燃料电池备用电源控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供的燃料电池备用电源控制系统，包括燃料电池电堆、氢气回路、空气通路、冷却内循环回路、冷却外循环回路、电力输出回路和中央控制器，其中电力输出回路包括分别与中央控制器相连的直流电力变换装置、储能装置、逆变器、隔离二极管、充电控制器、主机开关和交流接触器。其优点在于：在系统负载突变时，通过系统能量管理的合理化，有效实现为用户供电零等待，在第一时间为用户提供足够的电力供应，并且通过电堆的程控预热、输出电流线性增加等措施大幅度提高燃料电池的寿命。本发明专利技术同时提供了该系统的控制方法，通过系统启动控制方法、系统预热控制方法、负载突变控制方法和关机控制方法，实现了整机电源为用户供电零等待的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电源控制装置和控制方法，特别涉及一种燃料电池备用电源控制系 统及其控制方法。
技术介绍
电化学燃料电池是一种能够将燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。一 个典型的燃料电池电堆通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃 料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要 是氧气或空气)均勻地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的 进出口与导流通道，将冷却液流体均勻分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内 氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体 的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排除时，可携带出燃料电池中生成 的液、气态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的 一个端板上或者两个端板上。燃料电池系统主要包括燃料电池电堆，为电堆提供氢气、空气以及冷却剂的辅 机系统，为了满足用户基本需求而必须配置的能量管理系统。燃料电池由于自身的能量 物质氢气在燃料电池电堆外部，不能在第一时间为用户提供足够的电力供应，一股需要 在系统中增加储能装置。燃料电池的寿命与诸多因素有关，其中比较重要的因素有，氢气和氧化剂进气 加湿程度、电堆的工作温度、启动和停机的控制方法等。而其中启动和停机控制方法目 前有很多种，但大多没有解决，系统在启动过程中，燃料电池输出的平稳运行问题。由 于缺乏对电源系统的能量管理措施，导致电堆的输出电压经常在短时间内发生大幅度波 动，严重影响电堆的寿命，并经常导致系统当机，严重的时候会导致电堆烧坏；另一方 面电堆停止工作以后，电堆内部残余很多氢气和空气。这些没有被利用的氢气和空气同 样也影响电堆的寿命，这种现象被称之为OCV现象。系统关机后应及时消除OCV现象。消除OCV现象的根本方法是除去燃料电池阴阳极活性物质的一种或者全部。通 常是使用惰性气体将燃料电池阳极残余的氢气吹扫干净，然而在实际应用中不方便配置 惰性气源；目前通行的办法是使用为阴极供氧的空气泵向阳极泵入空气，驱赶阳极中残 余的氢气，但由于空气中的氧气和阳极残余的氢气在电池内部两种气体的接触界面上会 直接发生化学反应，仍然对电堆寿命产生影响。美国专利US6555989公开了一种燃料电池电源系统，描述了该电源的基本工作 原理，将重整制氢技术获得的氢燃料用于燃料电池电堆发电，但该系统未详细描述燃料 电池在备用电源的应用，未详细描述负载突变情况下的控制方法及其综合解决方法。通过控制实现整机电源为用户供电零等待，达到在系统负载突变时，系统内部 通过能量管理，提高燃料电池的寿命，在第一时间为用户提供足够的电力供应，这是目 前尚未解决的重要课题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有的技术存在的缺陷，提供一种燃料电池备用电源控制 系统及其控制方法，可以在系统负载突变时，有效实现整机电源为用户供电零等待，在 第一时间为用户提供足够的电力供应，并且在幅度提高燃料电池的寿命。本专利技术提供的一种燃料电池备用电源控制系统，包括燃料电池电堆、氢气回 路、空气通路、冷却内循环回路、冷却外循环回路、电力输出回路和中央控制器，所述 氢气回路、空气通路、冷却内循环回路和电力输出回路分别与所述燃料电池电堆相连， 所述燃料电池电堆连接有单片电压巡检器，所述冷却外循环回路与冷却内循环回路通过 换热器相连，其中所述氢气回路设有第一电磁阀、氢气循环泵、第一压力传感器和第二压力传感 器，所述第一电磁阀安装在氢气进口管道上，所述氢气循环泵安装在所述燃料电池电堆 的氢气进口端和氢气出口端之间的管道上，所述第一压力传感器安装在所述燃料电池电 堆的氢气进口端，所述第二压力传感器安装在来自储氢器的高压氢气进口端；所述空气通路设有流量传感器、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，所述 流量传感器安装在空气进口端，所述燃料电池电堆依次连接有加湿器和空气泵，所述第 二电磁阀安装在所述空气泵的入口管道上，所述第三电磁阀安装在空气通路的出口管道 上，第四电磁阀安装在空气通路的进口管道上；所述冷却内循环回路设有冷却循环泵和水温传感器，所述冷却循环泵安装在所 述燃料电池电堆的冷却液入口管道上，所述水温传感器连接在所述燃料电池电堆的冷却 液入口端或者所述燃料电池电堆的冷却液出口端；所述冷却外循环回路设有外循环冷却液泵及其转速控制器，所述外循环冷却液 泵及其转速控制器安装在冷却外循环回路的管道上；所述电力输出回路包括直流电力变换装置、储能装置、逆变器、隔离二极管、 充电控制器、主机开关和交流接触器，所述燃料电池电堆的输出端通过所述主机开关与 所述直流电力变换装置的输入端相连，所述直流电力变换装置的输出端通过所述充电控 制器和隔离二极管与所述储能装置相连，所述直流电力变换装置的输出端同时与所述逆 变器和用户端相连，所述逆变器通过所述交流接触器与交流电网相连；所述直流电力变换装置的输入端安装有电流传感器和电压传感器；所述直流电力变换装置、储能装置、逆变器、隔离二极管、充电控制器、主机 开关和交流接触器以及各传感器分别与所述中央控制器相连。本专利技术燃料电池备用电源控制系统，其中所述电力输出回路还包括辅机开关、 至少一个直流变换器，所述辅机开关与所述燃料电池电堆的输出端、储能装置的输出端 和直流变换器的输入端分别相连，所述直流变换器的输出端与所述辅机电力端子相连。本专利技术燃料电池备用电源控制系统，其中所述氢气回路设有手动气体减压阀， 所述手动气体减压阀安装在所述第一电磁阀前端的高压氢气进口管道上。本专利技术燃料电池备用电源控制系统，其中所述中央控制器由处理器、存储器和 人机界面组成。本专利技术燃料电池备用电源控制系统，其中所述储能装置采用铅酸蓄电池或超级电容器。本专利技术提供的一种燃料电池用电源控制系统的控制方法，该方法采用上述的燃 料电池备用电源控制系统，设置燃料电池电堆、氢气回路、空气通路、冷却内循环回 路、冷却外循环回路、电力输出回路和中央控制器，所述燃料电池电堆连接有单片电压 巡检器，所述电力输出回路设置直流电力变换装置、储能装置、充电控制器和逆变器， 所述中央控制器对系统启动的控制序列执行如下步骤110)电网或者所述储能装置开始给所述中央控制器以及系统辅机供电后，由 start按钮启动系统，打开第二压力传感器检查中断；打开总线电压检查中断；各传感器数据采集开始和报警中断；120)判断母线电压是否低于预设电压，即Vbus < Vstartup，或者无高压电供 给，如果是，执行下一步；如果否，屏蔽启动信号，开打关机响应信号，满足条件则跳 转到关机程序，返回上一步；130)打开第一电磁阀和第四电磁阀，关闭第二电磁阀，打开第三电磁阀，控制 空气泵以额定进气量的15% -50%工作l-5s，然后恒定在额定进气量10% -30%持续工 作；140)启动冷却循环泵，氢气循环泵开始以额定速度工作；打开单片电压巡检器 定时检查中断；打开第一压力传感器和第二压力传感器检查中断，保证氢气的供给；打 开直流电力变换装置，所述燃料电池电堆开始对外输出；150)判断所述燃料电池电堆的输出电流是否小于预设电流，如果是，执行下一 步；如果否，执行第170)步；160)将辅机开关切换到所述燃料电池电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池备用电源控制系统，包括燃料电池电堆（２００）、氢气回路、空气通路、冷却内循环回路、冷却外循环回路、电力输出回路和中央控制器（３００），所述氢气回路、空气通路、冷却内循环回路和电力输出回路分别与所述燃料电池电堆（２００）相连，所述燃料电池电堆（２００）连接有单片电压巡检器（ＣＶＭ００１３００），所述冷却外循环回路与冷却内循环回路通过换热器（Ｅ－１）相连，其特征在于：所述氢气回路设有第一电磁阀（ＳＶ－００２）、氢气循环泵（Ｐ－３）、第一压力传感器（ＰＴ００１）和第二压力传感器（ＰＴ００４），所述第一电磁阀（ＳＶ－００２）安装在氢气进口管道上，所述氢气循环泵（Ｐ－３）安装在所述燃料电池电堆（２００）的氢气进口端（１）和氢气出口端（２）之间的管道上，所述第一压力传感器（ＰＴ００１）安装在所述燃料电池电堆（２００）的氢气进口端，所述第二压力传感器（ＰＴ００４）安装在来自储氢器的高压氢气进口端；所述空气通路设有流量传感器（ＦＴ００１）、第二电磁阀（ＳＶ－００８）、第三电磁阀（ＳＶ－００９）和第四电磁阀（ＳＶ０１０），所述流量传感器（ＦＴ００１）安装在空气进口端，所述燃料电池电堆（２００）依次连接有加湿器（Ｃ－１）和空气泵（Ｋ－１），所述第二电磁阀（ＳＶ－００８）安装在所述空气泵（Ｋ－１）的入口管道上，所述第三电磁阀（ＳＶ－００９）安装在空气通路的出口管道上，第四电磁阀（ＳＶ０１０）安装在空气通路的进口管道上；所述冷却内循环回路设有冷却循环泵（Ｐ－１）和水温传感器（ＴＥ００１），所述冷却循环泵（Ｐ－１）安装在所述燃料电池电堆（２００）的冷却液入口管道上，所述水温传感器（ＴＥ００１）连接在所述燃料电池电堆（２００）的冷却液入口端或者所述燃料电池电堆（２００）的冷却液出口端；所述冷却外循环回路设有外循环冷却液泵（Ｐ－２）及其转速控制器（ＳＣ００３），所述外循环冷却液泵（Ｐ－２）及其转速控制器（ＳＣ００３）安装在冷却外循环回路的管道上；所述电力输出回路包括直流电力变换装置（ＤＣ／ＤＣ１）、储能装置（４００）、逆变器（ＡＣ／ＤＣ）、隔离二极管（Ｄ－１）、充电控制器（ＣＣ－１）、主机开关（Ｓ１）和交流接触器（ＥＴ００７），所述燃料电池电堆（２００）的输出端通过所述主机开关（Ｓ１）与所述直流电力变换装置（ＤＣ／ＤＣ１）的输入端相连，所述直流电力变换装置（ＤＣ／ＤＣ１）的输出端通过所述充电控制器（ＣＣ－１）和隔离二极管（Ｄ－１）与所述储能装置（４００）相连，所述直流电力变换装置（ＤＣ／ＤＣ１）的输出端同时与所述逆变器（ＡＣ／ＤＣ）和用户端（１００）相连，所述逆变器（ＡＣ／ＤＣ）通过所述交流接触器（ＥＴ００７）与交流电网（ＡＣ）相连；所述直流电力变换装置（ＤＣ／ＤＣ１）的输入端安装有电流传感器（ＥＴ００３）和电压传感器（ＥＴ００４）；所述直流电力变换装置（ＤＣ／ＤＣ１）、储能装置（４００）、逆变器（ＡＣ／ＤＣ）、隔离二极管（Ｄ－１）、充电控制器（ＣＣ－１）、主机开关（Ｓ１）和交流接触器（ＥＴ００７）以及各传感器分别与所述中央控制器（３００）相连。...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池备用电源控制系统，包括燃料电池电堆(200)、氢气回路、空气通 路、冷却内循环回路、冷却外循环回路、电力输出回路和中央控制器(300)，所述氢气回 路、空气通路、冷却内循环回路和电力输出回路分别与所述燃料电池电堆(200)相连， 所述燃料电池电堆(200)连接有单片电压巡检器(CVM001300)，所述冷却外循环回路与 冷却内循环回路通过换热器(E-I)相连，其特征在于所述氢气回路设有第一电磁阀(SV-002)、氢气循环泵(P-3)、第一压力传感器 (PT001)和第二压力传感器(PT004)，所述第一电磁阀(SV-002)安装在氢气进口管道 上，所述氢气循环泵(P-3)安装在所述燃料电池电堆(200)的氢气进口端(1)和氢气出口 端⑵之间的管道上，所述第一压力传感器(PT001)安装在所述燃料电池电堆(200)的氢 气进口端，所述第二压力传感器(PT004)安装在来自储氢器的高压氢气进口端；所述空气通路设有流量传感器(FT001)、第二电磁阀(SV-008)、第三电磁阀 (SV-009)和第四电磁阀(SV010)，所述流量传感器(FT001)安装在空气进口端，所述燃 料电池电堆(200)依次连接有加湿器(C-I)和空气泵(K-I)，所述第二电磁阀(SV-008) 安装在所述空气泵(K-I)的入口管道上，所述第三电磁阀(SV-009)安装在空气通路的出 口管道上，第四电磁阀(SV010)安装在空气通路的进口管道上；所述冷却内循环回路设有冷却循环泵(P-I)和水温传感器(TE001)，所述冷却循环泵 (P-I)安装在所述燃料电池电堆(200)的冷却液入口管道上，所述水温传感器(TE001)连 接在所述燃料电池电堆(200)的冷却液入口端或者所述燃料电池电堆(200)的冷却液出口 端；所述冷却外循环回路设有外循环冷却液泵(P-2)及其转速控制器(SC003)，所述外循 环冷却液泵(P-2)及其转速控制器(SC003)安装在冷却外循环回路的管道上；所述电力输出回路包括直流电力变换装置(DC/DC1)、储能装置(400)、逆变器 (AC/DC)、隔离二极管(D-1)、充电控制器(CC-1)、主机开关(Si)和交流接触器 (ET007),所述燃料电池电堆(200)的输出端通过所述主机开关(Si)与所述直流电力变 换装置(DC/DC1)的输入端相连，所述直流电力变换装置(DC/DC1)的输出端通过所述 充电控制器(CC-I)和隔离二极管(D-I)与所述储能装置(400)相连，所述直流电力变换 装置(DC/DC1)的输出端同时与所述逆变器(AC/DC)和用户端(100)相连，所述逆变器 (AC/DC)通过所述交流接触器(ET007)与交流电网(AC)相连；所述直流电力变换装置(DC/DC1)的输入端安装有电流传感器(ET003)和电压传感 器(ET004)；所述直流电力变换装置(DC/DC1)、储能装置(400)、逆变器(AC/DC)、隔离二极 管(D-I)、充电控制器(CC-I)、主机开关(Si)和交流接触器(ET007)以及各传感器分 别与所述中央控制器(300)相连。2.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于其中所述电力 输出回路还包括辅机开关(S2)、至少一个直流变换器，所述辅机开关(S2)与所述燃料电 池电堆(200)的输出端、储能装置(400)的输出端和直流变换器的输入端分别相连，所述 直流变换器的输出端分别与所述辅机电力端子(500)相连。3.根据权利要求2所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于其中所述氢气 回路设有手动气体减压阀(PIC003)，所述手动气体减压阀(PIC003)安装在所述第一电磁阀(SV-002)前端的高压氢气进口管道上。4.根据权利要求3所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于其中所述中央 控制器(300)由处理器、存储器和人机界面组成。5.根据权利要求4所述的燃料电池备用电源控制系统，其特征在于其中所述储能 装置(400)采用铅酸蓄电池或超级电容器。6.一种燃料电池备用电源控制系统的控制方法，该方法采用权利要求1-5任一所述的 燃料电池备用电源控制系统，设置燃料电池电堆(200)、氢气回路、空气通路、冷却内循 环回路、冷却外循环回路、电力输出回路和中央控制器(300)，所述燃料电池电堆(200) 连接有单片电压巡检器(CVM001300)，所述电力输出回路设置直流电力变换装置(DC/ DCl)、储能装置(400)、充电控制器(CC-I)和逆变器(AC/DC)，其特征在于所述中 央控制器(300)对系统启动的控制序列执行如下步骤110)电网...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀中华，张平，
申请(专利权)人：北京万瑞讯通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11