阅读说明：本技术 一种ht-pem甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机的控制系统及方法 (Control system and method for oxygen supply fan of HT-PEM methanol-water fuel cell combustion chamber ) 是由 荆涛 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及燃料电池技术领域,公开了一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机控制系统及方法,控制系统包括：第一温度传感器用于检测燃烧室底部的温度Tb,第二温度传感器用于检测燃烧室出口的温度To,第三温度传感器用于检测燃料电池重整室入口的温度Tr1,控制器用于根据燃烧室底部的温度Tb和燃烧室底部的设定温度Tbs来控制甲醇水溶液进液泵的转速,控制器还用于根据燃烧室底部的温度Tb、燃烧室底部的设定温度Tbs、燃烧室的出口温度To和燃料电池重整室的入口温度Tr1来控制供氧风机的转速,这种控制系统及方法,使燃料电池重整室的温度控制始终保持稳定,还可有效延长燃料电池重整室催化剂的使用寿命。(The invention relates to the technical field of fuel cells, and discloses a system and a method for controlling an oxygen supply fan of a combustion chamber of an HT-PEM (high-temperature proton exchange membrane) methanol-water fuel cell, wherein the control system comprises: the control system and the control method are used for enabling the temperature control of the fuel cell reforming chamber To be stable all the time and effectively prolonging the service life of a catalyst of the fuel cell reforming chamber.)

一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机的控制系统及 方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机的控制系统及方法。

背景技术

基于HT-PEM的甲醇水燃料电池的燃烧室主要有两个作用，其一为后续的重整室进行甲醇水制氢提供反应所必需的热量，其二为对甲醇水溶液进行汽化。其热量控制的重要手段就是调节燃烧室供氧风机的转速，特别是在燃料电池重整室开始产生氢气以后，供氧风机转速控制就成为HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室温度控制的唯一手段，因此，其控制性能直接决定了HT-PEM甲醇水燃料电池的反应过程能否可靠的进行，是控制系统的关键。

现有HT-PEM甲醇水燃料电池的燃烧室供氧风机控制比较简单，分为两个阶段：第一阶段为基于燃烧室甲醇水进液量的开环控制，即通过进液量的大小调节供氧风机的转速，使甲醇水溶液能充分燃烧；第二阶段为基于恒定转速值的供氧风机控制，使电堆反应中残余的氢气和一氧化碳能充分燃烧。上述方法的问题在于，未考虑供氧风机转速对燃料电池重整室温度的影响，如风机转速过大，会导致燃料电池重整室的温度下降过快，风机转速太小，又不利于重整室温度的提高。特别是在燃料电池反应的第二阶段，恒定的供氧风机转速会造成燃料电池重整室温度波动较大，不利于氢气的产出质量和重整室催化剂的寿命。

发明内容

本发明提供一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机控制系统及方法，可以解决现有技术中的上述问题。

本发明提供了一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机控制系统，包括：第一温度传感器、第二温度传感器、甲醇水溶液进液泵、供氧风机和控制器；第一温度传感器用于检测燃烧室底部的温度Tb，第二温度传感器用于检测燃烧室出口的温度To，甲醇水溶液进液泵用于为燃烧室提供甲醇水溶液作为燃料，供氧风机用于为燃烧室提供燃烧所需的氧气，控制器用于根据燃烧室底部的温度Tb和燃烧室底部的设定温度Tbs来控制甲醇水溶液进液泵的转速Sbp，控制器还用于根据燃烧室底部的温度Tb、燃烧室底部的设定温度Tbs和燃烧室的出口温度To来控制供氧风机的转速Sbo。

一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

燃料电池电堆预热阶段

S1、通过第一温度传感器检测燃烧室底部的实时温度Tb，控制器将燃烧室底部的设定温度Tbs与燃烧室底部的实时温度Tb进行比对，获得第一温度偏差，第一温度偏差通过闭环控制校正算法得到的结果后乘以第一转换系数Kh1，获得燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp的校正值，Kh1取值为0.1～1.6，控制器根据甲醇水进液泵的转速Sbp校正值来控制甲醇水进液泵的转速Sbp；

S2、通过第二温度传感器检测燃烧室出口的温度To，控制器将第一温度偏差与燃烧室出口的温度To进行比对，获得第二温度偏差，第二温度偏差通过闭环控制校正算法得到的结果后乘以第二转换系数Kh2，获得燃烧室供氧风机转速Sbo的校正值，Kh2的取值为3.1～5.2，控制器根据供氧风机转速Sbo的校正值来控制供氧风机的转速Sbo；

燃料电池电堆发电阶段

S3、控制器将第一温度偏差与燃烧室出口的温度To进行比对，获得第二温度偏差，第二温度偏差通过闭环控制校正算法得到的结果后乘以第二转换系数Kh2，获得燃烧室供氧风机转速Sbo的校正值，控制器根据供氧风机转速Sbo的校正值来控制供氧风机的转速Sbo。

所述燃烧室底部温度Tb为300～400℃，燃烧室出口温度To为550～600℃。

所述燃烧室供氧风机的转速Sbo和燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp满足Sbo≥K2*Sbp，其中，K2的取值为8.2。

所述闭环控制校正算法为Tustin PID闭环控制校正算法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明针对现有技术方案的缺陷，设计了全新的HT-PEM甲醇水燃料电池的燃烧室供氧风机控制系统及控制方法，在反应的第一阶段即燃料电池电堆预热阶段结合了甲醇水进液量和燃料电池重整室温度的综合考虑，反应第二阶段燃料电池电堆发电阶段结合了燃料电池燃烧室的出口温度，通过控制供氧风机的转速，从而使燃料电池重整室的温度控制始终保持稳定，且冷机启动时间大大缩短，最后，还可有效延长燃料电池重整室催化剂的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机控制系统的结构示意图。

图2为本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池燃烧室供氧风机控制方法中的控制原理框图。

图3为未使用本发明的控制系统和控制方法时的燃烧室的出口温度曲线和重整室的入口温度曲线图。

图4为使用本发明的控制系统和控制方法时的燃烧室的出口温度曲线和重整室的入口温度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

HT-PEM燃料电池燃烧室供氧风机是维持燃料电池电堆预加热阶段和燃料电池电堆发电阶段的温度控制的核心器件。当系统进入燃料电池电堆预加热阶段后，燃烧室进液泵为系统提供甲醇水溶液作为燃料。甲醇水溶液在高温气化后，与催化剂接触，通过燃烧室供氧风机提供燃烧所需的氧气。在甲醇水溶液进液量保持不变的条件下，氧气含量直接影响热能的转换。通过调节燃烧室供氧风机转速Sbo可以直接控制供氧量。当甲醇在燃烧室内部充分燃烧时，燃烧室出口温度To将迅速升高，从而影响重整室入口温度Tr1同时升高。通过控制燃烧室供氧风机转速Sbo，从而控制燃烧室内温度变换，完成系统整体温度控制。

本发明提供的燃烧室供氧风机控制方法，应用于HT-PEM甲醇水燃料电池在发电过程中的燃烧室和重整室热平衡控制。具体实施方法包括以下步骤：

该HT-PEM燃料电池燃烧室供氧风机控制方法的核心要素包括：燃烧室供氧风机转速Sbo、燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp、燃烧室底部温度Tb、燃烧室出口温度To、燃料电池重整室入口温度Tr1。其中，控制输入为燃烧室供氧风机转速Sbo和燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp，控制输出为燃烧室底部温度Tb，燃烧室出口温度To和燃料电池重整室入口温度Tr1，控制目的为调整燃烧室供氧风机转速Sbo和燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp，使燃烧室底部温度Tb始终维持在300～400℃，燃烧室出口温度To始终维持在550～600℃，而燃料电池重整室入口温度Tr1则稳定在280～300℃。

所述HT-PEM燃料电池燃烧室供氧风机的控制方法分为两个阶段，分别是燃料电池电堆预热阶段和燃料电池电堆发电阶段。在燃料电池预热阶段，该控制方法包括两个独立运行的闭环控制系统，分别为燃烧室甲醇水进液泵转速闭环控制系统和燃烧室供氧风机转速闭环控制系统。在燃料电池发电阶段，该控制方法为燃烧室供氧风机的转速闭环控制。

所述的燃料电池电堆预热阶段，燃烧室甲醇水进液泵转速闭环控制系统采用双闭环的控制方法，内环控制输入为设定的燃烧室底部温度控制指令Tbs，控制反馈为Tb，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的控制输出作为外环控制的输入，外环控制的反馈为Tb，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的输出乘以转换系数即得到燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp，从而完成燃烧室甲醇水进液泵的转速控制。

所述的燃料电池电堆预热阶段，燃烧室供氧风机转速闭环控制系统采用三闭环的控制方法，内环控制输入为设定的燃烧室底部温度控制指令Tbs，控制反馈为Tb，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的控制输出作为中环控制的输入，中环控制的反馈为Tb，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的输出作为外环控制系统输入，外环控制的反馈为燃料电池燃烧室出口温度To，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的输出乘以转换系数即得到控制输入为燃烧室供氧风机转速Sbo，从而完成燃烧室供氧风机转速控制。需要说明的是，燃烧室供氧风机转速和燃烧室甲醇水进液泵转速之间须始终满足燃烧室供氧风机转速Sbo≥K2*燃烧室甲醇水进液泵转速Sbp，其中，K2为8.2，通过实验获得。

所述的燃料电池电堆发电阶段，燃烧室供氧风机转速闭环控制系统采用三闭环的控制方法，内环控制输入为设定的燃烧室底部温度控制指令Tbs，控制反馈为Tb，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的控制输出作为中环控制的输入，中环控制的反馈为Tb，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的输出作为外环控制系统输入，外环控制的反馈为Tr1，二者偏差通过闭环控制校正算法，得到的输出乘以转换系数即得到燃烧室供氧风机转速Sbo，从而完成燃烧室供氧风机转速控制。

优选的，上述控制方法中采用的闭环控制校正算法均为Tustin PID控制方法。

图3为现有燃烧室的出口温度To和重整室的入口温度Tr1的曲线图，图4为使用本发明的控制系统和控制方法后燃烧室的出口温度To和重整室的入口温度Tr1的曲线图，对比可见，使用本发明的控制系统和控制方法后燃烧室的出口温度To和重整室的入口温度Tr1均比较平稳，尤其是重整室的入口温度Tr1，波动比较小，使燃料电池重整室的温度控制始终保持稳定，可有效延长燃料电池重整室催化剂的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。