一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统及方法与流程

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池湿度控制方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池因其高效率、高功率密度和环保燃料使用等优点，被认为是未来最有前景的电源之一。质子交换膜燃料电池的性能与各种操作参数密切相关，包括相对湿度、背压、氢气和气体的化学计量比、操作温度等。

2、质子交换膜燃料电池中阳极和阴极的反应式分别为：

3、阳极：h2→2h++2e-

4、阴极：

5、质子交换膜燃料电池电堆由多个单电池串联组装而成，单电池主要由双极板和膜电极组成。在质子交换膜燃料电池中，反应物进入到燃料电池中进行电化学反应，催化剂用来提高电化学反应的效率和速度。阳极氢被催化分离成质子和电子，氢质子通过催化层和质子交换膜到达阴极，电子通过外部负载发电，阴极氧与氢质子发生还原反应，产生热和水。

6、在质子交换膜燃料电池领域，水管理和膜湿度仍然是影响质子交换膜燃料电池效率和寿命的最具挑战性的问题之一。为了使质子交换膜燃料电池系统达到高效率，水管理是至关重要的。水管理系统有三个主要功能：

7、(1)为膜适当充水；

8、(2)去除电堆中产生的水；

9、(3)冷却电池堆以控制工作温度。

10、首先，膜的适当充水与膜的电导率有关，这在很大程度上会影响电池堆在高功率密度下工作的性能；其次，适当去除每个电池中产生的水可以保证气体通道不会被聚集起来的水堵住，这样可以避免电池性能下降。所以，寻找一种有效的质子交换膜燃料电池湿度控制方法是非常重要的。

11、目前质子交换膜燃料电池系统的控制器主要采用proportional-integral-derivative(pid)控制，但随着燃料电池的数学模型不断精确、社会需求的不断变化，pid控制器在控制精度和响应速度上已经逐渐不能满足于燃料电池的湿度控制需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池湿度控制方法，用于采用滑膜控制的方式对膜湿度进行准确控制。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，包括传感器、控制器以及设置在电堆阴阳极气体入口处的加湿器；所述传感器用于采集电堆湿度控制相关参数，其输出端连接至控制器，所述控制器采用滑膜控制器来实现，其根据电堆湿度控制相关参数来调节控制加湿器对电堆输入气体的湿度。

3、所述的传感器包括湿度传感器、加湿器的实际输入湿度采集单元、空气质量流量计，其用于分别采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据。

4、所述滑膜控制器用于基于采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据经滑膜控制来输出湿度信号至加湿器中以控制加湿器对进入到电堆的空气进行加湿。

5、所述的滑膜控制器包括滑模控制模型，用于构建湿度控制系统，滑膜控制设计为两个部分：滑模平面和切换函数，其中：构造滑模面如下：

6、s1＝sact-side       (23)

7、式中：s1是滑模面；sact是实际量；side是设定值。

8、切换函数如下：

9、m＝u1+u2      (24)

10、u1＝-k1sgn(s1)    (25)

11、u2＝-k2|s1|sgn(s1)       (26)

12、式中,k1，k2为大于0的控制参数；m为空气流量；u1为误差相的积分参数；u2为快速调节参数。

13、所述的滑膜控制器对进入电堆阴极的空气中的湿度进行调节控制。

14、所述加湿器设置在空气回路中，所述空气回路包括空压机、压力调节阀、空气质量流量计，空压机依次经过压力调节阀、空气质量流量计、加湿器后连接至燃料电池堆的阴极，为阴极提供加湿控制的空气。

15、一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统的控制方法，在电堆启动工作后，采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据和空气质量流量数据发送至滑膜控制器中，滑膜控制器用于基于采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据经滑膜控制来输出湿度信号至加湿器中以控制加湿器对进入到电堆的空气进行加湿。

16、基于湿度传感器、加湿器的实际输入湿度采集单元、空气质量流量计实时分别采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据。

17、滑膜控制器对进入电堆阴极的空气中的湿度进行调节控制。

18、本发明的优点在于：采用滑膜控制对湿度进行控制，滑模控制器改善了质子交换膜燃料电池湿度的控制补偿功能，具有更高的控制精度、更快的响应速度和更小的超调量，更能满足控制的要求。对于提高燃料电池的性能，提高燃料电池的效率和寿命有重要影响，满足了经济性和使用性的要求。

技术特征：

1.一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，其特征在于：包括传感器、控制器以及设置在电堆阴阳极气体入口处的加湿器；所述传感器用于采集电堆湿度控制相关参数，其输出端连接至控制器，所述控制器采用滑膜控制器来实现，其根据电堆湿度控制相关参数来调节控制加湿器对电堆输入气体的湿度。

2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，其特征在于：所述的传感器包括湿度传感器、加湿器的实际输入湿度采集单元、空气质量流量计，其用于分别采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据。

3.如权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，其特征在于：所述滑膜控制器用于基于采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据经滑膜控制来输出湿度信号至加湿器中以控制加湿器对进入到电堆的空气进行加湿。

4.如权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，其特征在于：所述的滑膜控制器包括滑模控制模型，用于构建湿度控制系统，滑膜控制设计为两个部分：滑模平面和切换函数，其中：构造滑模面如下：

5.如权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，其特征在于：所述的滑膜控制器对进入电堆阴极的空气中的湿度进行调节控制。

6.如权利要求1-5任一所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统，其特征在于：所述加湿器设置在空气回路中，所述空气回路包括空压机、压力调节阀、空气质量流量计，空压机依次经过压力调节阀、空气质量流量计、加湿器后连接至燃料电池堆的阴极，为阴极提供加湿控制的空气。

7.如权利要求1-6任一所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统的控制方法，其特征在于：在电堆启动工作后，采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据和空气质量流量数据发送至滑膜控制器中，滑膜控制器用于基于采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据经滑膜控制来输出湿度信号至加湿器中以控制加湿器对进入到电堆的空气进行加湿。

8.如权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统的控制方法，其特征在于：基于湿度传感器、加湿器的实际输入湿度采集单元、空气质量流量计实时分别采集电堆的膜的湿度数据、加湿器实际输入湿度数据以及空气质量流量数据。

9.如权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统的控制方法，其特征在于：滑膜控制器对进入电堆阴极的空气中的湿度进行调节控制。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池湿度控制系统及方法，其中系统包括传感器、控制器以及设置在电堆阴阳极气体入口处的加湿器；所述传感器用于采集电堆湿度控制相关参数，其输出端连接至控制器，所述控制器采用滑膜控制器来实现，其根据电堆湿度控制相关参数来调节控制加湿器对电堆输入气体的湿度。本发明的优点在于：采用滑膜控制对湿度进行控制，滑模控制器改善了质子交换膜燃料电池湿度的控制补偿功能，具有更高的控制精度、更快的响应速度和更小的超调量，更能满足控制的要求。对于提高燃料电池的性能，提高燃料电池的效率和寿命有重要影响，满足了经济性和使用性的要求。

技术研发人员：潘陈兵,王春喜,何欢欢,黄文涛,伍宏森,陈大华
受保护的技术使用者：安徽瑞氢动力科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24