CN108199062A - 一种燃料电池供气温度控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池供气温度控制系统，包括燃料电池电控单元、流量传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和压力传感器；流量传感器用于检测空气压缩机出口处的流量；第一温度传感器用于检测空气压缩机出口处的温度；燃料电池电控单元用于将所述流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整空气压缩机的转速，以及还用于将所述温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整中冷器的流量；第二温度传感器用于检测中冷器出口处的温度；压力传感器用于检测中冷器出口处的气压；燃料电池电控单元还用于根据中冷器出口处的温度和气压确定中冷器的冷却效果是否合格。本发明能够提高压缩空气对工况的动态响应，简化后续加湿器的控制。

Description

一种燃料电池供气温度控制系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池供气温度控制系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学装置，依靠阴极的氧化剂气体和阳极的燃料气体之间的电化学反应产生电力，不受卡诺循环的效率限制，在反应气体充足的情况下可以连续长时间运转，并且无污染、零排放。近年来，将燃料电池技术应用于各类电力设备上的研究已经受到了各国政府、企业和科研机构的重视。
作为反应物之一的阴极氧化剂气体，其压力、流量、温度、湿度等参数对整个燃料电池系统的性能具有直接的影响。高效率运行的燃料电池需要适宜的氧化剂气体供给。此外，当燃料电池的运行环境或运行工况发生变化时，尤其是对于目前燃料电池用于汽车、飞机等载运工具上时，其输出的电功率需要随着载运工具的负荷变化而进行变化，所以燃料电池不仅需要具有功率密度大(体积小、质量轻)等优点，其更需要良好的动态响应特性，在燃料电池的供气系统同样也需要具有良好的动态响应特性，故而需要对其不同工况下进行精确的控制。
研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。与其他类型的空气压缩机相比，高效、结构紧凑的离心式空气压缩机具有显著的优势，并且，借助于已经商业化、大批量生产的车用涡轮增压制造技术，可以大幅度降低成本、迅速规模化生产燃料电池空气供应系统。
现有的对燃料电池增压空气进行冷却的方法有：
1)在空气压缩机中设置冷却水道，即通过布置在空气压缩机上的冷却水道实现对增压空气的冷却(专利号CN-104948503A空气压缩机以及具有空气压缩机的燃料电池系统)。
2)在空气压缩机与加湿器之间简单的加入中冷器，只是为了简单地降低压缩空气的温度，并未给出对压缩空气温度进行精确控制的方法(专利号CN-103840181A用于燃料电池的压缩空气冷却装置)。
3)直接将高温压缩气体供入加湿器中，由加湿器依靠喷入小水滴气化吸热来降低压缩气体的高温(专利号CN-102931422A一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法)。
上述的方案虽然都对燃料电池的高温压缩空气进行了冷却，但是并未对压缩空气到达加湿器的温度进行有效的控制，并且动态响应效果差，在加湿器中的工作复杂。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种燃料电池供气温度控制系统及方法，使压缩空气在到达加湿器之前就到达一个稳定的温度区间，提高压缩空气对工况的动态响应，简化后续加湿器的控制。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池供气温度控制系统，用于对供气单元进行温度控制，所述供气单元包括空气压缩机、中冷器和加湿器，所述燃料电池供气温度控制系统包括燃料电池电控单元、流量传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和压力传感器；
所述流量传感器用于检测所述空气压缩机出口处的流量，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述第一温度传感器用于检测所述空气压缩机出口处的温度，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述燃料电池电控单元用于将所述空气压缩机出口处的流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整所述空气压缩机的转速；
所述燃料电池电控单元还用于将所述空气压缩机出口处的温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整所述中冷器的流量；
所述第二温度传感器用于检测所述中冷器出口处的温度，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述压力传感器用于检测所述中冷器出口处的气压，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述燃料电池电控单元还用于根据所述中冷器出口处的温度和气压确定所述中冷器的冷却效果是否合格。
优选地，所述燃料电池供气温度控制系统还包括车速传感器，所述车速传感器用于采集车速信息，并发送给所述燃料电池电控单元，所述燃料电池电控单元根据所述车速信息设置所述预设流量范围和所述预设温度范围。
优选地，所述空气压缩机为基于涡轮增压技术的离心式空气压缩机。
优选地，所述中冷器的介质为水冷介质或者空冷介质。
一种燃料电池供气温度控制方法，包括以下步骤：
步骤1、检测空气压缩机出口处的流量和温度；
步骤2、将所述空气压缩机出口处的流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整所述空气压缩机的转速；
步骤3、将所述空气压缩机出口处的温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整中冷器的流量；
步骤4、检测所述中冷器出口处的温度和气压；
步骤5、根据所述中冷器出口处的温度和气压确定所述中冷器的冷却效果是否合格。
优选地，所述燃料电池供气温度控制方法还包括在所述步骤1之前进行的：
采集车速信息；
根据所述车速信息设置所述预设流量范围和所述预设温度范围。
优选地，所述燃料电池供气温度控制方法还包括在所述步骤5之后进行的：
当确定所述中冷器的冷却效果合格时，将所述中冷器冷却后的气体送入加湿器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.对刚通过空气压缩机的高温压缩空气的温度进行控制，可以提高供气系统对工况变化的动态响应。
2.在高温的压缩空气进入加湿器之前准确地控制压缩空气的温度，可以简化加湿器的控制过程，使加湿器在结构、加湿方式上有更大的改进空间。
附图说明
图1是本发明所述燃料电池供气温度控制系统的结构示意图；
图2是本发明所述燃料电池供气温度控制方法的流程图；
图3是本发明所述燃料电池供气温度控制方法的具体实施过程图。
图中：1-燃料电池电控单元，2-流量传感器，3-第一温度传感器，4-第二温度传感器，5-压力传感器，6-车速传感器，7-空气压缩机，8-中冷器，9-加湿器。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明首先提供了一种燃料电池供气温度控制系统，如图1所示，所述燃料电池供气温度控制系统用于对供气单元进行温度控制，所述供气单元包括空气压缩机7、中冷器8和加湿器9，所述燃料电池供气温度控制系统包括燃料电池电控单元(ECU)1、流量传感器2、第一温度传感器3、第二温度传感器4和压力传感器5；
流量传感器2用于检测空气压缩机7出口处的流量，并发送给燃料电池电控单元1；
第一温度传感器3用于检测空气压缩机7出口处的温度，并发送给燃料电池电控单元1；
燃料电池电控单元1用于将空气压缩机7出口处的流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整空气压缩机7的转速；
燃料电池电控单元1还用于将空气压缩机7出口处的温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整中冷器8的流量；
第二温度传感器4用于检测中冷器8出口处的温度，并发送给燃料电池电控单元1；
压力传感器5用于检测中冷器8出口处的气压，并发送给燃料电池电控单元1；
燃料电池电控单元1还用于根据中冷器8出口处的温度和气压确定中冷器8的冷却效果是否合格。
进一步地，所述燃料电池供气温度控制系统还包括车速传感器6，车速传感器6用于采集车速信息，并发送给燃料电池电控单元1，燃料电池电控单元1根据车速信息设置预设流量范围和预设温度范围。
优选地，空气压缩机7为基于涡轮增压技术的离心式空气压缩机。
需要说明的是，本发明所述的空气压缩机7不仅限于基于涡轮增压技术的离心式空气压缩机，只要是能对空气进行压缩的机械都属于本发明的适用范围。
优选地，中冷器8的介质为水冷介质或者空冷介质。
需要说明的是，本发明所述的中冷器8也并不限于上述两种形式，只要是能对空气进行冷却的介质或结构均属于本发明的适用范围。
所述燃料电池供气温度控制系统的工作原理：在燃料电池开始工作的时候，根据燃料电池电控单元1传来的车速传感器6的数据设置预设流量范围和预设温度范围。经过空气压缩机7之后，空气得到压缩，例如某型号车用燃料电池空气进气压力在2.5～3bar之间，空气温度也会相应地提高到200℃左右，随着汽车工况的变化，压缩空气的温度也会一直变化，这会导致加湿器9的控制变得很困难。所以在空气通过空气压缩机7后，由第一温度传感器3及流量传感器2测得空气压缩机7出口的温度和流量，将数据传输给燃料电池电控单元1进行分析后，控制中冷器8中冷却介质的流量，在压缩空气通过加湿器前，将温度恒定控制在60℃左右，这样可以使加湿器9的工作更加稳定可靠，而且在60℃的温度区间也是加湿器9的最佳工作区间。在中冷器8之后还设置有第二温度传感器4和压力传感器5，形成控制的闭式循环，用以确定中冷器8的冷却效果。
相应地，本发明还提供了一种燃料电池供气温度控制方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1、检测空气压缩机出口处的流量和温度；
步骤2、将所述空气压缩机出口处的流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整所述空气压缩机的转速；
步骤3、将所述空气压缩机出口处的温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整中冷器的流量；
步骤4、检测所述中冷器出口处的温度和气压；
步骤5、根据所述中冷器出口处的温度和气压确定所述中冷器的冷却效果是否合格。
进一步地，所述燃料电池供气温度控制方法还包括在所述步骤1之前进行的：
采集车速信息；
根据所述车速信息设置所述预设流量范围和所述预设温度范围。
进一步地，所述燃料电池供气温度控制方法还包括在所述步骤5之后进行的：
当确定所述中冷器的冷却效果合格时，将所述中冷器冷却后的气体送入加湿器。
图3是本发明所述燃料电池供气温度控制方法的具体实施过程图，通过各个传感器传回的数据，经燃料电池电控单元的分析，对中冷器中冷却介质的流量进行控制，从而来控制压缩空气的温度到达一个稳定的温度范围，提高压缩空气对工况的动态响应，简化后续加湿器的控制。
对不同功率的燃料电池，不同工况下所需的空气流量或燃料电池的可靠工作温度是不一样的，需要通过设计并经过试验进行标定。燃料电池电控单元基于系统内的传感器信号以及基于整个燃料电池系统计算出供给空气参数目标值、燃料电池输出参数等，调节空气压缩机、中冷器，以向燃料电池输送符合目标要求的空气。
所述燃料电池供气温度控制方法不仅可以用于变工况的各种载运工具的燃料电池中，同样可以使用在运行于稳定工况的燃料电池中，如稳定发电的燃料电池组。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池供气温度控制系统，用于对供气单元进行温度控制，所述供气单元包括空气压缩机、中冷器和加湿器，其特征在于，所述燃料电池供气温度控制系统包括燃料电池电控单元、流量传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和压力传感器；
所述流量传感器用于检测所述空气压缩机出口处的流量，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述第一温度传感器用于检测所述空气压缩机出口处的温度，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述燃料电池电控单元用于将所述空气压缩机出口处的流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整所述空气压缩机的转速；
所述燃料电池电控单元还用于将所述空气压缩机出口处的温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整所述中冷器的流量；
所述第二温度传感器用于检测所述中冷器出口处的温度，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述压力传感器用于检测所述中冷器出口处的气压，并发送给所述燃料电池电控单元；
所述燃料电池电控单元还用于根据所述中冷器出口处的温度和气压确定所述中冷器的冷却效果是否合格。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供气温度控制系统，其特征在于，所述燃料电池供气温度控制系统还包括车速传感器，所述车速传感器用于采集车速信息，并发送给所述燃料电池电控单元，所述燃料电池电控单元根据所述车速信息设置所述预设流量范围和所述预设温度范围。
3.根据权利要求1所述的燃料电池供气温度控制系统，其特征在于，所述空气压缩机为使用基于涡轮增压技术的离心式空气压缩机。
4.根据权利要求1所述的燃料电池供气温度控制系统，其特征在于，所述中冷器的介质为水冷介质或者空冷介质。
5.一种燃料电池供气温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、检测空气压缩机出口处的流量和温度；
步骤2、将所述空气压缩机出口处的流量与预设流量范围进行比较，并根据比较结果调整所述空气压缩机的转速；
步骤3、将所述空气压缩机出口处的温度与预设温度范围进行比较，并根据比较结果调整中冷器的流量；
步骤4、检测所述中冷器出口处的温度和气压；
步骤5、根据所述中冷器出口处的温度和气压确定所述中冷器的冷却效果是否合格。
6.根据权利要求5所述的燃料电池供气温度控制方法，其特征在于，所述燃料电池供气温度控制方法还包括在所述步骤1之前进行的：
采集车速信息；
根据所述车速信息设置所述预设流量范围和所述预设温度范围。
7.根据权利要求5所述的燃料电池供气温度控制方法，其特征在于，所述燃料电池供气温度控制方法还包括在所述步骤5之后进行的：
当确定所述中冷器的冷却效果合格时，将所述中冷器冷却后的气体送入加湿器。
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