机单元中空气供给子单元的实际空气质量流量MFair,real计算得到直流变换控制子单元所需的输出电流设定点isp。在此基础上，燃料电池辅机控制子单元根据空气入口压力计算得到燃料电池辅机单元的氢气供给子单元的氢气压力设定点PH2,sp。由此，实现燃料电池辅机控制子单元与燃料电池辅机单元之间的闭环控制。

直流变换控制子单元，根据燃料电池辅机控制子单元计算得到的输出电流设定点isp，结合直流变换单元的输入电流is，生成对应于直流变换单元的开关管所需Qs的脉宽调制信号，实现对燃料电池串级单元的输出电流控制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。