燃料電池分布式控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種燃料電池，尤其設(shè)及一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)。本發(fā)明還設(shè) 及一種燃料電池分布式控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池（FuelCell)是將反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。如圖 1所示的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC),包含電解質(zhì)W及連接到電解質(zhì)兩側(cè)的多孔滲水陰 極與陽極組成。電池的陰極與陽極多由集流板、反應(yīng)氣體流道、氣體擴(kuò)散層（GDL)、微孔層和 催化層組成，在運(yùn)些部件中，集流板是起收集電子、向外輸出電能的部件，其材料一般由導(dǎo) 電率高且力學(xué)穩(wěn)定的金屬組成；反應(yīng)氣體流道為反應(yīng)氣體提供流動(dòng)的通道，同時(shí)將反應(yīng)的 水排出燃料電池內(nèi)部；氣體擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，既利于反應(yīng)物均勻分配 和生產(chǎn)物的及時(shí)排出，同時(shí)傳遞電子和熱量；微孔層是涂布在GDL上的薄層，它可W均勻分 配反應(yīng)氣體，提高電堆性能；催化層的作用是使電池內(nèi)部〇2與燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，催化劑 的性能直接影響到質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。如圖1所示質(zhì)子交換膜物質(zhì)流向，燃料電 池連續(xù)不斷地向陽極輸送燃料化2)，向陰極輸送氧氣（〇2)，在電極表面催化劑的作用下發(fā) 生電化學(xué)反應(yīng)。帶電通過電解質(zhì)從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)電極，電子通過外部的電路 實(shí)現(xiàn)電流的循環(huán)，形成電流。
[0003] 如圖2所示，傳統(tǒng)的燃料利用方式往往需要化學(xué)能-熱能-動(dòng)能-電能轉(zhuǎn)換過程， 如在火力發(fā)電系統(tǒng)中，需要先將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，然后再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為 電能；在內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)中，需要將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。由于需要熱 能-動(dòng)能的能量轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的燃料利用方式往往受到卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)換效率低，整體的 效率通常為33% -35%，有將近2/3的能量W熱能形式在交換過程中損失掉。而在燃料電 池反應(yīng)的過程中，通過電化學(xué)反應(yīng)，燃料的化學(xué)能被直接轉(zhuǎn)換為電能，而電化學(xué)反應(yīng)不受到 卡諾循環(huán)的限制，運(yùn)樣的能量利用方式可W獲得更好的化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換效率。
[0004]另外，燃料電池與蓄電池并不完全相同。燃料電池與蓄電池都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為 電能的電化學(xué)裝置，它們之間最大的不同在于燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置，而蓄電池是一個(gè) 能量存儲(chǔ)裝置。理論上，只要不斷的給燃料電池供給燃料，燃料電池就可W連續(xù)不斷的輸出 電能，運(yùn)使燃料電池具有更高的功率密度。
[000引燃料電池一般包括燃料電池電堆、燃料&供給系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻散熱系 統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和電能管理系統(tǒng)。圖3所示的是一個(gè)常見的風(fēng)冷質(zhì)子交換膜燃料電池系 統(tǒng)，其包括：氨氣供應(yīng)（氨氣瓶），減壓閥，進(jìn)氣口電磁閥，氨氣壓力傳感器，出氣口電池閥， 電堆，溫度測量單元，電壓測量單元，電流測量單元，通過控制風(fēng)冷風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)空氣供給 和氧氣供給，燃料電池輸出控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和保護(hù)，性能改善單元。燃料電池控制系統(tǒng) 主要工作目的為：1)通過合理的開通燃料電池進(jìn)氣電磁閥和尾氣電池閥，保持燃料電池內(nèi) 部&供給量在合理范圍，并定時(shí)排除尾氣；2)通過控制風(fēng)冷風(fēng)扇，控制氧氣供給的同時(shí)，控 制燃料電池的溫度在設(shè)定溫度范圍；3)不間斷監(jiān)控燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)：輸出電壓、電流、 壓力、溫度等參數(shù)，確保燃料電池運(yùn)行在安全狀態(tài)，4)對(duì)燃料電池出現(xiàn)的警告信息作出適當(dāng) 處理和反應(yīng)；5)運(yùn)行過程中定期改善燃料電池運(yùn)行性能；6)顯示與監(jiān)控；7)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài) 控制燃料電池的電能輸出。一個(gè)合理的燃料電池控制系統(tǒng)，不但可W使燃料電池在不同工 況下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，而且還能夠可W電池的使用壽命。
[0006] 傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)控制與監(jiān)控往往采用一個(gè)控制器，和通過該控制器實(shí)現(xiàn)W上 描述的所有功能，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與預(yù)算、算法控制、信息狀態(tài)監(jiān)控、控制執(zhí)行、處理和顯示。 當(dāng)只有一個(gè)燃料電池電堆時(shí)，運(yùn)種類型控制器，如圖3所示的所示控制器，能夠最大程度的 發(fā)揮燃料電池控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 但在實(shí)際應(yīng)用中，為了增加燃料電池的輸出功率，可能需要多個(gè)燃料電池串聯(lián)或 并聯(lián)使用的。如果仍然采用傳統(tǒng)的單個(gè)中央處理器的控制器，如圖4所示的控制器，則該中 央處理器需要監(jiān)控多個(gè)燃料電池單元的狀態(tài)，處理每個(gè)燃料電池單元的數(shù)據(jù)和執(zhí)行每個(gè)燃 料電池單元的控制信息。運(yùn)種傳統(tǒng)的單個(gè)中央處理器型控制器在用于多個(gè)燃料電池單元串 并聯(lián)形成的燃料電池系統(tǒng)時(shí)，具有諸多缺陷。首先，由于多個(gè)燃料電池單元的串并聯(lián)使用， 控制器需要監(jiān)測的參數(shù)將呈幾何級(jí)增加，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)將需要復(fù)雜布線。其次，單個(gè)處 理器或單數(shù)據(jù)處理中屯、的控制器面向多個(gè)燃料電池單元的控制方式導(dǎo)致該處理器對(duì)接收 到的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間過長和增加了整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)燃料電池 系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池單元，因此，單個(gè)處理器或單數(shù)據(jù)處理中屯、的控制器需要同時(shí)針對(duì) 多個(gè)燃料電池單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，運(yùn)會(huì)導(dǎo)致其對(duì)接收到的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間 過長，W致不能對(duì)整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行及時(shí)響應(yīng)，甚至是不可挽回的故障。再次，不利 于該控制器控制的多個(gè)燃料電池單元串并聯(lián)形成的燃料電池系統(tǒng)的損壞后修理。當(dāng)該燃 料電池系統(tǒng)發(fā)生損壞后，確定損壞部位難度大，修理成本高。還有，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)由多個(gè) 燃料電池單元串并聯(lián)形成時(shí)，該控制器與傳感器之間的信號(hào)傳輸易受到影響和發(fā)生錯(cuò)誤。 組成燃料電池系統(tǒng)的燃料電池單元越多，控制器與傳感器之間的信號(hào)傳輸線路越長和越復(fù) 雜，導(dǎo)致控制器與傳感器之間出現(xiàn)信號(hào)傳輸錯(cuò)誤的幾率變大。最后，具有單個(gè)處理器的控制 器需要同時(shí)針對(duì)多個(gè)燃料電池單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，因此需要處理器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù) 處理能力、復(fù)雜的軟件和非常高的穩(wěn)定性，運(yùn)將會(huì)導(dǎo)致控制器的成本高昂和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 陽00引 申請(qǐng)?zhí)枮?00410017053.0的中國發(fā)明專利教導(dǎo)了一種基于CAN通信的燃料電池 系統(tǒng)控制方法，該方法將多個(gè)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象都連接至CAN接口，CAN總線再 與控制器連接。在該發(fā)明專利申請(qǐng)的技術(shù)方案中，其控制器需要接收來自上述部件信息、對(duì) 收集信息進(jìn)行處理和根據(jù)信息處理結(jié)果發(fā)送運(yùn)行指令。該發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案能 夠減少模擬信號(hào)在整個(gè)線路傳輸?shù)目倲?shù)量和減小信號(hào)傳輸中的失真。但該發(fā)明專利申請(qǐng)并 沒有解決多個(gè)燃料電池單元導(dǎo)致的信號(hào)傳輸量的線性增加。另外，由于該燃料電池系統(tǒng)的 所有信號(hào)處理數(shù)據(jù)都需要通過CAN總線傳輸?shù)街噶羁刂破魈幚恚虼嗽摷夹g(shù)方案也不能很 好解決整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于該燃料電池系統(tǒng)的所有信號(hào)處理數(shù)據(jù)都 需要單個(gè)控制器處理，在實(shí)際運(yùn)行中將難W確保所有燃料電池單元的實(shí)時(shí)控制。還有，由于 是通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的某個(gè)燃料電池單元發(fā)生損壞后，難W對(duì) 損壞燃料電池單元進(jìn)行定位和替換。最后，該發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案針對(duì)的是水冷 燃料電池，其并不適用在風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠同時(shí)適用于水冷燃料電池系統(tǒng)和風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，W提 供燃料電池系統(tǒng)對(duì)各個(gè)燃料電池單元的響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)控制。
[0011] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，從而 使得整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量被大幅降低和監(jiān)控器對(duì)每個(gè)燃料電池單元的響應(yīng)時(shí) 間被明顯降低。
[0012] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，從而 大幅降低整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
[0013] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，從而 使得整個(gè)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定和可靠。
[0014] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，W提 高整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的模塊化程度。
[0015] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)包括一個(gè)安全模塊，其中該安全模塊能夠控制燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單 元的燃料，如&控制和在收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，在該燃料電池分布式控制系統(tǒng)的上位機(jī)作出響 應(yīng)之前切斷整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的燃料，如&供應(yīng)和提高燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行安全。
[0016] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，從而 使得當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的某個(gè)燃料電池單元發(fā)生損壞時(shí)，能夠被快速定位和替換。
[0017] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)提供多種檢測燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元實(shí)時(shí)運(yùn)行手段，W更好地監(jiān)控 燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行。
[0018] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，從而 使得燃料電池系統(tǒng)的組裝更為方便和生產(chǎn)成本更加低廉。本發(fā)明的另一目的在于提供一種 燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布式控制系統(tǒng)包括一個(gè)性能改善模塊，W確 保整個(gè)燃料電池系統(tǒng)始終處于相對(duì)較佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而改善燃料電池系統(tǒng)的性能和延長 整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的使用壽命。
[0019] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)性能改善模塊，其中該 性能改善模塊被分配一個(gè)性能改善時(shí)序W使該燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元被依次 進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整，其中該性能改善模塊被設(shè)置W能夠自該控制器接收該性能改善命令和 根據(jù)該性能改善命令改善該燃料電池的運(yùn)行性能。
[0020] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其中該燃料電池分布 式控制系統(tǒng)的該性能改善模塊被設(shè)置W能夠定期和依次對(duì)燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池 單元的燃料電池進(jìn)行放電，W降低燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元的燃料電池的電壓和 改善該燃料電池的性能。本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用上述燃料電池分布式控制系 統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。
[0021] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法可分別適用于水冷燃料電池系統(tǒng)和風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)。
[0022] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法能夠分別獨(dú)立控制燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元，W對(duì)各個(gè)燃料電池單元 的響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)控制。
[0023] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制，從而使得 整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量被大幅降低。
[0024] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制，從而大幅 降低整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
[0025] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制，從而使得 整個(gè)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定和可靠。
[0026] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法能夠分別為燃料電池系統(tǒng)的每個(gè)燃料電池單元提供一個(gè)獨(dú)立的控制，W提高整 個(gè)燃料電池系統(tǒng)的模塊化程度。
[0027] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種燃料電池分布式控制方法，其中該燃料電池分布 式控制方法進(jìn)一步包括一個(gè)安全檢測和控制步驟，其中燃料電池系統(tǒng)在收到一個(gè)報(bào)警信號(hào) 時(shí)，在該燃料電池分布式控制系統(tǒng)的上位機(jī)作出響應(yīng)之前切斷整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的燃料， 如&供應(yīng)，W確保燃料電池