本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池正常工作需要燃料-氫氣與空氣，空氣可以直接在大氣中采集，而氫氣的來源就較復(fù)雜，無法很方便的采集，大概分兩類工業(yè)制氫-存儲和現(xiàn)場制氫，儲氫現(xiàn)通常采用高壓氫瓶儲氫、液態(tài)儲氫、金屬儲氫等，其儲氫有體積大、儲氫密度低、安全隱患等缺點；現(xiàn)場制氫包括化石燃料制氫，甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫、化學(xué)制氫、電解制氫、光催化分解水制氫、電解水制氫、生物制氫等，除了化學(xué)制氫，其它現(xiàn)場制氫的方式都有體積較大、重量重、能耗高的缺點，其中化學(xué)制氫裝置有著小型化、甚至微型化的特點，與燃料電池結(jié)合，可以替代大部分便攜式電源上的一次電池。化學(xué)制氫有許多方式，例如：氫化鎂制氫、硼氫化鈉制氫、硫酸制氫等等，但是其因為都是一種化學(xué)反應(yīng)，都是在微觀層的變化，控制難度較大，很難滿足應(yīng)用需求。

質(zhì)子交換膜燃料電池特點：在工作的適合需要穩(wěn)定的氫氣壓力供給，對氫氣實時性要求強，輸出動態(tài)響應(yīng)差，內(nèi)部需要維持特定的溫度、濕度環(huán)境；化學(xué)制氫通常是一種化學(xué)反應(yīng)，為了提高制氫速度，還需要添加催化劑，化學(xué)反應(yīng)是一種在微觀層的操作，可控性極差，在不同的階段、不同的環(huán)境、不同的密度下，制氫反應(yīng)的速度是不一樣的；而對于一個電源系統(tǒng)來說，用戶端關(guān)注的僅僅是輸出的功率，根據(jù)這三方面的訴求，可以知道，此系統(tǒng)的可行性由電源的性能、可靠性和穩(wěn)定性決定。

為了解決此類問題，目前在燃料電池電源系統(tǒng)上采用了增加二次電池的辦法，解決用戶端的訴求，采用了電壓鉗制的方式，常態(tài)排氫，但會造成化學(xué)制氫利用率低下，壓力波動較大，不能很好的去匹配用戶端-二次電池-燃料電池堆—化學(xué)制氫四者的關(guān)系，對電源可靠性、燃料電池堆壽命有較大的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出了一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法，通過有效的能量分配管理，來保證燃料電池堆的輸出功率的穩(wěn)定性，從而來保證化學(xué)制氫流量與壓力的穩(wěn)定性，并通過調(diào)節(jié)燃料電池堆的輸出功率，來調(diào)節(jié)化學(xué)制氫流量與壓力的穩(wěn)定性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)，包括硼氫化鈉制氫模塊，燃料電池堆，dc/dc轉(zhuǎn)換器，能量管理模塊，儲能電池和控制器；

所述硼氫化鈉制氫模塊，其輸出端與所述燃料電池堆的輸入端連接；

所述燃料電池堆，其輸出端與所述dc/dc轉(zhuǎn)換器的輸入端連接；

所述dc/dc轉(zhuǎn)換器，用于將所述燃料電池堆的產(chǎn)生的不穩(wěn)定的電壓通過數(shù)字信號實時控制轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓，其輸出端與所述能量管理模塊的輸入端連接，控制端與所述能量管理模塊的輸出控制信號輸出端相連；

所述能量管理模塊，用于根據(jù)負載功率和所述硼氫化鈉制氫模塊制氫流量來調(diào)整所述儲能電池的輸入輸出狀態(tài)及燃料電池堆輸出狀態(tài)，其與所述儲能電池及負載連接；

所述儲能電池，其與所述能量管理模塊連接；

所述控制器，用于分析計算所述硼氫化鈉制氫模塊、所述燃料電池堆、所述dc/dc轉(zhuǎn)換器、所述能量管理模塊和所述儲能電池上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)所述硼氫化鈉制氫模塊的制氫速率、所述儲能電池的輸入輸出狀態(tài)、所述燃料電池堆的輸出狀態(tài)以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)供電、制氫的穩(wěn)定，其分別與所述硼氫化鈉制氫模塊、所述燃料電池堆、所述dc/dc轉(zhuǎn)換器、所述能量管理模塊和所述儲能電池連接。

作為優(yōu)選，所述能量管理模塊包括功率獲取單元，負載功率分析單元和電能分配單元；

所述功率獲取單元，用于實時獲取負載功率和所述燃料電池堆的實時輸出功率；

所述負載功率分析單元，用于分析實時獲取的負載功率來判定負載功率變化有波動或穩(wěn)定，并將判定結(jié)果上傳給控制器；

所述電能分配單元，用于當所述燃料電池堆產(chǎn)生的電能大于負載所需的電能時，將多于的電能存儲到所述儲能電池中；當所述燃料電池堆產(chǎn)生的電能小于負載所需的電能時，將不足的電能從所述儲能電池中釋放出來以給負載供電。

作為優(yōu)選，所述負載功率分析單元包括負載功率提取時間設(shè)置單元，負載功率離散單元，負載功率判定閾值計算單元，和負載功率最終判定單元；

所述負載功率提取時間設(shè)置單元，用于設(shè)置所要分析的負載功率的時間長度；

所述負載功率離散單元，用于將一定時間長度的負載功率以離散點的形式表示；

所述負載功率判定閾值計算單元，用于計算出現(xiàn)次數(shù)最多的離散點的功率值，將功率值加上一個安全值作為最大判定閾值，將功率值減去一個安全值作為最小判定閾值；

所述負載功率最終判定單元，用于統(tǒng)計大于最大判定閾值和小于最小判定閾值的離散點的總個數(shù)，當總個數(shù)大于設(shè)定個數(shù)閾值時，將負載功率變化判定為有波動；否者，將負載功率變化判定為穩(wěn)定。

作為優(yōu)選，所述硼氫化鈉制氫模塊包括蠕動泵，步進電機，傳感器和電磁閥。

作為優(yōu)選，所述燃料電池堆為小型自增濕空冷電堆。

一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，包括的以下步驟，

（1）啟動燃料電池系統(tǒng)，能量管理模塊根據(jù)外部的負載功率通過控制器計算出燃料電池堆所需的理想輸出功率，燃料電池堆根據(jù)理想輸出功率通過控制器計算出產(chǎn)電所需的最佳氫氣流量，硼氫化鈉制氫模塊根據(jù)最佳氫氣流量通過控制器計算出最佳制氫參數(shù)和最佳制氫速率；

（2）通過控制器監(jiān)測、控制硼氫化鈉制氫模塊，燃料電池堆，dc/dc轉(zhuǎn)換器，能量管理模塊和儲能電池以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的制氫、供電穩(wěn)定，具體包括，

（21）當硼氫化鈉制氫模塊中的實際制氫速率大于最佳制氫速率時，燃料電池堆中的實際氫氣流量大于最佳氫氣流量，燃料電池堆的實際輸出功率大于理想輸出功率，能量管理模塊將實際輸出功率大于理想輸出功率部分所對應(yīng)的電能存儲到儲能電池中；

（22）當硼氫化鈉制氫模塊中的實際制氫速率小于最佳制氫速率時，燃料電池堆中的實際氫氣流量小于最佳氫氣流量，燃料電池堆的實際輸出功率小于理想輸出功率，能量管理模塊將實際輸出功率小于理想輸出功率部分所對應(yīng)的電能從儲能電池中釋放出來以用于負載供電；

（23）當外部的負載功率發(fā)生變化時，通過能量管理模塊判定負載功率的變化情況，并將判定結(jié)果上傳給控制器；

當負載功率變化有波動時，通過能量管理模塊結(jié)合儲能電池來滿足負載功率變化；

當負載功率變化穩(wěn)定時，控制器重新計算燃料電池堆的理想輸出功率，重新計算硼氫化鈉制氫模塊的最佳制氫參數(shù)和最佳制氫速率以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)供電、制氫的穩(wěn)定。

作為優(yōu)選，所述步驟(2)具體為，通過功率獲取單元實時獲取負載功率和燃料電池堆的實時輸出功率，當實時輸出功率大于負載功率，即當燃料電池堆產(chǎn)生的電能大于負載所需的電能時，通過電能分配單元將多于的電能存儲到所述儲能電池中。

作為優(yōu)選，所述步驟(2)具體為，通過功率獲取單元實時獲取負載功率和燃料電池堆的實時輸出功率，當實時輸出功率小于負載功率，即當燃料電池堆產(chǎn)生的電能小于負載所需的電能時，通過電能分配單元將不足的電能從所述儲能電池中釋放出來以給負載供電。

作為優(yōu)選，所述步驟(2)具體為，通過負載功率分析單元分析實時獲取的負載功率來判定負載功率變化有波動或穩(wěn)定，當負載功率變化有波動時，通過電能分配單元來調(diào)整儲能電池的輸入輸出狀態(tài)以滿足負載功率變化；當負載功率變化穩(wěn)定時，通過控制器重新計算燃料電池堆的理想輸出功率，重新計算硼氫化鈉制氫模塊的最佳制氫參數(shù)和最佳制氫速率以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)供電、制氫的穩(wěn)定。

作為優(yōu)選，負載功率變化判定具體包括，通過負載功率提取時間設(shè)置單元設(shè)置所要分析的負載功率的時間長度；

通過負載功率離散單元將一定時間長度的負載功率以離散點的形式表示；

通過負載功率判定閾值計算單元計算出現(xiàn)次數(shù)最多的離散點的功率值，將功率值加上一個安全值作為最大判定閾值，將功率值減去一個安全值作為最小判定閾值；

通過負載功率最終判定單元統(tǒng)計大于最大判定閾值和小于最小判定閾值的離散點的總個數(shù)，當總個數(shù)大于設(shè)定個數(shù)閾值時，將負載功率變化判定為有波動；否者，將負載功率變化判定為穩(wěn)定。

本發(fā)明的有益效果是，通過有效的能量分配管理，來保證燃料電池堆的輸出功率的穩(wěn)定性，從而來保證化學(xué)制氫流量與壓力的穩(wěn)定性，并通過調(diào)節(jié)燃料電池堆的輸出功率，來調(diào)節(jié)化學(xué)制氫流量與壓力的穩(wěn)定性，使得氫氣浪費少，效率高；且優(yōu)化了燃料電池在壽命周期內(nèi)，不會因供氫不穩(wěn)定而產(chǎn)生壽命減少的現(xiàn)象；且控制方法簡單便捷；且減少了體積重量，提高了燃料電池系統(tǒng)功率密度，系統(tǒng)可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)控制方法的邏輯功能示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)，包括硼氫化鈉制氫模塊，燃料電池堆，dc/dc轉(zhuǎn)換器，能量管理模塊，儲能電池和控制器，通過對能量管理的邏輯算法控制，從而實現(xiàn)供電、制氫的穩(wěn)定性與可靠性。

所述硼氫化鈉制氫模塊，用于制造氫氣，其輸出端與所述燃料電池堆的輸入端連接。其中硼氫化鈉制氫采用高精度的蠕動泵與步進電機，搭配各種高精度的傳感器、電磁閥等零部件，在硬件來實現(xiàn)制氫速率的相對可控性。

所述燃料電池堆，用于產(chǎn)生電能，其輸出端與所述dc/dc轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。燃料電池堆采用小型自增濕空冷電堆，減少系統(tǒng)體積重量，以適應(yīng)便攜式電源產(chǎn)品對便攜的要求。

所述dc/dc轉(zhuǎn)換器，用于將所述燃料電池堆的產(chǎn)生的不穩(wěn)定的電壓通過數(shù)字信號實時控制轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓，其輸出端與所述能量管理模塊的輸入端連接，控制端與所述能量管理模塊的輸出控制信號輸出端相連。燃料電池輸出采用數(shù)字式dc/dc調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換，dc/dc具有寬的輸入電壓范圍與輸出電壓范圍，實時調(diào)節(jié)輸出功率。dc/dc采用模塊式數(shù)字dc，通過數(shù)字信號具有實時可調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)的功能，且體積較小，抗干擾能力較強，來滿足對環(huán)境的基本適應(yīng)性。

所述能量管理模塊，用于根據(jù)負載功率和所述硼氫化鈉制氫模塊制氫流量來調(diào)整所述儲能電池的輸入輸出狀態(tài)及燃料電池堆輸出狀態(tài)，其與所述儲能電池及負載連接。所述能量管理模塊包括功率獲取單元，負載功率分析單元和電能分配單元。能量管理模塊通過對儲能電池的管理來實現(xiàn)，具體采用bms和鋰電的方式來實現(xiàn)，具有輸入輸出可實時調(diào)節(jié)功能。

所述功率獲取單元，用于實時獲取負載功率和所述燃料電池堆的實時輸出功率。所述負載功率分析單元，用于分析實時獲取的負載功率來判定負載功率變化有波動或穩(wěn)定，并將判定結(jié)果上傳給控制器。所述電能分配單元，用于當所述燃料電池堆產(chǎn)生的電能大于負載所需的電能時，將多于的電能存儲到所述儲能電池中；當所述燃料電池堆產(chǎn)生的電能小于負載所需的電能時，將不足的電能從所述儲能電池中釋放出來以給負載供電。

所述負載功率分析單元包括負載功率提取時間設(shè)置單元，負載功率離散單元，負載功率判定閾值計算單元，和負載功率最終判定單元。所述負載功率提取時間設(shè)置單元，用于設(shè)置所要分析的負載功率的時間長度，時間長度可以是30秒，或1分鐘，或10分鐘，或30分鐘等任意合理的時間段。所述負載功率離散單元，用于將一定時間長度的負載功率以離散點的形式表示，離散點的功率值取整數(shù)。

所述負載功率判定閾值計算單元，用于計算出現(xiàn)次數(shù)最多的離散點的功率值，也可以是計算多個出現(xiàn)次數(shù)最多的功率值的平均值，將功率值加上一個安全值作為最大判定閾值，將功率值減去一個安全值作為最小判定閾值。所述負載功率最終判定單元，用于統(tǒng)計大于最大判定閾值和小于最小判定閾值的離散點的總個數(shù)，當總個數(shù)大于設(shè)定個數(shù)閾值時，將負載功率變化判定為有波動；否者，將負載功率變化判定為穩(wěn)定。設(shè)定個數(shù)閾值可以是10，或20或50等任意合適的個數(shù)。

所述儲能電池，用于存儲或釋放電能，其與所述能量管理模塊連接。

所述控制器，用于分析計算所述硼氫化鈉制氫模塊、所述燃料電池堆、所述dc/dc轉(zhuǎn)換器、所述能量管理模塊和所述儲能電池上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)所述硼氫化鈉制氫模塊的制氫速率、所述儲能電池的輸入輸出狀態(tài)、所述燃料電池堆的輸出狀態(tài)以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)供電、制氫的穩(wěn)定，其分別與所述硼氫化鈉制氫模塊、所述燃料電池堆、所述dc/dc轉(zhuǎn)換器、所述能量管理模塊和所述儲能電池連接?？刂破鞯目刂扑惴ú捎媚：齪id算法，并結(jié)合增量pid算法的優(yōu)點，來處理復(fù)雜的邏輯關(guān)系。采用現(xiàn)在主流的嵌入式芯片來處理運算算法邏輯，具有運算速度高、體積小、功耗低，應(yīng)用靈活，可適應(yīng)不同場景應(yīng)用需求。

如圖2所示，一種基于化學(xué)制氫的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，包括的以下步驟，

（1）啟動燃料電池系統(tǒng)，能量管理模塊根據(jù)外部的負載功率通過控制器計算出燃料電池堆所需的理想輸出功率，燃料電池堆根據(jù)理想輸出功率通過控制器計算出產(chǎn)電所需的最佳氫氣流量，硼氫化鈉制氫模塊根據(jù)最佳氫氣流量通過控制器計算出最佳制氫參數(shù)和最佳制氫速率。根據(jù)外部需要的負載功率大小，實時調(diào)整能量分配方式，從而控制燃料電池輸出功率，再得到需要的氫氣流量，從而計算出相對制氫速度參數(shù)，從而控制制氫量。

（2）通過控制器監(jiān)測、控制硼氫化鈉制氫模塊，燃料電池堆，dc/dc轉(zhuǎn)換器，能量管理模塊和儲能電池以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的制氫、供電穩(wěn)定，具體包括，

（21）當硼氫化鈉制氫模塊中的實際制氫速率大于最佳制氫速率時，燃料電池堆中的實際氫氣流量大于最佳氫氣流量，燃料電池堆的實際輸出功率大于理想輸出功率，能量管理模塊將實際輸出功率大于理想輸出功率部分所對應(yīng)的電能存儲到儲能電池中。

（22）當硼氫化鈉制氫模塊中的實際制氫速率小于最佳制氫速率時，燃料電池堆中的實際氫氣流量小于最佳氫氣流量，燃料電池堆的實際輸出功率小于理想輸出功率，能量管理模塊將實際輸出功率小于理想輸出功率部分所對應(yīng)的電能從儲能電池中釋放出來以用于負載供電。即當反應(yīng)不可控時，或者爆發(fā)或積液時，通過調(diào)節(jié)燃料電池的輸出功率，改變能量分配方式，來保證燃料電池堆的壓力平穩(wěn)，

（23）當外部的負載功率發(fā)生變化時，通過能量管理模塊判定負載功率的變化情況，并將判定結(jié)果上傳給控制器。

當負載功率變化有波動時，通過能量管理模塊結(jié)合儲能電池來滿足負載功率變化。

當負載功率變化穩(wěn)定時，控制器重新計算燃料電池堆的理想輸出功率，重新計算硼氫化鈉制氫模塊的最佳制氫參數(shù)和最佳制氫速率以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)供電、制氫的穩(wěn)定。

所述步驟(2)具體為，通過功率獲取單元實時獲取負載功率和燃料電池堆的實時輸出功率，當實時輸出功率大于負載功率，即當燃料電池堆產(chǎn)生的電能大于負載所需的電能時，通過電能分配單元將多于的電能存儲到所述儲能電池中。

通過功率獲取單元實時獲取負載功率和燃料電池堆的實時輸出功率，當實時輸出功率小于負載功率，即當燃料電池堆產(chǎn)生的電能小于負載所需的電能時，通過電能分配單元將不足的電能從所述儲能電池中釋放出來以給負載供電。

在相對的時間段內(nèi)，對制氫的輸入?yún)?shù)不進行變化，當外部需求較快變化時，通過調(diào)節(jié)能量管理模塊的能量分配方式，保證制氫參數(shù)的不變化，當負載實際變化時，通過能量管理模塊進行判定后，把結(jié)果上傳給控制器，控制器對所有關(guān)聯(lián)部分進行運算分析，改變制氫速度，控制電池輸入輸出狀態(tài)，從而實現(xiàn)供電、制氫的穩(wěn)定性與可靠性。

通過負載功率分析單元分析實時獲取的負載功率來判定負載功率變化有波動或穩(wěn)定，當負載功率變化有波動時，通過電能分配單元來調(diào)整儲能電池的輸入輸出狀態(tài)以滿足負載功率變化；當負載功率變化穩(wěn)定時，通過控制器重新計算燃料電池堆的理想輸出功率，重新計算硼氫化鈉制氫模塊的最佳制氫參數(shù)和最佳制氫速率以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)供電、制氫的穩(wěn)定。

負載功率變化判定具體包括，通過負載功率提取時間設(shè)置單元設(shè)置所要分析的負載功率的時間長度。通過負載功率離散單元將一定時間長度的負載功率以離散點的形式表示。通過負載功率判定閾值計算單元計算出現(xiàn)次數(shù)最多的離散點的功率值，將功率值加上一個安全值作為最大判定閾值，將功率值減去一個安全值作為最小判定閾值。通過負載功率最終判定單元統(tǒng)計大于最大判定閾值和小于最小判定閾值的離散點的總個數(shù)，當總個數(shù)大于設(shè)定個數(shù)閾值時，將負載功率變化判定為有波動；否者，將負載功率變化判定為穩(wěn)定。

上面所述的實施例僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。