CN108615916B - 一种燃料电池及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池及其控制方法，燃料电池包括电池反应堆，对电池反应堆进行降温的冷却回路、以及控制电池反应堆和冷却回路工作的燃料电池系统控制器，所述冷却回路包括穿过电池反应堆的冷却管道、水泵、散热器、加热器以及恒温三通阀，其特征在于：冷却管道第一出水口与冷却管道第一进水口之间连接有冷却剂补充回路，冷却管道第一进水口处设有第一温度传感器、冷却管道第一出水口处设有第二温度传感器，燃料电池系统控制器根据第一温度传感器和第二温度传感器检测到的冷却剂温度数据控制恒温三通阀、水泵及加热器工作。燃料电池在低温冷启动时通过加热器对冷却剂进行加热，使冷却剂迅速升温，缩短了冷启动等待时间，提高了效率。
Description
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池及其控制方法。
背景技术：
现有的燃料电池包括利用电化学反应而发电的电池反应堆，对电池反应堆进行降温的冷却系统、以及对电池反应堆和冷却系统进行控制的燃料电池系统控制器。电池反应堆包括电池反应堆和抽风装置，抽风装置向电池反应堆送入空气，电池反应堆利用储存在气瓶中的氢气与被送入的空气中的氧气之间发生电化学反应来产生电能，在此过程中电池反应堆会排出大量的反应副产物——热量和水，其中，热量被冷却系统带走，而反应水却会残留在燃料电池质子交换膜上。在低温环境下，关闭电池反应堆后残留在燃料电池质子交换膜上的水将会结冰，进而破坏燃料电池质子交换膜。同时燃料电池的最佳工作温度在60℃－70℃之间，在低温状态下燃料电池的可靠性不足，在低温冷启动时启动的等待时间过长，无法快速提高燃料电池温度，将会严重影响燃料电池的效率。
发明内容：
本发明的目的是提供一种燃料电池及其控制方法，能避免燃料电池在较冷地区冷启动时无法快速提高燃料电池温度、发电效率低的问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
本发明的第一个目的是提供一种燃料电池，包括利用空气和氢气的电化学反应而发电的电池反应堆，对电池反应堆进行降温的冷却回路、以及控制电池反应堆和冷却回路工作的燃料电池系统控制器，所述冷却回路包括穿过电池反应堆的冷却管道、水泵、散热器、加热器以及恒温三通阀，其特征在于：冷却管道的第一出水口与冷却管道的第一进水口之间连接有冷却剂补充回路，冷却管道的第一进水口处设有第一温度传感器、冷却管道的第一出水口处设有第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器将检测到的冷却剂温度数据传送给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器控制恒温三通阀、水泵及加热器工作。
上述所述冷却回路的结构如下：冷却管道的第一出水口与水泵的第二进水口连接，水泵的第二出水口与散热器的第三进水口连接，散热器的第三出水口与恒温三通阀的第一入口连接，恒温三通阀的第二入口与水泵的第二出水口连接，恒温三通阀的出口与加热器一端连接，加热器的另一端与冷却管道的第一进水口连接。
上述所述冷却剂补充回路包括去离子过滤器、膨胀水箱和压力传感器，去离子过滤器一端与冷却管道的第一进水口连接，去离子过滤器另一端与膨胀水箱连接，膨胀水箱另一端与水泵的第二进水口连接，压力传感器位于冷却回路内并检测冷却回路的冷却剂液压。
上述所述压力传感器位于冷却管道的第一出水口处。
上述所述冷却管道的第一进水口与去离子过滤器之间连接有电磁阀，电磁阀受燃料电池系统控制器的控制。
上述所述电磁阀为两位两通常开型电磁阀。
上述所述加热器由动力电池包或交流电源或直流电源提供能源。
本发明的第二个目的是提供一种燃料电池的控制方法，所述燃料电池为上述所述的燃料电池，其特征在于，包括：燃料电池系统控制器接收到启动指令；第一温度传感器检测冷却管道第一进水口处冷却剂的第一温度值T1；若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器开启；若第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器关闭，电池反应堆启动。
上述所述预设启动温度T0为2℃－10℃。
上述在所述若第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器关闭，电池反应堆启动的步骤后，还包括：燃料电池系统控制器接收到关闭燃料电池指令后，电池反应堆在预设时间内按照预设小功率发电，其中，预设小功率小于额定功率；在预设时间后停止发电，电池反应堆关闭。
上述所述冷却剂补充回路包括电磁阀、膨胀水箱和压力传感器，压力传感器位于冷却回路内，所述若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器开启的步骤，具体为：若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器开启，电磁阀关闭；压力传感器检测冷却回路的冷却剂液压；若冷却剂液压大于预设液压值，电磁阀打开，否则，电磁阀关闭。
上述在所述所述若第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器关闭，电池反应堆启动的步骤中，在加热器关闭的同时电磁阀打开。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)在低温冷启动时加热器对冷却回路中的冷却剂进行加热，迅速提高冷却剂温度，缩短冷启动的启动时间，提高了燃料电池的效率；
2)冷却回路设计简单，用恒温三通阀控制冷却回路的中冷却剂的流向，使低温时冷却剂不经过散热器，进一步提高燃料电池的工作效率；
3)所述冷却剂补充回路包括去离子过滤器、膨胀水箱和压力传感器，冷却剂补充回路用于平衡冷却回路的液压及冷却剂的补充，离子过滤器可过滤冷却剂中的离子；
4)所述压力传感器位于冷却管道的第一出水口，对液压的检测更准确；
5)所述冷却管道的第一进水口与去离子过滤器之间连接有电磁阀，压力传感器检测冷却回路的冷却剂液压，燃料电池系统控制器可根据冷却剂液压对电磁阀进行控制，确保冷却回路的液压正常；
6)所述燃料电池的控制方法，在启动前检测冷却剂温度，如冷却剂温度值较低时先对冷却剂进行加热，缩短了冷启动所用时间，提高了燃料电池的工作效率；
7)在收到关闭命令后对电池反应堆设定小功率输出，使电池反应堆内的气体过量系数加大，电池反应堆外的抽风系统对燃料电池膜上的反应水进行吹扫，减少了反应水残留在燃料电池质子交换膜上的现象，有效保护了燃料电池质子交换膜；
8)在加热器启动时关闭电磁阀，切断冷却剂补充回路，使冷却回路内的冷却剂加热更快；加热器工作一定时间后冷却剂加热膨胀，当压力传感器检测到冷却回路中的液压值高于设定值时打开电磁阀，有效释放冷却回路中较大的压力。
附图说明：
图1是本发明实施例一提供的燃料电池的结构方框图；
图2是本发明实施例一提供的燃料电池的优选项的结构方框图
图3是本发明实施例一提供的燃料电池的优选项的控制方框图；
图4是本发明实施例二提供的燃料电池的控制方法的流程图；
图5是燃料电池的控制方法优选项的流程图；
图6是燃料电池的控制方法中步骤“若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器开启，电磁阀关闭”的具体流程图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图3所示，本实施例提供的是一种燃料电池，包括利用空气和氢气的电化学反应而发电的电池反应堆5，对电池反应堆5进行降温的冷却回路10、以及控制电池反应堆5和冷却回路10工作的燃料电池系统控制器4，所述冷却回路10包括穿过电池反应堆5的冷却管道11、水泵12、散热器13、加热器15以及恒温三通阀14，其特征在于：冷却管道11的第一出水口112与冷却管道11的第一进水口111之间连接有冷却剂补充回路20，冷却管道11的第一进水口111处设有第一温度传感器31、冷却管道11的第一出水口112处设有第二温度传感器32，第一温度传感器31和第二温度传感器32将检测到的冷却剂温度数据传送给燃料电池系统控制器4，燃料电池系统控制器4控制恒温三通阀14、水泵12及加热器15工作。
本实施例所述燃料电池在低温冷启动时，使用加热器15对冷却回路10中的冷却剂进行加热，使冷却剂迅速升温，缩短了冷启动的等待时间，提高了燃料电池的工作效率。
上述所述冷却回路10的结构如下：冷却管道11的第一出水口112与水泵12的第二进水口121连接，水泵12的第二出水口122与散热器13的第三进水口131连接，散热器13的第三出水口132与恒温三通阀14的第一入口141连接，恒温三通阀14的第二入口142与水泵12的第二出水口122连接，恒温三通阀14的出口143与加热器15一端连接，加热器15的另一端与冷却管道11的第一进水口111连接。
上述所述恒温三通阀14的工作点温度为55℃。恒温三通阀14用于控制冷却回路10的中冷却剂的流向，由于燃料电池的最佳工作温度在60℃－70℃之间，在燃料电池开始工作时冷却剂温度较低无需散热，此时冷却剂直接从水泵12进入恒温三通阀14；冷却剂温度升高至55℃时，恒温三通阀14的第一入口141逐渐打开、第二入口142逐渐关闭，冷却剂逐渐从水泵12经过散热器13恒温三通阀14，当第一入口141完全开启后，冷却剂全部通过散热器13与外界进行热交换，进一步提高燃料电池的工作效率。
上述所述冷却剂补充回路20包括去离子过滤器24、膨胀水箱22和压力传感器23，去离子过滤器24一端与冷却管道11的第一进水口111连接，去离子过滤器24另一端与膨胀水箱22连接，膨胀水箱22另一端与水泵12的第二进水口121连接，压力传感器23位于冷却回路10内并检测冷却回路10的冷却剂液压。膨胀水箱22设置在整个冷却系统的最高点。冷却剂补充回路20可自动平衡冷却回路10的液压及冷却剂的补充，离子过滤器24可过滤冷却剂中的离子。
上述所述压力传感器23位于冷却管道11的第一出水口112处。
上述所述加热器15由动力电池包16。可选的，所述加热器15也可由交流电源或直流电源提供能源。加热器15的输出功率可根据冷却剂温度来设置，保证冷却剂的加热速度。
如图2所示，作为一种优选项，上述所述冷却管道11的第一进水口111与去离子过滤器24之间连接有电磁阀21，电磁阀21受燃料电池系统控制器4的控制。压力传感器23检测冷却回路10的冷却剂液压，燃料电池系统控制器4可根据冷却剂液压对电磁阀21进行控制，确保冷却回路10的液压正常。
上述所述电磁阀21为两位两通常开型电磁阀。
实施例二：
如图4所示，本实施例提供的是一种燃料电池的控制方法，所述燃料电池为实施例一所述的燃料电池，其特征在于，包括：
S1、燃料电池系统控制器4接收到启动指令；
S2、第一温度传感器31检测冷却管道11第一进水口111处冷却剂的第一温度值T1；
S3、若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器15开启；
S4、若第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器15关闭，电池反应堆5启动。
上述所述预设启动温度T0为2℃－10℃。当冷却剂温度小于或等于预设启动温度T0时冷却剂接近冰点，加热器15开启对冷却剂进行加热，使冷却剂迅速升温，同时通过冷却剂与电池反应堆5进行热传递，提高了电池反应堆5内部的温度，防止残留在质子交换膜上的水结冰，保护了质子交换膜；当冷却剂被加热到温度大于预设启动温度T0时关闭加热器15，缩短了燃料电池冷启动的反应时间。加热器15的输出功率可根据冷却剂温度来设置，保证冷却剂的加热速度。
作为第一种优选项，如图5所示，在所述S1、燃料电池系统控制器4接收启动指令的步骤后还包括：
在所述S4、若第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器15关闭，电池反应堆5启动的步骤后还包括：
S5、燃料电池系统控制器4接收到关闭燃料电池指令后，电池反应堆5在预设时间内按照预设小功率发电，其中，预设小功率小于额定功率；
在收到关闭命令后对电池反应堆5设定小功率输出，使电池反应堆5内的气体过量系数加大，电池反应堆5外的抽风系统对燃料电池膜上的反应水进行吹扫，减少了反应水残留在燃料电池质子交换膜上的现象，有效保护了燃料电池质子交换膜。
S6、在预设时间后停止发电，电池反应堆5关闭。
如图6所示，作为第二种优选项，上述所述冷却剂补充回路20包括电磁阀21、膨胀水箱22和压力传感器23，所述S3、所述若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器15开启的步骤，具体为：
S31、若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器15开启，电磁阀21关闭；
加热器15启动时关闭电磁阀21切断了冷却剂补充回路20，使冷却回路10内的冷却剂加热更快。
S32、压力传感器23检测冷却回路10的冷却剂液压；
S33、若冷却剂液压大于预设液压值，电磁阀21打开，否则，电磁阀21关闭。
在加热器15启动时关闭电磁阀21，切断冷却剂补充回路20，使冷却回路10内的冷却剂加热更快；加热器15工作一定时间后冷却剂加热膨胀，当压力传感器23检测到冷却回路10中的液压值高于设定值时打开电磁阀21，冷却回路10的冷却剂流入冷却剂补充回路20，有效释放冷却回路10中较大的压力。
进一步的，上述所述S4、第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器15关闭，电池反应堆5启动的步骤中，在加热器15关闭的同时电磁阀21打开。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种燃料电池控制方法，燃料电池包括电池反应堆(5)、对电池反应堆(5)进行降温的冷却回路(10)、以及控制电池反应堆(5)和冷却回路(10)工作的燃料电池系统控制器(4)，所述冷却回路(10)包括穿过电池反应堆(5)的冷却管道(11)、水泵(12)、散热器(13)、加热器(15)以及恒温三通阀(14)，冷却管道(11)的第一出水口(112)与冷却管道(11)的第一进水口(111)之间连接有冷却剂补充回路(20)，冷却管道(11)的第一进水口(111)处设有第一温度传感器(31)、冷却管道(11)的第一出水口(112)处设有第二温度传感器(32)，第一温度传感器(31)和第二温度传感器(32)将检测到的冷却剂温度数据传送给燃料电池系统控制器(4)，燃料电池系统控制器(4)控制恒温三通阀(14)、水泵(12)及加热器(15)工作；
所述冷却回路(10)的结构如下：冷却管道(11)的第一出水口(112)与水泵(12)的第二进水口(121)连接，水泵(12)的第二出水口(122)与散热器(13)的第三进水口(131)连接，散热器(13)的第三出水口(132)与恒温三通阀(14)的第一入口(141)连接，恒温三通阀(14)的第二入口(142)与水泵(12)的第二出水口(122)连接，恒温三通阀(14)的出口(143)与加热器(15)一端连接，加热器(15)的另一端与冷却管道(11)的第一进水口(111)连接；
所述冷却剂补充回路(20)包括去离子过滤器(24)、膨胀水箱(22)和压力传感器(23)，去离子过滤器(24)一端与冷却管道(11)的第一进水口(111)连接，去离子过滤器(24)另一端与膨胀水箱(22)连接，膨胀水箱(22)另一端与水泵(12)的第二进水口(121)连接，压力传感器(23)位于冷却回路(10)内并检测冷却回路(10)的冷却剂液压；
所述冷却管道(11)的第一进水口(111)与去离子过滤器(24)之间连接有电磁阀(21),电磁阀(21)受燃料电池系统控制器(4)的控制；
控制方法是包括如下步骤:
S1、燃料电池系统控制器(4)接收到启动指令；
S2、第一温度传感器(31)检测冷却管道(11)第一进水口(111)处冷却剂的第一温度值T1；
S3、若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0，加热器(15)开启；
S4、若第一温度值T1大于预设启动温度T0，加热器(15)关闭，电池反应堆(5)启动；
其特征在于：S3具体如下：
S31、若第一温度值T1小于或等于预设启动温度T0,加热器(15)开启，电磁阀(21)关闭；加热器(15)启动时关闭电磁阀(21)切断了冷却剂补充回路(20)，使冷却回路(10)内的冷却剂加热更快；
S32、压力传感器(23)检测冷却回路(10)的冷却剂液压；
S33、若冷却剂液压大于预设液压值，电磁阀(21)打开，否则，电磁阀(21)关闭。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池控制方法，其特征在于：所述预设启动温度T0为2℃-10℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池控制方法，其特征在于：S4后面还有S5、燃料电池系统控制器(4)接收到关闭燃料电池指令后，电池反应堆(5)在预设时间内按照预设小功率发电，其中，预设小功率小于额定功率，在预设时间后停止发电，电池反应堆(5)关闭。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池控制方法，其特征在于：S4在加热器(15)关闭的同时将电磁阀(21)打开。
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