一種水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水冷型燃料電池電堆的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法，具體是指一種為控制水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池電堆溫度的簡單有效的熱管理系統(tǒng)以及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，其中以質(zhì)子交換膜燃料(PEMFC)電池運用最為廣泛。PEMFC具有高效、清潔、環(huán)境友好特點，可用于電動汽車、分布式發(fā)電站、航空、軍工、民用等各個領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用的前景。
[0003]PEMFC在發(fā)電過程中會產(chǎn)生與電能相當?shù)臒崮埽绻荒芗皶r有效的排除產(chǎn)生的熱能將會導(dǎo)致電堆溫度升高，高溫雖然能夠提高電極反應(yīng)，提高催化活性，但是過高的溫度會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜干燥，降低膜的性能，從而降低PEMFC的輸出特性和使用壽命，更進一步，如果溫度失控，將會威脅系統(tǒng)以及工作人員的安全。因此對燃料電池的熱管理系統(tǒng)及其控制方法的研宄是及其重要的。
[0004]傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由電堆410、散熱器420、三通閥430、冷卻循環(huán)泵440、分流閥450、溫度傳感器460、系統(tǒng)控制器470、負載480組成。
[0005]傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)的工作原理是測定燃料電池電堆的出口的冷卻水溫度，如果冷卻水溫度超過設(shè)定的目標值，則打開三通閥散熱器所在的通路。通過散熱器溫度降低的冷卻水與直接流向三通閥溫度幾乎不變的冷卻水混合后，形成溫度適當?shù)幕旌侠鋮s水，在冷卻水泵的帶動下進入電堆，進入下一個循環(huán)。
[0006]在傳統(tǒng)的熱管理技術(shù)中，為了保證進入電堆的冷卻水具有一個合適的溫度，需要精確控制三通閥與散熱器風(fēng)扇。即通過控制散熱器風(fēng)扇使溫度較高的冷卻水經(jīng)過散熱器后溫度降低，同時通過控制三通閥使從散熱器側(cè)流動的溫度較低的冷卻水和從分流閥直接流向三通閥的冷卻水按一定比例分配，充分混合。從而得到滿足要求的冷卻水。由于需要兩種不同溫度的冷卻水混合，為了保證最終冷卻水進堆溫度適當，首先就要保證冷卻水的混合比例是否恰當，其次是考慮溫度混合的物理響應(yīng)時間，否則將會導(dǎo)致冷卻水難以保持適當?shù)臏囟取?br>[0007]中國專利[CN 103872357A]，提出了經(jīng)過改善的結(jié)構(gòu)簡單的熱管理系統(tǒng)，主要由具備COD整合的散熱器；冷卻泵、電堆以及溫度傳感器。
[0008]其主要工作原理是測定從電堆排出的冷卻水溫度，根據(jù)溫度運行加熱器，再根據(jù)溫度調(diào)節(jié)冷卻水泵，使冷卻水流入電堆。當冷卻水溫度低于目標溫度時，加熱器運行加熱冷卻水，同時調(diào)節(jié)冷卻泵，以低轉(zhuǎn)速驅(qū)動而使低流量冷卻水流入電堆。當冷卻水溫度高于目標溫度時，通過調(diào)節(jié)冷卻水泵，以高轉(zhuǎn)速驅(qū)動而使高流量的冷卻水流入電堆。
[0009]雖然相對于傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)只需控制通過冷卻泵的冷卻水流量即可控制堆的溫度而更加簡單地實施燃料電池堆的熱管理。但是不論是傳統(tǒng)的系統(tǒng)還是改良的系統(tǒng)主要關(guān)注的對冷卻水出堆溫度的精確控制，而忽略的對冷卻水進堆溫度的精確控制；其次在熱管理系統(tǒng)自動控制過程中散熱器風(fēng)扇和冷卻水循環(huán)泵之間的控制存在耦合現(xiàn)象，容易導(dǎo)致電堆溫度，冷卻水流速、風(fēng)扇控制電壓產(chǎn)生振蕩，如圖5b所示；然后高溫的冷卻水出電堆后直接進入散熱器，當燃料電池輸出功率發(fā)生改變的時，將會導(dǎo)致冷卻水出堆溫度發(fā)生改變，這是就需要實時的改變風(fēng)扇以及水泵控制電壓，特別是輸出功率發(fā)生大幅變化時，對控制精度要求更加明顯，增加了散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速的不斷振蕩；最后，質(zhì)子交換膜燃料電池對氣路、水路之間的壓力要求更加嚴格，傳統(tǒng)的控制方法，沒有考慮壓力的因素，冷卻水的壓力不能良好控制，如圖5c所示。本發(fā)明針對目前水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)存在不足，開發(fā)水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其控制方法。
[0010]注:在冷卻水循環(huán)過程中，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速控制電堆冷卻水進出口的溫差，調(diào)節(jié)散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制電堆冷卻水入口的溫度值。在傳統(tǒng)的溫度控制方法中，需要設(shè)定好電堆冷卻水入口溫度與出口溫度(或者出入口的溫差)，所以在調(diào)節(jié)過程中，風(fēng)扇和水泵的調(diào)節(jié)極易出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，延長調(diào)節(jié)時間。比如在電堆輸出功率突然增大的情況下，系統(tǒng)先檢測到電堆冷卻水出口溫度升高，那么需要調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速以滿足設(shè)定的冷卻水出口溫度(或出入口的溫差)，但水流速增大的同時，散熱器出口即電堆冷卻水入口的溫度也會隨即提升，需要增大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速用以降低冷卻水入口溫度達到設(shè)定值。而此時又引起了電堆冷卻水出入口的溫差的變化，所以這種傳統(tǒng)的控制方式存在較強的耦合性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的主要是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，更利于控制的水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理系統(tǒng)及其控制方法。
[0012]為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明的采用的技術(shù)方案如下:
一種水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，
所述的熱管理系統(tǒng)如圖1表示，主要組成結(jié)構(gòu)為:電堆、水箱、冷卻水循環(huán)泵、散熱器、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度控制器、電子負載。所述的冷卻水循環(huán)泵的入口通過管路與水箱的出口相連，循環(huán)泵的出口通過管路與散熱器冷卻水入口相連，散熱器冷卻水出口通過管路與電堆的冷卻水入口相連，電堆冷卻水出口通過管路與水箱入口相連；在電堆與散熱器之間添加溫度傳感器與壓力傳感器，在電堆與水箱之間添加溫度傳感器。
[0013]電堆，根據(jù)負載需求，給負載提供電能，并產(chǎn)生大約相同能量的熱量。
[0014]水箱，存儲冷卻水，同時緩沖進入散熱器的冷卻水溫度，并在燃料電池啟動階段利用其中的加熱裝置給冷卻水加熱。
[0015]冷卻水循環(huán)泵，控制冷卻水的流速。
[0016]散熱器，降低進入散熱器的冷卻水溫度。
[0017]溫度傳感器，測量電堆入口與出口冷卻水的溫度。
[0018]壓力傳感器，測量電堆入口冷卻水的壓力。
[0019]溫度控制器，控制整個熱管理系統(tǒng)正常運行。
[0020]電子負載，消耗燃料電池產(chǎn)生的電能。
[0021]一種水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾砜刂品椒ǎ?br> 對冷卻水泵的控制是根據(jù)空氣入口壓力來確定，在冷卻水入口壓力和空氣入口壓力差值目標量固定的情況下，不再考慮電堆的溫度；對散熱器風(fēng)扇的控制是根據(jù)冷卻水入口溫度來確定。冷卻水泵與散熱器風(fēng)扇采用不同的控制依據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)解耦。
[0022]在燃料電池正常工作過程中，散熱器風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度與電堆入口冷卻水的溫度成比例調(diào)節(jié)，冷卻水循環(huán)泵的旋轉(zhuǎn)速度與電堆入口冷卻水的壓力成比例調(diào)節(jié)。
[0023]當所述的電堆入口冷卻水溫度高于溫度閾值時，散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速將會加快，使較高流量的冷空氣經(jīng)過散熱器；當所述的電堆入口冷卻水溫度低于溫度閾值時，散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速減慢，使較低流量對冷空氣經(jīng)過散熱器。
[0024]當所述的電堆入口冷卻水壓力高于壓力閾值時，冷卻水循環(huán)泵旋轉(zhuǎn)將會減慢，使較低流量的冷卻水流入燃料電池電堆；當所述的電堆入口冷卻水壓力低于壓力閾值時，冷卻水循環(huán)泵轉(zhuǎn)速將會加快，使較高流量的冷卻水流入燃料電池電堆。
[0025]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，在減少了三通閥和分流閥，增加水箱和壓力傳感器的基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。更加易于控制冷卻水的溫度同時增加壓力控制，確保電堆內(nèi)部極板的受力平衡，阻止冷卻水中的乙二醇進入催化層，減少對催化層的毒化作用。又只需通過控制散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就可控制冷卻水的溫度，通過控制冷卻泵的冷卻水流量就可控制冷卻水的壓力，使溫度響應(yīng)速度變快，超調(diào)量變小，系統(tǒng)不出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，從而使整個熱管理系統(tǒng)穩(wěn)定與安全。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明實施例提供的一種的水冷型燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2是本發(fā)明實施例提供的一種的水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制方法的流程圖
圖3a_3c是根據(jù)本發(fā)明的控制方法實施的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)操作曲線圖圖4是傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖5a_5c是根據(jù)傳統(tǒng)的熱管理控制方法實施的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)操作曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明更加容易理解，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理系統(tǒng)及其控制方法做進一步的闡述，但附圖中的實施例不能夠成對本發(fā)明的任何限制。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的實施例水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理系統(tǒng)主要包括以下幾個主要部件:電堆110、帶有加熱裝置的水箱120、冷卻水循環(huán)泵130、散熱器140、冷卻水入堆溫度傳感器150、冷卻水出堆溫度傳感器160、冷卻水入堆壓力傳感器170、熱管理系統(tǒng)的控制器180。
[0029]電堆110主要作用是根據(jù)負載的需求給負載提供電能。在供電的同時產(chǎn)生大約與電能相等廢熱。
[0030]水箱120主要作用是存儲冷卻水；其次是緩沖由于負載突然變換引起散熱器的冷卻水入口溫度快速變化的趨勢，減小散熱器140的工作壓力，減少散熱器風(fēng)扇141劇烈抖動從而保證進入電堆的冷卻水溫度精度更高；最后在水箱上加熱裝置121可以在燃料電池啟動階段可以快速的將冷卻水加熱