[实用新型]质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器，属于质子交换膜燃料电池的智能控制技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。目前研究开发的质子交换膜燃料电池及其控制器，作为一种有前景的新能源装置，存在制造成本高和使用寿命短等严重因素，已成为目前广泛应用的瓶颈。特别是质子交换膜燃料电池在操作使用过程中极易造成电池性能衰减或损坏，其原因除燃料电池制造关键材料性能下降外，主要是控制器的设计方法和操作因素造成的。而且，目前研究开发设计的控制器只是对一个和几个变量进行控制，缺乏综合的智能优化控制和监测能力。设计的控制器要么燃料/空气的给定量总是很大，由于尾气排放，浪费了大量的燃料；要么进行仿真研究，缺乏实验研究和应用结果。由于传统装备存在这些严重因素，使其价格较昂贵，保养、维护费用也较高，制约了质子交换膜燃料电池的广泛应用和深入发展。

发明内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种质子交换膜燃料电池的智能综合优化监测与控制器，这种控制器可实现质子交换膜燃料电池的氢气和空气最少、输出功率最大、温度和压力恒定等功能。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

本实用新型与质子交换膜燃料电池对应连接，用于监测和控制质子交换膜燃料电池，在质子交换膜燃料电池的输出端连接有UPS不间断电源，在UPS不间断电源的输出端连接负载，其创新之处在于：其包括乘法器、功率跟踪控制器、化学计量表、压力控制器、氢气流量控制器、氧气流量控制器，水含量监测系统、温度控制器、空气冷却器、水冷却器、功率转换控制器、可控硅、铅酸电池；

其中，乘法器的输入信号端分别与质子交换膜燃料电池的电流输出端和电压输出端连接，乘法器的控制信号输出端分别与功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端连接；功率跟踪控制器和功率转换控制器的信号输入端还与水含量监测系统的控制信号输出端，功率跟踪控制器的控制信号输出端与化学计量表的信号输入端连接；压力控制器的氢气信号输入端同时与化学计量表的氢气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氢气压力信号输出端连接，压力控制器的氧气信号输入端同时与化学计量表的氧气流量给定信号输出端和质子交换膜燃料电池的氧气压力信号输出端连接，压力控制器的氢气流量信号输出端与氢气流量控制器的信号输入端连接，压力控制器的氧气流量信号输出端与氧气流量控制器的信号输入端连接；氢气流量控制器的氢气输出端与质子交换膜燃料电池的氢气输入端连接，氧气流量控制器的氧气输出端与质子交换膜燃料电池的氧气输入端连接；温度控制器的输入端同时与水含量监测系统的控制信号输出端和质子交换膜燃料电池的温度信号输出端连接，温度控制器的控制信号输出端分别与空气冷却器和水冷却器的输入端连接；空气冷却器和水冷却器的输出端分别与质子交换膜燃料电池的空气信号输入端和水信号输入端连接；功率转换控制器的两个信号输出端分别与两个可控硅的控制信号端对应连接；其中一个可控硅的电压信号输入端与质子交换膜燃料电池的电压输出端连接，另一个可控硅的电压信号输入端与铅酸电池的输出端连接，两个可控硅的电压输出端同时与UPS不间断电源的电压输入端连接。

本实用新型通过功率跟踪控制器、压力控制器、氢气流量控制器和氧气(也可以为空气)流量控制器、温度控制器、以及功率转换控制器组成的综合的智能优化控制器和水含量监测系统，同时实现燃料和氧气(或空气)最少和质子交换膜燃料电池输出功率最大。解决了燃料和氧气(或空气)缺失现象、电堆损坏和膜电极泄漏的问题。在运行过程中，首先通过水含量监测系统在线检测质子交换膜燃料电池的输出电压、电流、温度、压力和膜的电阻，然后计算膜的水含量，用乘法器计算出质子交换膜燃料电池的输出功率；然后，根据上述的检测量和计算量，作为综合的智能优化控制器的给定控制量的依据；最后，通过功率跟踪控制器、压力控制器、氢气流量控制器和氧气(或空气)流量控制器、温度控制器、以及功率转换控制器的智能综合优化控制技术，辅以铅酸电池(或超级电容器)，实现智能、综合、优化的控制和监测的目的。

本实用新型的有益效果在于：