Resumen: El sistema de suministro de hidrógeno es una parte importante del sistema de pilas de combustible, y el control dinámico de la diferencia de presión entre el lado del aire y el lado del hidrógeno es particularmente importante para la fiabilidad de todo el sistema de pilas de combustible. Este artículo se centra en los problemas que existen en el control de la presión del hidrógeno en el sistema de pila de combustible de hidrógeno, también recomienda el uso de una válvula de control de flujo proporcional de precisión, y presenta las características y los parámetros técnicos de la válvula de control de flujo proporcional en detalle.

1. La formulación de la pregunta
Como parte importante del sistema de pila de combustible, el sistema de suministro de hidrógeno colabora con la pila voltaica, el sistema de suministro de aire, el sistema de gestión del agua y el calor y el sistema de alimentación electrónica para garantizar el suministro estable de flujo y presión de hidrógeno, y para realizar el reciclaje de hidrógeno. La estructura simplificada del sistema de suministro de hidrógeno de la pila de combustible se muestra en la Figura 1-1. El tanque de almacenamiento de hidrógeno de alta presión es la fuente de hidrógeno para el sistema. El hidrógeno pasa a través de la válvula reductora de presión, y la presión se reduce a un rango adecuado para el sistema. Suele ser de unos pocos bares. La válvula de entrada de hidrógeno se utiliza para controlar la cantidad de hidrógeno que entra en la pila voltaica, y luego controlar la presión del circuito de hidrógeno de la pila voltaica. Actualmente, la válvula de entrada de hidrógeno más común es la válvula de control proporcional, la válvula de conmutación o los grupos de válvulas de conmutación múltiples.

A medida que el grosor del electrodo de la membrana de la pila de combustible se reduce gradualmente, su resistencia mecánica disminuye en consecuencia. Por lo tanto, el control dinámico de la presión en el lado del aire y en el lado del hidrógeno es especialmente importante para la fiabilidad de todo el sistema de la pila de combustible. El requisito general es que la presión en el lado del hidrógeno debe ser igual o ligeramente superior a la del lado del aire. Cuando se ajusta la presión en ambos lados, hay que asegurarse de que la presión sube y baja al mismo tiempo para reducir el daño a la membrana de protones. Sin embargo, en el actual sistema de alimentación de pilas de combustible de hidrógeno, el control de la diferencia de presión entre los dos lados tiene los siguientes problemas:
(1) La válvula de conmutación se utiliza para controlar la entrada de hidrógeno, lo que hace que la fluctuación en todo el circuito de hidrógeno sea demasiado grande y difícil de controlar.
(2) Aunque la válvula de solenoide proporcional puede ser utilizada para el control de la presión que es similar al modo PID de acuerdo con una cierta proporción.
Sin embargo, la válvula de solenoide proporcional traerá serios problemas de control inestable debido al gran fenómeno de histéresis. Este artículo se centrará en los problemas existentes en el control de la presión del hidrógeno del sistema de pila de combustible de hidrógeno, también recomendará el uso de una válvula de control de flujo proporcional de precisión, y presentará las características y los parámetros técnicos de la válvula de control de flujo proporcional en detalle.

2. Válvula de control de flujo proporcional
La válvula de control de flujo proporcional se muestra en la Figura 2-1.

Modelo	FC-20	FC-120	FC-300	FC-1000
Tipo de válvula	Válvula de aguja proporcional
Diámetro de la deriva del carrete	0,9mm	2,25mm	2,75mm	4.10mm
Actuador	Control de motores paso a paso bipolares
Tiempo de respuesta	0,8seg (de apertura a cierre)
Tamaño estándar	G1/8"			G3/8"
Fluido	Gas inerte y líquido
Materiales de contacto	Acero inoxidable
Rango de presión	-1 ~ 7bar			-1 ~ 5bar
Flujo máximo	50L/min @7bar	240L/min @7bar	290L/min @7bar	600L/min @7bar

 

Linealidad	±2%	±0,1 ~ 1%	±0,2 ~ 5%	±11%
Repetibilidad (Escala completa)	±0,1%
Resolución de flujo (longitud de paso)	0,1L/min	0,1 ~ 0,2L/min	0,2 ~ 0,75L/min	1L/min
Resolución de desplazamiento (longitud de paso)	12,7um		25,4um
Rango de temperatura de funcionamiento	0 ~ 84ºc
Sello	FKM estándar u otras opciones de juntas
Señal de control	DC: 0 ~ 10V (o 4 ~ 20mA)
Fuente de alimentación	DC: 24V (12W)

Figura 2-2 Indicadores técnicos de la válvula de control de flujo proporcional.
Visite https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.2. Módulo de accionamiento
La válvula de control de flujo proporcional está equipada con un módulo de circuito de accionamiento del motor paso a paso para proporcionar las señales de potencia y control necesarias, y para convertir la señal de CC en el control de paso del motor paso a paso bipolar, y también puede proporcionar el control directo de la comunicación en serie RS485.

2.3. Características
La nueva válvula de control de flujo proporcional de control digital motorizado para la regulación de flujo proporcional combina las ventajas de precisión y repetibilidad de un motor paso a paso con la linealidad. La resolución está en menos de 2% de histéresis, 2% de linealidad, 1% de repetibilidad y 0,2% de control de flujo ajustable con alto rendimiento. Es un producto mejorado de la válvula proporcional de solenoide comúnmente utilizada. En combinación con varios algoritmos de control PID y controladores de presión, puede formar un dispositivo de control de presión de hidrógeno rápido y preciso.
La válvula de control de flujo proporcional tiene las siguientes características:
(1) Área de estrangulación de múltiples especificaciones: desde el diámetro de bajo flujo de 0,9 mm (0~50 L/min de gas) hasta el diámetro de alto flujo de 4,10 mm (0 a 660 L/min de gas) del área de estrangulación de la válvula de aguja, puede satisfacer diferentes necesidades de aplicación.
(2) Alta linealidad: La linealidad de menos de 2%. Simplifica la superficie o la coincidencia de hardware y software de control externo. También simplifica la relación entre la entrada de comandos y la salida de flujo. (3) Alta repetibilidad: Al alcanzar el mismo caudal de 0,1% cada vez, puede proporcionar una consistencia estable a largo plazo.
(4) Amplio rango de presión: Con una presión de 5 o 7 bares, dependiendo del tamaño del agujero, el entorno de entrada puede cubrir un amplio rango de presión. La rigidez y la potencia del motor garantizan que la válvula se abra con el mismo comando de entrada, no sobre la presión.
(5) Baja histéresis: La histéresis de menos de 2% hace que la integración y la programación sean sencillas, proporcionando un flujo consistente al aumentar y disminuir el punto de ajuste.
(6) Alta resolución: La resolución de 0,2% permite a la válvula de control de flujo proporcional realizar un ajuste de flujo mínimo de acuerdo con pequeños cambios en el comando de ajuste, proporcionando una excelente capacidad de control.
(7) Respuesta rápida: todo el tiempo de funcionamiento es inferior a 1 segundo, lo que puede proporcionar una rápida regulación y control del flujo.