本發明屬于燃料電池技術及控制領域，尤其涉及一種控制和優化合金儲氫燃料電池氫利用率的系統與方法。
背景技術：
燃料電池電源是廣泛應用于通信領域的應急備用電源，也可作為電網不方便地區的獨立電源。燃料電池將燃料的電化學能轉化為電能，其效率遠遠高于內燃機效率。用氫能作為燃料電池的燃料是最佳的選擇。氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，其主要優點在于清潔和高效，氫氣的燃燒熱值高，燃燒的產物是水，是世界上最干凈的能源。氫氣也可以由水制取，可以直接存儲、運輸及使用。然而氫的存儲與輸送是氫能利用中的重要環節，如何做到安全、高效和無泄漏是必須要考慮的問題。目前，合金儲氫技術可以實現在常溫環境下充放氫氣，儲氫密度極大，接近液態儲氫，并且吸氫壓力也僅為一般氣態儲氫氣瓶所需壓力的五分之一，適合與各種制氫設備連接，因此合金儲氫技術是燃料電池系統最匹配的儲氫技術。然而合金儲氫技術的儲氫密度巨大，由此導致此類儲氫系統在放氫過程中需要大量吸熱，短時間過快放氫會導致儲氫合金溫度急劇下降，從而降低了合金的有效放氫量。目前雖然已有利用燃料電池廢熱與儲氫罐吸熱耦合從而達到熱循環利用的發明專利，然而在燃料電池系統設計中，通常以氣態儲氫氣瓶為供氫單元，沒有利用合金儲氫罐的供氫機理，在不同功率、壓力及儲氫量變化的條件下，有效管理氫氣輸入的流量和廢熱循環效率的設計，導致合金儲氫罐有效的氫氣利用效率無法達到最優，浪費了大量氫氣儲量。例如小型風冷式燃料電池的發電功率主要依賴耗電負載的功率被動調整，氫氣輸入壓力和流量沒有調整功能，因而無法有效規劃利用。目前通信基站主要以鉛酸蓄電池作為主要的后備電源，其缺陷主要在于維護成本高，使用壽命短，不能長時間連續供電，對環境污染嚴重，過冷過熱、過充過放、快充快放都會導致儲量大幅下降，為了讓鉛酸電池長時間連續供電，還需增加數倍儲量的電池系統，占用更大的空間，同時電池系統冷藏處理也耗費大量電能。新興的鋰離子電池雖然避免了鉛酸電池的缺點，但其本身易燃易爆，安全性較差。而另一類穩定的鎳氫電池則價格高昂，過充過放損害較大，不利于長期待機儲能。燃料電池電源系統可以避免電池類備用電源的缺點，其效率高、易維護；在應急和防災方面有很大的優勢；易于智能化管理，對突然停電和突發性災害有很好的預見性；使用壽命可達數千小時，長期待機不損害使用壽命，是通訊基站備用電源系統的最佳選擇。目前適合基站備用電源的合金儲氫罐主要使用AB(如TiFe)和AB2(如TiMn2)系儲氫合金，這些合金在特定的較小壓力區間內存在可以大量放氫的放氫平臺，平臺壓力隨著合金溫度的升降而升降，當溫度低于某特定點時，平臺壓力會低于大氣壓導致大量儲氫容量無法利用。雖然已有研究利用燃料電池的廢熱對儲氫罐加熱的設計，但是沒有對儲氫合金的具體溫度的監控以及對燃料電池的散熱系統的調整，容易出現燃料電池供熱不足導致儲氫罐放氫量減少，而供氫的不足又會導致燃料電池功率降低，進而令供熱進一步減少，最終出現儲氫罐尚余大量氫氣，但因為溫度過低而無法放出，致使燃料電池提前停機的結果。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提出一種控制和優化合金儲氫燃料電池氫利用率的系統與方法，其特征在于：
一種控制和優化合金儲氫燃料電池氫利用率的系統，包括合金儲氫單元、燃料電池單元d、溫度分布計算單元m、中央控制系統i、功率采集器h、耗電負載單元g、DC/AC逆變器f；合金儲氫單元包括合金粉末儲氫罐a、換熱腔室p、表面溫度傳感器k、風道o、散熱葉片q、氫氣溫度傳感器l、流量控制器j、氫氣減壓閥b、壓力傳感器r、供氫管路c；燃料電池單元d包括質子交換膜e、散熱系統n；合金粉末儲氫罐a、氫氣減壓閥b、氫氣管路c燃料電池單元d、DC/AC逆變器f、耗電負載單元g、功率采集器h、中央控制器i、流量控制器j依次相連，流量控制器j通過氫氣管路c與燃料電池單元d相連，燃料電池單元d的質子交換膜e通過DC/AC逆變器f與耗電負載單元g相連，在合金粉末儲氫罐a的表面安裝四組表面溫度傳感器k，并在合金粉末儲氫罐a與氫氣管路c的連接處安裝氫氣溫度傳感器l，將各個表面溫度傳感器連接至溫度分布計算單元m中，溫度分布計算單元m與中央控制系統i相連，在合金粉末儲氫罐a外側設有換熱腔室p與散熱葉片q，散熱系統n與風道o相連，使熱風進入換熱腔室p，通過散熱葉片q進行熱交換。
所述合金粉末儲氫罐a使用的合金是儲氫合金。
所述燃料電池單元d可使用風冷式燃料電池系統或水冷式燃料電池系統。
所述燃料電池單元d為氫-氧或氫-空氣質子交換膜燃料電池發電裝置。
所述燃料電池單元d包括在線檢測尾氣氫氣含量的裝置、廢熱與合金儲氫罐加熱系統耦合的可循環利用裝置。
所述中央控制器i為PLC可編程邏輯控制器、MCU多點控制單元單片機、DSP高速數字信號處理器中的一種或多種，所述中央控制器i可在斷電后自動運行，也可通過網絡進行遠程監控。
所述控制和優化合金儲氫燃料電池氫利用率系統的工作方法，包括：
步驟一：當外部電網斷電時，合金粉末儲氫罐a開始放氫，氫氣經過減壓輸送至燃料電池單元d發電，燃料電池單元d將產生的電能傳輸至耗電負載單元g中供其使用。
步驟二：功率采集器h通過采集耗電負載單元g的耗電功率，提供功率變化曲線數據，并將采集的數據傳輸至中央控制器i，通過與已知燃料電池極化曲線和功率密度曲線進行對比，中央控制器i對已知燃料電池發電功率與供氫壓力及流量的效率曲線進行評估，根據評估結果改變供氫壓力及流量，直到燃料電池穩定工作在低功率密度高效率區為止。
步驟三：中央控制器i通過負載功率、氫氣壓力和溫度采集系統獲得燃料電池的實時數據，通過對比計算獲得最佳優化控制曲線，并通過氫氣流量和散熱系統n進行控制，獲得最優化的氫氣利用效率。
本發明的有益效果在于：
(1)針對目前小型風冷式燃料電池的發電功率主要依賴耗電負載的功率被動調整，氫氣輸入壓力和流量沒有調整功能，無法有效規劃利用。本發明通過安裝于負載上的功率采集器，提前測定負載功率，并根據功率變化改變供氫單元的供氫流量，系統簡單，可以自動調整，大幅提高氫氣利用效率；
(2)針對當前已有的燃料電池沒有對儲氫合金具體溫度進行監控，也沒有對燃料電池的散熱系統進行調整，容易出現燃料電池供熱不足導致儲氫罐放氫量減少的現象，而供氫不足又導致燃料電池功率降低，進而令供熱進一步減少，最終出現儲氫罐尚余大量氫氣由于溫度過低而無法放出，致使燃料電池提前停機的結果。本發明可以持續監控儲氫罐表面及放出氫氣的溫度及壓力，根據儲氫合金的放氫PCT曲線及儲氫合金粉末塊體的熱導率，計算出最佳放氫溫度及保持溫度所需熱量，進而調整燃料電池散熱系統供熱為儲氫合金罐加溫，最大優化合金儲氫罐有效放氫量。
附圖說明
附圖1是合金儲氫-燃料電池發電備用電源系統的設計結構圖
具體實施方式
下面結合附圖進行詳細說明。
附圖1為合金儲氫-燃料電池發電備用電源系統的設計結構圖，如圖1所示，所屬系統包括合金儲氫單元、燃料電池單元d、溫度分布計算單元m、中央控制系統i、功率采集器h、耗電負載單元g、DC/AC逆變器f；合金儲氫單元包括合金粉末儲氫罐a、換熱腔室p、表面溫度傳感器k、風道o、散熱葉片q、氫氣溫度傳感器l、流量控制器j、氫氣減壓閥b、壓力傳感器r、供氫管路c；燃料電池單元d包括質子交換膜e、散熱系統n；合金粉末儲氫罐a、氫氣減壓閥b、氫氣管路c燃料電池單元d、DC/AC逆變器f、耗電負載單元g、功率采集器h、中央控制器i、流量控制器j依次相連，流量控制器j通過氫氣管路c與燃料電池單元d相連，燃料電池單元d的質子交換膜e通過DC/AC逆變器f與耗電負載單元g相連，在合金粉末儲氫罐a的表面安裝四組表面溫度傳感器k，并在合金粉末儲氫罐a與氫氣管路c的連接處安裝氫氣溫度傳感器l，將各個表面溫度傳感器連接至溫度分布計算單元m中，溫度分布計算單元m與中央控制系統i相連，在合金粉末儲氫罐a外側設有換熱腔室p與散熱葉片q，散熱系統n與風道o相連，使熱風進入換熱腔室p，通過散熱葉片q進行熱交換。
合金粉末儲氫罐a，通過氫氣減壓閥b將輸出氫氣壓力降低至所需壓力，通過氫氣管路c傳輸至燃料電池單元d中，氫氣通過質子交換膜e與空氣中的氧氣反應，產生直流電通過DC/AC逆變器f傳輸到耗電負載單元g中令其運行。本發明通過功率采集器h采集負載單元g的功率變化數據傳輸至中央控制器i中與其中存儲的燃料電池發電效率曲線進行對比，得到最佳供氫流量，并將數據傳輸至流量控制器j中實時調節氫氣流量，保證供氫流量與燃料電池d所需最佳消耗量吻合。同時，在每個合金粉末儲氫罐a的表面安裝四組表面溫度傳感器k，并在合金粉末儲氫罐a與氫氣管路c的連接處安裝氫氣溫度傳感器l，將采集到的溫度傳輸至溫度分布計算單元m中，結合預先存儲的合金粉末塊體熱導率數據，計算出罐體內部合金粉末溫度變化分布曲線，并傳輸至中央控制器i，結合預先存儲的合金粉末放氫PCT曲線以及當前壓力，計算出合金粉末儲氫罐a的殘余儲氫量以、最佳放氫溫度及達到和保持該溫度所需熱能，將輸出傳輸至燃料電池單元d的散熱系統n，調節風道o的散熱流量，使熱風進入換熱腔室p，通過散熱葉片q進行熱交換，使合金粉末儲氫罐a溫度達到最佳放氫溫度。
合金儲氫-燃料電池發電備用電源系統的工作方法如下所述：
當外部電網斷電時，合金粉末儲氫罐a開始放氫，氫氣經過減壓輸送至燃料電池單元d發電，燃料電池單元d將產生的電能傳輸至耗電負載單元g中供其使用；功率采集器h通過采集耗電負載單元g的耗電功率，提供功率變化曲線數據，并將采集的數據傳輸至中央控制器i，通過與已知燃料電池極化曲線和功率密度曲線進行對比，中央控制器i對已知燃料電池發電功率與供氫壓力及流量的效率曲線進行評估，根據評估結果改變供氫壓力及流量，直到燃料電池穩定工作在低功率密度高效率區為止；壓力傳感器采集合金粉末儲氫罐a輸出的氫氣壓力變化數據，氫氣溫度傳感器l采集合金儲氫罐體表面各部位的溫度分布數據以及瓶口輸出氫氣溫度數據，壓力傳感器與氫氣溫度傳感器l將采集到的數據傳輸至m，溫度分布計算單元m根據已知的合金粉末塊體熱導率，結合合金儲氫罐體出口處測得儲氫罐的氫氣壓力，計算出罐體內部不同部位的合金粉末塊體的溫度分布模型，確定在連續放氫條件下罐體內部各部位溫度變化分布曲線，并將結果傳輸至中央控制器i，建立罐體內部熱力學變化的數學模型，計算出達到此壓力下合金粉末最優放氫平臺所需熱能，并根據合金粉末塊體熱傳導性能，計算出所需罐體外部受熱溫度及熱空氣流量；中央控制器i根據計算結果向燃料電池單元d的散熱系統n輸出操作命令，調節散熱系統n輸出的熱風溫度及流量，熱風進入存放合金粉末儲氫罐a的換熱腔室p，腔室內儲氫罐外壁安裝換熱翅片，中央控制器i存儲換熱腔室p的熱交換面積數據，保證燃料電池單元d排出的熱風溫度及流速能夠滿足合金粉末儲氫罐a所需的熱能。在燃料電池中產生等于或高于所計算的余熱，并通過提高散熱系統功率增加儲氫罐熱交換葉片換熱效果。
此實施例僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。在不脫離本發明主旨和范圍的前提下，本發明還會有進一步的改進，所作改進仍在要求保護的本發明范圍內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。