一体式可逆燃料电池模式切换控制系统及方法

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一体式可逆燃料电池模式切换控制系统及方法。

背景技术：

1、氢能这种无污染，储能密度高的清洁能源，是解决化石燃料储备快速减少，能源日渐枯竭问题的一大热门。一体式可逆燃料电池(unitized regenerativefuel cell,urfc)兼具发电和电解功能，可以利用氢能发电，也可以利用一次能源产氢，比能量最高可达1000wh/kg，具有无自放电，无电池容量限制等优点，是一种高效环保的储能系统。

2、一体式可逆燃料电池具有燃料电池(fc)和电解电池(we)功能，发电模式下，通入的氢气和氧气发生电化学反应，氧电极o2+4h++4e→2h2o，氢电极h2－2e→2h+，输出电能；电解模式下，外加电能，将存储的水电解成氢气和氧气，氧电极2h2o－4e→o2+4h+，氢电极2h++2e→h2。一体式可逆燃料电池电解模式结束转换为发电模式时，电池氧气侧充满电解水，无法直接进行发电，需要通过吹扫来排出电池内部的大量水分，同时又不能使膜电极过干，需要保留有一定量的水分，从而顺利完成模式切换。但现有的模式切换吹扫方法多为定流量吹扫，耗时长，效率低，使得一体式可逆燃料电池运行过程中存在较长的停滞时间，不利于系统高效运行。

3、经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利cn 108390083 a公开的再生燃料电池启动方法仅对电压电流做监测，评估条件不够全面，安全性较低。中国发明专利cn114865014 a公开的燃料电池吹扫方法仅适用于燃料电池停机，其所提到的方法不适用于电解完成后电池氧气侧充满水的状态，也不适用于吹扫完成后保留一定水分的发电起始状态，其分段策略不能将效率最大化。中国发明专利cn111029623a公开的吹扫策略气流量较大，耗时较长，吹扫效率低，不适用于模式切换的短时要求。中国发明专利cn113839068a公开了间歇式多次吹扫策略，恒流恒压策略的吹扫时间长，不适用于模式切换的短时要求，且系统复杂程度过高，经济性差。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种一体式可逆燃料电池模式切换控制系统及方法，缩短模式切换的时间，减少气体消耗量，同时保证模式切换的安全性，简化系统的管路布置和控制流程，提高模式切换效率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一体式可逆燃料电池模式切换控制方法，用于控制一体式可逆燃料电池由电解模式转换为发电模式，包括电解停止阶段，吹扫阶段和发电开始阶段，其中：

3、电解停止阶段：关闭燃料电池电解水通路，打开空气压缩机或其他氧气源以及空气入口，空气出口水流量小于阈值时切换空气出口联通通路；

4、吹扫阶段：对燃料电池氧气侧进行吹扫，吹扫过程中实时监测膜的水含量，在水含量到达不同阶段时，实时将吹扫气体流量调整为该水含量下的最佳流量；

5、发电开始阶段：将空气压缩机或其他氧气源调整为发电模式，并打开氢气入口，进行发电。

6、优选地，所述的电解停止阶段中空气出口水流量的阈值为1ml/s。

7、优选地，吹扫阶段先通过两个预实验得到控制吹扫流量的控制依据，再依据燃料电池内水含量实时改变吹扫气体流量：

8、预实验一：得到燃料电池高频阻抗值与燃料电池内水含量的对应关系，以燃料电池模式启动时的水含量为最小值，电解模式结束时的水含量为最大值，水含量由最大值变为最小值后模式切换完成，停止吹扫；

9、预实验二：以定流量定压力吹扫的方式测得不同吹扫气体流量下燃料电池内水含量的变化曲线；

10、吹扫过程中通过监测燃料电池高频阻抗来监测膜的水含量，在水含量到达不同阶段时，以吹扫速度、耗气量、吹扫安全性为综合标准，依照预实验二的数据计算得到最佳气体流量，从而实时改变吹扫气体流量，得到吹扫过程的最佳流量控制策略。

11、优选地，预实验一是在电解结束，进行模式切换时以0.1a/cm2电流密度下氧气侧的空气进气流量吹扫，通过精密质量计测量模式切换吹扫过程中电池的重量变化曲线，以重量变化反映水分变化量，得到燃料电池内水含量变化曲线，同时记录与水含量对应的高频阻抗值，通过电池高频阻抗值监测燃料电池水含量。

12、预实验二的气体流量的取值为背压0kpa、不同电流密度下氧气侧的空气流量，电流密度取值范围为0.2a/cm2～3a/cm2，每隔0.1a/cm2取一值。

13、优选地，吹扫速度表征水含量由起始值降低到最终值的快慢，是水含量随时间的变化曲线的斜率；

14、优选地，吹扫安全性标准为吹扫流量不超过安全值，安全值asafe计算方法为：

15、asafe＝a0.5*k*p

16、其中，a0.5为0.5a/cm2电流密度下氧气侧的空气进气流量；

17、k为比例系数，依据电堆不同而不同，取值在2.5～4；

18、p为含水量百分比，取值为0～1，电堆充满水时为1，完全干燥时为0；

19、吹扫流量不超过该安全值的条件下，吹扫完成后不损伤膜电极，转换为发电模式后电池性能不降低。

20、所述的综合标准的具体评估方法为：

21、对于不同的水含量，实际吹扫流量不超过该水含量下的安全值，且吹扫速度，耗气量以不同占比进行评估，吹扫速度评估占比要远高于耗气量占比，综合得分score公式如下：

22、score＝m*pspeed+n*pconsumption

23、其中，pspeed为吹扫速度评分，安全值范围内最快吹扫速度对应的吹扫流量为100分；

24、pconsumption为耗气量评分，安全值范围内最小耗气量对应的吹扫流量为100分；

25、m为吹扫速度的评估比重；

26、n为耗气量的评估比重，且m+n＝1；

27、该策略更加注重切换速度，吹扫速度的评估比重m应不小于0.8，得到该水含量下不同吹扫气体流量的综合评估分数，选取分数最高的吹扫气体流量值作为该水含量下的最佳吹扫流量，从而拟合出随水含量变化的吹扫流量曲线，实际吹扫过程中，通过电池高频阻抗对水含量进行实时监测，由控制程序实时将流量调整为该水含量下的最佳吹扫流量。

28、吹扫阶段结束后，进入发电开始阶段，打开氢气源及氢气出入口开关，空气压缩机或其他氧气源调至发电模式，以0.5a/cm2的标准进气量通气，监测各节电池电压，在20s内任意一节电池电压不低于警戒值0.4v即可认为电池可以正常进行发电模式，模式切换完成，如果出现电压低于警戒值的电池，关闭氢气源及氢气出入口，继续进行定压定流量吹扫，吹扫流量为该水含量下的安全值，随后重新进行安全检测，直至通过。

29、本发明还提供一种实施上述方法的一体式可逆燃料电池模式切换控制系统，包括电堆、氢气源、空气源、储氢装置、高频阻抗测量仪、冷却水箱和电解水箱；

30、其中，

31、电解水箱与电堆之间通过电解水进出管路连接，并在电解水进出管路上分别设有电解水入口开关阀和电解水出口开关阀；

32、所述的冷却水箱与电堆之间通过冷却水进出管路连接，并在冷却水进出管路上分别设有冷却水入口开关和冷却水出口开关；

33、氢气源与电堆之间的连接管路上设有氢气入口开关，空气源与电堆之间的连接管路上设有空气入口开关；高频阻抗测量仪连接电堆；

34、电堆的空气出口有两条通路，通路一联通至电解水箱，并在通道一上设有空气出口第一开关，通路二联通至大气环境，并在通路二上设有空气出口第二开关。

35、电解进行时，电解水入口开关阀和电解水出口开关阀均打开，氢气出口开关打开，氢气入口开关关闭，空气出入口开关均关闭，电解水泵从电解水箱中抽水输送至电堆，反应后剩余的电解水通过出口流入电解水箱进行循环；

36、模式切换指令下达时，系统进入电解停止阶段，电解水泵关闭，1s后关闭电解水出入口开关，开启空气入口开关和空气出口第一开关，打开空气压缩机或其他氧气源，进行定压定流量吹扫，空气出口水流量小于阈值1ml/s后打开空气出口第二开关，关闭空气出口第一开关，进入吹扫阶段；

37、所述的电堆两端设有适配于模式切换策略的端板，端板表面共有8个进出口，端板上的进出口与电池堆芯共同构成流通回路，包括冷却水路、氢气路、空气路和电解水路，并且电解水路与空气路在电堆内部通过极板联通，冷却水路、氢气路为完全独立通路。

38、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

39、1.本发明对模式切换不同阶段做了划分，针对每个阶段的特点进行控制，切换流程更加简洁高效；

40、2.本发明通过预实验的方式，可以对不同型号的一体式可逆燃料电池进行标定，制定最优模式切换吹扫策略，适用性广。

41、3.本发明通过反馈式的变流量吹扫实现实时调控，可以有效提高模式切换的吹扫效率，评价标准中兼顾吹扫速度和吹扫安全性，在保证发电模式安全进行的前提下大幅提升吹扫速度，减少模式切换时间，有效降低模式切换的停滞时间，降低了耗气量，减少了吹扫过程的能量消耗，有效提升一体式可逆燃料电池系统的综合性能；

42、4.本发明的端板构型实现了电解模式单独使用电解水进出口，发电模式单独使用空气进出口，简化了管路设计和控制流程，提高了模式切换效率。