本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜電解水制氫領(lǐng)域，涉及一種質(zhì)子交換膜電解水制氫散熱系統(tǒng)及溫度控制方法，用于保證質(zhì)子交換膜電解槽工作在最佳溫度范圍內(nèi)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度使用帶來(lái)了能源危機(jī)問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題。氫氣作為一種清潔的可再生能源，具有高能量密度，被認(rèn)為能夠取代傳統(tǒng)化石能源。目前主要的制氫方式有化石能源制氫和電解水制氫等，通過(guò)化石能源制取的氫氣純度低并且會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，電解水制氫通過(guò)消耗電能將水分解為氫氣和氧氣，幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，逐漸得到更加廣泛的應(yīng)用。

2、目前主流的電解水制氫方式有堿性電解水制氫和質(zhì)子交換膜電解水制氫，堿性電解水制氫技術(shù)較為成熟，是應(yīng)用最廣的電解水制氫技術(shù)。而相較于堿性電解水制氫，質(zhì)子交換膜電解水制氫具有產(chǎn)氫純度更高、負(fù)載響應(yīng)更快和結(jié)構(gòu)更加緊湊的優(yōu)勢(shì)，因此質(zhì)子交換膜電解水制氫受到重視。質(zhì)子交換膜電解水制氫面臨寬功率變工況輸入下的溫度調(diào)節(jié)難題，功率階躍性輸入時(shí)，系統(tǒng)面臨較大的溫度波動(dòng)，從而對(duì)系統(tǒng)性能與壽命產(chǎn)生影響。

3、質(zhì)子交換膜電解水制氫系統(tǒng)的核心是質(zhì)子交換膜電解槽，其性能主要受到溫度的影響，溫度越高質(zhì)子交換膜電解槽的效率越高，但是過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部的質(zhì)子交換膜退化，因此需要通過(guò)散熱系統(tǒng)使其工作在最佳溫度范圍內(nèi)，合理的控制策略調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)可以保證電解槽工作過(guò)程中溫度的穩(wěn)定，對(duì)其工作效率及使用壽命至關(guān)重要。

4、質(zhì)子交換膜電解水制氫散熱系統(tǒng)具有大慣性和非線性的特點(diǎn)，目前對(duì)于電解槽的溫度控制策略有pid(proportional?integral?differential)控制、mpc(modelpredictive?control)控制等，其中pid控制器屬于無(wú)模型控制，易于實(shí)現(xiàn)，但其具有溫度超調(diào)量大和振蕩嚴(yán)重的缺點(diǎn)；mpc控制器能夠基于系統(tǒng)模型進(jìn)行溫度控制，但其由于模型存在非線性項(xiàng)導(dǎo)致其求解過(guò)程計(jì)算量較大，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)子交換膜電解水制氫散熱系統(tǒng)的溫度控制方法，其基于熱力學(xué)基本定律建立了質(zhì)子交換膜電解水制氫系統(tǒng)的熱動(dòng)態(tài)模型，并通過(guò)對(duì)模型中狀態(tài)變量進(jìn)行線性變換，引入新的狀態(tài)變量，消除了模型中的非線性項(xiàng)，得到了面向控制的模型，并基于面向控制的模型設(shè)計(jì)了擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)及未建模動(dòng)態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，最后通過(guò)串級(jí)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電解槽溫度的穩(wěn)定控制。本發(fā)明的控制方法具有調(diào)節(jié)速度快、溫度超調(diào)量小和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能從理論上保證控制器的穩(wěn)定性，并且計(jì)算量小有利于工程實(shí)現(xiàn)。

2、本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種質(zhì)子交換膜電解水制氫散熱系統(tǒng)的溫度控制方法，包括如下步驟：

4、步驟一、采集電解槽出口溫度tst、換熱器冷側(cè)出口溫度tex,c，換熱器熱側(cè)出口溫度tex,h、電解液箱出口溫度tta和冷水機(jī)出口溫度tc,in；

5、步驟二、對(duì)換熱器熱側(cè)出口溫度和冷側(cè)出口溫度進(jìn)行線性變換得到狀態(tài)變量tex，如下式所示：

6、tex＝cex,htex,h+cex,ctex,c?????????(1)

7、步驟三、將步驟一采集的出口溫度輸入至擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器計(jì)算狀態(tài)變量tex的觀測(cè)值電解槽出口溫度觀測(cè)值電解槽溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值換熱器溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值所述的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如公式(2)所示；

8、

9、其中，l1、k1、l2、k2為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的參數(shù)，cst為電解槽熱容、cta為電解液箱熱容、cex,h為換熱器熱側(cè)熱容、cex,c為換熱器冷側(cè)熱容，cly為電解液比熱容、ccl為冷卻液比熱容，qly為電解液質(zhì)量流量、qcl為冷卻液質(zhì)量流量，qgen為電解槽電解產(chǎn)生的熱量，kvlv為比例閥流量系數(shù)，uduty為比例閥占空比；

10、步驟四、將第一偏差e1、電解槽溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值和步驟一采集的出口溫度輸入至第一反饋控制器中，計(jì)算得到換熱器熱側(cè)出口溫度期望值tex,h,ref；

11、所述的第一偏差e1為電解槽溫度期望值tref與電解槽出口溫度tst之差；

12、所述的第一反饋控制器如公式(9)所示：

13、

14、其中f1為控制器的比例系數(shù)，為保證控制器穩(wěn)定性其取值大于零；

15、步驟五、根據(jù)步驟四計(jì)算出的換熱器熱側(cè)出口溫度的期望值tex,h,ref和步驟一中換熱器冷側(cè)出口溫度tex,c計(jì)算出狀態(tài)變量tex的期望值tex,ref，如下式：

16、tex,ref＝cex,htex,h,ref+cex,ctex,c????????(4)

17、步驟六、將第二偏差e2、換熱器溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值和步驟一采集的出口溫度輸入至第二反饋控制器，計(jì)算得到比例閥占空比uduty；

18、所述的第二偏差e2為步驟五計(jì)算出的tex,ref與步驟二計(jì)算出的tex之差；

19、所述的第二反饋控制器如公式(5)所示：

20、

21、其中f2為控制器的比例系數(shù)，為保證控制器穩(wěn)定性其取值大于零。

22、進(jìn)一步的，所述的步驟一中電解槽電解產(chǎn)生的熱量qgen計(jì)算公式如下：

23、qgen＝(ucell-uth)ielncell?????????(6)

24、其中，ucell為電解槽單片電壓，uth為熱中性電壓，iel為電解電流，ncell為電解槽所含單體片數(shù)。

25、作為本發(fā)明更優(yōu)的技術(shù)方案，所述的步驟二中的可調(diào)參數(shù)的選取如下式：

26、

27、其中w1，w2為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的極點(diǎn)，為保證觀測(cè)器收斂性其取值小于零。

28、本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種質(zhì)子交換膜電解水制氫散熱系統(tǒng)，主要包括：

29、質(zhì)子交換膜電解槽，電解消耗電解液產(chǎn)生氫氣和氧氣；

30、電解液箱1，用于存儲(chǔ)電解液；

31、換熱器，用于進(jìn)行熱量交換；

32、水泵5，用于實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)，電解液從電解液箱輸送到換熱器熱側(cè)6，再輸送到電解槽的陽(yáng)極，未消耗的電解液從電解槽流入電解液箱1；

33、冷水機(jī)4，用于對(duì)冷卻液制冷，與換熱器冷側(cè)7連通；

34、比例閥3，用于控制冷卻液的流量，位于冷水機(jī)出口和換熱器冷側(cè)7入口之間的管路上；

35、溫度傳感器，用于采集電解槽出口溫度tst、換熱器冷側(cè)出口溫度tex,c，換熱器熱側(cè)出口溫度tex,h、電解液箱出口溫度tta和冷水機(jī)出口溫度tc,in；

36、第一控制器，用于計(jì)算得到換熱器熱側(cè)出口溫度期望值tex,h,ref，將第一偏差e1、電解槽溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值和步驟一采集的出口溫度輸入至第一反饋控制器中，計(jì)算得到換熱器熱側(cè)出口溫度期望值tex,h,ref；所述的第一偏差e1為電解槽溫度期望值tref與電解槽出口溫度tst之差；所述的第一反饋控制器如公式(8)所示：

37、

38、其中f1為控制器的比例系數(shù)；

39、第二控制器，用于計(jì)算得到比例閥占空比uduty，將第二偏差e2、換熱器溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值和步驟一采集的出口溫度輸入至第二反饋控制器，計(jì)算得到比例閥占空比uduty；所述的第二偏差e2為tex,ref與tex之差；所述的tex,ref、tex由下式計(jì)算：

40、

41、所述的第二反饋控制器如公式(10)所示：

42、

43、其中f2為控制器比例系數(shù)。

44、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，用計(jì)算狀態(tài)變量tex的觀測(cè)值電解槽出口溫度觀測(cè)值電解槽溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值換熱器溫度模型中未建模動(dòng)態(tài)觀測(cè)值所述的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如公式(11)所示；

45、

46、其中，l1、k1、l2、k2均為觀測(cè)器參數(shù)，cst為電解槽熱容、cta為電解液箱熱容、cex,h為換熱器熱側(cè)熱容、cex,c為換熱器冷側(cè)熱容，cly為電解液比熱容、ccl為冷卻液比熱容，qly為電解液質(zhì)量流量、qcl為冷卻液質(zhì)量流量，qgen為電解槽電解產(chǎn)生的熱量，kvlv為比例閥流量系數(shù)，uduty為比例閥占空比。

47、作為本發(fā)明更優(yōu)的技術(shù)方案，所述的換熱器為板殼式換熱器。

48、作為本發(fā)明更優(yōu)的技術(shù)方案，所述的電解液為純水。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果如下：

50、本發(fā)明提供的質(zhì)子交換膜電解水制氫散熱系統(tǒng)控制方法具有調(diào)節(jié)速度快、溫度超調(diào)量小、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能從理論上保證控制器的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)換熱器冷側(cè)出口溫度和熱側(cè)出口溫度進(jìn)行線性變換引入新的狀態(tài)變量，消除了模型中的非線性項(xiàng)，該方法不需要對(duì)換熱器精確建模，降低了模型復(fù)雜性，并且計(jì)算量小有利于工程實(shí)現(xiàn)。