專利名稱：用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池發(fā)動機實現(xiàn)變壓操作時所采用的一種數(shù)字式控制執(zhí)行器及應(yīng)用。利 用可靠性非常高的單元器件制成了機電一體化變壓操作控制器，真正實現(xiàn)了變壓/變功率操作，大幅降低了低功率輸出時的系統(tǒng)的內(nèi)耗，提高了燃料電池發(fā)動機的效率。
背景技術(shù)：
目前燃料電池系統(tǒng)根據(jù)供氣壓力不同分為常壓系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)，當(dāng)采用風(fēng)機常壓供氣時，燃料電池系統(tǒng)以常壓空氣作氧化劑，它是根據(jù)電池預(yù)置空氣利用率和電池組工作電流密度控制風(fēng)機的產(chǎn)氣量，一般采用變頻控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來控制產(chǎn)氣量，其尾氣需控制，過量氧氣與氮氣一起排入大氣；當(dāng)采用加壓空氣(如2bar)后，一般根據(jù)實驗確定的空氣利用率及電池組工作電流密度變頻控制空壓機，進而控制其產(chǎn)氣量，而加壓操作中往往控制其尾氣壓力為恒定壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器及應(yīng)用，為燃料電池的變壓操作提供了可實施方案。
本發(fā)明的技術(shù)方案是用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器，所述執(zhí)行器包括第一電磁閥進口支管、連接電池出口管、第一電磁閥、電磁閥進口總管、第二電磁閥進口支管、第二電磁閥、第三電磁閥進口支管、第三電磁閥、第三限流孔、第三電磁閥出口支管、電磁閥出口總管、第二限流孔、第二電磁閥出口支管、第一限流孔、第一電磁閥出口支管、連通大氣管，與電磁閥進口總管相連的連接電池出口管分三路，第一路經(jīng)第一電磁閥進口支管、第一電磁閥、第一限流孔至第一電磁閥出口支管，第二路經(jīng)第二電磁閥進口支管、第二電磁閥、第二限流孔至第二電磁閥出口支管，第三路經(jīng)第三電磁閥進口支管、第三電磁閥、第三限流孔至第三電磁閥出口支管，第一電磁閥出口支管、第二電磁閥出口支管、第三電磁閥出口支管匯成電磁閥出口總管，電磁閥出口總管與大氣相通。
所述用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器的應(yīng)用，在空壓機的輸出端設(shè)置數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器，利用所述數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器實現(xiàn)燃料電池在高壓力、高排氣量的狀態(tài)下輸出高功率，低壓、低排氣量的狀態(tài)下輸出低功率，具體為1)根據(jù)實際工況的系統(tǒng)凈輸出功率、電池伏安特性曲線、空壓機性能曲線找出最高、最低工作點的燃料電池工作壓力p，進氣量v，電池輸出功率，輸出電壓、輸出電流、空壓機消耗的功率；2)根據(jù)所測得的空壓機數(shù)據(jù)整理成如下模型，模型中的具體系數(shù)根據(jù)實際系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)回歸得出函數(shù)關(guān)系式1v＝α×P函數(shù)關(guān)系式2p＝β×v函數(shù)關(guān)系式3N＝γ×pa×vb符號說明v氣量(m3/hr)P電堆功率(kW)p系統(tǒng)壓力(MPa)N空壓機轉(zhuǎn)速(rpm)γ、α、β、a、b函數(shù)回歸系數(shù)；3)在空壓機的輸出端設(shè)置具有三個開關(guān)電磁閥及限流板的執(zhí)行器，通過三個閥開關(guān)狀態(tài)不同組合成7檔操作條件；4)燃料電池的中央處理器根據(jù)上述模型(函數(shù)關(guān)系)預(yù)測當(dāng)發(fā)動機需要發(fā)出某一功率P時的系統(tǒng)所需的空氣流量v、系統(tǒng)壓力p，并根據(jù)這樣的預(yù)測計算出所需空壓機轉(zhuǎn)速N及每個閥的開關(guān)狀態(tài)，有效的控制空壓機的排氣量v，從而控制了燃料電池的進氣量及工作壓力。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明針對只調(diào)空壓機轉(zhuǎn)速不能保證燃料電池在所需工作壓力段連續(xù)可調(diào)這一缺點，通過優(yōu)化帶限流孔的閥排列組合開關(guān)狀態(tài)，使空氣尾排形成由小到大的局部阻力系數(shù)，每種開關(guān)狀態(tài)下空壓機有固定的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)燃料電池工作壓力及排氣量由低到高的數(shù)字化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了變壓/變功率操作，大幅降低了低功率輸出時的系統(tǒng)的內(nèi)耗，提高了燃料電池發(fā)動機的效率。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為第一電磁閥進口支管，2為連接電池出口管，3為第一電磁閥，4為電磁閥進口總管，5為第二電磁閥進口支管，6為第二電磁閥，7為第三電磁閥進口支管，8為第三電磁閥，9為第三限流孔，10為第三電磁閥出口支管，11為電磁閥出口總管，12為第二限流孔，13為第二電磁閥出口支管，14為第一限流孔，15為第一電磁閥出口支管，16為連通大氣管。
圖2為本發(fā)明一個實施例變壓操作曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，執(zhí)行器包括第一電磁閥進口支管1、連接電池出口管2、第一電磁閥3、電磁閥進口總管4、第二電磁閥進口支管5、第二電磁閥6、第三電磁閥進口支管7、第三電磁閥8、第三限流孔9、第三電磁閥出口支管10、電磁閥出口總管11、第二限流孔12、第二電磁閥出口支管13、第一限流孔14、第一電磁閥出口支管15、連通大氣管16，與電磁閥進口總管4相連的連接電池出口管2分三路，第一路經(jīng)第一電磁閥進口支管1、第一電磁閥3、第一限流孔14至第一電磁閥出口支管15，第二路經(jīng)第二電磁閥進口支管5、第二電磁閥6、第二限流孔12至第二電磁閥出口支管13，第三路經(jīng)第三電磁閥進口支管7、第三電磁閥8、第三限流孔9至第三電磁閥出口支管10，第一電磁閥出口支管15、第二電磁閥出口支管13、第三電磁閥出口支管10匯成電磁閥出口總管11，電磁閥出口總管11與大氣相通。
上述結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化三個帶限流孔的閥排列組合成7種組合開關(guān)狀態(tài)，使空氣尾排形成7個由小到大的局部阻力系數(shù)把燃料電池分為7個工作點，這7種狀態(tài)下空壓機有固定的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)燃料電池工作壓力及排氣量由低到高的數(shù)字化調(diào)節(jié)。
變壓操作具體實施辦法如下1、基本原則為燃料電池在高壓力、高排氣量的狀態(tài)下輸出高功率，低壓、低排氣量的狀態(tài)下輸出低功率。
2、根據(jù)實際工況的系統(tǒng)凈輸出功率、電池伏安特性曲線、空壓機性能曲線找出最高、最低工作點的燃料電池工作壓力p，進氣量v，電池輸出功率，輸出電壓、輸出電流、空壓機消耗的功率。
3、根據(jù)一個實例表1所測得的空壓機數(shù)據(jù)整理成如下模型，模型中的具體系數(shù)可根據(jù)實際系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)回歸得出
函數(shù)關(guān)系式1v＝α×P函數(shù)關(guān)系式2p＝β×v函數(shù)關(guān)系式3N＝γ×pa×vb符號說明v氣量(m3/hr)P電堆功率(kW)p系統(tǒng)壓力(MPa)N空壓機轉(zhuǎn)速(rpm)γ、α、β、a、b函數(shù)回歸系數(shù)4、在空壓機的輸出端設(shè)置有三個開關(guān)量閥及限流板，通過三個閥開關(guān)狀態(tài)不同組合成7檔操作條件。
5、燃料電池的中央處理器(ECU)根據(jù)上述模型(函數(shù)關(guān)系)預(yù)測當(dāng)發(fā)動機需要發(fā)出某一功率P時的系統(tǒng)所需的空氣流量v、系統(tǒng)壓力p，并根據(jù)這樣的預(yù)測計算出所需空壓機轉(zhuǎn)速N及每個閥的開關(guān)狀態(tài)，有效的控制空壓機的排氣量v，即控制了燃料電池的進氣量及工作壓力。
6、其中一個實例工作狀態(tài)如圖2，從而實現(xiàn)了燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作。
表1 150KW空壓機性能標(biāo)定

權(quán)利要求
1.用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器，其特征在于所述執(zhí)行器包括第一電磁閥進口支管(1)、連接電池出口管(2)、第一電磁閥(3)、電磁閥進口總管(4)、第二電磁閥進口支管(5)、第二電磁閥(6)、第三電磁閥進口支管(7)、第三電磁閥(8)、第三限流孔(9)、第三電磁閥出口支管(10)、電磁閥出口總管(11)、第二限流孔(12)、第二電磁閥出口支管(13)、第一限流孔(14)、第一電磁閥出口支管(15)、連通大氣管(16)，與電磁閥進口總管(4)相連的連接電池出口管(2)分三路，第一路經(jīng)第一電磁閥進口支管(1)、第一電磁閥(3)、第一限流孔(14)至第一電磁閥出口支管(15)，第二路經(jīng)第二電磁閥進口支管(5)、第二電磁閥(6)、第二限流孔(12)至第二電磁閥出口支管(13)，第三路經(jīng)第三電磁閥進口支管(7)、第三電磁閥(8)、第三限流孔(9)至第三電磁閥出口支管(10)，第一電磁閥出口支管(15)、第二電磁閥出口支管(13)、第三電磁閥出口支管(10)匯成電磁閥出口總管(11)，電磁閥出口總管(11)與大氣相通。
2.按照權(quán)利要求1所述燃料電池的變壓操作方法，其特征在于所述燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池。
3.按照權(quán)利要求1所述用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器的應(yīng)用，其特征在于在空壓機的輸出端設(shè)置數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器，利用所述數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器實現(xiàn)燃料電池在高壓力、高排氣量的狀態(tài)下輸出高功率，低壓、低排氣量的狀態(tài)下輸出低功率，具體為1)根據(jù)實際工況的系統(tǒng)凈輸出功率、電池伏安特性曲線、空壓機性能曲線找出最高、最低工作點的燃料電池工作壓力p，進氣量v，電池輸出功率，輸出電壓、輸出電流、空壓機消耗的功率；2)根據(jù)所測得的空壓機數(shù)據(jù)整理成如下模型，模型中的具體系數(shù)根據(jù)實際系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)回歸得出函數(shù)關(guān)系式1v＝α×P函數(shù)關(guān)系式2p＝β×v函數(shù)關(guān)系式3N＝γ×pa×vb符號說明v氣量(m3/hr)P電堆功率(kW)p系統(tǒng)壓力(MPa)N空壓機轉(zhuǎn)速(rpm)γ、α、β、a、b函數(shù)回歸系數(shù)；3)在空壓機的輸出端設(shè)置具有三個開關(guān)電磁閥及限流板的執(zhí)行器，通過三個閥開關(guān)狀態(tài)不同組合成7檔操作條件；4)燃料電池的中央處理器根據(jù)上述模型預(yù)測當(dāng)發(fā)動機需要發(fā)出某一功率P時的系統(tǒng)所需的空氣流量v、系統(tǒng)壓力p，并根據(jù)這樣的預(yù)測計算出所需空壓機轉(zhuǎn)速N及每個閥的開關(guān)狀態(tài)，有效的控制空壓機的排氣量v，從而控制了燃料電池的進氣量及工作壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器及應(yīng)用，執(zhí)行器包括連接電池出口管、電磁閥進口總管、電磁閥進口支管、電磁閥、限流孔、電磁閥出口支管、電磁閥出口總管，連接電池出口管經(jīng)電磁閥進口總管、電磁閥進口支管、電磁閥、限流孔至電磁閥出口總管，電磁閥出口總管與大氣相通。本發(fā)明在空壓機的輸出端設(shè)置數(shù)字式變壓操作執(zhí)行器，通過優(yōu)化帶限流孔的閥排列組合開關(guān)狀態(tài)，使空氣尾排形成由小到大的局部阻力系數(shù)，每種開關(guān)狀態(tài)下空壓機有固定的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)燃料電池工作壓力及排氣量由低到高的數(shù)字化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了變壓/變功率操作，大幅降低了低功率輸出時的系統(tǒng)的內(nèi)耗，提高了燃料電池發(fā)動機的效率。
文檔編號H01M8/00GK1812175SQ20051004578
公開日2006年8月2日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者李相一, 劉景開, 明平文, 衣寶廉, 曲憲濤 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所