一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法技术方案

本发明专利技术属于燃料电池技术及控制领域，尤其涉及一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法。为解决合金储氢罐有效的氢气利用效率无法达到最优，浪费了大量氢气储量的问题。本发明专利技术提出一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法。所述系统包括合金储氢单元、燃料电池单元d、温度分布计算单元m、中央控制系统i、功率采集器h、耗电负载单元g与DC/AC逆变器f。通过储氢合金的放氢PCT曲线及储氢合金粉末块体的热导率，计算出最佳放氢温度及保持温度所需热量，进而调整燃料电池散热系统供热为储氢合金罐加温，最大优化合金储氢罐有效放氢量，大幅提高氢气利用效率。

System and method for controlling and optimizing hydrogen utilization rate of alloy hydrogen storage fuel cell

The invention belongs to the fuel cell technology and the control field, in particular to a system and a method for controlling and optimizing the hydrogen utilization rate of an alloy hydrogen storage fuel cell. In order to solve the problem that the hydrogen storage efficiency of the alloy hydrogen storage tank can not be optimized, a large amount of hydrogen is wasted. The present invention provides a system and method for controlling and optimizing hydrogen utilization rate of an alloy hydrogen storage fuel cell. The system comprises an alloy hydrogen storage unit, a fuel cell unit D, a temperature distribution calculation unit m, a central control system I, a power acquisition unit h, a power consumption load unit G and an DC/AC inverter F. The hydrogen storage alloy hydrogen PCT curve and hydrogen storage alloy powder block thermal conductivity, calculate the best desorption temperature and keeping temperature heat required, and then adjust the heating fuel battery cooling system for heating the hydrogen storage alloy tank, optimize alloy hydrogen storage tank effective hydrogen capacity, greatly improve the utilization efficiency of hydrogen.

【技术实现步骤摘要】
一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法
本专利技术属于燃料电池技术及控制领域，尤其涉及一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法。
技术介绍
燃料电池电源是广泛应用于通信领域的应急备用电源，也可作为电网不方便地区的独立电源。燃料电池将燃料的电化学能转化为电能，其效率远远高于内燃机效率。用氢能作为燃料电池的燃料是最佳的选择。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，其主要优点在于清洁和高效，氢气的燃烧热值高，燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。氢气也可以由水制取，可以直接存储、运输及使用。然而氢的存储与输送是氢能利用中的重要环节，如何做到安全、高效和无泄漏是必须要考虑的问题。目前，合金储氢技术可以实现在常温环境下充放氢气，储氢密度极大，接近液态储氢，并且吸氢压力也仅为一般气态储氢气瓶所需压力的五分之一，适合与各种制氢设备连接，因此合金储氢技术是燃料电池系统最匹配的储氢技术。然而合金储氢技术的储氢密度巨大，由此导致此类储氢系统在放氢过程中需要大量吸热，短时间过快放氢会导致储氢合金温度急剧下降，从而降低了合金的有效放氢量。目前虽然已有利用燃料电池废热与储氢罐吸热耦合从而达到热循环利用的专利技术专利，然而在燃料电池系统设计中，通常以气态储氢气瓶为供氢单元，没有利用合金储氢罐的供氢机理，在不同功率、压力及储氢量变化的条件下，有效管理氢气输入的流量和废热循环效率的设计，导致合金储氢罐有效的氢气利用效率无法达到最优，浪费了大量氢气储量。例如小型风冷式燃料电池的发电功率主要依赖耗电负载的功率被动调整，氢气输入压力和流量没有调整功能，因而无法有效规划利用。目前通信基站主要以铅酸蓄电池作为主要的后备电源，其缺陷主要在于维护成本高，使用寿命短，不能长时间连续供电，对环境污染严重，过冷过热、过充过放、快充快放都会导致储量大幅下降，为了让铅酸电池长时间连续供电，还需增加数倍储量的电池系统，占用更大的空间，同时电池系统冷藏处理也耗费大量电能。新兴的锂离子电池虽然避免了铅酸电池的缺点，但其本身易燃易爆，安全性较差。而另一类稳定的镍氢电池则价格高昂，过充过放损害较大，不利于长期待机储能。燃料电池电源系统可以避免电池类备用电源的缺点，其效率高、易维护；在应急和防灾方面有很大的优势；易于智能化管理，对突然停电和突发性灾害有很好的预见性；使用寿命可达数千小时，长期待机不损害使用寿命，是通讯基站备用电源系统的最佳选择。目前适合基站备用电源的合金储氢罐主要使用AB(如TiFe)和AB2(如TiMn2)系储氢合金，这些合金在特定的较小压力区间内存在可以大量放氢的放氢平台，平台压力随着合金温度的升降而升降，当温度低于某特定点时，平台压力会低于大气压导致大量储氢容量无法利用。虽然已有研究利用燃料电池的废热对储氢罐加热的设计，但是没有对储氢合金的具体温度的监控以及对燃料电池的散热系统的调整，容易出现燃料电池供热不足导致储氢罐放氢量减少，而供氢的不足又会导致燃料电池功率降低，进而令供热进一步减少，最终出现储氢罐尚余大量氢气，但因为温度过低而无法放出，致使燃料电池提前停机的结果。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统与方法，其特征在于：一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统，包括合金储氢单元、燃料电池单元d、温度分布计算单元m、中央控制系统i、功率采集器h、耗电负载单元g、DC/AC逆变器f；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐a、换热腔室p、表面温度传感器k、风道o、散热叶片q、氢气温度传感器l、流量控制器j、氢气减压阀b、压力传感器r、供氢管路c；燃料电池单元d包括质子交换膜e、散热系统n；合金粉末储氢罐a、氢气减压阀b、氢气管路c燃料电池单元d、DC/AC逆变器f、耗电负载单元g、功率采集器h、中央控制器i、流量控制器j依次相连，流量控制器j通过氢气管路c与燃料电池单元d相连，燃料电池单元d的质子交换膜e通过DC/AC逆变器f与耗电负载单元g相连，在合金粉末储氢罐a的表面安装四组表面温度传感器k，并在合金粉末储氢罐a与氢气管路c的连接处安装氢气温度传感器l，将各个表面温度传感器连接至温度分布计算单元m中，温度分布计算单元m与中央控制系统i相连，在合金粉末储氢罐a外侧设有换热腔室p与散热叶片q，散热系统n与风道o相连，使热风进入换热腔室p，通过散热叶片q进行热交换。所述合金粉末储氢罐a使用的合金是储氢合金。所述燃料电池单元d可使用风冷式燃料电池系统或水冷式燃料电池系统。所述燃料电池单元d为氢-氧或氢-空气质子交换膜燃料电池发电装置。所述燃料电池单元d包括在线检测尾气氢气含量的装置、废热与合金储氢罐加热系统耦合的可循环利用装置。所述中央控制器i为PLC可编程逻辑控制器、MCU多点控制单元单片机、DSP高速数字信号处理器中的一种或多种，所述中央控制器i可在断电后自动运行，也可通过网络进行远程监控。所述控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率系统的工作方法，包括：步骤一：当外部电网断电时，合金粉末储氢罐a开始放氢，氢气经过减压输送至燃料电池单元d发电，燃料电池单元d将产生的电能传输至耗电负载单元g中供其使用。步骤二：功率采集器h通过采集耗电负载单元g的耗电功率，提供功率变化曲线数据，并将采集的数据传输至中央控制器i，通过与已知燃料电池极化曲线和功率密度曲线进行对比，中央控制器i对已知燃料电池发电功率与供氢压力及流量的效率曲线进行评估，根据评估结果改变供氢压力及流量，直到燃料电池稳定工作在低功率密度高效率区为止。步骤三：中央控制器i通过负载功率、氢气压力和温度采集系统获得燃料电池的实时数据，通过对比计算获得最佳优化控制曲线，并通过氢气流量和散热系统n进行控制，获得最优化的氢气利用效率。本专利技术的有益效果在于：(1)针对目前小型风冷式燃料电池的发电功率主要依赖耗电负载的功率被动调整，氢气输入压力和流量没有调整功能，无法有效规划利用。本专利技术通过安装于负载上的功率采集器，提前测定负载功率，并根据功率变化改变供氢单元的供氢流量，系统简单，可以自动调整，大幅提高氢气利用效率；(2)针对当前已有的燃料电池没有对储氢合金具体温度进行监控，也没有对燃料电池的散热系统进行调整，容易出现燃料电池供热不足导致储氢罐放氢量减少的现象，而供氢不足又导致燃料电池功率降低，进而令供热进一步减少，最终出现储氢罐尚余大量氢气由于温度过低而无法放出，致使燃料电池提前停机的结果。本专利技术可以持续监控储氢罐表面及放出氢气的温度及压力，根据储氢合金的放氢PCT曲线及储氢合金粉末块体的热导率，计算出最佳放氢温度及保持温度所需热量，进而调整燃料电池散热系统供热为储氢合金罐加温，最大优化合金储氢罐有效放氢量。附图说明附图1是合金储氢-燃料电池发电备用电源系统的设计结构图具体实施方式下面结合附图进行详细说明。附图1为合金储氢-燃料电池发电备用电源系统的设计结构图，如图1所示，所属系统包括合金储氢单元、燃料电池单元d、温度分布计算单元m、中央控制系统i、功率采集器h、耗电负载单元g、DC/AC逆变器f；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐a、换热腔室p、表面温度传感器k、风道o、散热叶片q、氢气温度传感器l、流量控制器j、氢气减压阀b、压力传感器r、供氢管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统，其特征在于，包括合金储氢单元、燃料电池单元(d)、温度分布计算单元(m)、中央控制系统(i)、功率采集器(h)、耗电负载单元(g)、DC/AC逆变器(f)；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐(a)、换热腔室(p)、表面温度传感器(k)、风道(o)、散热叶片(q)、氢气温度传感器(l)、流量控制器(j)、氢气减压阀(b)、压力传感器(r)、供氢管路(c)；燃料电池单元(d)包括质子交换膜(e)、散热系统(n)；合金粉末储氢罐(a)、氢气减压阀(b)、氢气管路(c)燃料电池单元(d)、DC/AC逆变器(f)、耗电负载单元(g)、功率采集器(h)、中央控制器(i)、流量控制器(j)依次相连，流量控制器(j)通过氢气管路(c)与燃料电池单元(d)相连，燃料电池单元(d)的质子交换膜(e)通过DC/AC逆变器(f)与耗电负载单元(g)相连，在合金粉末储氢罐(a)的表面安装四组表面温度传感器(k)，并在合金粉末储氢罐(a)与氢气管路(c)的连接处安装氢气温度传感器(l)，将各个表面温度传感器连接至温度分布计算单元(m)中，温度分布计算单元(m)与中央控制系统(i)相连，在合金粉末储氢罐(a)外侧设有换热腔室(p)与散热叶片(q)，散热系统(n)与风道(o)相连，使热风进入换热腔室(p)，通过散热叶片(q)进行热交换。...

【技术特征摘要】
1.一种控制和优化合金储氢燃料电池氢利用率的系统，其特征在于，包括合金储氢单元、燃料电池单元(d)、温度分布计算单元(m)、中央控制系统(i)、功率采集器(h)、耗电负载单元(g)、DC/AC逆变器(f)；合金储氢单元包括合金粉末储氢罐(a)、换热腔室(p)、表面温度传感器(k)、风道(o)、散热叶片(q)、氢气温度传感器(l)、流量控制器(j)、氢气减压阀(b)、压力传感器(r)、供氢管路(c)；燃料电池单元(d)包括质子交换膜(e)、散热系统(n)；合金粉末储氢罐(a)、氢气减压阀(b)、氢气管路(c)燃料电池单元(d)、DC/AC逆变器(f)、耗电负载单元(g)、功率采集器(h)、中央控制器(i)、流量控制器(j)依次相连，流量控制器(j)通过氢气管路(c)与燃料电池单元(d)相连，燃料电池单元(d)的质子交换膜(e)通过DC/AC逆变器(f)与耗电负载单元(g)相连，在合金粉末储氢罐(a)的表面安装四组表面温度传感器(k)，并在合金粉末储氢罐(a)与氢气管路(c)的连接处安装氢气温度传感器(l)，将各个表面温度传感器连接至温度分布计算单元(m)中，温度分布计算单元(m)与中央控制系统(i)相连，在合金粉末储氢罐(a)外侧设有换热腔室(p)与散热叶片(q)，散热系统(n)与风道(o)相连，使热风进入换热腔室(p)，通过散热叶片(q)进行热交换。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述合金粉末储氢罐(a)使用的合金是储氢合金。3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢淼，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11