CN111584899B - 一种风冷燃料电池电堆的控制系统 - Google Patents

一种风冷燃料电池电堆的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风冷燃料电池电堆的控制系统。本发明通过在接入风冷燃料电池电堆的氢气管路上设置分别与控制装置连接的氢气调压阀、氢气流量计和氢气压力传感器，在靠近风冷燃料电池电堆的位置设置与控制装置连接的风冷电机，在风冷燃料电池电堆阴极通道内设置与控制装置连接的温度传感器，在接入风冷燃料电池电堆的排放管路上设置与控制装置连接的脉冲阀，使得控制装置可根据实时采集的氢气流量、氢气压力和运行温度，动态调节氢气调压阀的阀门开度、风冷电机的风机开度、脉冲阀的脉冲时间和脉冲频率来维持风冷燃料电池电堆特定的运行条件，有利于保证风冷燃料电池电堆稳定运行。

Description

一种风冷燃料电池电堆的控制系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种风冷燃料电池电堆的控制系统。
背景技术
风冷燃料电池电堆是一种直接利用空气作为冷却方式，将外部供应的燃料(氢气)和氧化剂(空气)的化学能直接转化为电能及生成热和反应产物的电化学装置。由于风冷燃料电池电堆主要用作通信基站等设备的备用电源，要求风冷燃料电池电堆在启动后能够稳定运行，向通信基站等设备供电。但在现有技术中，风冷燃料电池电堆的控制系统对风冷燃料电池电堆的控制仍较为单一恒定，尚不足以针对风冷燃料电池电堆在运行过程中出现的氢气流量变化、氢气压力变化以及运行温度变化等情况进行动态调节来维持特定的运行条件，难以保证风冷燃料电池电堆稳定运行。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种风冷燃料电池电堆的控制系统，能够动态调节氢气调压阀的阀门开度、风冷电机的风机开度、脉冲阀的脉冲时间和脉冲频率来维持风冷燃料电池电堆特定的运行条件，有利于保证风冷燃料电池电堆稳定运行。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种风冷燃料电池电堆的控制系统，包括：
控制装置、氢气调压阀、氢气流量计、氢气压力传感器、风冷电机、温度传感器、脉冲阀；
所述风冷燃料电池电堆的氢气入口端通过氢气管路与氢气罐的供气端连接，且所述氢气管路上设置有所述氢气调压阀、所述氢气流量计和所述氢气压力传感器；所述氢气调压阀的阀门控制端与所述控制装置的控制端连接，所述氢气流量计的输出端与所述控制装置的数据采集端连接，所述氢气压力传感器的输出端与所述控制装置的数据采集端连接；
所述风冷燃料电池电堆的空气出口端与所述风冷电机的抽风端连接；所述风冷电机的风机控制端与所述控制装置的控制端连接；
所述风冷燃料电池电堆阴极通道内设置有所述温度传感器；所述温度传感器的输出端与所述控制装置的数据采集端连接；
所述风冷燃料电池电堆的出口端通过排放管路与所述脉冲阀的入口端连接；所述脉冲阀的阀门控制端与所述控制装置的控制端连接。
进一步地，所述氢气压力传感器靠近所述风冷燃料电池电堆的氢气入口端设置在所述氢气管路上。
进一步地，所述风冷燃料电池电堆的氢气入口端水平于或高于所述风冷燃料电池电堆的出口端。
进一步地，所述风冷电机的抽风端通过密封面罩与所述风冷燃料电池电堆的空气出口端连接。
进一步地，所述密封面罩呈喇叭状结构。
进一步地，所述密封面罩的第一开口与所述风冷电机的抽风端连接，第二开口与所述风冷燃料电池电堆的空气出口端连接；所述第一开口与所述第二开口连通且所述第一开口的横截面积小于所述第二开口的横截面积。
进一步地，所述氢气流量计包括可调节气体流量计。
进一步地，所述温度传感器包括热电偶温度传感器。
进一步地，所述温度传感器设置在所述风冷燃料电池电堆内阴极通道的中间位置。
进一步地，所述脉冲阀包括脉冲电磁阀或脉冲针阀或常闭式脉冲电磁阀。
相比于现有技术，本发明的实施例具有如下有益效果：
通过在接入风冷燃料电池电堆的氢气管路上设置氢气调压阀、氢气流量计和氢气压力传感器，将氢气调压阀的阀门控制端与控制装置的控制端连接，将氢气流量计的输出端与控制装置的数据采集端连接，将氢气压力传感器的输出端与控制装置的数据采集端连接，在靠近风冷燃料电池电堆的位置设置风冷电机，将风冷电机的风机控制端与控制装置的控制端连接，在风冷燃料电池电堆阴极通道内设置温度传感器，将温度传感器的输出端与控制装置的数据采集端连接，在接入风冷燃料电池电堆的排放管路上设置脉冲阀，将脉冲阀的阀门控制端与控制装置的控制端连接，使得控制装置可根据实时采集的氢气流量、氢气压力和运行温度，动态调节氢气调压阀的阀门开度、风冷电机的风机开度、脉冲阀的脉冲时间和脉冲频率来维持风冷燃料电池电堆特定的运行条件，有利于保证风冷燃料电池电堆稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种风冷燃料电池电堆的控制系统的结构示意图。
其中，说明书附图中的附图标记如下：
1：氢气罐；2：氢气管路；3：氢气调压阀；4：氢气流量计；5：氢气压力传感器；6：风冷燃料电池电堆；7：风冷电机；8：温度传感器；9：密封面罩；10：排放管路；11：脉冲阀；12：控制装置。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的实施例提供一种风冷燃料电池电堆的控制系统，包括：控制装置12、氢气调压阀3、氢气流量计4、氢气压力传感器5、风冷电机7、温度传感器8、脉冲阀11；风冷燃料电池电堆6的氢气入口端通过氢气管路2与氢气罐1的供气端连接，且氢气管路2上设置有氢气调压阀3、氢气流量计4和氢气压力传感器5；氢气调压阀3的阀门控制端与控制装置12的控制端连接，氢气流量计4的输出端与控制装置12的数据采集端连接，氢气压力传感器5的输出端与控制装置12的数据采集端连接；风冷燃料电池电堆6的空气出口端与风冷电机7的抽风端连接；风冷电机7的风机控制端与控制装置12的控制端连接；风冷燃料电池电堆6阴极通道内设置有温度传感器8；温度传感器8的输出端与控制装置12的数据采集端连接；风冷燃料电池电堆6的出口端通过排放管路10与脉冲阀11的入口端连接；脉冲阀11的阀门控制端与控制装置12的控制端连接。
作为示例性地，氢气罐1通过氢气管路2向风冷燃料电池电堆6供应氢气，氢气管路2上的氢气流量计4测量通入风冷燃料电池电堆6的氢气流量，并将测量的氢气流量传输至控制装置12，氢气管路2上的氢气压力传感器5测量通入风冷燃料电池电堆6的氢气压力，并将测量的氢气压力传输至控制装置12。风冷电机7向风冷燃料电池电堆6供应空气，使风冷燃料电池电堆6可直接利用空气作为冷却方式，将外部供应的氢气和空气的化学能直接转化为电能及生成热和反应产物，并在风冷燃料电池电堆6运行过程中为风冷燃料电池电堆6散热。在风冷燃料电池电堆6的运行过程中，设置在风冷燃料电池电堆6阴极通道内的温度传感器8测量风冷燃料电池电堆6的运行温度，并将测量的运行温度传输至控制装置12。控制装置12根据采集的氢气流量、氢气压力和运行温度，可选择性地向氢气调压阀3传输控制信号，使氢气调压阀3在控制信号的作用下调节阀门开度，将风冷燃料电池电堆6内的氢气压力控制在特定范围内，向风冷电机7传输控制信号，使风冷电机7在控制信号的作用下调节风机转速，将风冷燃料电池电堆6的运行温度控制在特定范围内，向脉冲阀11传输控制信号，使脉冲阀11在控制信号的作用下调节脉冲时间和脉冲频率，定时定量排放风冷燃料电池电堆6内的杂质气体和多余水分。
其中，调节后的氢气压力应为风冷燃料电池电堆6正常运行时的额定工作压力，不得超过风冷燃料电池电堆6的最大承受压力，也不得超过质子交换膜的最大承受压力。
风冷电机7的功率应满足：能够向风冷燃料电池电堆6供应足量的空气参与反应发电，且能够在风冷燃料电池电堆6以最大功率运行时及时散热，将风冷燃料电池电堆6的运行温度控制在特定范围内，以避免出现风冷燃料电池电堆6的运行温度过低，比如30℃时阳极通道中水分冷凝而出现水淹等情况。
本实施例通过在接入风冷燃料电池电堆6的氢气管路2上设置氢气调压阀3、氢气流量计4和氢气压力传感器5，将氢气调压阀3的阀门控制端与控制装置12的控制端连接，将氢气流量计4的输出端与控制装置12的数据采集端连接，将氢气压力传感器5的输出端与控制装置12的数据采集端连接，在靠近风冷燃料电池电堆6的位置设置风冷电机7，将风冷电机7的风机控制端与控制装置12的控制端连接，在风冷燃料电池电堆6阴极通道内设置温度传感器8，将温度传感器8的输出端与控制装置12的数据采集端连接，在接入风冷燃料电池电堆6的排放管路10上设置脉冲阀11，将脉冲阀11的阀门控制端与控制装置12的控制端连接，使得控制装置12可根据实时采集的氢气流量、氢气压力和运行温度，动态调节氢气调压阀3的阀门开度、风冷电机7的风机开度、脉冲阀11的脉冲时间和脉冲频率来维持风冷燃料电池电堆6特定的运行条件，有利于保证风冷燃料电池电堆6稳定运行。
在优选的实施例当中，氢气压力传感器5靠近风冷燃料电池电堆6的氢气入口端设置在氢气管路2上。
本实施例通过将氢气压力传感器5靠近风冷燃料电池电堆6的氢气入口端设置在氢气管路2上，使得氢气压力传感器5距离风冷燃料电池电堆6的入口端较近，能够更加准确地测量通入风冷燃料电池电堆6的氢气压力，且距离风冷燃料电池电堆6的出口端较远，能够降低脉冲阀11间歇性打开引起的压力波动对氢气压力传感器5测量结果的影响。
在优选的实施例当中，风冷燃料电池电堆6的氢气入口端水平于或高于风冷燃料电池电堆6的出口端。
本实施例通过使风冷燃料电池电堆6的氢气入口端水平于或高于风冷燃料电池电堆6的出口端，有利于排出风冷燃料电池电堆6内阳极通道中的水分。
在优选的实施例当中，风冷电机7的抽风端通过密封面罩9与风冷燃料电池电堆6的空气出口端连接。
在本实施例的一优选实施方式中，密封面罩9呈喇叭状结构。
可以理解的是，密封面罩9呈喇叭状结构，即一个曲面、横截面积一大一小的两个开口。
在本实施例的另一优选实施方式中，密封面罩9的第一开口与风冷电机7的抽风端连接，第二开口与风冷燃料电池电堆6的空气出口端连接；第一开口与第二开口连通且第一开口的横截面积小于第二开口的横截面积。
本实施例通过将密封面罩9的第一开口与风冷电机7的抽风端连接，将密封面罩9的第二开口与风冷燃料电池电堆6的空气出口端连接，使得当风冷电机7往远离风冷燃料电池电堆6的方向抽风时，可在密封面罩9内产生负压，从而利用负压引起空气流动穿过风冷燃料电池电堆6内的阴极通道，实现为风冷燃料电池电堆6供应空气以及散热。
其中，风冷电机7采用抽风方式向风冷燃料电池电堆6供应空气，有利于均匀供应空气。
在优选的实施例当中，氢气流量计4包括可调节气体流量计。
本实施例采用可调节气体流量计作为氢气流量计4，则控制装置12可选择性地向氢气流量计4传输控制信号，使氢气流量计4在控制信号的作用下调节通入风冷燃料电池电堆6的氢气流量，进一步将风冷燃料电池电堆6内的氢气压力控制在特定范围内。
在优选的实施例当中，温度传感器8包括热电偶温度传感器。
热电偶温度传感器属于自发电式传感器中的一种，采用热电偶温度传感器测量风冷燃料电池电堆6的运行温度，可以直接将测量结果转化为电信号传输至控制装置12。且热电偶温度传感器测温范围是-270℃～2500℃，覆盖了风冷燃料电池电堆6的运行温度范围。
在优选的实施例当中，温度传感器8设置在风冷燃料电池电堆6内阴极通道的中间位置。
本实施例通过将温度传感器8设置在风冷燃料电池电堆6内阴极通道的中间位置，能够更加准确地测量风冷燃料电池电堆6的运行温度。
在优选的实施例当中，脉冲阀11包括脉冲电磁阀或脉冲针阀或常闭式脉冲电磁阀。
脉冲电磁阀是通过导线将电磁阀体内线圈输入脉冲信号，脉冲阀受脉冲喷吹控制仪输出信号的控制，依靠阀的前后两个气室的压力变化，使橡胶膜片曲挠变形实现脉冲阀的开启和关闭。脉冲针阀是通过线圈产生磁场来提起或放下针阀实现脉冲阀的开启和关闭。常闭式脉冲电磁阀是在没有电信号输入时处于常闭状态，在电信号输入时处于打开状态。
本实施例采用脉冲电磁阀或脉冲针阀或常闭式脉冲电磁阀作为脉冲阀11，能够实现定时定量排放风冷燃料电池电堆6内的杂质气体和多余水分，有利于避免风冷燃料电池电堆6出现水淹情况，同时提高氢气利用率。
其中，脉冲阀11在一个脉冲周期内，包括脉冲时间间隔，即阀门关闭持续的时间，以及脉冲排放时间，即阀门开启持续的时间两个控制参数，两个控制参数随风冷燃料电池电堆6的运行电流的变化而变化。脉冲阀11一次开启所排放的气体体积应大于等于风冷燃料电池电堆6内阳极通道的总体积与阳极公共腔体的总体积之和。脉冲阀11开启之前与开启之后，风冷燃料电池电堆6的总电压波动不宜超过1％。
综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：
通过在接入风冷燃料电池电堆6的氢气管路2上设置氢气调压阀3、氢气流量计4和氢气压力传感器5，将氢气调压阀3的阀门控制端与控制装置12的控制端连接，将氢气流量计4的输出端与控制装置12的数据采集端连接，将氢气压力传感器5的输出端与控制装置12的数据采集端连接，在靠近风冷燃料电池电堆6的位置设置风冷电机7，将风冷电机7的风机控制端与控制装置12的控制端连接，在风冷燃料电池电堆6阴极通道内设置温度传感器8，将温度传感器8的输出端与控制装置12的数据采集端连接，在接入风冷燃料电池电堆6的排放管路10上设置脉冲阀11，将脉冲阀11的阀门控制端与控制装置12的控制端连接，使得控制装置12可根据实时采集的氢气流量、氢气压力和运行温度，动态调节氢气调压阀3的阀门开度、风冷电机7的风机开度、脉冲阀11的脉冲时间和脉冲频率来维持风冷燃料电池电堆6特定的运行条件，有利于保证风冷燃料电池电堆6稳定运行。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，包括：
控制装置、氢气调压阀、氢气流量计、氢气压力传感器、风冷电机、温度传感器、脉冲阀；
所述风冷燃料电池电堆的氢气入口端通过氢气管路与氢气罐的供气端连接，且所述氢气管路上设置有所述氢气调压阀、所述氢气流量计和所述氢气压力传感器；所述氢气调压阀的阀门控制端与所述控制装置的控制端连接，所述氢气流量计的输出端与所述控制装置的数据采集端连接，所述氢气压力传感器的输出端与所述控制装置的数据采集端连接；
所述风冷燃料电池电堆的空气出口端通过密封面罩与所述风冷电机的抽风端连接；所述风冷电机的风机控制端与所述控制装置的控制端连接；所述密封面罩呈喇叭状结构；所述密封面罩的第一开口与所述风冷电机的抽风端连接，第二开口与所述风冷燃料电池电堆的空气出口端连接；所述第一开口与所述第二开口连通且所述第一开口的横截面积小于所述第二开口的横截面积；所述风冷电机采用抽风方式向所述风冷燃料电池电堆供应空气；
所述风冷燃料电池电堆阴极通道内设置有所述温度传感器；所述温度传感器的输出端与所述控制装置的数据采集端连接；
所述风冷燃料电池电堆的出口端通过排放管路与所述脉冲阀的入口端连接；所述脉冲阀的阀门控制端与所述控制装置的控制端连接。
2.如权利要求1所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述氢气压力传感器靠近所述风冷燃料电池电堆的氢气入口端设置在所述氢气管路上。
3.如权利要求1所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述风冷燃料电池电堆的氢气入口端水平于或高于所述风冷燃料电池电堆的出口端。
4.如权利要求1所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述氢气流量计包括可调节气体流量计。
5.如权利要求1所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述温度传感器包括热电偶温度传感器。
6.如权利要求1或5所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述温度传感器设置在所述风冷燃料电池电堆内阴极通道的中间位置。
7.如权利要求1所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述脉冲阀包括脉冲电磁阀。
8.如权利要求1所述的风冷燃料电池电堆的控制系统，其特征在于，所述脉冲阀包括脉冲针阀或常闭式脉冲电磁阀。
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