CN110544782A - 一种空冷式燃料电池温控系统和温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空冷式燃料电池温控系统和温控方法，属于温控技术领域，解决了现有空冷式燃料电池低温启动性能差、高温工作性能低和高功率时燃料电池温度均一性差的问题。本发明的空冷式燃料电池温控系统，包括：温控室，罩设在空冷式燃料电池阴极上方，能够对温控室内的空气进行加热或者制冷，加热或制冷后的空气被吹至所述阴极；控制单元，控制所述温控室工作，以调节温控室内的空气温度。本发明通过在空冷式燃料电池阴极上方设置温控室，对进入阴极的空气进行制冷或加热，以提高低温启动性能、高温时燃料电池的工作效率、燃料电池内部温度的一致性，同时降低对风机转速的要求，进而降低风机的工作噪声。

Description

一种空冷式燃料电池温控系统和温控方法

技术领域

本发明属于温控技术领域，尤其涉及一种空冷式燃料电池温控系统和温控方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池，是一种直接将氢气与氧气中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的能量转换装置，两电极反应，分别为：

阳极(负极)：2H₂→4H⁺+4e^-

阴极(正极)：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

其中，阴极开放结构的空冷式燃料电池，无需增湿装置，无需空压机等部件，具有结构简单，工作噪声低，体积轻巧，便于维护等优点。在空冷式燃料电池中，空气即作为反应物又作为冷却介质，对电池的启动性能和工作性能起着至关重要的影响。

现有技术方案中，空冷式燃料电池是利用风扇直接将空气吹入电池阴极，这种方式具有无法避免的缺点：①低温启动性能差，低温环境下，较低的进气温度，带走燃料电池内部大量热量，导致启动时间较长；②高温工作性能低，高温环境下，进入空气的温度与燃料电池内部温度差异较小，燃料电池内部产生的热量不易散出，限制高温时燃料电池的工作性能；③高功率时，燃料电池温度均一性差，为散出燃料电池高功率工作时内部产生的大量热量，控制器会控制风扇提高风扇转速，使得电池内部空气流速具有较大差异，导致电池内部温度不均匀，放电一致性较差，电池寿命衰减较快。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种空冷式燃料电池温控系统和温控方法，用以解决现有空冷式燃料电池低温启动性能差、高温工作性能低和高功率时燃料电池温度均一性差的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种空冷式燃料电池温控系统，包括：温控室，罩设在空冷式燃料电池阴极上方，能够对温控室内的空气进行加热或者制冷，加热或制冷后的空气被吹至所述阴极；控制单元，控制所述温控室工作，以调节温控室内的空气温度。

进一步，所述温控室包括半导体制冷片，所述控制单元通过控制流经半导体制冷片的电流方向，以控制温控室制冷、加热模式的转换。

进一步，所述空冷式燃料电池温控系统还包括测温单元和风机，

风机安装在所述温控室上，用于将空气鼓入温控室内；

测温单元安装在温控室内，用于测量温控室内的空气温度；

所述控制单元分别与温控室、测温单元、风机、空冷式燃料电池连接，所述控制单元接收测温单元的温度信号，控制风机、温控室的工作。

进一步，所述温控室为开口向下的长方体结构，包括顶板、左侧板、右侧板、前板和后板；

顶板设有安装孔，用于安装风机；

左侧板和右侧板均为半导体制冷片，半导体制冷片与所述控制单元连接。

进一步，所述半导体制冷片的两侧设有散热片。

进一步，所述半导体制冷片两侧面均涂有导热硅脂。

进一步，所述控制单元包括主控模块和信息模块，

信息模块用于实时接收、处理测温单元的温度信号以及空冷式燃料电池的工作功率信号，信息模块将处理后的测温单元测得的温度数据、空冷式燃料电池的工作功率传至主控模块；

主控模块根据测温单元测得的温度数据、空冷式燃料电池的工作功率来控制流经所述半导体制冷片的电流方向，以控制所述温控室加热、制冷模式的转换；主控模块还能够控制风机的开闭及风速。

进一步，所述测温单元位于所述温控室的下侧，并能够将检测到的温度信号实时传送给所述信息模块。

另一方面，本发明实施例提供了一种空冷式燃料电池温控方法，包括以下步骤：

通过温控室对鼓入空冷式燃料电池阴极的空气制冷或加热；

当所述空气温度小于等于第一温度阀值T1，且空冷式燃料电池的输出功率小于等于第一功率阀值P1时，温控室向所述空气加热；

当所述空气温度大于等于第二温度阀值T2，且空冷式燃料电池的输出功率大于等于第二功率阀值P2时，温控室向所述空气制冷；

当所述空气温度大于等于第三温度阀值T3，且空冷式燃料电池的输出功率大于等于第三功率阀值P3时，温控室向所述空气制冷；

当所述空气温度、空冷式燃料电池的输出功率不属于上述三种情况任一种时，温控室停止工作。

进一步，所述T1≤T3＜T2，P1≤P2＜P3。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)通过在空冷式燃料电池阴极上方设置温控室，对进入阴极的空气进行制冷或加热，在低温启动过程中，对进入空气加热，提高空气温度，以提高低温启动性能；在高温工况、高功率工况下，对进入空气进行制冷，降低空气温度，以提高高温时燃料电池的工作效率，以及提高燃料电池内部温度的一致性，同时降低对风机转速的要求，进而降低风机的工作噪声；

(2)温控室通过半导体制冷片实现控温，只需改变半导体制冷片的电流方向，即可实现温控室制冷、加热模式的转换，半导体制冷片还具有体积小、重量轻、寿命长、工作无噪声等优点；

(3)本发明温控系统只需包括风机、温控室和测温单元即可实现其功能，控制单元可由空冷式燃料电池的控制器担任，结构简单，无多余的运动部件，如空气压缩机等，具有工作噪声低、便于维护的优点。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种空冷式燃料电池温控系统的结构示意图；

图2为散热片的结构示意图；

图3为一种空冷式燃料电池温控系统的结构框图；

图4为一种空冷式燃料电池温控系统的电路原理简易图；

图5为低温启动模式下的温控原理图；

图6为高温工况模式下的温控原理图；

图7为高功率工况模式下的温控原理图。

附图标记：

1-温控室；11-顶板；111-安装孔；12-左侧板；13-右侧板；14-前板；15-后板；16-散热片；2-控制单元；3-测温单元；4-风机；5-阴极。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种空冷式燃料电池温控系统，如图1-3所示，所述温控系统包括：温控室1、控制单元2、测温单元3和风机4，温控室1罩设在空冷式燃料电池的阴极5上方，风机4安装在温控室1上，将空气鼓入温控室1内，测温单元3安装于温控室1内，用于测量温控室1内的空气温度，控制单元2分别与温控室1、测温单元3、风机4和空冷式燃料电池连接，能够接收测温单元3的温度信号，控制风机4、温控室1的工作。风机4将外界空气鼓入温控室1内，测温单元3将该空气的温度信号传输给控制单元2，控制单元2分析该温度信号及空冷式燃料电池的工作状态后，控制温控室1对室内空气加热或者制冷，加热或制冷后的空气被吹至所述阴极5进行电化学反应。

温控室1，能够对其内的空气进行加热或者制冷，温控室1内的空气最终被吹至空冷式燃料电池的阴极5。在本实施例中，温控室1为开口向下的长方体结构，包括彼此可拆卸连接的顶板11、左侧板12、右侧板13、前板14和后板15(图1是将前板14和后板15拆卸下来后的视图)，顶板11中央开设有安装孔111，用于安装风机4，使风机4能够将外界空气源源不断地鼓入到温控室1内；左侧板12和右侧板13均为半导体制冷片，两块半导体制冷片与控制单元2连接，受控制单元2控制，具体地，控制单元2通过控制流向半导体制冷片电流的方向，来实现温控室1制冷、加热模式的转换，以调节进入温控室1的空气温度，此外，半导体制冷片还具有体积小、重量轻、寿命长，工作无噪声等有优点。为了使半导体制冷片能更好地散热，在其两侧均可拆卸加装了导热良好的散热片16，具体地，散热片16通过螺栓、螺母与半导体制冷片紧密贴合。此外，在半导体制冷片两侧面均涂有导热硅脂，以降低半导体制冷片与散热片16之间的接触热阻，便于与空气快速进行热量交换，并保证半导体制冷片的热量能够及时散出。本实施例中，半导体制冷片采用的是TECI-12712工业级半导体制冷片，散热片16采用铝制散热片，在实际应用中，半导体制冷片可根据实际情况选择合适的半导体制冷片和散热片，并不局限于本实施例中的型号和材质。顶板11、前板14和后板15选用热阻较大的塑胶板，以降低温控室1内空气与外界的换热损失。

控制单元2，包括主控模块21和信息模块22，信息模块22用于实时接收、处理测温单元3的温度信号以及燃料电池的工作功率信号，信息模块22将处理后的数据传至主控模块21，主控模块21根据测温单元3测得的温度数据、燃料电池的工作功率来控制温控室1加热或制冷。此外，主控模块21还能够控制风机的开闭及风速。在本实施例中，控制单元2的功能是通过空冷式燃料电池控制器实现的，即该控制器扮演了控制单元2的角色，如此无需另设控制单元，简化了温控系统的部件，但不影响其功能的实现。在实际应用中，控制单元2也可以单独设置，这样便于温控系统的安装和维护，增强温控系统使用的灵活度和使用范围，使其不仅可用于空冷式燃料电池阴极空气的温度控制，也可用于其他需要控温的装置。

测温单元3可拆卸安装在温控室1内，用于测量温控室1内空气的温度，并将检测的温度信号实时传送给控制单元2。在本实施例中，测温单元3为热电偶，热电偶的检测端位于温控室1的下侧，即热电偶检测的是与半导体制冷片进行换热之后的空气温度，也是进入空冷式燃料电池阴极空气的温度。

风机4可拆卸安装在温控室1上，具体地，风机4通过螺钉、螺栓等可拆卸件安装在顶板11上，风机4为温控室1内鼓入源源不断的空气，通过控制单元2来控制风机的开闭和风速，从而实现调节进入燃料电池阴极的空气的流速。

本实施例提供的空冷式燃料电池温控系统还包括供电单元6，其为直流电源，为温控室1、控制单元2、测温单元3和风机4提供工作电能，在本实施例中，供电单元6是由空冷式燃料电池系统的直流电源模块担任的(燃料电池系统一般通过直流电源模块与蓄电池模块组成供电系统)，并没单独去设置供电单元6，简化了温控系统的结构，在实际应用中，供电单元6还可以单独设置，这样便于温控系统的独立和维护，增强温控系统使用的灵活度和使用范围。

图4是本实施例所述温控系统的电路原理简易图(本实施例中是通过继电器控制完成电流换向的，具体电路图属于现有技术，不再此赘述)，直流电源6、风机4、半导体制冷片12/13三者并联，开关S5与风机4串联，通过开关S5的通断来控制风机4的开闭，通过S1-S4四个开关组成的H桥电路分别与直流电源、风机、半导体制冷片并联，通过控制S1-S4四个开关的通断来控制流经半导体制冷片的电流方向，进而控制半导体制冷片热端、冷端的转换，实现控制温控室1对其内空气加热、制冷的转换，具体地，当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，流经半导体制冷片的电流方向为A→B，温控室1处于加热模式，当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，流经半导体制冷片的电流方向B→A，温控室1处于制冷模式。开关S1-S5的通断由控制单元2控制，使控制单元2实现对风机4、温控室1的控制。

在本实施例中，所述温控系统根据温控室1内的温度、空冷式燃料电池的功率情况提供了不同的工作模式，可以包括：

(1)低温启动模式：系统启动时，测温单元3将测量的温度信号传输给控制单元2，控制单元2处理温度信号，当该温度值小于等于第一温度阀值T1(例如为0℃)，且燃料电池的输出功率小于等于第一功率阀值P1(例如为10％的额定输出功率)时，空冷式燃料电池处于低温启动状态，此时控制单元2控制开关S1、S4闭合，S2、S3打开，控制流经半导体制冷片的电流方向为A→B，使得半导体制冷片内表面形成热表面，外表面形成冷表面，同时控制单元2控制开关S5闭合，将风机4打开，温控室1对通过风机4鼓入的空气进行加热，如图5。这样使得温度较高的热空气进入燃料电池中，能够缩短燃料电池启动时间，加快燃料电池启动速度，提高燃料电池低温工况启动性能；

(2)高温工况模式：测温单元3将测量的温度信号传输给控制单元2，控制单元2处理温度信号，当该温度值大于等于第二温度阀值T2(例如为40℃)，且燃料电池的输出功率大于等于第二功率阀值P2(例如为20％的额定输出功率)时，空冷式燃料电池处于高温工况状态，此时控制单元2控制开关S1、S4打开，S2、S3关闭，控制流经半导体制冷片的电流方向为B→A，使得半导体制冷片内表面形成冷表面，外表面形成热表面，同时控制单元2控制开关S5闭合，将风机4打开，温控室1对通过风机4鼓入的空气进行制冷，如图6。这样使得进入燃料电池的空气温度较低，能够及时带走燃料电池内部产生的热量，满足高温工况下燃料电池的散热需求，使燃料电池高温性能更好；

(3)高功率工况模式：测温单元3将测量的温度信号传输给控制单元2，控制单元2处理温度信号，当该温度值大于等于第三温度阀值T3(例如为20℃)，燃料电池的输出功率大于等于第三功率阀值P3(例如为80％的额定输出功率)时，空冷式燃料电池处于高功率工况状态，此时控制单元2控制开关S1、S4打开，S2、S3关闭，控制流经半导体制冷片的电流方向为B→A，使得半导体制冷片内表面形成冷表面，外表面形成热表面，同时控制单元2控制开关S5闭合，将风机4打开，温控室1对通过风机4鼓入的空气制冷。这样低温空气使得较低的进气流速即可满足燃料电池高功率下的散热需求，燃料电池的内部空气流速差异变小，内部温度均匀性更好，不仅使得高功率下燃料电池性能更加优异，还有助于燃料电池使用寿命的延长，使得燃料电池进气速度降低，风机工作噪声低，电池内部温度均一性好。

(4)正常工作模式：除属于上述三种模式以外，空冷式燃料电池处于正常工作状态，此时控制单元控制开关S1-S4关闭，半导体制冷片不工作，同时控制单元2控制开关S5闭合，将风机4打开，温控室1对通过风机4鼓入的空气即不制冷也不加热。

需要说明的是，上述第一温度阀值T1、第一功率阀值P1、第二温度阀值T2、第二功率阀值P2、第三温度阀值T3及第三功率阀值P3，可根据空冷式燃料电池的型号及其具体使用情况设置合适的数值，并不局限于本实施例中例举的数值。一般情况下，设定时T1≤T3＜T2，P1≤P2＜P3，但不排除特殊情况。

本实施例还提供一种空冷式燃料电池温控方法，可以包括如下步骤：

通过温控室1对鼓入空冷式燃料电池阴极5的空气制冷或加热；

当所述空气温度小于等于第一温度阀值T1，且空冷式燃料电池的输出功率小于等于第一功率阀值P1时，温控室向所述空气加热；

当所述空气温度大于等于第二温度阀值T2，且空冷式燃料电池的输出功率小于等于第二功率阀值P2时，温控室向所述空气制冷；

当所述空气温度大于等于第三温度阀值T3，且空冷式燃料电池的输出功率大于等于第三功率阀值P3时，温控室向所述空气制冷；

当所述空气温度、空冷式燃料电池的输出功率不属于上述三种情况时，温控室停止工作，既不制冷也不加热。

上述T1≤T3＜T2，P1≤P2＜P3。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，包括：

温控室(1)，罩设在空冷式燃料电池阴极(5)上方，能够对温控室(1)内的空气进行加热或者制冷，加热或制冷后的空气被吹至所述阴极；

控制单元(2)，控制所述温控室(1)工作，以调节温控室(1)内的空气温度。

2.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，所述温控室(1)包括半导体制冷片，所述控制单元(2)通过控制流经半导体制冷片的电流方向，以控制温控室(1)制冷、加热模式的转换。

3.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，还包括测温单元(3)和风机(4)，

风机(4)安装在所述温控室(1)上，用于将空气鼓入温控室(1)内；

测温单元(3)安装在温控室(1)内，用于测量温控室(1)内的空气温度；

所述控制单元(2)分别与温控室(1)、测温单元(3)、风机(4)、空冷式燃料电池连接，所述控制单元(2)接收测温单元(3)的温度信号，控制风机(4)、温控室(1)的工作。

4.根据权利要求3所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，所述温控室(1)为开口向下的长方体结构，包括顶板(11)、左侧板(12)、右侧板(13)、前板(14)和后板(15)；

顶板(11)设有安装孔(111)，用于安装风机(4)；

左侧板(12)和右侧板(13)均为半导体制冷片，半导体制冷片与所述控制单元(2)连接。

5.根据权利要求2或4所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，所述半导体制冷片的两侧设有散热片(16)。

6.根据权利要求2或4所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，所述半导体制冷片两侧面均涂有导热硅脂。

7.根据权利要求3所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，所述控制单元(2)包括主控模块(21)和信息模块(22)，

信息模块(22)用于实时接收、处理测温单元(3)的温度信号以及空冷式燃料电池的工作功率信号，信息模块(22)将处理后的测温单元(3)测得的温度数据、空冷式燃料电池的工作功率传至主控模块(21)；

主控模块(21)根据测温单元(3)测得的温度数据、空冷式燃料电池的工作功率来控制流经所述半导体制冷片的电流方向，以控制所述温控室(1)加热、制冷模式的转换；主控模块(21)还能够控制风机(4)的开闭及风速。

8.根据权利要求7所述的空冷式燃料电池温控系统，其特征在于，所述测温单元(3)位于所述温控室(1)的下侧，并能够将检测到的温度信号实时传送给所述信息模块(22)。

9.一种利用权利要求1-8所述的空冷式燃料电池温控系统对空冷式燃料电池进行的温控方法，包括以下步骤：

通过温控室(1)对鼓入空冷式燃料电池阴极(5)的空气制冷或加热；

当所述空气温度小于等于第一温度阀值T1，且空冷式燃料电池的输出功率小于等于第一功率阀值P1时，温控室(1)向所述空气加热；

当所述空气温度大于等于第二温度阀值T2，且空冷式燃料电池的输出功率大于等于第二功率阀值P2时，温控室(1)向所述空气制冷；

当所述空气温度大于等于第三温度阀值T3，且空冷式燃料电池的输出功率大于等于第三功率阀值P3时，温控室(1)向所述空气制冷；

当所述空气温度、空冷式燃料电池的输出功率不属于上述三种情况任一种时，温控室(1)停止工作。

10.根据权利要求9所述的空冷式燃料电池温控方法，其特征在于，所述T1≤T3＜T2，P1≤P2＜P3。