本發(fā)明屬于燃料電池堆發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)隨著能源短缺和環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，燃料電池作為一種高效潔凈的發(fā)電裝置，其技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了各國(guó)政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及高等院校的高度重視。燃料電池被看做是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電與核電之后的第四種發(fā)電方式，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈高效的發(fā)電技術(shù)。燃料電池通常被這樣定義：只要不斷地向電極提供反應(yīng)物質(zhì)，就能連續(xù)地將供給的燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能、熱能和水的電化學(xué)裝置。

燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)、物理過程，涉及到氫氣供給系統(tǒng)、空氣或氧氣供給系統(tǒng)以及水/熱管理系統(tǒng)，通過人工操作不能滿足效率、安全穩(wěn)定性等方面的要求。由于燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載經(jīng)常發(fā)生變化，特別是車輛用的燃料電池，要頻繁的啟動(dòng)、停止、變速，導(dǎo)致負(fù)載變化非常大。因此，對(duì)燃料電池系統(tǒng)的各個(gè)部分協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作有效控制，是目前燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)者的棘手問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)及控制方法，通過主控制器對(duì)燃料電池的各個(gè)部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集，涉及的多種傳感元件(如溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、電導(dǎo)率傳感器和流量計(jì)等)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破?，并由主控制器?duì)多種執(zhí)行元件(如電磁閥、調(diào)節(jié)閥和循環(huán)泵等)進(jìn)行控制，提高燃料電池系統(tǒng)的整體平衡能力，使各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，從而使燃料電池始終工作在最佳效率以及運(yùn)行安全。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)，包括氫氣控制單元、空氣控制單元和液體循環(huán)控制單元；

所述氫氣控制單元上依次設(shè)有氫氣進(jìn)氣電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氫氣進(jìn)氣流量計(jì)、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器、氣水分離器和氫氣循環(huán)泵，所述氫氣進(jìn)氣壓力傳感器位于燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端，所述氫氣循環(huán)泵的一端與所述燃料電池堆的氫氣出口端連接且位于所述氣水分離器的下游，所述氫氣循環(huán)泵的另一端與所述燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端連接且位于所述氫氣進(jìn)氣流量計(jì)的上游；

所述空氣控制單元上依次設(shè)有空氣增壓器、空氣進(jìn)氣流量計(jì)、加濕器和空氣進(jìn)氣壓力傳感器，所述空氣進(jìn)氣壓力傳感器位于所述燃料電池堆的空氣進(jìn)口端；

所述液體循環(huán)控制單元包括預(yù)熱循環(huán)控制單元和外循環(huán)冷卻控制單元，所述預(yù)熱循環(huán)控制單元上依次設(shè)有加熱器和第一液體循環(huán)泵，所述外循環(huán)冷卻控制單元上設(shè)有熱交換器和第二液體循環(huán)泵，所述預(yù)熱循環(huán)控制單元和所述外循環(huán)冷卻控制單元兩者的通用管路上設(shè)有進(jìn)水壓力傳感器、進(jìn)水溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和出水溫度傳感器，所述進(jìn)水壓力傳感器、所述進(jìn)水溫度傳感器和所述電導(dǎo)率傳感器皆位于所述燃料電池堆的液體進(jìn)口端，所述出水溫度傳感器位于所述燃料電池堆的液體出口端，所述熱交換器內(nèi)設(shè)有液位傳感器；

還包括主控制器，所述氫氣進(jìn)氣電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氫氣進(jìn)氣流量計(jì)、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器、氫氣循環(huán)泵、空氣增壓器、空氣進(jìn)氣流量計(jì)、空氣進(jìn)氣壓力傳感器、加熱器、第一液體循環(huán)泵、進(jìn)水壓力傳感器、進(jìn)水溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、液位傳感器、第二液體循環(huán)泵和出水溫度傳感器分別與所述主控制器電連接。

進(jìn)一步地說(shuō)，所述氫氣控制單元上還設(shè)有氫氣進(jìn)氣溫度傳感器和氫氣進(jìn)氣濕度傳感器，所述氫氣進(jìn)氣溫度傳感器和所述氫氣進(jìn)氣濕度傳感器皆位于所述燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端，所述氫氣進(jìn)氣溫度傳感器和所述氫氣進(jìn)氣濕度傳感器分別與所述主控制器電連接。

進(jìn)一步地說(shuō)，所述氫氣控制單元上還設(shè)有排水電磁閥和排水管道，所述排水管道的一端與所述氣水分離器連通，所述排水電磁閥位于所述排水管道上，所述排水電磁閥與所述主控制器電連接。

進(jìn)一步地說(shuō)，所述主控制器為plc(西門子系列)。

所述的一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

第一步：主控制器控制預(yù)熱循環(huán)控制單元的加熱器和第一液體循環(huán)泵打開，液體經(jīng)加熱器加熱后通入燃料電池堆；其中，進(jìn)水壓力傳感器控制進(jìn)水壓力為10-50kpa，電導(dǎo)率傳感器控制進(jìn)水電導(dǎo)率不高于200μs/cm，進(jìn)水溫度傳感器控制進(jìn)水溫度為65-70℃；

第二步：當(dāng)出水溫度傳感器檢測(cè)到出水溫度為75-80℃時(shí)，主控制器關(guān)閉預(yù)熱循環(huán)控制單元的第一液體循環(huán)泵和加熱器，同時(shí)啟動(dòng)氫氣控制單元、空氣控制單元和外循環(huán)冷卻控制單元；

氫氣控制單元的控制過程：主控制器控制氫氣進(jìn)氣電磁閥打開，氫氣通過管道進(jìn)入燃料電池堆，在燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端通過采集氫氣進(jìn)氣流量計(jì)、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器、氫氣進(jìn)氣溫度傳感器和氫氣進(jìn)氣濕度傳感器的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)由主控制器作出判斷后，再由主控制器發(fā)出指令給氫氣進(jìn)氣電磁閥和氫氣進(jìn)氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而通過控制氫氣進(jìn)氣電磁閥來(lái)控制氫氣的壓力，通過控制氫氣進(jìn)氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制氫氣流量，另外，氫氣循環(huán)泵將氣水分離器中分離出的氫氣重新泵入燃料電池堆，當(dāng)燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端的氫氣進(jìn)氣壓力傳感器檢測(cè)到氫氣進(jìn)氣的壓力值超過設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)傳遞給主控制器，并由主控制器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氫氣進(jìn)氣流量；其中，氫氣進(jìn)氣流量計(jì)的流量為650-700l/min，氫氣進(jìn)氣壓力傳感器的壓力穩(wěn)定在0.2-0.25mpa，氫氣進(jìn)氣溫度傳感器的溫度維持在大于60℃，氫氣進(jìn)氣濕度傳感器的濕度維持在90-100％；

空氣控制單元的控制過程：空氣通過加濕器進(jìn)入燃料電池堆，并在燃料電池堆的空氣進(jìn)口端采集空氣進(jìn)氣流量計(jì)和空氣進(jìn)氣壓力傳感器的數(shù)據(jù)，維持進(jìn)入燃料電池堆的空氣的流量值和壓力值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)；其中，空氣進(jìn)氣流量計(jì)的流量為2500-2580l/min，空氣進(jìn)氣壓力傳感器的壓力穩(wěn)定在0.2-0.25mpa；

外循環(huán)冷卻控制單元的控制過程：主控制器開啟外循環(huán)冷卻控制單元的第二液體循環(huán)泵，當(dāng)熱交換器中的液位傳感器檢測(cè)到熱交換器中水位低于設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)傳送到主控制器，提醒工作人員在熱交換器中添加水。

進(jìn)一步地說(shuō)，所述排水電磁閥與所述主控制器的控制方法包括以下兩種：

第一種：設(shè)定主控制器每5-10min打開排水電磁閥，將氫氣控制單元中產(chǎn)生的水排放出去，間隔0.5-1.5s后關(guān)閉排水電磁閥，如此循環(huán)；

第二種：排水電磁閥的上游設(shè)有一出水液位傳感器，出水液位傳感器與主控制器電連接，當(dāng)出水液位傳感器檢測(cè)到氫氣控制單元中排水管道的水位超過設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)傳輸至主控制器，從而主控制器控制排水電磁閥打開，排水。

本發(fā)明的有益效果至少具有以下幾點(diǎn)：

一、本發(fā)明通過主控制器對(duì)氫氣控制單元、空氣控制單元和液體循環(huán)控制單元中的多種傳感元件和執(zhí)行元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，利于提高燃料電池系統(tǒng)的工作效率以及運(yùn)行安全性；

二、本發(fā)明對(duì)空氣控制單元中設(shè)有的空氣進(jìn)氣流量計(jì)和空氣進(jìn)氣壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過空氣增壓器調(diào)節(jié)，能夠精確控制空氣的流量，保證系統(tǒng)的運(yùn)行要求；

三、本發(fā)明氫氣控制單元上設(shè)有的氫氣循環(huán)泵能夠?qū)⑷剂想姵囟逊磻?yīng)后殘余的氫氣重新泵入氫氣控制單元，避免氫氣外排造成資源浪費(fèi)；

四、本發(fā)明液體循環(huán)控制單元上設(shè)有的電導(dǎo)率傳感器能夠檢測(cè)進(jìn)入燃料電池堆的液體的電導(dǎo)率，使其循環(huán)液體保持良好的絕緣性能；出水溫度傳感器能夠檢測(cè)循環(huán)水溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)能夠及時(shí)關(guān)閉預(yù)熱循環(huán)控制單元，靠燃料電池堆產(chǎn)生的熱量進(jìn)行運(yùn)行，減少燃料電堆系統(tǒng)的能源消耗。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的管路連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的控制原理示意圖；

附圖中各部分標(biāo)記如下：

氫氣控制單元1、空氣控制單元2、燃料電池堆3、預(yù)熱循環(huán)控制單元4、外循環(huán)冷卻控制單元5、主控制器6、氫氣進(jìn)氣電磁閥8、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥9、氫氣進(jìn)氣流量計(jì)10、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器11、氣水分離器12、氫氣循環(huán)泵13、氫氣進(jìn)氣溫度傳感器15、氫氣進(jìn)氣濕度傳感器16、排水電磁閥17、排水管道18、空氣增壓器19、空氣進(jìn)氣流量計(jì)20、加濕器21、空氣進(jìn)氣壓力傳感器22、加熱器23、第一液體循環(huán)泵24、熱交換器25、液位傳感器26、第二液體循環(huán)泵27、進(jìn)水壓力傳感器28、進(jìn)水溫度傳感器29、電導(dǎo)率傳感器30和出水溫度傳感器31。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

實(shí)施例：一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)，如圖1-圖3所示，包括氫氣控制單元1、空氣控制單元2和液體循環(huán)控制單元；

所述氫氣控制單元1上依次設(shè)有氫氣進(jìn)氣電磁閥8、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥9、氫氣進(jìn)氣流量計(jì)10、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器11、氣水分離器12和氫氣循環(huán)泵13，所述氫氣進(jìn)氣壓力傳感器11位于燃料電池堆3的氫氣進(jìn)口端，所述氫氣循環(huán)泵13的一端與所述燃料電池堆3的氫氣出口端連接且位于所述氣水分離器12的下游，所述氫氣循環(huán)泵13的另一端與所述燃料電池堆3的氫氣進(jìn)口端連接且位于所述氫氣進(jìn)氣流量計(jì)10的上游；

所述空氣控制單元2上依次設(shè)有空氣增壓器19、空氣進(jìn)氣流量計(jì)20、加濕器21和空氣進(jìn)氣壓力傳感器22，所述空氣進(jìn)氣壓力傳感器22位于所述燃料電池堆3的空氣進(jìn)口端；

所述液體循環(huán)控制單元包括預(yù)熱循環(huán)控制單元4和外循環(huán)冷卻控制單元5，所述預(yù)熱循環(huán)控制單元4上依次設(shè)有加熱器23和第一液體循環(huán)泵24，所述外循環(huán)冷卻控制單元5上設(shè)有熱交換器25和第二液體循環(huán)泵27，所述預(yù)熱循環(huán)控制單元4和所述外循環(huán)冷卻控制單元5兩者的通用管路上設(shè)有進(jìn)水壓力傳感器28、進(jìn)水溫度傳感器29、電導(dǎo)率傳感器30和出水溫度傳感器31，所述進(jìn)水壓力傳感器28、所述進(jìn)水溫度傳感器29和所述電導(dǎo)率傳感器30皆位于所述燃料電池堆3的液體進(jìn)口端，所述出水溫度傳感器31位于所述燃料電池堆3的液體出口端，所述熱交換器25內(nèi)設(shè)有液位傳感器26；

還包括主控制器6，所述氫氣進(jìn)氣電磁閥8、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥9、氫氣進(jìn)氣流量計(jì)10、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器11、氫氣循環(huán)泵13、空氣增壓器19、空氣進(jìn)氣流量計(jì)20、空氣進(jìn)氣壓力傳感器22、加熱器23、第一液體循環(huán)泵24、進(jìn)水壓力傳感器28、進(jìn)水溫度傳感器29、電導(dǎo)率傳感器30、液位傳感器26、第二液體循環(huán)泵27和出水溫度傳感器31分別與所述主控制器6電連接。

所述氫氣控制單元1上還設(shè)有氫氣進(jìn)氣溫度傳感器15和氫氣進(jìn)氣濕度傳感器16，所述氫氣進(jìn)氣溫度傳感器15和所述氫氣進(jìn)氣濕度傳感器16皆位于所述燃料電池堆3的氫氣進(jìn)口端，所述氫氣進(jìn)氣溫度傳感器15和所述氫氣進(jìn)氣濕度傳感器16分別與所述主控制器6電連接。

所述氫氣控制單元1上還設(shè)有排水電磁閥17和排水管道18，所述排水管道18的一端與所述氣水分離器12連通，所述排水電磁閥17位于所述排水管道18上，所述排水電磁閥17與所述主控制器6電連接。

所述主控制器6為plc(西門子系列)。

所述的一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

第一步：主控制器控制預(yù)熱循環(huán)控制單元的加熱器和第一液體循環(huán)泵打開，液體經(jīng)加熱器加熱后通入燃料電池堆；其中，進(jìn)水壓力傳感器控制進(jìn)水壓力為10-50kpa，電導(dǎo)率傳感器控制進(jìn)水電導(dǎo)率不高于200μs/cm，進(jìn)水溫度傳感器控制進(jìn)水溫度為65-70℃；

第二步：當(dāng)出水溫度傳感器檢測(cè)到出水溫度為75-80℃時(shí)，主控制器關(guān)閉預(yù)熱循環(huán)控制單元的第一液體循環(huán)泵和加熱器，同時(shí)啟動(dòng)氫氣控制單元、空氣控制單元和外循環(huán)冷卻控制單元；

氫氣控制單元的控制過程：主控制器控制氫氣進(jìn)氣電磁閥打開，氫氣通過管道進(jìn)入燃料電池堆，在燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端通過采集氫氣進(jìn)氣流量計(jì)、氫氣進(jìn)氣壓力傳感器、氫氣進(jìn)氣溫度傳感器和氫氣進(jìn)氣濕度傳感器的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)由主控制器作出判斷后，再由主控制器發(fā)出指令給氫氣進(jìn)氣電磁閥和氫氣進(jìn)氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而通過控制氫氣進(jìn)氣電磁閥來(lái)控制氫氣的壓力，通過控制氫氣進(jìn)氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制氫氣流量；另外，氫氣循環(huán)泵將氣水分離器中分離出的氫氣重新泵入燃料電池堆，當(dāng)燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端的氫氣進(jìn)氣壓力傳感器檢測(cè)到氫氣進(jìn)氣的壓力值超過設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)傳遞給主控制器，并由主控制器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氫氣進(jìn)氣流量；其中，氫氣進(jìn)氣流量計(jì)的流量為650-700l/min，氫氣進(jìn)氣壓力傳感器的壓力穩(wěn)定在0.2-0.25mpa，氫氣進(jìn)氣溫度傳感器的溫度維持在大于60℃，氫氣進(jìn)氣濕度傳感器的濕度維持在90-100％；

空氣控制單元的控制過程：空氣通過加濕器進(jìn)入燃料電池堆，并在燃料電池堆的空氣進(jìn)口端采集空氣進(jìn)氣流量計(jì)和空氣進(jìn)氣壓力傳感器的數(shù)據(jù)，維持進(jìn)入燃料電池堆的空氣的流量值和壓力值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)；其中，空氣進(jìn)氣流量計(jì)的流量為2500-2580l/min，空氣進(jìn)氣壓力傳感器的壓力穩(wěn)定在0.2-0.25mpa；

外循環(huán)冷卻控制單元的控制過程：主控制器開啟外循環(huán)冷卻控制單元的第二液體循環(huán)泵，當(dāng)熱交換器中的液位傳感器檢測(cè)到熱交換器中水位低于設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)傳送到主控制器，提醒工作人員在熱交換器中添加水。

所述排水電磁閥與所述主控制器的控制方法包括以下兩種：

第一種：設(shè)定主控制器每5-10min打開排水電磁閥，將氫氣控制單元中產(chǎn)生的水排放出去，間隔0.5-1.5s后關(guān)閉排水電磁閥，如此循環(huán)；

第二種：排水電磁閥的上游設(shè)有一出水液位傳感器，出水液位傳感器與主控制器電連接，當(dāng)出水液位傳感器檢測(cè)到氫氣控制單元中排水管道的水位超過設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)傳輸至主控制器，從而主控制器控制排水電磁閥打開，排水。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。