使用固态储料的燃料供给系统气体存放过程的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用固态储料的燃料供给系统气体存放过程的控制方法，属于燃料电池供给系统的应用领域。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种能量转换装置，与常规电池不同，燃料电池仅需连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，就可以通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应持续地将化学能转化为电能。燃料电池具有能量转化效率高、运行噪音低、可靠性高、结构简单、便于维护保养、无污染、可实现零排放等特点。使用燃料电池作为能源供体的设备在工业及民用生产中发挥了积极的作用，2012年7月9日中国国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012- 2020年)》中更将燃料电池汽车作为未来新能源汽车发展的主要方向之一。
[0003]然而，氢气、氧气作为最理想燃料和氧化剂受到存储方式、成本、安全性、动力学控制条件等因素的影响，未得到有效的利用和长远的发展。随着近年来高容量的金属-空气燃料电池(如锂-空气、铝-空气、锌-空气燃料电池等)、储氢材料(储氢合金、纳米材料、金属骨架结构材料、MAlH4(M = Li，Na)、纳米限域材料等)、储氧材料(Mg、Ca、Sr、Ba掺杂的SnO2, CuLnO2(Ln = La，Y)、含钴的有机物、Cea65Hfa25Ma12 δ (Μ =稀有金属)等)理论的发展和一系列具有良好动力学特性材料的开发、应用，使用固态储氢、储氧材料直接为燃料电池提供流量稳定、可控的氢气、氧气展现了其良好的应用前景。
[0004]但是，现有燃料电池供给系统的设计格局不足以适应固态存储材料的应用；同时，考虑到储氢、储氧材料的存储量及存储/释放气体过程的动力学条件不同(仅以储氢材料为例，不同的储氢材料的存储/释放气体的温度、压力和时间等动力学条件均会影响最终的氢气利用效果)，寻找在时间、气体流量等条件上能够相互匹配的储氢、储氧材料是相当困难的。此外，采用特定成分的储氢、储氧材料，根据其存储量及存储/释放气体过程的动力学条件而设计特定尺寸的储料仓将会限制新型固态存储材料的开发和应用，造成制造成本的增加以及能源的浪费。基于上述情况的考虑，选择以供氢速率和供氧速率作为控制标准，设计在温度、压力、时间等动力学条件控制上相互独立的氢气、氧气供应系统成为目前工业条件下最为理想的设计思路。
[0005]在此基础上，考虑到储氢、储氧材料在燃料电池供给系统中的核心作用以及供给系统运行中存在不同阶段气体存储/释放过程的实际情况，并结合相关国际机构对供给系统性能的有关要求(如国际能源署(IEA)提出车用气体系统的储氢目标是质量储氢密度大于5%、体积储氢密度大于50kg H2.m3、放氢温度低于423K、循环寿命超过1000次；而美国能源部(DOE)提出的目标是质量储氢密度不低于6.5%，体积储氢密度不低于62kg H2/m3，车用储氢系统的实际储氢能力大于3.1kg，以及车用系统压力控制范围的理想值在O?1MPa范围。)，进一步开发出一种使用固态储料的燃料供给系统气体存放过程的控制方法具有积极的研究意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种使用固态储料的燃料供给系统气体存放过程的控制方法，以达到保持燃料电池供给系统始终处于最佳工作状态及工作期间系统的安全运行，提高燃料电池供给系统的控制效率，降低工艺调试周期和生产成本，并满足工业对燃料电池供给系统供给速率的标准要求。
[0007]本发明提出的使用固态储料的燃料供给系统气体存放过程的控制方法，包括主储料仓、副储料仓以及回收仓的气体存储和释放过程的控制方法，其特征在于，通过改变主储料仓、副储料仓和回收仓的温度、压力、时间等动力学参数来调节燃料供给系统气体的存储和释放过程，为燃料电池提供稳定、可控的燃料和氧化剂。
[0008]本发明提出的使用固态储料的燃料供给系统气体存放过程的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0009](I)设气体以流量为Qa进入燃料供给系统主储料仓的起始时间为t A。，主储料仓内固态储料的初始质量为mA。，tAt时刻主储料仓内的固态储料和气体质量之和为m At，则在任意时刻，主储料仓的相对通气量δΑ= I {QaX (tAt-tA0) - (mAt-mA0)} / (mAt-mA0) I，对相对通气量δΑ?行判断，若δ Α> 10%且QaX (tAt-tAQ)-(mAt-mA。)> 0，则使进入主储料仓的气体流量减小至yAXQA，若δΑ> 10%且0一(tAt-tA0)-(mAt-mA0) < 0，则使进入主储料仓的气体流量增大至γ/ XQa，若SaS 10%，则保持主储料仓的通气流量，直到通气时间t = tj寸，停止向主储料仓通气体，其中γΑ、γΑ’为设定的主储料仓气体流量调节系数，取值范围分别为O?I和I?3，为设定的主储料仓单次通气时间，t ?的取值范围为O?30min，Q八的取值范围为O?100L/min ；
[0010](2)设定一个主储料仓第一压力阈值，对主储料仓的压力进行判断，若主储氢仓压力PAt多α ΑΧ第一压力阈值，则主储料仓内固态储料与气体的反应过程持续进行，当主储氢仓压力PAt< α ΑΧ第一压力阈值，则使主储料仓压力增大至PAt多α ΑΧ第一压力阈值，直到通气时间t = t?+tn，其中αΑ为主储料仓内固态储料活化阶段调节系数，取值范围为I?3，^为设定的主储料仓单次气体固化时间，取值范围为O?30min，第一压力阈值的取值范围为O?1Mpa ；
[0011](3)气体以流量为Qa进入燃料供给系统主储料仓，对主储料仓的相对通气量δ Α?行判断，若δΑ> 10%且QaX (tAt-tAQ)-(mAt-mA。)> 0，则使进入主储料仓的气体流量减小至TaXQa，若δΑ> 10%且^父(tAt-tA0)-(mAt-mA0) < 0，则使进入主储料仓的气体流量增大至yA’XQA，S δΑ< 10%，则保持主储料仓的通气流量，直到通气时间t = k时，停止向主储料仓通气体；
[0012](4)对主储料仓的压力进行判断，若主储氢仓压力PAt大于或等于第一压力阈值，则主储料仓内固态储料与气体的反应过程持续进行，当主储氢仓压力PAt小于第一压力阈值，则使主储料仓压力增大到至PAt大于或等于第一压力阈值，直到通气时间t = tn+tn；
[0013](5)根据第一压力阈值对主储料仓的气体压力PAt进行判断，若气体压力P At
<αΑ’ X第一压力阈值，则返回步骤(3)，若气体压力PAt彡α Α’ X第一压力阈值，则停止向主储料仓通入气体，其中，αΑ’为主储料仓气压调节系数，取值范围为O?I ;
[0014](6)设气体以流量为Qb进入燃料供给系统副储料仓的起始时间为t B。，副储料仓内固态储料的初始质量为mB。，tBt时刻副储料仓内的固态储料和气体质量之和为m Bt，则在任意时刻，副储料仓的相对通气量δΒ= I {QbX (tBt-tB0) - (mBt-mB0)} / (mBt-mB0) I，对相对通气量3[5进行判断，若δ Β> 10%且QbX (tBt-tBQ)-(mBt-mB。)> O，则使进入副储料仓的气体流量减小至丫具，若δΒ> 10%且QbX (tBt-tB0)-(mBt-mB0) < 0，则使进入副储料仓的气体流量增大至γΒ’ xqb，S δΒ< 10%，则保持副储料仓的通气流量，直到通气时间t = tm时，停止向副储料仓通气体，其中γΒ、γΒ’为设定的副储料仓气体流量调节系数，取值范围分别为O?I和I?3，tm为设定的副储料仓单次通气时间，t m的取值范围为O?30min，Q [^的取值范围为O?100L/min ；
[0015](7)设定一个副储料仓第二压力阈值，对副储料仓的压力进行判断，若副储氢仓压力PBt多α ΒΧ第二压力阈值，则副储料仓内固态储料与气体的反应过程持续进行，当副储氢仓压力PBt< α ΒΧ第二压力阈值，则使副储料仓压力增大至PBt^ α ΒΧ第二压力阈值，直到通气时间t = t?+tn，其中α Β为副储料仓内固态储料活化阶段调节系数，取值范围为I?3，^为设定的副储料仓单次气体固化时间，取值范围为O?30min，第二压力阈值的取值范围为O?1Mpa ；
[0016](8)气体以流量为Qb进入燃料供给系统副储料仓，对副储料仓的相对通气量δ Β?行判断，若δΒ> 10%且QbX (tBt-tM)-(mBt-mB。)> 0，则使进入副储料仓的气体流量减小至TbXQb，若δΒ> 10%且^父< 0，则使进入副储料仓的气体流量增大至γΒ’ XQb，若δ 10%，则保持副储料仓的通气流量，直到通气时间t = 1^时，停止向副储料仓通气体；
[0017](9)对副储料仓的压力进行判断，若副储氢仓压力PBt大于或等于第二压力阈值，则副储料仓内固态储料与气体的反应过程持续进行，当副储氢仓压力PBt小于第二压力阈值，则使副储料仓压力增大到至PBt大于或等于第二压力阈值，直到通气时间t = tn+tn；
[0018](10)根据第二压力阈值对副储料仓的气体压力？&进行判断，若气体压力P Bt
<αΒ’ X第二压力阈值，则返回步骤(8)，若气体压力PBt> α Β’ X第二压力阈值，则停止向副储料仓通入气体，其中，α Β’为主储料仓气压调节系数，取值范围为O?I ;
[0019](11)设气体以流量为Qc进入燃料供给系统回收仓的起始时间为tc。，回收仓内固态储料的初始质量为11^。，tct时刻回收仓内的固态储料和气体质量之和为m ct,则在任意时亥|J，回收仓的相对通气量δ c= {QCX (tCt-tC0) - (mCt-mC0)} / (mCt-mC0) |，对相对通气量δ行判断，若δε> 10%且Q eX (tet-te())-(met-me。)> 0，则使进入回收仓的气体流量减小至YcXQc，若δε> 10^^QcX(tCt-tJ-(mCt-mJ < 0，则使进入回收仓的气体流量增大至yc’XQc，若10%，则保持回收仓的通气流量，直到通气时间t = k时，停止向回收仓通气体，其中γ。、γ J为设定的回收仓气体流量调节系数，取值范围分别为O?I和I?3，tm为设定的回收仓单次通气时间，t ?的取值范围为O?30min，Qe的取值范围为O?10L/min ；
[0020](12)设定一个回收仓第三压力阈值，对回收仓的压力进行判断，若主储氢仓压力Pct多a CX第三压力阈值，则回收仓内固态储料与气体的反应过程持续进行，当主储氢仓压力Pet< a CX第三压力阈值，则使回收仓压力增大至Pet彡a CX第三压力阈值，直到通气时间t = tm+tn，其中a e为回收仓内固态储料活化阶段调节系数，取值范围为I?3，tnS设定的回收仓单次气体固化时间，取值范围为O?30min，第三压力阈值的取值范围为O?1Mpa ;
[0021](13)气体以流量为Qc进入燃料供给系统回收仓，对回收仓的相对通气量δ c进行判断，若δε> 10%且Q eX (tet-te())-(met-me。)> 0，则使进入回收仓的气体流量减小至YcXQc，若δε> 10^^QcX(tCt-tJ-(mCt-mJ < 0，则使进入回收仓的气体流量增大至yc’XQc，若10%，则保持回收仓的通气流量，直到通气时间t = k时，停止向回收仓通气体；
[0022](14)对回收仓的压力进行判断，若主储氢仓压力Pct大于或等于第三压力阈值，则回收仓内固态储料与气体的反应过程持续进行，当主储氢仓压力Pct小于第三压力阈值，则使回收仓压力增大到至Pet大于或等于第三压力阈值，直到通气时间t = tn+tn；
[0023](15)根据第三压力阈值对回收仓的气体压力Pct进行判断，若气体压力P ct
<X第三压力阈值，则返回步骤(13)，若气体压力Pct彡a X第三压力阈值，则停止向回收仓通入气体，其中，aj为回收仓气压调节系数，取值范围为O?I ;
[0024](16)若主储料仓获得气体释放信号，则设燃料供给系统主储料仓在温度为Ta。’、压力SPa。’的条件下以气体流量为Q/释放气体，气体离开主储料仓的起始时间为tA。’，主储料仓内固态储料和气体质量之和的初始质量为mA。’，tAt时刻主储料仓内的固态储料和气体质量之和为mAt’，则在任意时刻，主储料仓的相对通气量δΑ’ =
{Qa’ X (tAt’ -tA。’)-(mA。’ _mAt’ )}/(mA。’ _mAt’ ) |，对相对通气量 δ A’ 进行判断，若 δ A’ >10%且Qa’ X (tAt’-tAQ’)-(mAQ’-mAt’)> 0，则使离开主储料仓的气体流量减小至nAXQA’，若δΑ’ > 10%且Qa’ X (tAt’ -tA。’)-(mA。’ -mAt’ ) < 0，则使离开主储料仓的气体流量增大至nA’ XQ/’若Sa’彡10%，则保持主储料仓的通气流量，直到主储料仓接到停止释放气体的信号，其中nA、nA’为设定的主储料仓气体流量调节系数，取值范围分别为O?I和I?3，tm’为设定的主储料仓单次气体释放时间，tm’的取值范围为O?30m