本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種基于固態(tài)儲氫的分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、氫作為一種潔凈的二次能源載體，能方便地轉(zhuǎn)換成電和熱，轉(zhuǎn)化效率較高，有多種來源途徑。采用可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模制氫，可為燃料電池提供氫源。燃料電池將氫氣和氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)的方式生成水并把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池在能源轉(zhuǎn)換效率方面具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)換效率低，燃料電池在能源轉(zhuǎn)換方面可以達到50％以上的效率，比傳統(tǒng)熱力發(fā)電高出很多。這意味著燃料電池可在同樣能源輸入下提供更多的電能，有效提高能源利用效率，減少能源浪費。這對于全球資源緊缺的當(dāng)下來說，具有巨大意義。燃料電池具有零排放的特點，燃料電池在工作時僅產(chǎn)生水，不會排放出污染氣體。而且燃料電池工作噪音污染小，使用壽命長。

2、相較于其他燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、氧化劑為空氣、電解質(zhì)無腐蝕性、動態(tài)響應(yīng)速度快、副產(chǎn)物環(huán)保、運行無噪聲、能量可循環(huán)利用等優(yōu)點，因此應(yīng)用最為廣泛，目前應(yīng)用于汽車、船舶等交通工具的動力系統(tǒng)，并且在固定式和便攜式電源上得到了廣泛應(yīng)用。

3、目前基于固態(tài)儲氫的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對固態(tài)儲氫瓶的結(jié)構(gòu)，固態(tài)儲氫瓶在燃料電池中的擺放位置，控制策略等方面的考慮不是很充分；例如，中國專利文獻cn?114284536a公開的一種基于固態(tài)儲氫和燃料電池的便攜電源，所述的便攜電源將燃料電池、儲氫合金相互接觸集成設(shè)置在殼體內(nèi)，為了減小體積并實現(xiàn)氣液分離，儲氫合金內(nèi)嵌有與燃料電池尾排出口相連的氣液分離管路，由于儲氫合金吸熱會使燃料電池尾排出的水蒸氣液化集存到排水管路中從而被排出，而燃料電池尾排出的空氣則會通過內(nèi)嵌在儲氫合金中的換熱管路排出，利用風(fēng)機為燃料電池提供空氣并且為殼體內(nèi)的熱交換循環(huán)提供動力，尾排空氣中的熱量以及燃料電池本體的熱量會被儲氫合金吸收用于釋放氫氣并起到冷卻燃料電池的作用，而儲氫合金釋放的氫氣則用于燃料電池的發(fā)電，現(xiàn)了將燃料電池與儲氫合金集成化為便攜電源的目的；上述基于固態(tài)儲氫的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并沒用關(guān)于對需求功率的預(yù)測，以達到對需求功率提前預(yù)測及時響應(yīng)的目的，對于燃料電池的供氣系統(tǒng)考慮不充分，并且對于固態(tài)儲氫瓶的結(jié)構(gòu)沒有詳細描述；因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種供氣穩(wěn)定、控制策略優(yōu)異、固態(tài)儲氫瓶穩(wěn)定可靠、能源轉(zhuǎn)化效率高、續(xù)航性能力強的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明專利提供了一種基于固態(tài)儲氫的便攜式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，本發(fā)明將燃料電池與固態(tài)儲氫以及控制策略相結(jié)合，實現(xiàn)供氣穩(wěn)定、控制策略優(yōu)異、固態(tài)儲氫瓶穩(wěn)定可靠、能源轉(zhuǎn)化效率高、續(xù)航性能力強的目的。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種基于固態(tài)儲氫的分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括箱體、燃料電池模塊、供氣模塊、輸出模塊以及控制模塊。

3、進一步地，所述的供氣模塊與燃料電池模塊相連接，用于為燃料電池模塊提供氫氣與氧氣；所述的輸出模塊與燃料電池模塊相連接，用于將燃料電池產(chǎn)生的電能以24v直流電和220v或380v交流電的形式輸出。

4、進一步地，所述的控制模塊與供氣模塊和輸出模塊相連，控制模塊采集輸出模塊的電流電壓數(shù)據(jù)，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測將來的需求功率，通過對供氣模塊氫氣和氧氣供氣量的精確提前控制，從而解決燃料電池響應(yīng)慢的問題，能夠?qū)崟r與需求功率相匹配。

5、進一步地，所述的供氣模塊包括氫氣供氣模塊和氧氣供氣模塊，氫氣供氣模塊包括固態(tài)儲氫瓶、質(zhì)量流量計、流量閥和尾排閥，氧氣供氣模塊包括空壓機、質(zhì)量流量計、冷卻增濕器和節(jié)氣門。

6、進一步地，所述的輸出模塊包括dc-dc以及逆變器，dc-dc用于將燃料電池輸出的電能通過整流降壓，轉(zhuǎn)化為24v直流電，逆變器用于將燃料電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為220v或380v交流電。

7、進一步地，所述的空壓機與冷卻增濕器相連接，冷卻增濕器連接燃料電池陰極入口，冷卻增濕器將空壓機輸送的空氣冷卻增濕，用于降低燃料電池溫度，保證燃料電池工作在適宜的溫度，防止燃料電池內(nèi)部積熱對質(zhì)子交換膜和催化層產(chǎn)生損傷，以及使質(zhì)子交換膜保持在一個適當(dāng)?shù)臐穸?，降低燃料電池的歐姆極化損失；燃料電池陰極出口連接節(jié)氣門，用來調(diào)節(jié)陰極壓力水平。

8、進一步地，所述的固態(tài)儲氫瓶儲氫壓力為2mpa，最大可承受壓力為4.5mpa，可存存儲氫氣200至250g。

9、進一步地，所述的固態(tài)儲氫瓶在一個箱體當(dāng)中可以8至16瓶；所述的固態(tài)儲氫瓶采用并聯(lián)式的接法，可以單獨一個氫瓶供氫也可以多個氫瓶同時供氫，每個固態(tài)儲氫瓶在輸出接口處與流量閥相連接，用于自由控制每個固態(tài)儲氫瓶輸出氫氣流量的大小，在為燃料電池提供氫氣時，控制模塊依據(jù)預(yù)測的需求功率通過氫氣流量與功率的函數(shù)關(guān)系對流量閥的開度控制可以自由控制供氫的瓶數(shù)和每個瓶的輸出氫氣流量的大?。凰龅牧髁块y連接質(zhì)量流量計，用于實時測量每個固態(tài)儲氫瓶實際輸出流量，質(zhì)量流量計連接燃料電池陽極入口，用于將測量后的氫氣傳輸至燃料電池；燃料電池陽極出口連接尾排閥，用于排水和排出陰極滲透到陽極的氮氣。

10、進一步地，所述的固態(tài)儲氫瓶放置在箱體當(dāng)中并處于放氫狀態(tài)時，應(yīng)當(dāng)使固態(tài)儲氫瓶的輸出接口的軸線方向與水平方向呈θ

11、

12、式中，q為質(zhì)量流量計采集的氫氣流量，t為每次采集的時間間隔，s為固態(tài)儲氫瓶的儲氫總質(zhì)量。

13、進一步的，固態(tài)儲氫瓶由隔熱層、復(fù)合相變材料填充區(qū)域以及儲氫區(qū)域三個構(gòu)成。

14、進一步的，所述的隔熱層是起到隔絕熱量流失以及固定相變材料和鋰電池的作用。

15、進一步的，所述的儲氫區(qū)域近似為圓柱體，其截面半徑為r，內(nèi)部填充低溫固態(tài)儲氫合金lani5。

16、進一步的，所述的固態(tài)儲氫瓶在放氫的過程中吸收熱量、加氫過程中放出熱量，通過復(fù)合相變材料將加氫過程中放出的熱量存儲并在放氫過程中將熱量放出；所述復(fù)合相變材料由月桂酸、反油酸以及葵酸作為原相變材料，根據(jù)最低共熔原理將三者按比例混合得到復(fù)合相變材料；當(dāng)固態(tài)儲氫瓶的放氫溫度達到28-34℃時，即可以按照最大放氫流量持續(xù)放氫；因此當(dāng)月桂酸、反油酸以及葵酸的質(zhì)量比為31.07-37.68：50.61-54.29：11.71-14.64時，可以保證復(fù)合材料的凝固點低于28℃；將固態(tài)儲氫瓶存儲的氫氣以最大放氫流量全部放出所產(chǎn)生的熱量被復(fù)合相變材料全部吸收需要填充復(fù)合相變材料的質(zhì)量為5.24kg至6.47kg。

17、進一步的，所述的復(fù)合相變材料填充區(qū)域與儲氫區(qū)域之間的接觸面上設(shè)計有基于平行葉脈結(jié)構(gòu)的仿生型導(dǎo)熱翅片，以提高復(fù)合相變材料填充區(qū)域與儲氫區(qū)域之間的換熱效率。

18、進一步的，所述的復(fù)合相變材料填充區(qū)域與儲氫區(qū)域之間的壁面上設(shè)計有基于玉蓮葉脈結(jié)構(gòu)的仿生型導(dǎo)熱翅片，以提高復(fù)合相變材料填充區(qū)域與儲氫區(qū)域之間的換熱效率，并保持二者的熱均衡性；所述的仿生型導(dǎo)熱翅片均勻分布在復(fù)合相變材料填充區(qū)域與儲氫區(qū)域之間的壁面的周圍，導(dǎo)熱翅片結(jié)構(gòu)中的葉脈長為lk，葉脈寬為wk，枝角為αk，其中k表示為葉脈的級數(shù)，l1和w1為第一個主葉脈的初始長度和寬度以及是葉脈結(jié)構(gòu)的第一個分支角度α2；令第k+1級葉脈長度與第k級葉脈長度的比率為長度比lθ，令第k+1級葉脈寬度與第k級葉脈寬度的比率為長度比wθ，令第k+1級葉脈枝角與第k級葉脈枝角的比率為長度比αθ,在儲氫區(qū)域內(nèi)部，主葉脈向儲氫區(qū)域內(nèi)部延長有一體式波浪狀導(dǎo)熱翅片，以增大固態(tài)儲氫合金的接觸面積，長度為l0和寬度為w0，其函數(shù)表達式為當(dāng)l1＝20mm,w1＝2mm,α2＝60°，且lθ∈(0.68,0.74),wθ∈(0.42,0.45),αθ∈(0.54,0.59)時，導(dǎo)熱翅片擁有較好的導(dǎo)熱效果。

19、進一步的，所述的控制模塊基于控制系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及控制執(zhí)行模塊；

20、s1:數(shù)據(jù)采集模塊實時采集分布式發(fā)電系統(tǒng)用于的各項數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)分析模塊；

21、s2:數(shù)據(jù)分析模塊將采集的數(shù)據(jù)進行處理并特征提取，構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測發(fā)電系統(tǒng)的需求功率并將結(jié)果傳至控制執(zhí)行模塊；

22、s3:控制執(zhí)行模塊根據(jù)預(yù)測需求功率自動執(zhí)行控制措施，將控制燃料電池的輸出功率以提前匹配變化的需求功率。

23、進一步的，步驟s1中，數(shù)據(jù)采集模塊獲取被控燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電流信號i和電流微分信號di以及電壓信號v以及電壓微分信號dv；所述電流信號i和電壓信號v是霍爾電流傳感器和電壓傳感器對發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流進行噪聲濾除后采集并進行微分提取得到的；所述電流微分信號di和電壓微分信號dv是跟蹤微分器對提取的電流信號i和電壓信號v進行微分信號提取得到的；設(shè)定采集頻率f，數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)設(shè)定的頻率實時采集上述數(shù)據(jù)并傳至數(shù)據(jù)分析模塊。

24、進一步的，步驟s2中，將傳入的數(shù)據(jù)進行歸一化處理并提取特征；將電壓信號v、電流信號i、電壓微分信號dv、電流微分信號di作為輸入向量，將輸入向量輸入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并輸出預(yù)測需求功率pn。

25、進一步的，所述的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括輸入層，隱藏層以及輸出層，各層之間采用全連接，其中對于第l層的第j項神經(jīng)元的輸出策略公式為：

26、

27、式中，為第l層的第j項神經(jīng)元的輸出，nl-1為第l-1層神經(jīng)元的數(shù)量，為從第l-1層的第k項神經(jīng)元到第l層的第j項神經(jīng)元之間的權(quán)重，第l-1層的第k項神經(jīng)元的輸出值，為第l層的第j項神經(jīng)元的偏置，σ為激活函數(shù)，在本深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中輸入層和隱含層采用relu函數(shù)，輸出層采用sigmoid函數(shù)。

28、進一步的，將將獲取的1000組工況數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)集按8:2的比例劃分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集；通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行8000到10000次的訓(xùn)練，期望深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)和預(yù)測需求功率的變化。在模型訓(xùn)練完成后，將利用剩余的測試數(shù)據(jù)集對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行測試，驗證其對需求功率變化預(yù)測的準(zhǔn)確性。

29、進一步的，步驟s3中，將建立模型分析需求功率與燃料電池陰陽級的氣體質(zhì)量流量之間的關(guān)系，并通過控制算法對兩極流量進行精準(zhǔn)控制。

30、進一步的，s31、執(zhí)行模塊建立燃料電池的輸出功率模型；

31、在本發(fā)電系統(tǒng)中，燃料電池的片數(shù)為1000片，則輸出電流與本發(fā)電系統(tǒng)燃料電池的輸出功率的函數(shù)表達式近似為：

32、

33、式中，pn為步驟s2中深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的需求功率，in為與需求功率對應(yīng)的電流值；

34、通過燃料電池陰極所需的氧氣質(zhì)量流量與電流的函數(shù)關(guān)系以及發(fā)電系統(tǒng)中空壓機向陰極輸入的空氣質(zhì)量流量，可以得到本發(fā)電系統(tǒng)在功率為pn時，空壓機輸入空氣的質(zhì)量流量qa,n(kg/s)為：

35、

36、通過燃料電池陰極所需的氧氣質(zhì)量流量與電流的關(guān)系，可以得到本發(fā)電系統(tǒng)在功率為pn時，空壓機輸入空氣的質(zhì)量流量qh,n(kg/s)為：

37、

38、進一步的，s32、根據(jù)s31計算出陽極需求氫氣質(zhì)量流量qh,n動態(tài)控制固態(tài)儲氫瓶流量閥開度v與氫瓶數(shù)量nh；每個固態(tài)儲氫瓶通過整流閥設(shè)置最大放氫流量所以在預(yù)測功率為pn時：

39、s321、如果則每個氫瓶的流量閥開度為最大vmax，放氫流量為

40、s322、如果則前nh-1個氫瓶的流量閥開度為最大vmax，放氫流量為則第nh氫瓶需要輸出的氫氣流量

41、執(zhí)行模塊建立滑?？刂颇Ｐ蛯⒔Y(jié)合實時反饋的氫氣流量通過計算氫氣流量偏差eh來控制第nh個氫瓶流量閥的開度v，從而實現(xiàn)對第nh個氫瓶供氫流量的精準(zhǔn)控制；根據(jù)氫氣流量偏差eh構(gòu)建切換函數(shù)s，切換函數(shù)的表達式為：

42、

43、則對切換函數(shù)s求導(dǎo)為：

44、

45、為了使系統(tǒng)趨近平穩(wěn)，所以將系統(tǒng)的趨近率設(shè)置為指數(shù)趨近：

46、

47、其中，sat(s)為連續(xù)函數(shù)，作用是防止氫瓶流量閥的開度v的抖動使其光滑收斂，sat(s)表達式為：

48、

49、進一步的，s33、根據(jù)s31計算出的陰極需求空氣質(zhì)量流量qa,n動態(tài)控制空壓機的轉(zhuǎn)速n；執(zhí)行模塊建立pid模型將結(jié)合實時反饋的空氣流量通過計算空氣流量偏差δe來控制空壓機的轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)對空氣流量的精準(zhǔn)控制；利用pid算法進行反饋控制，將空氣質(zhì)量流量測量值qa,a與目標(biāo)值qa,n偏差δe的比例(p)、積分(i)和微分(d)線性組合成控制量；pid算法反饋控制流量閥開度的表達式為：

50、

51、本發(fā)明的有益效果為：

52、1.本發(fā)明提供了固態(tài)儲氫瓶在工作時的一種隨放氫總量變化的動態(tài)放氫角度，提高了固態(tài)儲氫瓶的放氫效率；

53、2.本發(fā)明提供了一種夾層式的固態(tài)儲氫瓶結(jié)構(gòu)，夾層中裝有相變材料用于在固態(tài)儲氫瓶加氫時吸收儲氫材料釋放的熱量，等到固態(tài)儲氫瓶工作時將熱量重新傳輸給儲氫材料，提高了能量利用率；并且在儲氫區(qū)域與相變材料區(qū)域中間的壁面上設(shè)計有基于玉蓮分型葉脈的仿真散熱翅片，以提高導(dǎo)熱效率。

54、3.本發(fā)明提供了分布式發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)測控制方法，通過對電流電壓及其微分信號的讀取，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測需求功率，隨后利用需求功率與氫氣和氧氣的數(shù)學(xué)模型得到氫氣和氧氣的需求量，通過控制算法控制氫氣和氧氣的輸出量使燃料電池發(fā)輸出功率實時滿足需求功率，保證負載的運行穩(wěn)定性。