CN103326048B - 一种燃料电池快速升温系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池快速升温系统及控制方法，所述系统包括小循环加热系统和大循环冷却系统，所述小循环加热系统包括燃料电池堆、设置在燃料电池堆冷却液出口的温度传感器、水箱、水泵、节温器、三通和电加热器，所述大循环冷却系统包括燃料电池堆、设置在燃料电池堆冷却液出口的温度传感器、水箱、水泵、节温器、流量计、具有风扇的散热器、三通和电加热器，还包括分别连接水泵、温度传感器、流量计、散热器和电加热器的控制器；本发明既解决了燃料电池堆的散热问题，同时又能快速升温燃料电池堆，并保持燃料电池堆始终处于其最佳工作温度区域，进而使得燃料电池性能始终处于最稳定状态，延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池快速升温系统及控制方法。
背景技术
燃料电池发电系统具有在一定温度范围内性能达到最佳的特点，由于燃料电池结构及工艺不同，其最佳工作温度区域有所差异，一般燃料电池最佳工作温度区域在60～75℃以内，对于一个化学反应来说，温度是影响其化学反应进程的一个重要因素，当燃料电池处于低温的情况下，其化学反应进程会变慢，也就是性能会变差，加载速度变慢，一般燃料电池发电系统都是以散热为主，燃料电池的升温依赖自身的废热通过循环冷却液循环而实现缓慢的提高，参考图3为现有的燃料电池发电系统结构示意图，现有的燃料电池发电系统通常包括水箱1、水泵2、散热器5、燃料电池堆8、设置在燃料电池堆8冷却液出口的温度传感器9、以及控制器10，冷却液从燃料电池堆8冷却液出口流出，经温度传感器9检测后进入水箱1，经由水泵2和散热器5，最后进入燃料电池堆8冷却液入口，控制器10分别连接水泵2、温度传感器9和散热器5，该系统以散热为主，燃料电池产生的废热通过循环管路上的散热器5与外界环境进行热交换，进而带走燃料电池产生的废热，同样燃料电池的温度也是靠自身废热逐渐升上去，这样升温较慢，不利于燃料电池性能的提升，当环境温度较低的时候，因为冷却液要通过散热器与环境温度进行热交换，实现温升将很困难，尤其是在环境温度偏低且自身发出的功率较低时，更是很难达到燃料电池的最佳工作温度区域，而在低温时急剧加载和载荷过大情况下，催化剂活性较低，电压大幅下降，容易形成反极现象，膜电极发生降解，从而影响燃料电池的使用寿命。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种实现在燃料电池处于低温时的快速升温、提高燃料电池性能和使用寿命的燃料电池快速升温系统及控制方法。
本发明的技术手段如下：
一种燃料电池快速升温系统，
包括小循环加热系统和大循环冷却系统，所述小循环加热系统包括燃料电池堆、设置在燃料电池堆冷却液出口的温度传感器、水箱、水泵、节温器、三通和电加热器，冷却液从燃料电池堆冷却液出口流出，经温度传感器检测后进入水箱，经由水泵、节温器小循环管路和三通，最后经电加热器加热后进入燃料电池堆冷却液入口；所述大循环冷却系统包括燃料电池堆、设置在燃料电池堆冷却液出口的温度传感器、水箱、水泵、节温器、流量计、具有风扇的散热器、三通和电加热器，冷却液从燃料电池堆冷却液出口流出，经温度传感器检测后进入水箱，经由水泵、节温器大循环管路，然后经流量计检测再经过散热器、三通和电加热器，最后进入燃料电池堆冷却液入口；
还包括分别连接水泵、温度传感器、流量计、散热器和电加热器，用于控制水泵启停，系统开始工作后启动电加热器，在电加热器关闭之后当温度传感器所检测的冷却液温度低于最佳工作温度区域下限值时启动电加热器，根据温度传感器所检测的冷却液温度处于最佳工作温度区域内且流量计所检测的冷却液流量达到最大值的结果关闭电加热器，根据温度传感器所检测的冷却液温度高于等于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器的风扇开启，根据温度传感器所检测的温度低于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器的风扇关闭的控制器。
一种燃料电池快速升温系统的控制方法，包括如下步骤：
S1：启动燃料电池堆，执行S2；
S2：控制器启动水泵，执行S3；
S3：控制器控制电加热器开启，执行S4；
S4：流量计检测冷却液流量并反馈给控制器，执行S5；
S5：温度传感器检测冷却液温度并反馈给控制器，执行S6；
S6：控制器判断冷却液温度是否处于最佳工作温度区域内，是则执行S7，否则执行S4；
S7：控制器判断冷却液流量是否达到最大值，是则执行S8，否则执行S4；
S8：控制器控制电加热器关闭，执行S9；
S9：控制器判断冷却液温度是否高于等于最佳工作温度区域的上限值，是则执行S10，否则执行S9；
S10：控制器控制散热器风扇开启，执行S11；
S11：控制器判断冷却液温度是否低于最佳工作温度区域的上限值，是则执行S12，否则执行S11；
S12：控制器控制散热器风扇关闭，执行S13；
S13：控制器判断冷却液温度是否低于最佳工作温度区域的下限值，是则执行S3，否则执行S13。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种燃料电池快速升温系统及控制方法，巧妙利用节温器这种汽车用件，在低温时节温器开启小循环管路，小循环加热系统工作，冷却液从燃料电池堆冷却液出口流出，经温度传感器检测后进入水箱，经由水泵、节温器小循环管路和三通，最后经电加热器加热后进入燃料电池堆冷却液入口，通过电加热器加热和燃料电池堆自身产生的废热使得燃料电池堆温度不断上升，当流经节温器的冷却液温度高于等于一定温度值时，节温器开启大循环管路，并逐渐关闭小循环管路，冷却液从燃料电池堆冷却液出口流出，经温度传感器检测后进入水箱，经由水泵、节温器大循环管路，然后经流量计检测再经过散热器、三通和电加热器，最后进入燃料电池堆冷却液入口，控制器系统开始工作后启动电加热器，在电加热器关闭之后当温度传感器所检测的冷却液温度低于最佳工作温度区域下限值时启动电加热器，根据温度传感器所检测的冷却液温度处于最佳工作温度区域内且流量计所检测的冷却液流量达到最大值的结果关闭电加热器，根据温度传感器所检测的冷却液温度高于等于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器的风扇开启，根据温度传感器所检测的温度低于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器的风扇关闭，实现了根据温度传感器和流量计所采集的冷却液温度和流量数据而通过控制器控制电加热器开启和关闭，并当温度传感器所采集的温度超过最佳工作温度区域时控制散热器风扇转动，开始散热，使得温度平稳上升，快速稳定的处于最佳工作温度区域内，避免了现有燃料电池发电系统由于燃料电池的温度也是靠自身废热逐渐升上去而导致的升温较慢，不利于燃料电池性能的提升的问题，有利于提高燃料电池的性能和使用寿命；本发明既解决了燃料电池堆的散热问题，同时又能快速升温燃料电池堆，并保持燃料电池堆始终处于其最佳工作温度区域，进而使得燃料电池性能始终处于最稳定状态，延长其使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述系统的结构示意图；
图2是本发明所述控制方法的流程图；
图3是现有的燃料电池发电系统的结构示意图；
图4是本发明的测试结果曲线图；
图5是本发明与现有技术的测试结果对比曲线图。
图中：1、水箱，2、水泵，3、节温器，4、流量计，5、散热器，6、三通，7、电加热器，8、燃料电池堆，9、温度传感器，10、控制器。
具体实施方式
如图1所示的一种燃料电池快速升温系统，包括小循环加热系统和大循环冷却系统，所述小循环加热系统包括燃料电池堆8、设置在燃料电池堆8冷却液出口的温度传感器9、水箱1、水泵2、节温器3、三通6和电加热器7，冷却液从燃料电池堆8冷却液出口流出，经温度传感器9检测后进入水箱1，经由水泵2、节温器3小循环管路和三通6，最后经电加热器7加热后进入燃料电池堆8冷却液入口；所述大循环冷却系统包括燃料电池堆8、设置在燃料电池堆8冷却液出口的温度传感器9、水箱1、水泵2、节温器3、流量计4、具有风扇的散热器5、三通6和电加热器7，冷却液从燃料电池堆8冷却液出口流出，经温度传感器9检测后进入水箱1，经由水泵2、节温器3大循环管路，然后经流量计4检测再经过散热器5、三通6和电加热器7，最后进入燃料电池堆8冷却液入口；还包括分别连接水泵2、温度传感器9、流量计4、散热器5和电加热器7，用于控制水泵2启停，系统开始工作后启动电加热器7，在电加热器7关闭之后当温度传感器9所检测的冷却液温度低于最佳工作温度区域下限值时启动电加热器7，根据温度传感器9所检测的冷却液温度处于最佳工作温度区域内且流量计4所检测的冷却液流量达到最大值的结果关闭电加热器7，根据温度传感器9所检测的冷却液温度高于等于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器5的风扇开启，根据温度传感器9所检测的温度低于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器5的风扇关闭的控制器10；进一步地，所述节温器3为蜡式节温器，该节温器3根据流经其本身的冷却液温度是否达到一定温度值来实现小循环管路或大循环管路的自动开启，并根据节温器3所具有的感温体内的石蜡融化程度自动调节大循环管路和小循环管路的开度。
如图2所示的一种燃料电池快速升温系统的控制方法，包括如下步骤：
S1：启动燃料电池堆8，执行S2；
S2：控制器10启动水泵2，执行S3；
S3：控制器10控制电加热器7开启，执行S4；
S4：流量计4检测冷却液流量并反馈给控制器10，执行S5；
S5：温度传感器9检测冷却液温度并反馈给控制器10，执行S6；
S6：控制器10判断冷却液温度是否处于最佳工作温度区域内，是则执行S7，否则执行S4；
S7：控制器10判断冷却液流量是否达到最大值，是则执行S8，否则执行S4；
S8：控制器10控制电加热器7关闭，执行S9；
S9：控制器10判断冷却液温度是否高于等于最佳工作温度区域的上限值，是则执行S10，否则执行S9；
S10：控制器10控制散热器5风扇开启，执行S11；
S11：控制器10判断冷却液温度是否低于最佳工作温度区域的上限值，是则执行S12，否则执行S11；
S12：控制器10控制散热器5风扇关闭，执行S13；
S13：控制器10判断冷却液温度是否低于最佳工作温度区域的下限值，是则执行S3，否则执行S13。
现有的节温器3主要为蜡式节温器，是一种汽车用件，为一进两出的形式，以某一温度为分界线，低于该一定温度值时节温器只开启一路，当高于等于该一定温度值时，节温器3开启另一路，开度随着温度的上升逐渐变大，当冷却温度低于规定的一定温度值时，节温器3感温体内的精致石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭与散热器5之间的通道，冷却液直接进入三通6，流经电加热器7进入燃料电池堆8，形成小循环加热系统，当冷却液温度达到规定的一定温度值后，石蜡开始融化逐渐变为液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩，在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力，推杆对阀门有向下的反推力使阀门开启，这时冷却液经由散热器5、流经三通6和电加热器7进入燃料电池堆8，形成大循环冷却系统；下面通过试验结果来进一步说明本发明的有益效果，试验中，采用额定功率为30kW的燃料电池堆8，采用额定流量为5.5m3/h的水泵2，室温为25℃，燃料电池堆8冷却液出口温度在60～65℃内性能最佳，即60～65℃为最佳工作温度区域，选用的节温器3设定一定温度值为57℃，即为节温器切换小循环管路慢慢关闭和大循环管路慢慢开启的一定温度值，即当流经节温器的冷却液温度达到57℃时，节温器大循环管路会开始开启，有一部分冷却液由大循环管路进入散热器，同时小循环管路开度减小，冷却液流量减小，并随着温度不断上升至58℃后，节温器的小循环管路完全关闭，节温器的大循环管路完全开启；燃料电池堆启动以后，启动水泵，因为系统开始工作后冷却液初始温度与室温相同只有25℃，低于节温器3的大循环开启温度57℃，此时冷却液不经过散热器5，同时当前温度低于最佳工作温度区域下限值60℃，控制器10控制电加热器7开启，冷却液流经三通6和电加热器7，直接进入燃料电池堆8形成小循环，流量计4反馈给控制器10的流量为0m3/h，加载30kW，燃料电池堆8自身产生的热和电加热器7产生的热共同加热冷却液，使冷却液温度快速上升，当温度达到一定温度值57℃时，节温器3开启大循环，并随着温度上升至58℃时小循环自动关闭，温度在7.6分钟达到60℃，此时大循环完全打开，此时温度处于最佳工作温度区域60～65℃内，且流量计4上传给控制器10的流量为5.5m3/h，冷却液完全流经散热器5，这时关闭电加热器7，燃料电池堆8温度小幅下降后继续上升，当达到最佳工作温度区域上限值65℃时，散热器5开启，当温度降低到64℃，低于最佳工作温度区域上限值65℃，散热器5关闭，如此反复，使燃料电池堆8温度基本处于最佳工作温度区域60-65℃之内，如图4所示为本发明的测试结果曲线图，其中显示了采用本发明所述系统即新低温启动系统的燃料电池堆温度--时间变化曲线图，可以看出系统启动后，燃料电池堆快速升温至最佳工作温度区域，并保持燃料电池堆始终处于其最佳工作温度区域，同时实验又做了现有燃料电池发电系统的测试，如图5所示为本发明与现有技术的测试结果对比曲线图，其中显示了现有技术中的燃料电池发电系统即原系统的燃料电池堆温度--时间变化曲线图30，以及采用本发明所述系统即新低温启动系统的燃料电池堆温度--时间变化曲线图20，可以看出采用现有技术达到60℃需时55分钟，比采用本发明的系统要慢47分钟才能达到最佳温度。
本发明提供的一种燃料电池快速升温系统及控制方法，巧妙利用节温器这种汽车用件，在低温时节温器开启小循环管路，小循环加热系统工作，冷却液从燃料电池堆冷却液出口流出，经温度传感器检测后进入水箱，经由水泵、节温器小循环管路和三通，最后经电加热器加热后进入燃料电池堆冷却液入口，通过电加热器加热和燃料电池堆自身产生的废热使得燃料电池堆温度不断上升，当流经节温器的冷却液温度高于等于一定温度值时，节温器开启大循环管路，并逐渐关闭小循环管路，冷却液从燃料电池堆冷却液出口流出，经温度传感器检测后进入水箱，经由水泵、节温器大循环管路，然后经流量计检测再经过散热器、三通和电加热器，最后进入燃料电池堆冷却液入口，控制器系统开始工作后启动电加热器，在电加热器关闭之后当温度传感器所检测的冷却液温度低于最佳工作温度区域下限值时启动电加热器，根据温度传感器所检测的冷却液温度处于最佳工作温度区域内且流量计所检测的冷却液流量达到最大值的结果关闭电加热器，根据温度传感器所检测的冷却液温度高于等于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器的风扇开启，根据温度传感器所检测的温度低于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器的风扇关闭，实现了根据温度传感器和流量计所采集的冷却液温度和流量数据而通过控制器控制电加热器开启和关闭，并当温度传感器所采集的温度超过最佳工作温度区域时控制散热器风扇转动，开始散热，使得温度平稳上升，快速稳定的处于最佳工作温度区域内，避免了现有燃料电池发电系统由于燃料电池的温度也是靠自身废热逐渐升上去而导致的升温较慢，不利于燃料电池性能的提升的问题，有利于提高燃料电池的性能和使用寿命；本发明既解决了燃料电池堆的散热问题，同时又能快速升温燃料电池堆，并保持燃料电池堆始终处于其最佳工作温度区域，进而使得燃料电池性能始终处于最稳定状态，延长其使用寿命。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种燃料电池快速升温系统，其特征在于：
包括小循环加热系统和大循环冷却系统，所述小循环加热系统包括燃料电池堆（8）、设置在燃料电池堆（8）冷却液出口的温度传感器（9）、水箱（1）、水泵（2）、节温器（3）、三通（6）和电加热器（7），冷却液从燃料电池堆（8）冷却液出口流出，经温度传感器（9）检测后进入水箱（1），经由水泵（2）、节温器（3）小循环管路和三通（6），最后经电加热器（7）加热后进入燃料电池堆（8）冷却液入口；所述大循环冷却系统包括燃料电池堆（8）、设置在燃料电池堆（8）冷却液出口的温度传感器（9）、水箱（1）、水泵（2）、节温器（3）、流量计（4）、具有风扇的散热器（5）、三通（6）和电加热器（7），冷却液从燃料电池堆（8）冷却液出口流出，经温度传感器（9）检测后进入水箱（1），经由水泵（2）、节温器（3）大循环管路，然后经流量计（4）检测再经过散热器（5）、三通（6）和电加热器（7），最后进入燃料电池堆（8）冷却液入口；
还包括分别连接水泵（2）、温度传感器（9）、流量计（4）、散热器（5）和电加热器（7），用于控制水泵（2）启停，系统开始工作后启动电加热器（7），在电加热器（7）关闭之后当温度传感器（9）所检测的冷却液温度低于最佳工作温度区域下限值时启动电加热器（7），根据温度传感器（9）所检测的冷却液温度处于最佳工作温度区域内且流量计（4）所检测的冷却液流量达到最大值的结果关闭电加热器（7），根据温度传感器（9）所检测的冷却液温度高于等于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器（5）的风扇开启，根据温度传感器（9）所检测的温度低于最佳工作温度区域上限值的结果控制散热器（5）的风扇关闭的控制器（10）。
2.一种燃料电池快速升温系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：启动燃料电池堆（8），执行S2；
S2：控制器（10）启动水泵（2），执行S3；
S3：控制器（10）控制电加热器（7）开启，执行S4；
S4：流量计（4）检测冷却液流量并反馈给控制器（10），执行S5；
S5：温度传感器（9）检测冷却液温度并反馈给控制器（10），执行S6；
S6：控制器（10）判断冷却液温度是否处于最佳工作温度区域内，是则执行S7，否则执行S4；
S7：控制器（10）判断冷却液流量是否达到最大值，是则执行S8，否则执行S4；
S8：控制器（10）控制电加热器（7）关闭，执行S9；
S9：控制器（10）判断冷却液温度是否高于等于最佳工作温度区域的上限值，是则执行S10，否则执行S9；
S10：控制器（10）控制散热器（5）风扇开启，执行S11；
S11：控制器（10）判断冷却液温度是否低于最佳工作温度区域的上限值，是则执行S12，否则执行S11；
S12：控制器（10）控制散热器（5）风扇关闭，执行S13；
S13：控制器（10）判断冷却液温度是否低于最佳工作温度区域的下限值，是则执行S3，否则执行S13。
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- 2013-05-24 CN CN201310199865.0A patent/CN103326048B/zh active Active
Patent Citations (2)
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| CN1529376A (zh) * | 2003-10-10 | 2004-09-15 | 清华大学 | 两路循环控制的燃料电池热管理系统 |
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