CN110931824A - 一种燃料电池冷却液流量分配系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池冷却液流量分配系统及其控制方法。所述系统包括：循环连接的泵、散热器和中冷器，其中所述中冷器的冷却液出口和所述泵的入口相连接；所述散热器的出口管路一分为二，一支连接所述中冷器的冷却液入口，一支连接电堆的冷却入口，且所述电堆的冷却出口连接所述泵的入口；流量调节器，用于调节所述中冷器的冷却液流量；空压机，压缩后的空气通入所述中冷器进行冷却；控制器，用来监测所述空压机和所述电堆，并控制所述流量调节器的开度。所述系统不仅可以适应复杂多变的工况，根据中冷器散热量和电堆散热量实现冷却液流量精准分配，从而保证系统散热均匀，提高系统效率，还可以避免泵的过设计。

Description

一种燃料电池冷却液流量分配系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地说，涉及一种燃料电池冷却液流量分配系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池可以按照等温的电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且具有无噪音、无污染、更安全的特点，是最有发展前途的发电技术。

燃料电池通常在2～3bar甚至更高的压力环境下工作，因此需要空压机对进入电堆的空气进行加压。研究发现，在电堆可接受范围内，空气压力越高，电堆功率越高；但空气压力越高，空压机功率将增大，导致燃料电池系统功率反而下降。随着燃料电池系统功率逐渐增大，电堆功率和空压机功率并非简单的线性递增关系。因此，为了燃料电池系统达到最优功率输出，需对空压机功率与电堆功率进行匹配。

空气经过空压机压缩后，空气温度可以达到150℃甚至更高的温度。同时，电堆在发电过程中，会产生大量的热能。因此，为了保证电堆的使用安全性，高温空气在进入电堆空气入口之前需通过中冷器进行散热，同时对电堆进行冷却降温操作。由于空压机和电堆随着系统功率提升，需要进行功率匹配，因此中冷器散热量和电堆散热量也需进行相应调整。

针对以上问题，现有技术公开了一些解决办法。例如CN109713333A公开了一种燃料电池散热系统及散热控制方法。所述控制方法通过在冷却液流通管路上设置多个三通阀，实现了中冷器冷却管路和燃料电池冷却管路之间连接方式的切换。具体表现为，当燃料电池系统功率较小时，将连接方式切换至串联，即可满足散热需求；当燃料电池系统功率较大时，将连接方式切换至并联，才可以同时满足散热需求均增大的中冷器和燃料电池。所述控制方法虽然可以实现简单工况下的散热需求，但是仅仅通过连接方式的切换仍然不能应对复杂多变的散热需求，仍然存在能源浪费的问题。CN109278590A公开了一种氢燃料电池汽车热管理系统。所述热管理系统包括第一冷却回路和第二冷却回路。其中，第一冷却回路配制循环泵，主要为氢燃料电堆进行散热，但同时设置有包括中冷器的第三支路，将中冷器和氢燃料电堆并联，从而实现热集成设计。但是，所述热管理系统并没有针对中冷器和氢燃料电堆的散热量需求进行匹配，导致了循环泵的过设计，造成了能源的浪费。

以上现有技术中的控制方法，虽然将中冷器和电堆进行并联，但是均没能适应复杂多变的工况，对中冷器散热量和电堆散热量进行匹配。因此，目前亟需开发一种行之有效的燃料电池冷却液流量分配系统及其控制方法。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出一种燃料电池冷却液流量分配系统及其控制方法。所述系统包括：循环连接的泵、散热器和中冷器，其中所述中冷器的冷却液出口和所述泵的入口相连接；所述散热器的出口管路一分为二，一支连接所述中冷器的冷却液入口，一支连接电堆的冷却入口，且所述电堆的冷却出口连接所述泵的入口；流量调节器，用于调节所述中冷器的冷却液流量；空压机，压缩后的空气通入所述中冷器进行冷却；控制器，用来监测所述空压机和所述电堆，并控制所述流量调节器的开度。所述系统不仅可以适应复杂多变的工况，根据中冷器散热量和电堆散热量实现冷却液流量精准分配，从而保证系统散热均匀，提高系统效率，还可以避免泵的过设计。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种燃料电池冷却液流量分配系统，包括：

循环连接的泵、散热器和中冷器，其中所述中冷器的冷却液出口和所述泵的入口相连接；

所述散热器的出口管路一分为二，一支连接所述中冷器的冷却液入口，一支连接电堆的冷却入口，且所述电堆的冷却出口连接所述泵的入口；

流量调节器，用于调节所述中冷器的冷却液流量；

空压机，压缩后的空气通入所述中冷器进行冷却；

控制器，用来监测所述空压机和所述电堆，并控制所述流量调节器的开度。

本发明中所提供的系统采用中冷器和电堆并联的设计，并设置集监测和控制于一体的控制器，根据中冷器散热量和电堆散热量精准分配了流经中冷器的冷却液与流经电堆的冷却液，从而保证系统散热均匀，提高系统效率，还可以避免泵的过设计。

作为本发明优选的技术方案，所述系统还包括：

电控三通阀，设置在所述泵的出口和所述散热器的入口之间的管路上；

所述电控三通阀的出口管路一分为二，一支连接所述散热器的入口，一支连接加热器的入口，且所述加热器的出口连接在分支后通入电堆冷却入口的散热器出口管路上。

本发明中所提供的系统通过设置电控三通阀和加热器，可以根据工况为进入电堆的冷却液进行适当加热，保证了寒冷天气下电堆的加热需求，进一步保证了电堆可以时刻处于正常的工作温度。

作为本发明优选的技术方案，所述加热器为热敏电阻加热器，优选为正温度系数热敏电阻加热器。

本发明中所提供的正温度系数热敏电阻加热器，采用正温度系数很大的半导体材料作为热敏电阻。其中，正温度系数(Positive Temperature Coefficient，PTC)热敏电阻，又被称为PTC热敏电阻，是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度时，它的电阻值会随着温度的升高呈阶跃性的增高。因此，正温度系数热敏电阻加热器，又被成为PTC加热器，具有热阻小、换热效率高的优点，还不会产生表面“发红”现象，是一种自动恒温、省电节能、安全性高的电加热器。

作为本发明优选的技术方案，所述流量调节器设置于所述中冷器和泵之间的管路上。

优选地，所述流量调节器为流阻调节阀门。

本发明中所提供的系统采用流阻调节阀门作为流量调节器，用来控制通过中冷器的冷却液流量，实现流经中冷器的冷却液与流经电堆的冷却液的精准分配，不仅控制效果好，还可以节约成本。

作为本发明优选的技术方案，所述散热器为风扇散热器。

本发明中所提供的系统采用风扇散热器对冷却液进行散热，不仅散热效果好，成本较低，还具有节省空间，安装方便等优点。

作为本发明优选的技术方案，所述控制器监测所述空压机的参数包括空压机空气流量、空压机入口温度、空压机出口温度、空压机入口压力、空压机出口压力。

作为本发明优选的技术方案，所述控制器监测所述电堆的参数包括电堆入口温度和电堆入口压力。

本发明的目的之二在于提供一种基于目的之一所述系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

(a)所述控制器利用监测结果，计算出中冷器散热量和电堆散热量，然后计算出所述中冷器和所述电堆的冷却液流量配比；

(b)根据步骤(a)得到的冷却液流量配比，所述控制器调节流量调节器至对应开度。

作为本发明优选的技术方案，步骤(a)所述中冷器散热量的计算公式为：

式中，Q_intercooler——中冷器散热量；

M_air——空气质量流量；

C_air——空气比热容；

T1——空压机入口温度，单位为开尔文；

η_C——空压机效率；

π——压比；

r——空气绝热系数；

△T——电堆入口温度与空压机入口温度的温差。

作为本发明优选的技术方案，步骤(a)所述电堆散热量的计算公式为：

Q_S＝N×(m-Vcell)×Ist

式中，Q_S——电堆散热量；

N——电堆单体片数；

m——电堆高低热值的中间数值；

Vcell——单体电压；

Ist——电堆电流。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明中所提供的系统可以适应复杂多变的工况，根据中冷器散热量和电堆散热量实现冷却液流量精准分配，从而保证系统散热均匀，提高系统效率；

(2)本发明中所提供的系统可以减少泵流量，减少泵功率，避免泵的过设计；

(3)本发明中所提供的控制方法，控制过程简单，可以快速精准的实现冷却液流量分配。

附图说明

图1是本发明实施例1对应的燃料电池冷却液流量分配系统的示意图；

图2是本发明实施例1对应的燃料电池冷却液流量分配系统控制方法的流程图；

图中：1-中冷器；2-流阻调节阀门；3-电堆；4-泵；5-PTC加热器；6-电控三通阀；7-散热器；8-控制器；9-空气过滤器；10-流量计；11-空压机入口处温度传感器；12-空压机入口处压力传感器；13-空压机；14-空压机出口处温度传感器；15-空压机出口处压力传感器；16-增湿器；17-电堆冷却入口处温度传感器；18-电堆冷却入口处压力传感器；19-电子节气门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例1

本发明实施例1对应的燃料电池冷却液流量分配系统如图1所示，包括冷却回路和空气回路：

冷却回路：从泵4出来的冷却液，经过电控三通阀6进入散热器7进行散热降温，然后分成两路，分别通过中冷器1的冷却液入口和电堆3的冷却入口进入中冷器1和电堆3进行工作，最后两路合成一路重新进入泵4，开启下一个循环；其中，流阻调节阀门2在控制器8的作用下，调整流经中冷器1的冷却液流量，使得泵在较小功率下也能实现冷却液流量的精准分配；另外，在寒冷天气下，经电控三通阀6控制，部分冷却液进入PTC加热器5进行加热升温，随后通过冷却入口进入电堆3，保证了寒冷天气下电堆3的加热需求；

空气回路：从空气过滤器9出来的空气，依次经过流量计10、温度传感器11、压力传感器12后进入空压机13被压缩；压缩后的空气依次经过温度传感器14、压力传感器15后，通过中冷器1的空气入口进入中冷器1被冷却；冷却后的空气从增湿器16的第一入口进入增湿器16进行加湿，然后依次通过温度传感器17、压力传感器18，从电堆3的空气入口进入电堆3；从电堆3出来的空气从增湿器16的第二入口进入增湿器16进行水分回收，最后通过电子节气门19排出燃料电池；

控制器8实时监测流量计10、温度传感器11、压力传感器12、温度传感器14、压力传感器15、温度传感器17、压力传感器18的参数，并控制流阻调节阀门2的开度。

图2示出了本发明实施例1对应的燃料电池冷却液流量分配系统控制方法执行的流程，本流程开始执行后，将会同时监测有关空压机和电堆的参数，计算出中冷器散热量和电堆散热量，然后计算出中冷器和电堆的冷却液流量配比；控制器根据计算出的冷却液流量配比，调节流量调节器至对应开度，实现对应中冷器和电堆的冷却液流量精准分配，提高了系统效率，降低了泵功率。

经过控制器8对空压机13和电堆3的实时监测，在某个工况下得到了中冷器散热量Q_intercooler和电堆散热量Q_S对应计算公式中的如下参数：

空气质量流量M_air为123g/s；空压机入口温度T1为25℃即298.15K；空压机入口压力为1bar，出口压力为2.8bar，则空压机压比π为2.8；电堆入口温度为70℃，则电堆入口温度与空压机入口温度的温差△T为45K；电堆高热值为1.482，电堆低热值为1.254，根据经验估算电堆高低热值的中间数值m为1.386；电堆单体电压Vcell为0.6V；电堆电流Ist为502A；空气比热容C_air为1.01[J/(g·K)]；空压机效率η_C为0.75；空气绝热系数r为1.4；电堆单体片数N为380。

将上述参数分别代入中冷器散热量Q_intercooler和电堆散热量Q_S对应计算公式中，得到中冷器散热量Q_intercooler为11.3kW，电堆散热量Q_S为150kW，然后计算出中冷器和电堆的冷却液流量配比为1:13.3；最后，控制器根据得出的冷却液流量配比，调节流量调节器至80％开度，实现对应中冷器和电堆的冷却液流量精准分配，提高了系统效率，降低了泵功率。

本发明提供的系统不仅可以适应复杂多变的工况，根据中冷器散热量和电堆散热量实现冷却液流量精准分配，从而保证系统散热均匀，提高系统效率，还可以减少泵流量，减少泵功率，避免泵的过设计；而且，本发明所提供的控制方法，控制过程简单，可以快速精准的实现冷却液流量分配。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷却液流量分配系统，其特征在于，所述系统包括：

循环连接的泵、散热器和中冷器，其中所述中冷器的冷却液出口和所述泵的入口相连接；

所述散热器的出口管路一分为二，一支连接所述中冷器的冷却液入口，一支连接电堆的冷却入口，且所述电堆的冷却出口连接所述泵的入口；

流量调节器，用于调节所述中冷器的冷却液流量；

空压机，压缩后的空气通入所述中冷器进行冷却；

控制器，用来监测所述空压机和所述电堆，并控制所述流量调节器的开度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

电控三通阀，设置在所述泵的出口和所述散热器的入口之间的管路上；

所述电控三通阀的出口管路一分为二，一支连接所述散热器的入口，一支连接加热器的入口，且所述加热器的出口直接与电堆冷却入口连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热器为热敏电阻加热器，优选为正温度系数热敏电阻加热器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述流量调节器设置于所述中冷器和泵之间的管路上；

优选地，所述流量调节器为流阻调节阀门。

5.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述散热器为风扇散热器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器监测所述空压机的参数包括空压机空气流量、空压机入口温度、空压机出口温度、空压机入口压力、空压机出口压力。

7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器监测所述电堆的参数包括电堆入口温度和电堆入口压力。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

(a)所述控制器利用监测结果，计算出中冷器散热量和电堆散热量，然后计算出所述中冷器和所述电堆的冷却液流量配比；

(b)根据步骤(a)得到的冷却液流量配比，所述控制器调节流量调节器至对应开度。

9.根据权利要求8所述系统的控制方法，其特征在于，步骤(a)所述中冷器散热量的计算公式为：

式中，Q_intercooler——中冷器散热量；

M_air——空气质量流量；

C_air——空气比热容；

T1——空压机入口温度，单位为开尔文；

η_C——空压机效率；

π——压比；

r——空气绝热系数；

△T——电堆入口温度与空压机入口温度的温差。

10.根据权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于，步骤(a)所述电堆散热量的计算公式为：

Q_S＝N×(m-Vcell)×Ist

式中，Q_S——电堆散热量；

N——电堆单体片数；

m——电堆高低热值的中间数值；

Vcell——单体电压；

Ist——电堆电流。

Images