CN113161574B - 一种燃料电池加热系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池加热系统及其控制方法，属于燃料电池技术领域，能够解决现有的电堆辅助加热系统加热效率较低，加热温度不均匀，且加热成本较高的问题。所述系统包括：燃料电池电堆和交流电路；交流电路的输出端与燃料电池电堆的正负极连接，交流电路用于向燃料电池电堆提供交变电流。本发明用于燃料电池电堆的加热。

Description

一种燃料电池加热系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池加热系统及其控制方法，属于燃料电池技术领域。
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。燃料电池按照电解质种类的不同，可以分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池等。其中，由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化率高、环境友好、常温下能快速启动以及寿命长等优点，因而受到了广泛的研究和应用。
工作温度高于100℃的质子交换膜燃料电池称为高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)，工作温度低于100℃的质子交换膜燃料电池称为低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFC)。LT-PEMFC在室温时不需要预热，但是电堆在零度以下温度启动时，为了防止电堆中形成的冰对电堆膜电极组件的结构产生破坏，需要辅助加热系统。
现有电堆辅助加热系统主要采用物理加热和化学反应产热两类方案。物理加热主要采用以下两种加热方法：(1)使用加热丝加热燃料电池电堆，加热丝或者加热片加热的方法容易实现，而且简化了升温阶段的水管理，但是缺点是燃料电池电堆容易受热不均匀，局部温度过高。(2)使用导热介质进行加热，使用空气、导热油等介质传导热量加热燃料电池电堆，这种加热方法优点是电堆受热均匀，升温较快，缺点是需要对燃料电池进行复杂的设计，可靠性不高，效率也不高。化学反应放热主要采用以下两种加热方法：(1)利用阴极反应放热来加热电池的方法，利用“氢泵”的原理将阳极通入的氢气在直流压的作用下透过质子交换膜与阴极的空气发生反应，从而加热燃料电池。(2)在燃料电池中通入氢气和氧气，氢气低温催化燃烧的方式加热电堆，反应放热的优点在于使燃料电池电堆能够快速且均匀地升温，缺点是反应的产物通常有水的生成，在零下的温度启动时，需要面临水凝结导致启动失败的问题，对于以磷酸为电解质的燃料电池，水的生成会造成磷酸的浸出，对电堆性能和寿命产生影响。总之，现有的电堆辅助加热系统存在加热效率较低，加热温度不均匀，加热成本较高等问题。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池加热系统及其控制方法，能够解决现有的电堆辅助加热系统加热效率较低，加热温度不均匀，且加热成本较高的问题。
本发明提供了一种燃料电池加热系统，所述系统包括：燃料电池电堆和交流电路；所述交流电路的输出端与所述燃料电池电堆的正负极连接，所述交流电路用于向燃料电池电堆提供交变电流。
可选的，所述交流电路包括电源、电压变换器、逆变电路；所述电源、所述电压变换器、所述逆变电路和所述燃料电池电堆依次串联形成加热回路；所述电压变换器用于调节所述电源的输出电压；所述逆变电路用于将所述电压变换器输出的直流电流转换为交变电流。
可选的，所述系统还包括端板加热模块和控制模块；所述端板加热模块用于加热所述燃料电池电堆的端板；所述控制模块与所述端板加热模块连接，所述控制模块用于控制所述端板加热模块的加热功率。
可选的，所述控制模块与所述电压变换器连接；所述系统还包括温度测量模块；所述温度测量模块用于测量所述燃料电池电堆的温度；所述控制模块还用于根据所述燃料电池电堆的温度调节所述电压变换器的输出电压。
可选的，所述系统还包括电压测量模块和/或电流测量模块；所述电压测量模块用于测量所述电压变换器的输出电压，并将测量到的所述电压变换器的输出电压发送给所述控制模块；所述电流测量模块用于测量所述电压变换器的输出电流，并将测量到的所述电压变换器的输出电流发送给所述控制模块。
可选的，所述系统还包括负载，所述负载与所述电源并联；所述燃料电池电堆、所述电压变换器和所述负载串联形成放电回路；所述电压变换器用于调节所述燃料电池电堆的输出电压。
可选的，所述交变电流的频率大于或等于200赫兹。
可选的，所述交变电流的波形为方波、正弦波或三角波中的任一种。
可选的，所述燃料电池电堆的正极连接有第一开关；所述第一开关与所述逆变电路的输出端的第一电极、所述电压变换器的输入端的正极均连接；所述燃料电池电堆的负极连接有第二开关；所述第二开关与所述逆变电路的输出端的第二电极、所述电压变换器的输入端的负极均连接；所述电源的正极与所述电压变换器的输出端的正极之间连接有第三开关；所述电源的负极与所述电压变换器的输出端的负极连接；所述电源的正极与所述电压变换器的输入端的正极之间连接有第四开关；所述电源的负极与所述电压变换器的输入端的负极连接；所述电压变换器的输出端的正极与所述逆变电路的输入端的正极连接；所述电压变换器的输出端的负极与所述逆变电路的输入端的负极连接。
本发明另一方面提供一种应用于上述所述的燃料电池加热系统的控制方法，所述控制方法包括：控制所述第一开关和所述第二开关，使得所述燃料电池电堆的正极与所述逆变电路的输出端的第一电极连通、所述燃料电池电堆的负极与所述逆变电路的输出端的第二电极连通，并控制所述第三开关断开、所述第四开关闭合；当所述燃料电池电堆的温度大于或等于所述预设阈值时，控制所述第一开关和所述第二开关，使得所述燃料电池电堆的正极与所述电压变换器的输入端的正极连通、所述燃料电池电堆的负极与所述电压变换器的输入端的负极连通，并控制所述第三开关闭合、所述第四开关断开；当所述燃料电池电堆的温度小于预设阈值时，根据所述燃料电池电堆的温度调节所述电压变换器的输出电压。
本发明能产生的有益效果包括：
1)本发明实施例提供的燃料电池加热系统，通过在燃料电池电堆外部增设交变电路，利用交变电路产生交变电流，然后利用该交变电流在燃料电池电堆上产生欧姆热，以加热燃料电池电堆，使得燃料电池电堆快速升温。由于该加热系统能适应较宽的加热温度范围，在加热过程中不需要任何气体参与反应，也不需要任何导热介质的参与，不会额外产生水，也不需要额外的供热装置，不需要对燃料电池电堆进行额外的改造，因而降低了系统的加热成本，提高了系统的加热效率。
2)本发明实施例提供的燃料电池加热系统，通过设置端板加热模块和控制模块，利用端板加热模块加热燃料电池电堆的端板；利用控制模块控制端板加热模块的加热功率；这样可以保证端板的升温速度与交变电流加热的温升速度一致，从而使得整个燃料电池电堆的升温更加均匀。
3)本发明实施例提供的燃料电池加热系统，在进行燃料电池电堆的加热操作时，利用电压变换器调节电源的输出电压；在进行燃料电池电堆的放电操作时，可以利用电压变换器调节燃料电池电堆的输出电压；通过复用电压变换器，可降低整个系统的成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃料电池加热系统示意图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池加热系统电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池加热系统的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种燃料电池加热系统，如图1和图2所示，所述系统包括：燃料电池电堆14和交流电路；交流电路的输出端与燃料电池电堆14的正负极连接，交流电路用于向燃料电池电堆14提供交变电流。
本发明实施例对于交流电路的具体结构不做限定，只要能够产生用于加热燃料电池电堆14的交变电流即可。在实际应用中，该交流电路产生的交变电流的频率大于或等于200赫兹；优选的，该交变电流的频率大于或等于1000赫兹。
本发明实施例提供的燃料电池加热系统，通过在燃料电池电堆14外部增设交变电路，利用交变电路产生交变电流，然后利用该交变电流在燃料电池电堆14上产生欧姆热，以加热燃料电池电堆14，使得燃料电池电堆14快速升温。由于该加热系统能适应较宽的加热温度范围，在加热过程中不需要任何气体参与反应，也不需要任何导热介质的参与，不会额外产生水，也不需要额外的供热装置，不需要对燃料电池电堆14进行额外的改造，因而降低了系统的加热成本，提高了系统的加热效率。
进一步的，交流电路包括电源11、电压变换器12、逆变电路13；电源11、电压变换器12、逆变电路13和燃料电池电堆14依次串联形成加热回路；电压变换器12用于调节电源11的输出电压；逆变电路13用于将电压变换器12输出的直流电流转换为交变电流。
本发明实施例对于电源11的结构、类型等不做限定。示例的，电源11可以是锂电池。电压变换器12为直流电压变换器(即DC-DC变换器)，用于将电源11的输出电压变高或变低。逆变电路为直流-交流逆变电路(即DC-AC逆变电路)，用于将直流电流变换为交变电流。在实际应用中，该逆变电路可以为DC-AC全桥逆变电路。其中，所述交变电流的波形为方波、正弦波或三角波等波形中的任一种，本发明实施例对此不做限定。
在实际应用中，所述系统还包括端板加热模块15和控制模块16；端板加热模块15用于加热燃料电池电堆14的端板；控制模块16与端板加热模块15连接，控制模块16用于控制端板加热模块15的加热功率。这样可以保证端板的升温速度与交变电流加热的温升速度一致，从而使得整个燃料电池电堆的升温更加均匀。其中，端板的加热不限于使用加热片，也可以通过其他方法进行加热。
在本发明实施例中，参考图1所示，控制模块16与电压变换器12连接；所述系统还包括温度测量模块17；温度测量模块17用于测量燃料电池电堆14的温度；控制模块16还用于根据燃料电池电堆14的温度调节电压变换器12的输出电压。其中，温度测量模块17可以是设置在燃料电池电堆14上的温度传感器，如K型热电偶或B型热电偶等。
根据温度测量模块17测量到的燃料电池电堆14的温度，可以控制电压变换器12的输出电压，以此控制燃料电池电堆14的加热功率，进而控制燃料电池电堆14的温升速度和加热程度。
进一步的，所述系统还包括电压测量模块和/或电流测量模块；电压测量模块用于测量电压变换器12的输出电压，并将测量到的电压变换器12的输出电压发送给控制模块16；电流测量模块用于测量电压变换器12的输出电流，并将测量到的电压变换器12的输出电流发送给控制模块16。
加热过程中电压和电流的选取应该按照实际燃料电池电堆14的电池节数进行判断。交流加热的电流应该根据燃料电池内阻的大小适当调节，保证加热速度较快的基础上也要保证加热电流不至于过大。因而通过设置电压测量模块和/或电流测量模块，可以实时监控电压变换器12的输出电压和/或输出电流，进而可以实时调控加载在燃料电池电堆14上的加热功率。其中，电压测量模块可以为电压表，电流测量模块可以为电流表。
在实际应用中，所述系统还包括负载20，负载20与电源11并联；燃料电池电堆14、电压变换器12和负载20串联形成放电回路；电压变换器12用于调节燃料电池电堆14的输出电压。
具体的，参考图2所示，燃料电池电堆14的正极连接有第一开关21；第一开关21与逆变电路13的输出端的第一电极、电压变换器12的输入端的正极均连接；燃料电池电堆14的负极连接有第二开关22；第二开关22与逆变电路13的输出端的第二电极、电压变换器12的输入端的负极均连接；电源11的正极与电压变换器12的输出端的正极之间连接有第三开关23；电源11的负极与电压变换器12的输出端的负极连接；电源11的正极与电压变换器12的输入端的正极之间连接有第四开关24；电源11的负极与电压变换器12的输入端的负极连接；电压变换器12的输出端的正极与逆变电路13的输入端的正极连接；电压变换器12的输出端的负极与逆变电路13的输入端的负极连接。
在实际应用中，参考图2所示，首先控制模块16控制第一开关21和第二开关22，使得燃料电池电堆14的正极与逆变电路13的输出端的第一电极连通、燃料电池电堆14的负极与逆变电路13的输出端的第二电极连通，并控制第三开关23断开、第四开关24闭合，并通过信号控制DC-DC变换器输出合适电压，然后控制DC-AC逆变器产生大于1KHZ的交变电流，利用该交变电流加热燃料电池电堆14；同时控制端板加热模块15开启，以加热燃料电池电堆14的端板。温度测量模块17测量电堆的温度，电压测量模块和电流测量模块测量加热过程中的电压和电流，并反馈给控制模块16，控制模块根据温度、加热电流、加热功率合理地调节DC-DC变换器的输出电压，从而实现加热功率的可控。等电堆温度上升到合适的温度后停止加热，关闭端板加热模块15，控制第一开关21和第二开关22，使得燃料电池电堆14的正极与电压变换器12的输入端的正极连通、燃料电池电堆14的负极与电压变换器12的输入端的负极连通，并控制第三开关23闭合、第四开关24断开，调节DC-DC变换器的输出电压，向外提供电能。
其中，上述的第一开关21和第二开关22为双控开关，第一开关21、第二开关22、第三开关23和第四开关24不仅限于传统的继电器等开关，也包括晶闸管、MOSFET等可以应用于此处的半导体开关器件；本发明实施例对此不做限定。
本发明实施例提供的燃料电池加热系统，在进行燃料电池电堆14的加热操作时，利用电压变换器12调节电源11的输出电压；在进行燃料电池电堆14的放电操作时，可以利用电压变换器12调节燃料电池电堆14的输出电压；通过复用电压变换器12，可降低整个系统的成本。
需要说明的是，如果在进行燃料电池电堆14的放电操作时，燃料电池电堆14的负载需要接交流电，则DC-DC变换器应该替换成DC-AC逆变器来进行实现。另外，在利用该燃料电池加热系统提供的交变电流进行加热的基础上，也可以同时利用其他的加热方法加热，示例的，可以在阳极通入氢气以加快燃料电池电堆的升温速度，但是在零下的环境中需要注意生成的水结冰可能对燃料电池造成的损害。
本发明另一实施例提供一种应用于上述所述的燃料电池加热系统的控制方法，参考图2和图3所示，所述控制方法包括：
步骤301、控制第一开关21和第二开关22，使得燃料电池电堆14的正极与逆变电路13的输出端的第一电极连通、燃料电池电堆14的负极与逆变电路13的输出端的第二电极连通，并控制第三开关23断开、第四开关24闭合。
步骤302、判断燃料电池电堆14的温度是否大于或等于预设阈值；若是，则执行步骤303；若否，则执行步骤304。
其中，预设阈值为预先设定的温度值，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不做限定。
步骤303、控制第一开关21和第二开关22，使得燃料电池电堆14的正极与电压变换器12的输入端的正极连通、燃料电池电堆14的负极与电压变换器12的输入端的负极连通，并控制第三开关23闭合、第四开关24断开。
步骤304、根据燃料电池电堆14的温度调节电压变换器12的输出电压。
在本发明实施例提供的燃料电池加热系统的控制方法中，通过控制第一开关21、第二开关22、第三开关23和第四开关24的状态，来控制燃料电池电堆14的加热操作和放电操作的转换，这样不但实现了燃料电池电堆的快速升温，而且通过复用电压变换器12，降低了整个系统的成本。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (5)

1.一种燃料电池加热系统，其特征在于，所述系统包括：燃料电池电堆和交流电路，所述交流电路的输出端与所述燃料电池电堆的正负极连接；
所述交流电路用于向燃料电池电堆提供交变电流；
所述交流电路包括电源、电压变换器、逆变电路；所述电源、所述电压变换器、所述逆变电路和所述燃料电池电堆依次串联形成加热回路；
所述电压变换器用于调节所述电源的输出电压；
所述逆变电路用于将所述电压变换器输出的直流电流转换为交变电流；
所述系统还包括端板加热模块和控制模块；
所述端板加热模块用于加热所述燃料电池电堆的端板；
所述控制模块与所述端板加热模块连接，所述控制模块用于控制所述端板加热模块的加热功率；
所述控制模块与所述电压变换器连接；
所述系统还包括温度测量模块；所述温度测量模块用于测量所述燃料电池电堆的温度；所述控制模块还用于根据所述燃料电池电堆的温度调节所述电压变换器的输出电压；
所述系统还包括负载，所述负载与所述电源并联；所述燃料电池电堆、所述电压变换器和所述负载串联形成放电回路；
所述电压变换器用于调节所述燃料电池电堆的输出电压；
所述燃料电池电堆的正极连接有第一开关；所述第一开关与所述逆变电路的输出端的第一电极、所述电压变换器的输入端的正极均连接；
所述燃料电池电堆的负极连接有第二开关；所述第二开关与所述逆变电路的输出端的第二电极、所述电压变换器的输入端的负极均连接；
所述电源的正极与所述电压变换器的输出端的正极之间连接有第三开关；所述电源的负极与所述电压变换器的输出端的负极连接；
所述电源的正极与所述电压变换器的输入端的正极之间连接有第四开关；所述电源的负极与所述电压变换器的输入端的负极连接；
所述电压变换器的输出端的正极与所述逆变电路的输入端的正极连接；所述电压变换器的输出端的负极与所述逆变电路的输入端的负极连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于，
所述系统还包括电压测量模块和/或电流测量模块；
所述电压测量模块用于测量所述电压变换器的输出电压，并将测量到的所述电压变换器的输出电压发送给所述控制模块；
所述电流测量模块用于测量所述电压变换器的输出电流，并将测量到的所述电压变换器的输出电流发送给所述控制模块。
3.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于，所述交变电流的频率大于或等于200赫兹。
4.根据权利要求1或3所述的燃料电池加热系统，其特征在于，所述交变电流的波形为方波、正弦波或三角波中的任一种。
5.一种应用于权利要求1所述的燃料电池加热系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
控制所述第一开关和所述第二开关，使得所述燃料电池电堆的正极与所述逆变电路的输出端的第一电极连通、所述燃料电池电堆的负极与所述逆变电路的输出端的第二电极连通，并控制所述第三开关断开、所述第四开关闭合；
当所述燃料电池电堆的温度大于或等于预设阈值时，控制所述第一开关和所述第二开关，使得所述燃料电池电堆的正极与所述电压变换器的输入端的正极连通、所述燃料电池电堆的负极与所述电压变换器的输入端的负极连通，并控制所述第三开关闭合、所述第四开关断开；
当所述燃料电池电堆的温度小于预设阈值时，根据所述燃料电池电堆的温度调节所述电压变换器的输出电压。
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