專利名稱:一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的制作方法
一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域,特別涉及燃料電池模塊。
技術(shù)背景
傳統(tǒng)的燃料電池模塊通常僅包括燃料電池堆、氫氣分配單元、空氣分配單元、冷卻 介質(zhì)分配單元、單池電壓檢測單元和電力輸出單元。傳統(tǒng)的燃料電池模塊的不足是模塊內(nèi) 部不具有水熱管理功能,不利于燃料電池使用時盡快進入理想工作狀態(tài)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有水熱自管理能力的燃料電池模塊結(jié)構(gòu),使燃料電池 模塊能快速進入理想的工作狀態(tài)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,包括置于外包裝 子模塊內(nèi)的燃料電池堆、分配單元、單池電壓檢測單元和電力輸出單元,外包裝子模塊包括 包裝殼和包裝殼上設(shè)置的空氣進口、空氣出口、氫氣進口、氫氣出口、冷卻介質(zhì)進口、冷卻介 質(zhì)出口、通訊接口、燃料電池堆的負(fù)極接口和燃料電池堆的正極接口 ;冷卻介質(zhì)入口、冷卻 介質(zhì)出口、空氣入口、空氣出口、氫氣入口和氫氣出口分別與燃料電池堆連接;燃料電池堆 的負(fù)極接口和燃料電池堆的正極接口與燃料電池堆的輸出端相連,分配單元包括氫氣分配 單元、空氣分配單元和冷卻介質(zhì)分配單元,其特征在于所述具有水熱管理能力的燃料電池 模塊還包括置于外包裝子模塊內(nèi)的電源管理單元、降壓加熱子模塊和液態(tài)水管理子模塊;
所述外包裝子模塊還包括能量控制器、儲能單元、電加熱單元、氫氣排放口、通風(fēng) 進風(fēng)管路接口和通風(fēng)出風(fēng)管路接口,所述包裝殼內(nèi)壁敷設(shè)保溫材料,所述氫氣排放口、通風(fēng) 進風(fēng)管路接口和通風(fēng)出風(fēng)管路接口設(shè)置在包裝殼上,通風(fēng)進風(fēng)管路與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的 空壓機/風(fēng)機出口連接,通風(fēng)出風(fēng)管路和燃料電池系統(tǒng)的排放口相連;所述能量控制器在 包裝殼內(nèi),能量控制器輸入端分別與燃料電池堆的正負(fù)級相連,能量控制器輸出端分別與 儲能單元和電加熱單元相連,電加熱單元的電熱元件布置在包裝殼內(nèi)壁的保溫材料表面; 所述通訊接口與電源管理單元的電子控制單元模塊相連;所述燃料電池模塊的氫氣排放口 經(jīng)過液態(tài)水排水器和脈沖電磁閥與燃料電池堆的氫氣出口相連,所述燃料電池堆通過端板 固定在包裝殼上;
所述電源管理單元包括電子控制單元模塊、空氣溫度傳感器、空氣壓力傳感器、氫 氣溫度傳感器、氫氣壓力傳感器、冷卻介質(zhì)溫度傳感器、冷卻介質(zhì)壓力傳感器、電壓傳感器、 電流傳感器和連接線束,空氣溫度傳感器和空氣壓力傳感器連接在燃料電池堆空氣進口通 道上,氫氣溫度傳感器和氫氣壓力傳感器連接在燃料電池堆氫氣進口通道上,冷卻介質(zhì)溫 度傳感器和冷卻介質(zhì)壓力傳感器連接在燃料電池堆冷卻介質(zhì)進口通道上,電壓傳感器和電 流傳感器連接在燃料電池堆電輸出線路上,空氣溫度傳感器、空氣壓力傳感器、氫氣溫度傳 感器、氫氣壓力傳感器、冷卻介質(zhì)溫度傳感器、冷卻介質(zhì)壓力傳感器、電壓傳感器和電流傳 感器用信號線與電子控制單元模塊連接;6
所述降壓加熱子模塊包括進口單向閥、出口單向閥、加熱水箱、電阻和循環(huán)泵,加 熱水箱出口與燃料電池堆冷卻介質(zhì)分配單元的冷卻介質(zhì)入口相連,加熱水箱入口通過進口 單向閥與包裝殼上的燃料電池模塊冷卻介質(zhì)入口相連,出口單向閥入口與燃料電池堆冷卻 介質(zhì)分配單元的冷卻介質(zhì)出口相連,出口單向閥出口與包裝殼上的燃料電池模塊冷卻介質(zhì) 出口相連,循環(huán)泵出口與加熱水箱相連,循環(huán)泵入口與燃料電池堆冷卻介質(zhì)分配單元的冷 卻介質(zhì)出口相連,循環(huán)泵的控制開關(guān)與電子控制單元模塊相連,加熱水箱內(nèi)設(shè)有電阻,電阻 一端連至燃料電池堆的負(fù)極,另一端通過電子控制單元模塊連至燃料電池堆的正極;
所述液態(tài)水管理子模塊由氫氣分水器、空氣分水器、液態(tài)水排水器和脈沖電磁閥 組成,包裝殼上的燃料電池模塊空氣入口通過空氣分水器與燃料電池堆的空氣分配單元的 空氣入口相連,包裝殼殼上的燃料電池模塊空氣出口與燃料電池堆的空氣分配單元的空氣 出口相連,包裝殼上的燃料電池模塊氫氣入口通過氫氣分水器與燃料電池堆氫氣分配單元 的氫氣入口相連,包裝殼上燃料電池模塊氫氣出口與燃料電池堆氫氣分配單元的氫氣出口 相連,液態(tài)水排水器一端與包裝殼上的燃料電池模塊氫氣出口相連,另一端通過脈沖電磁 閥與包裝殼上燃料電池模塊氫氣排放口相連,液態(tài)水排水器置于燃料電池模塊的最低點, 脈沖電磁閥與電源管理單元的電子控制單元模塊相連。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述電子控制 單元模塊由單電池電壓采集電路、溫度采集電路、壓力采集電路、電流采集電路、總電壓采 集電路、電阻開關(guān)驅(qū)動電路、脈沖電磁閥驅(qū)動電路、循環(huán)泵開關(guān)驅(qū)動電路、通訊電路和數(shù)字 核心組成,所述單電池電壓采集電路、溫度采集電路、壓力采集電路、電流采集電路、總電壓 采集電路分別與燃料電池堆單電池、空氣溫度傳感器、氫氣溫度傳感器、冷卻介質(zhì)溫度傳感 器、空氣壓力傳感器、氫氣壓力傳感器、、冷卻介質(zhì)壓力傳感器、電壓傳感器、電流傳感器用 信號線通過接口連接,所述電阻開關(guān)驅(qū)動電路與降壓加熱子模塊電阻電連接,控制降壓加 熱子模塊電阻的通斷,所述脈沖電磁閥驅(qū)動電路與液態(tài)水管理子模塊的脈沖電磁閥的控制 器連接,控制脈沖電磁閥的通斷,所述循環(huán)泵開關(guān)驅(qū)動電路與降壓加熱子模塊循環(huán)泵電連 接,控制降壓加熱子模塊循環(huán)泵的啟停,所述通訊電路通過通訊接口與燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 控制單元連接。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述液態(tài)水排 水器由分水器、保溫盒和PTC熱敏電阻組成,分水器置于保溫盒內(nèi),PTC熱敏電阻置于保溫 盒內(nèi)分水器集水部分的外部,PTC熱敏電阻與燃料電池的負(fù)載線連接。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述外包裝子 模塊的能量控制器包括能量控制器數(shù)字核心、電壓變換器、充電開關(guān)、加熱開關(guān)、能量控制 器電壓采集模塊和能量控制器溫度采集模塊,電壓變換器是降壓型恒電流輸出電路構(gòu)成的 電壓變換器,能量控制器數(shù)字核心與電壓變換器連接,通過信號線分別與能量控制器電壓 采集模塊和能量控制器溫度采集模塊連接,電壓變換器輸入端分別與燃料電池模塊的正極 和負(fù)極相連,電壓變換器輸出端通過充電開關(guān)與儲能單元連接,能量控制器電壓采集模塊 與儲能單元連接,儲能單元通過加熱開關(guān)與電加熱單元連接;所述外包裝子模塊儲能單元 是超級電容器、鋰離子電池或鎳氫電池;所述外包裝子模塊電加熱單元的電熱元件是電熱 絲、電熱帶或電熱管。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述通風(fēng)進風(fēng)管路接口和通風(fēng)出風(fēng)管路接口分別置于包裝殼一對相對立的豎立面上,高度位于距包裝殼 頂部1/5處。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其特征在 于所述管理控制方法包括電源管理控制方法、降壓加熱管理控制方法、燃料電池堆保溫控 制方法和液態(tài)水管理控制方法,所述電源管理控制方法為電子控制單元模塊根據(jù)設(shè)定燃 料電池堆出廠極化曲線、衰減特性和在線檢測燃料電池模塊的輸出電壓和輸出電流,在線 分析燃料電池的輸出狀態(tài)和當(dāng)前的最大輸出能力;所述降壓加熱管理控制方法為電子控 制單元模塊通過電壓傳感器和冷卻介質(zhì)溫度傳感器檢測燃料電池模塊總電壓和冷卻介質(zhì) 溫度,控制降壓加熱子模塊工作狀態(tài)和外包裝子模塊的能量管理單元的工作狀態(tài);所述燃 料電池堆保溫控制方法為能量控制器通過冷卻介質(zhì)溫度傳感器檢測燃料電池模塊冷卻介 質(zhì)溫度,控制燃料電池模塊的加熱保溫;所述液態(tài)水管理控制方法為電子控制單元模塊 通過內(nèi)部單電池電壓檢測單元、冷卻介質(zhì)溫度傳感器和電流傳感器檢測燃料電池堆單電池 電壓、燃料電池堆工作溫度和燃料電池模塊輸出電流,控制液態(tài)水管理子模塊工作狀態(tài)。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其特征在 于所述降壓加熱子模塊工作狀態(tài)控制包括電阻通斷狀態(tài)控制和循環(huán)泵啟停狀態(tài)控制所述 電阻通斷狀態(tài)控制為數(shù)字核心通過溫度采集電路采集冷卻介質(zhì)的溫度T,當(dāng)溫度T低于設(shè) 定值Tl時,通過電阻開關(guān)驅(qū)動電路控制接通電阻,當(dāng)溫度T高于設(shè)定值T2時,數(shù)字核心對 電壓采集電路采集燃料電池堆的輸出電壓V進行判斷,當(dāng)燃料電池堆輸出電壓V超過設(shè)定 值Vl,則通過電阻開關(guān)驅(qū)動電路控制接通電阻,當(dāng)燃料電池堆輸出電壓V低壓設(shè)定值V2,則 通過電阻開關(guān)驅(qū)動電路控制斷開電阻;所述循環(huán)泵啟停狀態(tài)控制為數(shù)字核心通過溫度采 集電路采集冷卻介質(zhì)的溫度T,當(dāng)溫度T低于設(shè)定值Tl時,通過循環(huán)泵開關(guān)驅(qū)動電路控制接 通循環(huán)泵,使冷卻介質(zhì)在燃料電池模塊內(nèi)部循環(huán),便于燃料電池模塊升溫和保溫,當(dāng)溫度T 高于設(shè)定值Tl時,通過循環(huán)泵開關(guān)驅(qū)動電路控制斷開循環(huán)泵,使冷卻介質(zhì)與燃料電池模塊 外部的燃料電池系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)循環(huán),便于降低電池堆溫度。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其
特征在于所述外包裝子模塊燃料電池堆保溫控制為能量控制器數(shù)字核心通過控 制電壓變換器的輸出電流給儲能單元充電,能量控制器數(shù)字核心通過電壓采集模塊實時采 集儲能單元的電壓Ven,如果Ven超過設(shè)定值Venset,則能量控制器數(shù)字核心控制斷開充電 開關(guān),停止向儲能單元充電,能量控制器數(shù)字核心通過溫度采集模塊采集燃料電池堆冷卻 介質(zhì)溫度Tmod,當(dāng)Tmod低于設(shè)定值Tmodset時,則能量控制器的數(shù)字核心控制接通加熱開 關(guān),通過電加熱元件給燃料電池模塊加熱保溫。
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其特征在 于所述液態(tài)水管理子模塊工作狀態(tài)控制為電子控制單元模塊數(shù)字核心根據(jù)最低單電池電 壓、電堆溫度和電流積分通過脈沖電磁閥驅(qū)動電路控制脈沖電磁閥開關(guān)周期和占空比,當(dāng) 燃料電池堆某單體電池電壓VcelImin低于設(shè)定值VcelIminset時,則連續(xù)排放N次,排放 周期為Tcell,占空比為50%,當(dāng)燃料電池堆單體電池電壓都高于設(shè)定值Vcellminset時, 排放占空比為常數(shù)Dfoiorm,排放周期Tdr根據(jù)冷卻介質(zhì)溫度和燃料電池堆輸出電流積分確 定,
本發(fā)明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其特征在于所述脈沖電磁閥驅(qū)動電路是電子驅(qū)動電路,其結(jié)構(gòu)為電子控制單元模塊數(shù)字核心的信 號與電阻I 一端相連,電阻I的另一端與三極管I的基極相連,電阻II的一端與三極管I 的集電極連接,另一端與光耦輸入端相連,三極管I的發(fā)射極接地,光耦輸出端分別與三極 管II基極和集電極相連,三極管II的發(fā)射極接地,光耦輸出端與三極管II集電極連接的 線路與脈沖電磁閥連通,三極管II集電極通過二極管接地。
本發(fā)明的原理是通過在包裝殼上設(shè)置空氣進出管路,使模塊內(nèi)泄漏的氫氣能及 時排除,通過建立包裝殼內(nèi)的冷卻水循環(huán)及其與包裝殼外的燃料電池系統(tǒng)的冷卻水連通, 使模塊內(nèi)的電池堆能在短時間達到理想是工作溫度,同時,在包裝殼內(nèi)的冷卻水箱內(nèi)設(shè)置 電阻,電阻與電池堆的輸出建立連接關(guān)系,使燃料電池堆的平均電壓低于0. 85V,通過在包 裝殼內(nèi)電池堆的氫氣側(cè)設(shè)置液態(tài)水排水器,并利用熱敏電阻對液態(tài)水排水器中的液態(tài)水加 熱使之氣化后排入氫氣出口,使得氫氣測排水更完全、便捷,通過在包裝殼內(nèi)設(shè)置保溫材料 和加熱單元,使包裝殼內(nèi)的溫度可控可調(diào),從而使燃料電池模塊具有更穩(wěn)定的性能。
本發(fā)明的有益效果是可以使燃料電池模塊快速進入理想的工作狀態(tài),有利于提 高模塊的穩(wěn)定性、安全性等。
本發(fā)明共有附圖9幅,其中
附圖1是本發(fā)明的燃料電池模塊構(gòu)成示意圖
附圖2是電源管理單元構(gòu)成示意圖
附圖3是脈沖電磁閥驅(qū)動電路構(gòu)成示意圖
附圖4是脈沖電磁閥控制流程圖
附圖5是氫氣側(cè)排水結(jié)構(gòu)示意圖
附圖6是排水器結(jié)構(gòu)示意圖
附圖7是燃料電池模塊外包裝結(jié)構(gòu)示意圖
附圖8是能量管理器結(jié)構(gòu)示意圖
附圖9是實施例40kw燃料電池模塊燃料電池堆連接示意圖
附圖中,100、燃料電池堆,1001、燃料電池堆I,1002、燃料電池堆11,210、包裝殼 上的空氣進口,220、包裝殼上的空氣出口,230、空氣分配單元,2301、燃料電池堆I空氣入 口,2302、燃料電池堆II空氣路入口,2303、燃料電池堆I空氣出口,2304、燃料電池堆II空 氣路出口,對0、氫氣分水器,310、包裝殼上的氫氣進口,320、包裝殼上的氫氣出口,330、氫 氣分配單元,3301燃料電池堆I氫氣入口,3302、燃料電池堆II氫氣路入口,3303燃料電 池堆I氫氣出口,3304、燃料電池堆II氫氣路出口,340、空氣分水器,350、液態(tài)水排水器, 3501、隔板,3502、液態(tài)水排水器分水器,3503、液態(tài)水排水器保溫盒,3504、液態(tài)水排水器進 水口,3505、液態(tài)水排水器出水口,3506、PTC熱敏電阻,360、脈沖電磁閥,370氫氣排放口, 410、包裝殼上的冷卻介質(zhì)進口,420、包裝殼上的冷卻介質(zhì)出口,430、冷卻介質(zhì)分配單元, 4301、燃料電池堆I冷卻介質(zhì)入口,4302、燃料電池堆II冷卻介質(zhì)入口,4303、燃料電池堆I 冷卻介質(zhì)出口,4304、燃料電池堆II冷卻介質(zhì)出口,440、進口單向閥,450、加熱水箱,460、 電阻,470、循環(huán)泵,480、出口單向閥,510、電子控制單元模塊,520、空氣溫度傳感器,530、空 氣壓力傳感器,540氫氣溫度傳感器,550、氫氣壓力傳感器,560、冷卻介質(zhì)溫度傳感器,570、9冷卻介質(zhì)壓力傳感器,580、電壓傳感器,590、電流傳感器,591、592、包裝殼上的通訊接口, 5110、單電池電壓采集電路,5111、溫度采集電路,5112、壓力采集電路,5113、電流采集電 路,5114、總電壓采集電路,5115、電阻開關(guān)驅(qū)動電路,5116、脈沖電磁閥驅(qū)動電路,51161、電 阻 I,51162、三極管 1,51163、電阻 II,51164、光耦,51165、三極管 II,51166、二極管,5117、 循環(huán)泵開關(guān)驅(qū)動電路,5118、通訊電路,5119、數(shù)字核心,610、包裝殼上的燃料電池堆的正極 接口,620、包裝殼上的燃料電池堆的負(fù)極接口,6101、燃料電池堆I的正極,6102、燃料電池 堆I的負(fù)極,6103、燃料電池堆II的正極,6104、燃料電池堆II的負(fù)極,710、包裝殼,720、能 量控制器,7200、能量控制器數(shù)字核心,7201、電壓變換器,7202、充電開關(guān),7203、加熱開關(guān), 7204、能量控制器電壓采集模塊,7205、能量控制器溫度采集模塊,730、儲能單元,740、電加 熱單元,750、通風(fēng)進風(fēng)管路接口,760、通風(fēng)出風(fēng)管路接口,800、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的空壓機 /風(fēng)機。
具體實施方式
實施例是具有水熱管理能力的40kw燃料電池模塊。
有兩個20kw燃料電池堆,每個電池堆節(jié)數(shù)為150節(jié),操作壓力低于lOOkpa,其衰減 速率Vt為10mV/h,空氣側(cè)阻力指標(biāo)為20kpa@50Nm3/h,氫氣側(cè)阻力指標(biāo)為25kpa@10Nm3/h。
空氣路、氫氣路和冷卻介質(zhì)路并聯(lián),電力輸出為并聯(lián),如圖9所示,1001和1002分 別為燃料電池堆,燃料電池堆1001空氣入口 2301通過空氣分配單元230與燃料電池堆 1002空氣路入口 2302相連,燃料電池堆1001空氣出口 2303通過空氣分配單元230與燃料 電池堆1002空氣路出口 2304相連,燃料電池堆1001氫氣入口 3301通過氫氣分配單元330 與燃料電池堆1002氫氣路入口 3302相連,燃料電池堆1001氫氣出口 3303通過氫氣分配 單元330與燃料電池堆1002空氣路出口 3304相連,燃料電池堆1001冷卻介質(zhì)入口 4301 通過冷卻介質(zhì)分配單元430與燃料電池堆1002冷卻介質(zhì)入口 4302相連,燃料電池堆1001 冷卻介質(zhì)出口 4303通過冷卻介質(zhì)分配單元430與燃料電池堆1002冷卻介質(zhì)出口 4304相 連,6101為燃料電池堆1001的正極,6102為燃料電池堆1001的負(fù)極,6103為燃料電池堆 1002的正極,6104為燃料電池堆1002的負(fù)極。
液態(tài)水排水器350如附圖6所示。3501 擋板,3502 分水盒,3503 保溫盒,3504 氫氣進氣接口,3505 氫氣排氣接口,3506 :PTC熱敏電阻(工作電壓150-300V,加熱溫度 150-250°C,額定功率:300W),脈沖電磁閥360 口徑為Φ5讓。
加熱水箱450為自制不銹鋼水箱,尺寸為200 X 300mm,降壓加熱電阻460為 500(Μ/18Ω,循環(huán)水泵470流量為6L/min,單向閥440和480 口徑為Φ25mm。
電源管理單元510為以單片機MC9S12DP256為核心的控制器??諝鉁囟葌鞲衅?520、氫氣溫度傳感器540和冷卻介質(zhì)溫度傳感器560為PT1000,空氣壓力傳感器530、氫氣 壓力傳感器550和冷卻介質(zhì)壓力傳感器570量程為0 lOOkpa,輸出信號為1 5V,電壓 傳感器580量程為0 500V,電流傳感器590量程為0 300A。
能量管理器720中7201為buck型降壓電路,輸出控制通過數(shù)字核心7200以恒電 流模式輸出,7202和7203為開關(guān)繼電器GV50。儲能單元為鎳氫電池MV/40Ah,加熱帶功率 為 200W。10
權(quán)利要求
1. 一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,包括置于外包裝子模塊內(nèi)的燃料電池堆、 分配單元、單池電壓檢測單元和電力輸出單元,外包裝子模塊包括包裝殼(710)和包裝殼 上設(shè)置的空氣進口 010)、空氣出口 020)、氫氣進口(310)、氫氣出口(320)、冷卻介質(zhì)進口 010)、冷卻介質(zhì)出口 020)、通訊接口(591、592)、燃料電池堆的負(fù)極接口(620)和燃料電 池堆的正極接口(610);冷卻介質(zhì)入口 010)、冷卻介質(zhì)出口 020)、空氣入口 010)、空氣出 口 020)、氫氣入口(310)和氫氣出口(320)分別與燃料電池堆(100)連接;燃料電池堆的 負(fù)極接口(620)和燃料電池堆的正極接口(610)與燃料電池堆的輸出端相連,分配單元包 括氫氣分配單元(330)、空氣分配單元(230)和冷卻介質(zhì)分配單元G30),其特征在于所述 具有水熱管理能力的燃料電池模塊還包括置于外包裝子模塊內(nèi)的電源管理單元、降壓加熱 子模塊和液態(tài)水管理子模塊;所述外包裝子模塊還包括能量控制器(720)、儲能單元(730)、電加熱單元(740)、氫 氣排放口(370)、通風(fēng)進風(fēng)管路接口(750)和通風(fēng)出風(fēng)管路接口(760),所述包裝殼(710) 內(nèi)壁敷設(shè)保溫材料,所述氫氣排放口(370)、通風(fēng)進風(fēng)管路接口(750)和通風(fēng)出風(fēng)管路接 口(760)設(shè)置在包裝殼(710)上,通風(fēng)進風(fēng)管路(750)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的空壓機或 風(fēng)機(800)出口連接,通風(fēng)出風(fēng)管路(760)和燃料電池系統(tǒng)的排放口相連;所述能量控制 器(720)在包裝殼(710)內(nèi),能量控制器(720)輸入端分別與燃料電池堆(100)的正負(fù)級 (610,620)相連,能量控制器(720)輸出端分別與儲能單元(730)和電加熱單元(740)相 連,電加熱單元(740)的電熱元件布置在包裝殼(710)內(nèi)壁的保溫材料表面;所述通訊接口 (591,592)與電源管理單元的電子控制單元模塊(510)相連;所述燃料電池模塊的氫氣排 放口(370)經(jīng)過液態(tài)水排水器(350)和脈沖電磁閥(360)與燃料電池堆的氫氣出口相連, 所述燃料電池堆(100)通過端板固定在包裝殼上;所述電源管理單元包括電子控制單元模塊(510)、空氣溫度傳感器(520)、空氣壓力傳 感器(530)、氫氣溫度傳感器(540)、氫氣壓力傳感器(550)、冷卻介質(zhì)溫度傳感器(560)、 冷卻介質(zhì)壓力傳感器(570)、電壓傳感器(580)、電流傳感器(590)和連接線束,空氣溫度 傳感器(520)和空氣壓力傳感器(530)連接在燃料電池堆空氣進口通道上,氫氣溫度傳感 器640)和氫氣壓力傳感器(550)連接在燃料電池堆氫氣進口通道上,冷卻介質(zhì)溫度傳感 器(560)和冷卻介質(zhì)壓力傳感器(570)連接在燃料電池堆冷卻介質(zhì)進口通道上,電壓傳感 器(580)和電流傳感器(590)連接在燃料電池堆電輸出線路上,空氣溫度傳感器(520)、空 氣壓力傳感器(530)、氫氣溫度傳感器(540)、氫氣壓力傳感器(550)、冷卻介質(zhì)溫度傳感器 (560)、冷卻介質(zhì)壓力傳感器(570)、電壓傳感器(580)和電流傳感器(590)用信號線與電子 控制單元模塊(510)連接;所述降壓加熱子模塊包括進口單向閥G40)、出口單向閥080)、加熱水箱050)、電阻 (460)和循環(huán)泵070),加熱水箱050)出口與燃料電池堆冷卻介質(zhì)分配單元G30)的冷 卻介質(zhì)入口相連,加熱水箱(450)入口通過進口單向閥040)與包裝殼(710)上的燃料電 池模塊冷卻介質(zhì)入口(410)相連,出口單向閥(480)入口與燃料電池堆冷卻介質(zhì)分配單元 (430)的冷卻介質(zhì)出口相連,出口單向閥(480)出口與包裝殼(710)上的燃料電池模塊冷卻 介質(zhì)出口(420)相連,循環(huán)泵(470)出口與加熱水箱(450)相連,循環(huán)泵(470)入口與燃料 電池堆冷卻介質(zhì)分配單元030)的冷卻介質(zhì)出口相連,循環(huán)泵G70)的控制開關(guān)與電子控 制單元模塊(510)相連,加熱水箱G50)內(nèi)設(shè)有電阻060),電阻(460) —端連至燃料電池堆的負(fù)極(620),另一端通過電子控制單元模塊(510)連至燃料電池堆的正極(610);所述液態(tài)水管理子模塊由氫氣分水器040)、空氣分水器(340)、液態(tài)水排水器(350) 和脈沖電磁閥(360)組成,包裝殼(710)上的燃料電池模塊空氣入口(210)通過空氣分水 器O40)與燃料電池堆的空氣分配單元O30)的空氣入口相連,包裝殼(710)上的燃料 電池模塊空氣出口(220)與燃料電池堆的空氣分配單元O30)的空氣出口相連,包裝殼 (710)上的燃料電池模塊氫氣入口(310)通過氫氣分水器(340)與燃料電池堆氫氣分配單 元(330)的氫氣入口相連,包裝殼(710)上燃料電池模塊氫氣出口(320)與燃料電池堆氫 氣分配單元(330)的氫氣出口相連,液態(tài)水排水器(350) —端與包裝殼(710)上的燃料電 池模塊氫氣出口(320)相連,另一端通過脈沖電磁閥(360)與包裝殼上燃料電池模塊氫氣 排放口(370)相連,液態(tài)水排水器(350)置于燃料電池模塊的最低點,脈沖電磁閥(360)與 電源管理單元的電子控制單元模塊(510)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述電 子控制單元模塊(510)由單電池電壓采集電路(5110)、溫度采集電路(5111)、壓力采集電 路(5112)、電流采集電路(5113)、總電壓采集電路(5114)、電阻開關(guān)驅(qū)動電路(5115)、脈沖 電磁閥驅(qū)動電路(5116)、循環(huán)泵開關(guān)驅(qū)動電路(5117)、通訊電路(5118)和數(shù)字核心(5119) 組成,所述單電池電壓采集電路(5110)、溫度采集電路(5111)、壓力采集電路(511 、電流 采集電路(5113)、總電壓采集電路(5114)分別與燃料電池堆(100)單電池、空氣溫度傳感 器(520)、氫氣溫度傳感器640)、冷卻介質(zhì)溫度傳感器(560)、空氣壓力傳感器(530)、氫氣 壓力傳感器650)、、冷卻介質(zhì)壓力傳感器(570)、電壓傳感器(580)、電流傳感器(590)用信 號線通過接口連接,所述電阻開關(guān)驅(qū)動電路(5115)與降壓加熱子模塊電阻G60)電連接, 控制降壓加熱子模塊電阻(460)的通斷,所述脈沖電磁閥驅(qū)動電路(5116)與液態(tài)水管理子 模塊的脈沖電磁閥(360)的控制器連接,控制脈沖電磁閥(360)的通斷,所述循環(huán)泵開關(guān)驅(qū) 動電路(5117)與降壓加熱子模塊循環(huán)泵G70)電連接,控制降壓加熱子模塊循環(huán)泵(470) 的啟停,所述通訊電路(5118)通過通訊接口(591/59 與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)控制單元連 接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述液 態(tài)水排水器由分水器(3502)、保溫盒(350 和PTC熱敏電阻(3506)組成,分水器(3502) 置于保溫盒(3503)內(nèi),PTC熱敏電阻(3506)置于保溫盒(3503)內(nèi)分水器集水部分的外部, PTC熱敏電阻(3506)與燃料電池的負(fù)載線連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述外 包裝子模塊的能量控制器(720)包括能量控制器數(shù)字核心(7200)、電壓變換器(7201)、充 電開關(guān)(720 、加熱開關(guān)(7203)、能量控制器電壓采集模塊(7204)和能量控制器溫度采集 模塊(7205),電壓變換器(7201)是降壓型恒電流輸出電路構(gòu)成的電壓變換器,能量控制器 數(shù)字核心(7200)與電壓變換器(7201)連接,通過信號線分別與能量控制器電壓采集模塊 (7204)和能量控制器溫度采集模塊(720 連接,電壓變換器(7201)輸入端分別與燃料電 池模塊的正極(610)和負(fù)極(620)相連,電壓變換器(7201)輸出端通過充電開關(guān)(7202)與 儲能單元(730)連接,能量控制器電壓采集模塊(7204)與儲能單元(730)連接,儲能單元 (730)通過加熱開關(guān)(720 與電加熱單元(740)連接;所述外包裝子模塊儲能單元(730) 是超級電容器、鋰離子電池或鎳氫電池;所述外包裝子模塊電加熱單元(740)的電熱元件是電熱絲、電熱帶或電熱管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,其特征在于所述通 風(fēng)進風(fēng)管路接口(750)和通風(fēng)出風(fēng)管路接口(760)分別置于包裝殼一對相對立的豎立面 上,高度位于距包裝殼頂部1/5處。
6.權(quán)利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其特征 在于所述管理控制方法包括電源管理控制方法、降壓加熱管理控制方法、燃料電池堆保溫 控制方法和液態(tài)水管理控制方法,所述電源管理控制方法為電子控制單元模塊(510)根 據(jù)設(shè)定燃料電池堆出廠極化曲線、衰減特性和在線檢測燃料電池模塊的輸出電壓和輸出電 流,在線分析燃料電池的輸出狀態(tài)和當(dāng)前的最大輸出能力;所述降壓加熱管理控制方法為 電子控制單元模塊(510)通過電壓傳感器(580)和冷卻介質(zhì)溫度傳感器(570)檢測燃料電 池模塊總電壓和冷卻介質(zhì)溫度,控制降壓加熱子模塊工作狀態(tài);所述燃料電池堆保溫控制 方法為能量控制器(720)通過冷卻介質(zhì)溫度傳感器(570)檢測燃料電池模塊冷卻介質(zhì)溫 度,控制燃料電池模塊的加熱保溫;所述液態(tài)水管理控制方法為電子控制單元模塊(510) 通過內(nèi)部單電池電壓檢測單元、冷卻介質(zhì)溫度傳感器(570)和電流傳感器(590)檢測燃料 電池堆單電池電壓、燃料電池堆工作溫度和燃料電池模塊輸出電流,控制液態(tài)水管理子模 塊工作狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其 特征在于所述降壓加熱子模塊控制包括電阻(460)通斷狀態(tài)控制和循環(huán)泵(470)啟???制所述電阻(460)通斷狀態(tài)控制為數(shù)字核心(5119)通過溫度采集電路(5111)采集冷 卻介質(zhì)的溫度T,當(dāng)溫度T低于設(shè)定值Tl時,通過電阻開關(guān)驅(qū)動電路(5115)控制接通電阻 G60),當(dāng)溫度T高于設(shè)定值T2時,數(shù)字核心(5119)對總電壓采集電路(5114)采集燃料 電池堆的輸出電壓V進行判斷,當(dāng)燃料電池堆輸出電壓V超過設(shè)定值VI,則通過電阻開關(guān) 驅(qū)動電路(5115)控制接通電阻G60),當(dāng)燃料電池堆輸出電壓V低壓設(shè)定值V2,則通過電 阻開關(guān)驅(qū)動電路(5115)控制斷開電阻G60);所述循環(huán)泵斷狀態(tài)控制為數(shù)字核心(5119) 通過溫度采集電路(5111)采集冷卻介質(zhì)的溫度T,當(dāng)溫度T低于設(shè)定值Tl時,通過開關(guān)驅(qū) 動電路(511 控制接通循環(huán)泵G70),使冷卻介質(zhì)在燃料電池模塊內(nèi)部循環(huán),便于燃料電 池模塊升溫和保溫,當(dāng)溫度T高于設(shè)定值Tl時,通過開關(guān)驅(qū)動電路(5115)控制斷開循環(huán)泵 070),使冷卻介質(zhì)與燃料電池模塊外部的燃料電池系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)循環(huán),便于降低電池堆 溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法,其 特征在于所述外包裝子模塊燃料電池堆保溫控制為能量控制器數(shù)字核心(7200)通過控 制電壓變換器(7201)的輸出電流給儲能單元(730)充電,能量控制器數(shù)字核心(7200)通 過電壓采集模塊(7204)實時采集儲能單元的電壓Ven,如果Ven超過設(shè)定值Venset,則能 量控制器數(shù)字核心(7200)控制斷開充電開關(guān)(7202),停止向儲能單元(730)充電,能量 控制器數(shù)字核心(7200)通過溫度采集模塊(720 采集燃料電池堆冷卻介質(zhì)溫度Tmod,當(dāng) Tmod低于設(shè)定值Tmodset時,則能量控制器(720)的數(shù)字核心(7200)控制接通加熱開關(guān) (7203),通過電加熱元件(740)給燃料電池模塊加熱保溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法, 其特征在于所述液態(tài)水管理子模塊控制為電子控制單元模塊(510)數(shù)字核心(5119)根據(jù)最低單電池電壓、電堆溫度和電流積分通過脈沖電磁閥驅(qū)動電路(5116)控制脈沖 電磁閥(360)開關(guān)周期和占空比,當(dāng)燃料電池堆某單體電池電壓Vcellmin低于設(shè)定值 Vcellminset時,則連續(xù)排放N次,排放周期為Tcell,占空比為50%,當(dāng)燃料電池堆單體電 池電壓都高于設(shè)定值VcelIminset時,排放占空比為常數(shù)Dfoiorm,排放周期Tdr根據(jù)冷卻介 質(zhì)溫度和燃料電池堆輸出電流積分確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊的管理控制方法, 其特征在于所述脈沖電磁閥驅(qū)動電路(5116)是電子驅(qū)動電路,其結(jié)構(gòu)為電子控制單元模 塊(510)數(shù)字核心(5119)的信號與電阻I (51161) —端相連,電阻I (51161)的另一端與三 極管I (51162)的基極相連,電阻II (51163)的一端與三極管I (51162)的集電極連接,另一 端與光耦(51164)輸入端相連,三極管1(51162)的發(fā)射極接地,光耦(51164)輸出端分別 與三極管11(5116 基極和集電極相連,三極管11(5116 的發(fā)射極接地,光耦(51164)輸 出端與三極管II (51165)集電極連接的線路與脈沖電磁閥(360)連通,三極管II (51165) 集電極通過二極管(51166)接地。
全文摘要
一種具有水熱管理能力的燃料電池模塊,由燃料電池電堆、分配單元、電源管理單元、降壓加熱子模塊、液態(tài)水管理子模塊、外包裝子模塊等部分構(gòu)成。分配單元將進入模塊的氫氣、空氣和冷卻介質(zhì)分配至各單堆中;電源管理單元對模塊進行狀態(tài)檢測及管理,控制電力輸出的導(dǎo)通與切斷,降壓加熱模塊實現(xiàn)燃料電池堆的溫度調(diào)節(jié)和輸出電壓控制;液態(tài)水管理模塊對進入燃料電池堆模塊的氫氣和空氣進行液態(tài)水分離,將氫氣側(cè)的液態(tài)水排出;外包裝子模塊實現(xiàn)電堆模塊的防水防塵、保溫和將包裝模塊內(nèi)部的氫氣和水蒸氣排出。本發(fā)明的優(yōu)點是燃料電池模塊可快速進入理想的工作狀態(tài),有利于提高燃料電池模塊的性能、穩(wěn)定性、安全性等。
文檔編號H01M8/04GK102035002SQ20101056618
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者侯中軍, 呂萍, 燕希強, 王仁芳, 王克勇 申請人:新源動力股份有限公司