CN111029614A - 基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置及其方法 - Google Patents

基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池技术领域尤其涉及一种基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置，由半导体致冷器组件、双向电流传感器、桥式电子开关电路K1～K4、控制电路、电池堆温度传感器、循环泵及热交换介质组成，半导体致冷器组件采用可调直流电源供电，半导体致冷器组件的一端通过所述循环泵与质子交换膜燃料电池堆的热交换介质入口连接，另一端与热交换质子出口连接，控制电路和桥式电子开关电路K1～K4控制半导体致冷器电流方向。新的温度控制装置体积小、结构简单，能够有效克服目前技术方案的缺点。

Description

基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置及 其方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种基于半导体致冷器的质子交换膜 燃料电池堆温度控制装置及其方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池堆膜电极单体的理想输出电压Uo计算公式为：
Figure BDA0002296821850000011
上式中
Figure BDA0002296821850000012
分别为氢、氧和水蒸气的压力，Eo为燃料电池堆膜 电极单体的理想标准电动势，R为通用气体常数，T为燃料电池堆工作温度，F 为法拉第常数。
由公式(1)可以看出：燃料电池堆膜电极单体的输出电压Uo由2部分构 成，第1部分为膜电极单体的理想标准电动势Eo，Eo的数值主要由膜电极单体 的材料特性决定；第2部分为膜电极单体的环境变量因素，主要由工作温度T、 氢气压力
Figure BDA0002296821850000013
氧气压力
Figure BDA0002296821850000014
等环境变量的数值决定，其中燃料电池堆的工作温度 T是其中的重要控制参数之一，直接影响着燃料电池堆膜电极单体输出电压Uo 的数值。
目前关于质子交换膜燃料电池堆的温度控制装置普遍采用热交换介质(如 去离子水等)循环+散热风扇+电加热器+控制电路等部件组成，温度控制装置检 测质子交换膜燃料电池堆的温度传感器实时数值，并根据燃料电池堆的最佳工 作温度值，如果燃料电池堆实时温度高于最佳工作温度值，则控制电路启动散 热风扇关闭电加热器；如果燃料电池堆实时温度低于最佳工作温度值，则控制 电路关闭散热风扇启动电加热器。由于散热风扇和电加热器是2组独立的执行 器，所以这种温度控制装置体积大、结构也比较复杂。
发明内容
本发明的主要目的就是针对上述问题，提供一种基于半导体致冷器的质子 交换膜燃料电池堆温度控制装置及其方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于半导体致冷器的质 子交换膜燃料电池堆温度控制装置，其特征在于：由半导体致冷器组件、双向 电流传感器、桥式电子开关电路K1～K4、控制电路、电池堆温度传感器、循环泵 及热交换介质组成，半导体致冷器组件采用可调直流电源供电，半导体致冷器 组件的一端通过所述循环泵与质子交换膜燃料电池堆的热交换介质入口连接， 另一端与热交换质子出口连接，控制电路和桥式电子开关电路K1～K4控制半导 体致冷器电流方向；
主控电路通过检测质子交换膜燃料电池堆的温度传感器实时数值，并根据 燃料电池堆的最佳工作温度值，确定半导体致冷器制冷或制热，并输出选通信 号K1E、K2E、K3E、K4E，来控制桥式电子开关电路K1～K4的导通/截止状态,同 时控制电路还通过双向电流传感器来检测半导体致冷器组件的实时电流数值， 并通过控制电路内部的可调直流电源，调节VT+/VT-的输出电压给桥式电子开关 电路供电，从而实现调节半导体致冷器的正向/反向工作电流数值的功能。
一种基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制方法，具体运行 步骤如下：
(1)控制电路上电，如果自检正常就进入步骤(2)，否则进入自检报警状态；
(2)控制电路检测质子交换膜燃料电池堆温度传感器信号，得到当前电池堆 温度数值T1；
(3)控制电路根据质子交换膜燃料电池堆的型号及特性参数，读取电池堆运 行最佳温度数值T2；
(4)如果T1>T2，说明电池堆的当前温度高于最佳温度，则进入步骤(5)；否 则进入步骤(11)；
(5)控制电路输出选通信号K1E和K4E为有效、K2E和K3E为无效，桥式电 子开关电路中的电子开关K1和K4导通，K2和K3截止，半导体致冷器组件正向 通电，工作在制冷状态，为电池堆降温；
(6)控制电路预设半导体致冷器组件正向通电电流数值为I1＝K1(T1-T2)，其 中K1为半导体致冷器组件的制冷能效系数，与半导体致冷器组件的型号及特性 参数有关；
(7)控制电路检测双向电流传感器信号，得到当前半导体致冷器组件的正向 电流数值I2；
(8)如果I1>I2，说明半导体致冷器组件的当前正向电流低于预设值，则进 入步骤(9)；否则进入步骤(10)；
(9)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电压 调高，以提高当前半导体致冷器组件正向电流I2的数值，然后进入步骤(17)；
(10)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电 压调低，以降低当前半导体致冷器组件正向电流I2的数值，然后进入步骤(17)；
(11)控制电路输出选通信号K1E和K4E为无效、K2E和K3E为有效，桥式电 子开关电路中的电子开关K1和K4截止，K2和K3导通，半导体致冷器组件反向 通电，工作在制热状态，为电池堆升温；
(12)控制电路预设半导体致冷器组件反向通电电流数值为I3＝K2(T2-T1)， 其中K2为半导体致冷器组件的制热能效系数，与半导体致冷器组件的型号及特 性参数有关；
(13)控制电路检测双向电流传感器信号，得到当前半导体致冷器组件的反 向电流数值I4；
(14)如果I3>I4，说明半导体致冷器组件的当前反向电流低于预设值，则进 入步骤(15)；否则进入步骤(16)；
(15)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电 压调高，以提高当前半导体致冷器组件反向电流I4的数值，然后进入步骤(17)；
(16)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电 压调低，以降低当前半导体致冷器组件反向电流I4的数值，然后进入步骤(17)；
(17)控制电路检测是否有系统停机信号，如果有停机信号，则系统停机退 出；如果没有停机信号，则重新返回步骤(2)，如此循环反复运行。
本发明的有益效果是:本发明采用半导体致冷器作为质子交换膜燃料电池 堆温度控制装置的唯一执行器，采用热交换介质(如去离子水等)循环+半导体 致冷器+控制电路的部件组成，如果燃料电池堆实时温度高于最佳工作温度值， 则控制电路给半导体致冷器正向通电，半导体致冷器工作在制冷状态；如果燃 料电池堆实时温度低于最佳工作温度值，则控制电路给半导体致冷器反向通电， 半导体致冷器工作在制热状态，新的温度控制装置只需要半导体致冷器这唯一 的执行器，就可以实现实时优化调节质子交换膜燃料电池堆的工作温度，使燃 料电池堆工作温度能够平衡在最佳工作温度值附近。新的温度控制装置体积小、 结构简单，能够有效克服目前技术方案的缺点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示， 一种基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置，主要由半导体 致冷器组件、双向电流传感器、桥式电子开关电路(K1～K4)、控制电路、电池 堆温度传感器、循环泵及热交换介质组成。
半导体致冷器组件采用可调直流电源供电(VT+/VT-)，通过控制电路和桥 式电子开关电路(K1～K4)控制半导体致冷器电流方向(正向/反向)，当控制电 路的选通输出信号K1E和K4E有效，K2E和K3E无效时，电子开关K1和K4导通， K2和K3截止，半导体致冷器组件正向通电，工作在制冷状态；反之，当控制电 路的选通输出信号K1E和K4E无效，K2E和K3E有效时，电子开关K1和K4截止， K2和K3导通，半导体致冷器组件反向通电，工作在制热状态。
主控电路通过检测质子交换膜燃料电池堆的温度传感器实时数值，并根据 燃料电池堆的最佳工作温度值，确定半导体致冷器的工作状态(制冷或制热)， 并输出选通信号K1E、K2E、K3E、K4E，来控制桥式电子开关电路(K1～K4)的导 通/截止状态,同时控制电路还通过双向电流传感器来检测半导体致冷器组件的 实时电流数值，并通过控制电路内部的可调直流电源，调节VT+/VT-的输出电压 给桥式电子开关电路供电，从而实现调节半导体致冷器的正向/反向工作电流数 值的功能。
本发明所提出的基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制方 法，具体运行步骤如下：
(1)控制电路上电，如果自检正常就进入步骤(2)，否则进入自检报警状态。
(2)控制电路检测质子交换膜燃料电池堆温度传感器信号，得到当前电池堆 温度数值T1。
(3)控制电路根据质子交换膜燃料电池堆的型号及特性参数，读取电池堆运 行最佳温度数值T2。
(4)如果T1>T2，说明电池堆的当前温度高于最佳温度，则进入步骤(5)；否 则进入步骤(11)。
(5)控制电路输出选通信号K1E和K4E为有效、K2E和K3E为无效，桥式电 子开关电路中的电子开关K1和K4导通，K2和K3截止，半导体致冷器组件正向 通电，工作在制冷状态，为电池堆降温。
(6)控制电路预设半导体致冷器组件正向通电电流数值为I1＝K1(T1-T2)，其 中K1为半导体致冷器组件的制冷能效系数，与半导体致冷器组件的型号及特性 参数有关。
(7)控制电路检测双向电流传感器信号，得到当前半导体致冷器组件的正向 电流数值I2。
(8)如果I1>I2，说明半导体致冷器组件的当前正向电流低于预设值，则进 入步骤(9)；否则进入步骤(10)。
(9)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电压 调高，以提高当前半导体致冷器组件正向电流I2的数值，然后进入步骤(17)。
(10)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电 压调低，以降低当前半导体致冷器组件正向电流I2的数值，然后进入步骤(17)。
(11)控制电路输出选通信号K1E和K4E为无效、K2E和K3E为有效，桥式电 子开关电路中的电子开关K1和K4截止，K2和K3导通，半导体致冷器组件反向 通电，工作在制热状态，为电池堆升温。
(12)控制电路预设半导体致冷器组件反向通电电流数值为I3＝K2(T2-T1)， 其中K2为半导体致冷器组件的制热能效系数，与半导体致冷器组件的型号及特 性参数有关。
(13)控制电路检测双向电流传感器信号，得到当前半导体致冷器组件的反 向电流数值I4。
(14)如果I3>I4，说明半导体致冷器组件的当前反向电流低于预设值，则进 入步骤(15)；否则进入步骤(16)。
(15)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电 压调高，以提高当前半导体致冷器组件反向电流I4的数值，然后进入步骤(17)。
(16)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电 压调低，以降低当前半导体致冷器组件反向电流I4的数值，然后进入步骤(17)。
(17)控制电路检测是否有系统停机信号，如果有停机信号，则系统停机退 出；如果没有停机信号，则重新返回步骤(2)，如此循环反复运行。
本专利所提出的基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置 及其方法，相比于目前普遍采用的热交换介质循环+散热风扇+电加热器+控制电 路等部件组成的温度控制装置及其方法，新的质子交换膜燃料电池堆温度控制 装置及其方法的有益效果在于用1组半导体致冷器组件取代了目前普遍采用的 散热风扇和电加热器共2组执行器，能够有效减小质子交换膜燃料电池堆温度 控制装置的体积，并能够显著简化质子交换膜燃料电池堆温度控制装置的机械 结构和电路结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制装置，其特征在于：由半导体致冷器组件、双向电流传感器、桥式电子开关电路K1～K4、控制电路、电池堆温度传感器、循环泵及热交换介质组成，半导体致冷器组件采用可调直流电源供电，半导体致冷器组件的一端通过所述循环泵与质子交换膜燃料电池堆的热交换介质入口连接，另一端与热交换质子出口连接，控制电路和桥式电子开关电路K1～K4控制半导体致冷器电流方向；
主控电路通过检测质子交换膜燃料电池堆的温度传感器实时数值，并根据燃料电池堆的最佳工作温度值，确定半导体致冷器制冷或制热，并输出选通信号K1E、K2E、K3E、K4E，来控制桥式电子开关电路K1～K4的导通/截止状态,同时控制电路还通过双向电流传感器来检测半导体致冷器组件的实时电流数值，并通过控制电路内部的可调直流电源，调节VT+/VT-的输出电压给桥式电子开关电路供电，从而实现调节半导体致冷器的正向/反向工作电流数值的功能。
2.一种如权利要求1所述的基于半导体致冷器的质子交换膜燃料电池堆温度控制方法，具体运行步骤如下：
(1)控制电路上电，如果自检正常就进入步骤(2)，否则进入自检报警状态；
(2)控制电路检测质子交换膜燃料电池堆温度传感器信号，得到当前电池堆温度数值T1；
(3)控制电路根据质子交换膜燃料电池堆的型号及特性参数，读取电池堆运行最佳温度数值T2；
(4)如果T1>T2，说明电池堆的当前温度高于最佳温度，则进入步骤(5)；否则进入步骤(11)；
(5)控制电路输出选通信号K1E和K4E为有效、K2E和K3E为无效，桥式电子开关电路中的电子开关K1和K4导通，K2和K3截止，半导体致冷器组件正向通电，工作在制冷状态，为电池堆降温；
(6)控制电路预设半导体致冷器组件正向通电电流数值为I1＝K1(T1-T2)，其中K1为半导体致冷器组件的制冷能效系数，与半导体致冷器组件的型号及特性参数有关；
(7)控制电路检测双向电流传感器信号，得到当前半导体致冷器组件的正向电流数值I2；
(8)如果I1>I2，说明半导体致冷器组件的当前正向电流低于预设值，则进入步骤(9)；否则进入步骤(10)；
(9)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电压调高，以提高当前半导体致冷器组件正向电流I2的数值，然后进入步骤(17)；
(10)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电压调低，以降低当前半导体致冷器组件正向电流I2的数值，然后进入步骤(17)；
(11)控制电路输出选通信号K1E和K4E为无效、K2E和K3E为有效，桥式电子开关电路中的电子开关K1和K4截止，K2和K3导通，半导体致冷器组件反向通电，工作在制热状态，为电池堆升温；
(12)控制电路预设半导体致冷器组件反向通电电流数值为I3＝K2(T2-T1)，其中K2为半导体致冷器组件的制热能效系数，与半导体致冷器组件的型号及特性参数有关；
(13)控制电路检测双向电流传感器信号，得到当前半导体致冷器组件的反向电流数值I4；
(14)如果I3>I4，说明半导体致冷器组件的当前反向电流低于预设值，则进入步骤(15)；否则进入步骤(16)；
(15)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电压调高，以提高当前半导体致冷器组件反向电流I4的数值，然后进入步骤(17)；
(16)控制电路将输出给桥式电子开关电路供电的可调直流电源VT+/VT-电压调低，以降低当前半导体致冷器组件反向电流I4的数值，然后进入步骤(17)；
(17)控制电路检测是否有系统停机信号，如果有停机信号，则系统停机退出；如果没有停机信号，则重新返回步骤(2)，如此循环反复运行。
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