Abstract: Il sistema di alimentazione dell'idrogeno è una parte importante del sistema di celle a combustibile e il controllo dinamico della differenza di pressione tra il lato aria e il lato idrogeno è particolarmente importante per l'affidabilità dell'intero sistema di celle a combustibile. Questo articolo si concentra sui problemi esistenti nel controllo della pressione dell'idrogeno nel sistema di celle a combustibile a idrogeno, raccomanda l'uso di una valvola di controllo del flusso proporzionale di precisione e presenta in dettaglio le caratteristiche e i parametri tecnici della valvola di controllo del flusso proporzionale.

1. La formulazione della domanda
Come parte importante del sistema di celle a combustibile, il sistema di alimentazione dell'idrogeno collabora con la pila voltaica, il sistema di alimentazione dell'aria, il sistema di gestione dell'acqua e del calore e il sistema di alimentazione elettronica per garantire la fornitura stabile del flusso e della pressione dell'idrogeno e realizzare il riciclo dell'idrogeno. La struttura semplificata del sistema di alimentazione dell'idrogeno delle celle a combustibile è riportata nella Figura 1-1. Il serbatoio di idrogeno ad alta pressione è la fonte di idrogeno per il sistema. L'idrogeno passa attraverso la valvola di riduzione della pressione e la pressione viene ridotta a un intervallo adatto al sistema. Di solito si tratta di pochi bar. La valvola di aspirazione dell'idrogeno serve a controllare la quantità di idrogeno che entra nella pila voltaica e quindi a controllare la pressione del circuito dell'idrogeno della pila voltaica. Attualmente, la valvola di aspirazione dell'idrogeno più comune è una valvola di controllo proporzionale, una valvola di commutazione o un gruppo di valvole di commutazione multiple.

Quando lo spessore dell'elettrodo a membrana della cella a combustibile si riduce gradualmente, la sua resistenza meccanica diminuisce di conseguenza. Pertanto, il controllo dinamico della pressione sul lato aria e sul lato idrogeno è particolarmente importante per l'affidabilità dell'intero sistema di celle a combustibile. Il requisito generale è che la pressione sul lato idrogeno sia uguale o leggermente superiore a quella sul lato aria. Quando si regola la pressione su entrambi i lati, bisogna assicurarsi che la pressione aumenti e diminuisca allo stesso tempo per ridurre i danni alla membrana protonica. Tuttavia, nell'attuale sistema di alimentazione delle celle a combustibile a idrogeno, il controllo della differenza di pressione tra i due lati presenta i seguenti problemi:
(1) La valvola di commutazione viene utilizzata per controllare l'ingresso dell'idrogeno, il che rende la fluttuazione dell'intero circuito dell'idrogeno troppo grande e difficile da controllare.
(2) Anche se l'elettrovalvola proporzionale può essere utilizzata per il controllo della pressione, simile alla modalità PID in base a una determinata proporzione.
Tuttavia, l'elettrovalvola proporzionale comporta seri problemi di controllo instabile a causa del fenomeno dell'isteresi. Questo articolo si concentrerà sui problemi esistenti nel controllo della pressione dell'idrogeno nel sistema di celle a combustibile a idrogeno, raccomandando inoltre l'uso di una valvola proporzionale di controllo del flusso di precisione e introducendo le caratteristiche e i parametri tecnici della valvola proporzionale di controllo del flusso in dettaglio.

2. Valvola di controllo del flusso proporzionale
La valvola di controllo del flusso proporzionale è illustrata nella Figura 2-1.

Modello	FC-20	FC-120	FC-300	FC-1000
Tipo di valvola	Valvola a spillo proporzionale
Diametro della deriva della bobina	0,9 mm	2,25 mm	2,75 mm	4,10 mm
Attuatore	Controllo del motore passo-passo bipolare
Tempo di risposta	0,8sec (da aperto a chiuso)
Dimensione standard	G1/8"			G3/8"
Fluido	Gas inerte e liquido
Materiali di contatto	Acciaio inox
Intervallo di pressione	-1 ~ 7bar			-1 ~ 5bar
Flusso massimo	50L/min @7bar	240L/min @7bar	290L/min @7bar	600L/min @7bar

 

Linearità	±2%	±0,1 ~ 1%	±0,2 ~ 5%	±11%
Ripetibilità (Fondo scala)	±0,1%
Risoluzione del flusso (lunghezza del passo)	0,1L/min	0,1 ~ 0,2L/min	0,2 ~ 0,75L/min	1L/min
Risoluzione dello spostamento (lunghezza del passo)	12,7um		25,4um
Intervallo di temperatura operativa	0 ~ 84ºc
Sigillo	Guarnizioni standard FKM o di altro tipo
Segnale di controllo	DC: 0 ~ 10V (o 4 ~ 20mA)
Alimentazione	DC: 24V (12W)

Figura 2-2 indicatori tecnici della valvola di controllo del flusso proporzionale.
Visitate il sito https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.2. Modulo di azionamento
La valvola di controllo del flusso proporzionale è dotata di un modulo di circuito di azionamento del motore passo-passo per fornire l'alimentazione e i segnali di controllo necessari e per convertire il segnale CC in controllo passo-passo del motore passo-passo bipolare; può inoltre fornire il controllo diretto della comunicazione seriale RS485.

2.3. Caratteristiche
La nuova valvola di controllo del flusso proporzionale a controllo digitale motorizzata per la regolazione proporzionale del flusso combina i vantaggi di precisione e ripetibilità di un motore passo-passo con la linearità. La risoluzione è inferiore a 2% di isteresi, 2% di linearità, 1% di ripetibilità e 0,2% di regolazione del flusso ad alte prestazioni. Si tratta di un prodotto aggiornato della valvola proporzionale a solenoide comunemente utilizzata. Combinata con vari algoritmi di controllo PID e regolatori di pressione, può costituire un dispositivo di controllo della pressione dell'idrogeno rapido e preciso.
La valvola di regolazione proporzionale del flusso ha le seguenti caratteristiche:
(1) Area di strozzatura multi-specifica: dal diametro a basso flusso 0,9 mm (0~50L/min di gas) all'area di strozzatura della valvola a spillo ad alto flusso 4,10 mm (da 0 a 660 L/min di gas), in grado di soddisfare le diverse esigenze applicative.
(2) Elevata linearità: La linearità è inferiore a 2%. Semplifica la superficie o l'abbinamento di hardware e software di controllo esterni. Semplifica inoltre la relazione tra l'ingresso del comando e l'uscita del flusso. (3) Elevata ripetibilità: Raggiungendo ogni volta la stessa portata di 0,1%, è in grado di fornire una coerenza stabile a lungo termine.
(4) Ampio intervallo di pressione: Con una pressione di 5 o 7 bar, a seconda delle dimensioni del foro, l'ambiente di ingresso può coprire un ampio intervallo di pressione. La rigidità e la potenza del motore assicurano che la valvola si apra con lo stesso comando in ingresso, non in funzione della pressione.
(5) Bassa isteresi: l'isteresi inferiore a 2% semplifica l'integrazione e la programmazione, garantendo un flusso costante in fase di aumento e diminuzione del set point.
(6) Alta risoluzione: La risoluzione di 0,2% consente alla valvola di controllo proporzionale del flusso di eseguire una regolazione minima del flusso in base a piccole variazioni del comando di regolazione, garantendo un'eccellente controllabilità.
(7) Risposta rapida: l'intero tempo di funzionamento è inferiore a 1 secondo e consente di regolare e controllare rapidamente il flusso.