一种质子交换膜电解水制氢散热系统及温度控制方法

本发明属于质子交换膜电解水制氢领域，涉及一种质子交换膜电解水制氢散热系统及温度控制方法，用于保证质子交换膜电解槽工作在最佳温度范围内。

背景技术：

1、传统化石能源的过度使用带来了能源危机问题和环境污染问题。氢气作为一种清洁的可再生能源，具有高能量密度，被认为能够取代传统化石能源。目前主要的制氢方式有化石能源制氢和电解水制氢等，通过化石能源制取的氢气纯度低并且会产生温室气体，电解水制氢通过消耗电能将水分解为氢气和氧气，几乎不会对环境造成污染，逐渐得到更加广泛的应用。

2、目前主流的电解水制氢方式有碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢，碱性电解水制氢技术较为成熟，是应用最广的电解水制氢技术。而相较于碱性电解水制氢，质子交换膜电解水制氢具有产氢纯度更高、负载响应更快和结构更加紧凑的优势，因此质子交换膜电解水制氢受到重视。质子交换膜电解水制氢面临宽功率变工况输入下的温度调节难题，功率阶跃性输入时，系统面临较大的温度波动，从而对系统性能与寿命产生影响。

3、质子交换膜电解水制氢系统的核心是质子交换膜电解槽，其性能主要受到温度的影响，温度越高质子交换膜电解槽的效率越高，但是过高的温度会导致其内部的质子交换膜退化，因此需要通过散热系统使其工作在最佳温度范围内，合理的控制策略调节散热系统可以保证电解槽工作过程中温度的稳定，对其工作效率及使用寿命至关重要。

4、质子交换膜电解水制氢散热系统具有大惯性和非线性的特点，目前对于电解槽的温度控制策略有pid(proportional integral differential)控制、mpc(modelpredictive control)控制等，其中pid控制器属于无模型控制，易于实现，但其具有温度超调量大和振荡严重的缺点；mpc控制器能够基于系统模型进行温度控制，但其由于模型存在非线性项导致其求解过程计算量较大，不利于工程实现。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种质子交换膜电解水制氢散热系统的温度控制方法，其基于热力学基本定律建立了质子交换膜电解水制氢系统的热动态模型，并通过对模型中状态变量进行线性变换，引入新的状态变量，消除了模型中的非线性项，得到了面向控制的模型，并基于面向控制的模型设计了扩张状态观测器对系统扰动及未建模动态进行补偿，最后通过串级控制器实现对电解槽温度的稳定控制。本发明的控制方法具有调节速度快、温度超调量小和鲁棒性强的优点，能从理论上保证控制器的稳定性，并且计算量小有利于工程实现。

2、本发明的目的通过如下技术方案实现：

3、一种质子交换膜电解水制氢散热系统的温度控制方法，包括如下步骤：

4、步骤一、采集电解槽出口温度tst、换热器冷侧出口温度tex,c，换热器热侧出口温度tex,h、电解液箱出口温度tta和冷水机出口温度tc,in；

5、步骤二、对换热器热侧出口温度和冷侧出口温度进行线性变换得到状态变量tex，如下式所示：

6、tex＝cex,htex,h+cex,ctex,c         (1)

7、步骤三、将步骤一采集的出口温度输入至扩张状态观测器计算状态变量tex的观测值电解槽出口温度观测值电解槽温度模型中未建模动态观测值换热器温度模型中未建模动态观测值所述的扩张状态观测器如公式(2)所示；

8、

9、其中，l1、k1、l2、k2为扩张状态观测器的参数，cst为电解槽热容、cta为电解液箱热容、cex,h为换热器热侧热容、cex,c为换热器冷侧热容，cly为电解液比热容、ccl为冷却液比热容，qly为电解液质量流量、qcl为冷却液质量流量，qgen为电解槽电解产生的热量，kvlv为比例阀流量系数，uduty为比例阀占空比；

10、步骤四、将第一偏差e1、电解槽温度模型中未建模动态观测值和步骤一采集的出口温度输入至第一反馈控制器中，计算得到换热器热侧出口温度期望值tex,h,ref；

11、所述的第一偏差e1为电解槽温度期望值tref与电解槽出口温度tst之差；

12、所述的第一反馈控制器如公式(9)所示：

13、

14、其中f1为控制器的比例系数，为保证控制器稳定性其取值大于零；

15、步骤五、根据步骤四计算出的换热器热侧出口温度的期望值tex,h,ref和步骤一中换热器冷侧出口温度tex,c计算出状态变量tex的期望值tex,ref，如下式：

16、tex,ref＝cex,htex,h,ref+cex,ctex,c        (4)

17、步骤六、将第二偏差e2、换热器温度模型中未建模动态观测值和步骤一采集的出口温度输入至第二反馈控制器，计算得到比例阀占空比uduty；

18、所述的第二偏差e2为步骤五计算出的tex,ref与步骤二计算出的tex之差；

19、所述的第二反馈控制器如公式(5)所示：

20、

21、其中f2为控制器的比例系数，为保证控制器稳定性其取值大于零。

22、进一步的，所述的步骤一中电解槽电解产生的热量qgen计算公式如下：

23、qgen＝(ucell-uth)ielncell         (6)

24、其中，ucell为电解槽单片电压，uth为热中性电压，iel为电解电流，ncell为电解槽所含单体片数。

25、作为本发明更优的技术方案，所述的步骤二中的可调参数的选取如下式：

26、

27、其中w1，w2为扩张状态观测器的极点，为保证观测器收敛性其取值小于零。

28、本发明还有一个目的是提供一种质子交换膜电解水制氢散热系统，主要包括：

29、质子交换膜电解槽，电解消耗电解液产生氢气和氧气；

30、电解液箱1，用于存储电解液；

31、换热器，用于进行热量交换；

32、水泵5，用于实现电解液循环，电解液从电解液箱输送到换热器热侧6，再输送到电解槽的阳极，未消耗的电解液从电解槽流入电解液箱1；

33、冷水机4，用于对冷却液制冷，与换热器冷侧7连通；

34、比例阀3，用于控制冷却液的流量，位于冷水机出口和换热器冷侧7入口之间的管路上；

35、温度传感器，用于采集电解槽出口温度tst、换热器冷侧出口温度tex,c，换热器热侧出口温度tex,h、电解液箱出口温度tta和冷水机出口温度tc,in；

36、第一控制器，用于计算得到换热器热侧出口温度期望值tex,h,ref，将第一偏差e1、电解槽温度模型中未建模动态观测值和步骤一采集的出口温度输入至第一反馈控制器中，计算得到换热器热侧出口温度期望值tex,h,ref；所述的第一偏差e1为电解槽温度期望值tref与电解槽出口温度tst之差；所述的第一反馈控制器如公式(8)所示：

37、

38、其中f1为控制器的比例系数；

39、第二控制器，用于计算得到比例阀占空比uduty，将第二偏差e2、换热器温度模型中未建模动态观测值和步骤一采集的出口温度输入至第二反馈控制器，计算得到比例阀占空比uduty；所述的第二偏差e2为tex,ref与tex之差；所述的tex,ref、tex由下式计算：

40、

41、所述的第二反馈控制器如公式(10)所示：

42、

43、其中f2为控制器比例系数。

44、扩张状态观测器，用计算状态变量tex的观测值电解槽出口温度观测值电解槽温度模型中未建模动态观测值换热器温度模型中未建模动态观测值所述的扩张状态观测器如公式(11)所示；

45、

46、其中，l1、k1、l2、k2均为观测器参数，cst为电解槽热容、cta为电解液箱热容、cex,h为换热器热侧热容、cex,c为换热器冷侧热容，cly为电解液比热容、ccl为冷却液比热容，qly为电解液质量流量、qcl为冷却液质量流量，qgen为电解槽电解产生的热量，kvlv为比例阀流量系数，uduty为比例阀占空比。

47、作为本发明更优的技术方案，所述的换热器为板壳式换热器。

48、作为本发明更优的技术方案，所述的电解液为纯水。

49、与现有技术相比，有益效果如下：

50、本发明提供的质子交换膜电解水制氢散热系统控制方法具有调节速度快、温度超调量小、鲁棒性强的优点，能从理论上保证控制器的稳定性。通过对换热器冷侧出口温度和热侧出口温度进行线性变换引入新的状态变量，消除了模型中的非线性项，该方法不需要对换热器精确建模，降低了模型复杂性，并且计算量小有利于工程实现。