CN113299948A - 一种风冷燃料电池组件及其控制方法 - Google Patents

一种风冷燃料电池组件及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风冷燃料电池组件及其控制方法。风冷燃料电池组件，包括：外壳，内部形成有容纳腔，外壳上形成有与容纳腔连通的进风口和出风口，进风口、出风口和容纳腔构成排气通道，可供气体流通；进风风门，设置在外壳上，用于控制进风口；出风风门，设置在在外壳上，用于控制出风口；燃料电池堆，设置在容纳腔内；风扇，设置在容纳腔内，位于靠近出风口的一侧，且处在燃料电池堆与出风风门之间；加热装置，设置在容纳腔内，位于进风口的一侧，且处在燃料电池堆与进风风门之间；进风风门和出风风门可被控制开度以满足燃料电池堆的加热或冷却需求。本发明可在低温环境下快速提高燃料电池堆的温度，从而提高启动效率。

Description

一种风冷燃料电池组件及其控制方法
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组件及其控制方法。
背景技术
风冷型燃料电池在运行过程中通常采用过量的空气，除了提供燃料电池反应所需氧气外，还可将反应生成热带走。风冷型燃料电池中的空气供应一般采用风扇进行输送，由于空气的换热能力较差，在具体设计中，风扇所提供的风量远大于燃料电池化学反应所需的风量，换言之，运行过程中，风扇的主要作用是用于电堆的冷却。
而在风冷型燃料电池在启动过程中，电化学反应产热是电堆温度升高的主要热源，风扇在提供反应所需空气外，不可避免的会带走一定的热量，这在低温环境中更加显著。从而导致燃料电池电堆温升较慢，严重影响电堆功率输出的提高，最终导致较长的启动时间、较高的启动寄生功耗和较多的反应气体消耗。在允许的情况下，燃料电池温度越高，电化学反应的活性越高；因此若能够快速的提升电堆温度，也有利于提高燃料电池的性能。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种风冷燃料电池组件及其控制方法，至少用于解决现有技术中风冷燃料电池冷启动升温慢的技术问题，具体地：
第一方面，本发明提供一种风冷燃料电池组件，包括：
外壳，内部形成有容纳腔，所述外壳上形成有与所述容纳腔连通的进风口和出风口，所述进风口、出风口和容纳腔构成排气通道，可供气体流通；
进风风门，设置在所述外壳上，用于控制所述进风口；
出风风门，设置在在所述外壳上，用于控制所述出风口；
燃料电池堆，设置在所述容纳腔内；
风扇，设置在所述容纳腔内，位于靠近所述出风口的一侧，且处在所述燃料电池堆与所述出风风门之间；
加热装置，设置在所述容纳腔内，位于所述进风口的一侧，且处在所述燃料电池堆与所述进风风门之间；
所述进风风门和所述出风风门可被控制开度以满足所述燃料电池堆的加热或冷却需求。
进一步可选地，所述外壳为筒状结构，其两端分别构成所述进风口和出风口，
所述进风风门和所述出风风门为板状结构，可翻转地设置在所述外壳的两端。
进一步可选地，
所述加热装置为电加热器，为网格状结构。
进一步可选地，所述风冷燃料电池组还包过滤网结构，设置在所述进风口处。
进一步可选地，所述风冷燃料电池组还包括温度检测装置，用于检测所述燃料电池堆的进气口温度以及特征点温度。
第二方面，本发明提供一种上述风冷燃料电池组件的控制方法，包括：
暖堆模式，控制所述加热装置和所述风扇启动，关闭所述排气通道；
正常模式，控制所述风扇启动，开启所述排气通道。
进一步可选地，关闭所述排气通道包括：
控制所述出风风门关闭，所述进风风门开启；或者，
控制所述出风风门和所述进风风门同时关闭。
进一步可选地，检测所述电池堆的进气口温度，
当所述进气口温度高于额定温度时，进入所述正常模式；
当所述进气口温度低于额定温度时，检测所述燃料电池堆的特征点温度；
当所述特征点温度高于所述临界温度时，进入所述正常模式；
当所述特征点温度低于所述临界温度时，进入所述暖堆模式；
所述正常模式或所述暖堆模式运行过程中持续检测所述特征点温度。
进一步可选地，当所述特征点温度高于临界温度时，进入所述暖堆模式的同时，可控制所述燃料电池堆同时启动；
当所述特征点温度低于临界温度时，进入所述暖堆模式，控制所述燃料电池堆不能启动。
进一步可选地，检测所述电池堆的进气口温度，
当所述进气口温度高于额定温度时，进入所述正常模式；
当所述进气口温度低于额定温度时，检测所述燃料电池堆的特征点温度；
当所述特征点温度高于所述工作温度时，进入所述正常模式；
当所述特征点温度低于所述工作温度时，进入所述暖堆模式；
所述正常模式或所述暖堆模式运行过程中持续检测所述特征点温度。
进一步可选地，当所述特征点温度高于临界温度时，进入所述暖堆模式的同时，可控制所述燃料电池堆同时启动；
当所述特征点温度低于临界温度时，进入所述暖堆模式，控制所述燃料电池堆不能启动
进一步可选地，所述正常模式包括：
所述燃料电池堆内通入氢气，控制所述风扇启动，开启所述排气通道；
所述暖堆模式包括：
关闭所述排气通道，控制所述风扇和所述加热装置启动。
本发明通过设置可开闭的进出风风门实现排风道可开闭，从而可以在暖堆模式时关闭排风道，并利用外部加热器件进行加热，使得暖堆空气回流，最大限度的提高了外部加热热源的利用效率。使风冷燃料电池电堆温度快速提升，进而快速启动，并达到其额定的性能水平；在启动过程中最大化能量利用率，减小额外电耗及能耗。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明实施例风冷燃料电池组的结构示意图；
图2示出本发明实施例风冷燃料电池组部分结构分解状态示意图；
图3示出本发明第一实施例控制方法逻辑图；
图4示出本发明第二实施例控制方法逻辑图。
图中：
10、外壳；11、进风风门；12、出风风门；20、燃料电池堆；30、加热装置；40、风扇。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
本发明通过设置可开闭的进出风风门实现排风道可开闭，从而可以在暖堆模式时关闭排风道，并利用外部加热器件进行加热，使得暖堆空气回流，最大限度的提高了外部加热热源的利用效率。使风冷燃料电池电堆温度快速提升，进而快速启动，并达到其额定的性能水平；在启动过程中最大化能量利用率，减小额外电耗及能耗。以下结合具体实施例对本发明进行详细介绍：
如图1、图2所示，本发明提供一种风冷燃料电池组件，包括：
外壳10，内部形成有容纳腔，外壳10上形成有与容纳腔连通的进风口和出风口，进风口、出风口和容纳腔构成排气通道，可供气体流通；
进风风门11，可活动地连接在外壳10上，用于开启或关闭进风口；
出风风门12，可活动地连接在外壳10上，用于开启或关闭出风口；
燃料电池堆20，设置在容纳腔内；
风扇40，设置在容纳腔内，位于靠近出风口的一侧；
加热装置30，设置在容纳腔内，位于靠近进风口的一侧；
可通过调整进风风门11和出风风门12的开闭状态满足燃料电池堆20的加热或冷却需求。
优选地，外壳10包括构造为方形筒状结构，两个开口端分别构成进风口和出风口，从而可以使进风口和出风口最大化，进风风门11和出风风门12构造为板状结构，可翻转地设置在外壳10上，能够通过翻转开启进风口或出风口。进一步优选地，可通过控制进风风门11的翻转角度调节进风口的开度大小，从而控制进风量，同样的，还可以通过控制出风风门12的翻转角度调节出风风门12的开度大小，从而控制出风量，以实现对风量的多种控制。另外，在本实施例中，进风风门11和出风风门12开启后还可以方便燃料电池堆20、加热装置30以及风扇40等装置的安装。优选地，在进风口处设置过滤网结构，可对气流进行过滤，避免脏污物质引入到燃料电池堆20内。
在其他实施例中，外壳10还可以构造为盒体结构，即六面体结构，内部形成容纳腔，在盒体结构相对的两个侧壁上形成进风口和出风口，进风风门11和出风风门12分别为转动设置在侧壁上的挡板结构，可通过旋转开启或关闭进风口或出风口。优选地，在进风口处设置过滤网结构，可对气流进行过滤，避免脏污物质引入到燃料电池堆20内。
加热装置30设置在燃料电池堆20的进风侧，对进入燃料电池的气流进行加热，加热装置30优选为电加热器，如PTC加热器，构造为网格状结构，进风气流可以通过加热装置30流通，一方面减小了对气流的影响，另一方面还可以增大与气流的接触面积，提高加热效率。
进一步优选地，加热装置30可根据时间燃料电池堆20的大小、使用环境温度以及冷启动要求等选择相应的加热功率。并且，加热装置30的迎风面积与燃料电池堆20的通风面积相同，保证燃料电池堆20具有最大的通风量。
优选地，风扇40设置一个或多个(根据燃料电池堆20的大小确定)，设置在燃料电池堆20的出风侧，用于驱动气流流经排风通道。
风冷燃料电池组还包括温度检测装置，用于检测燃料电池堆20的进气口温度和特征点温度。优选包括第一温度检测装置，设置在燃料电池堆20的进气口处，用于检测燃料电池堆20的进气温度；还包括特征点温度检测装置，设置在燃料电池堆20的内部，用于检测燃料电池堆20的特征点温度(内部温度)。
本实施例中，在风冷燃料电池组件关机状态进风风门11和出风风门12均处于关闭状态，将进风口和出风口封闭，对燃料电池堆20起到防护作用，避免异物进入；风冷燃料电池组件开启时，可以同时打开进风风门11和出风风门12，或者同时关闭进风风门11和出风风门12，或者关闭出风风门12，打开进风风门11，以满足不同工作模式需要对燃料电池堆20进行加热或冷却的需求。
本发明还提供一种上述风冷燃料电池组件的控制方法，包括：
暖堆模式，控制加热装置30和风扇40启动，关闭排气通道；正常模式，控制风扇40启动，开启排气通道。
优选地，关闭排气通道包括：控制出风风门12关闭，进风风门11开启；或者，控制出风风门12和进风风门11同时关闭，关闭排气通道可以避免暖风直接吹出，被加热的气体可在风扇40的搅动下快速的充满整个容纳腔并快速的提升燃料电池堆20的温度。
优选地，控制流程包括：
检测电池堆的进气口温度，
当进气口温度高于额定温度时，额定温度为0℃-40℃，额定温度优选为10℃，进入正常模式，即燃料电池堆20内通入氢气、接入负载，开启进风口和出风口，风扇40以额定转速启动，气流流经燃料电池堆20对其进行冷却；
当进气口温度低于额定温度时，检测燃料电池堆20的特征点温度；
当特征点温度高于临界温度时，进入正常模式，优选地，临界温度为结冰温度，例如为0℃；
当特征点温度低于临界温度时，进入暖堆模式，即关闭排气通道，启动加热装置30，风扇40以设定转速启动运行，使加热气流能够快速充满容纳腔，使燃料电池堆20的温度能够快速提升。优选地，关闭排气通道包括关闭出风风门12开启进风风门11，或者同时关闭出风风门12和进风风门11。
正常模式或暖堆模式运行过程中持续检测特征点温度，并判断是否小于临界温度。
具体的，如图3所示，整体控制过程和逻辑上，首先监测燃料电池堆20进口气温，若监测燃料电池堆20进口气温高于额定温度，可直接正常启动，因为一般不存在外部气温高而电堆温度低的情形。当进气口温度低于额定温度(例如10摄氏度)，须进一步检查燃料电池堆20特征温度点的实际温度(这种逻辑设计可以避免在寒冷环境中停机以后马上开机情况下启动电加热程序)，如低于临界温度(一般表征了膜电极的能够安全工作的最低温度，但也可以参考前述的额定温度)，则启动暖堆程序，此时关闭排风通道，设定一定的风扇40转速，启动加热装置30，被加热的气体可在风扇40的搅动下快速的充满整个舱室并快速的提升电堆温度，在此过程中还须实时监测燃料电池堆20的特征温度点的温度，高于临界温度即可关闭电加热装置30、开启排风通道并进入正常启动程序。
优选地，在其他实施中，控制方法包括：检测燃料电池堆20的进气口温度，
当进气口温度高于额定温度时，进入正常模式；
当进气口温度低于额定温度时，检测燃料电池堆20的特征点温度；
当特征点温度高于工作温度时，进入正常模式；
当特征点温度低于工作温度时，进入暖堆模式；
正常模式或暖堆模式运行过程中持续检测特征点温度。
其中，工作温度高于临界温度，工作温度优选为30℃-40℃。
具体的，如图4所示，整体控制过程和逻辑上，首先监测燃料电池堆20进口气温，若监测燃料电池堆20进口气温高于额定温度，可直接正常启动，因为一般不存在外部气温高而电堆温度低的情形。当进气口温度低于额定温度(例如10摄氏度)，须进一步检查燃料电池堆20特征温度点的实际温度(这种逻辑设计可以避免在寒冷环境中停机以后马上开机情况下启动电加热程序)，如低于工作温度，则启动暖堆程序，此时关闭排风通道，设定一定的风扇40转速，启动加热装置30，被加热的气体可在风扇40的搅动下快速的充满整个舱室并快速的提升电堆温度，在此过程中还须实时监测燃料电池堆20的特征温度点的温度，高于工作温度即可关闭电加热装置30、开启排风通道并进入正常启动程序。
进一步地，进入暖堆模式还包括同时启动电堆和不启动电堆两种器情况，具体根据特征点温度进行控制，当特征点温度高于临界温度时，进入暖堆程序时可同时启动燃料电池堆，当特征点温度低于临界温度时，不能启动燃料电池堆。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (12)

1.一种风冷燃料电池组件，其特征在于，包括：
外壳，内部形成有容纳腔，所述外壳上形成有与所述容纳腔连通的进风口和出风口，所述进风口、出风口和容纳腔构成排气通道，可供气体流通；
进风风门，设置在所述外壳上，用于控制所述进风口；
出风风门，设置在在所述外壳上，用于控制所述出风口；
燃料电池堆，设置在所述容纳腔内；
风扇，设置在所述容纳腔内，位于靠近所述出风口的一侧，且处在所述燃料电池堆与所述出风风门之间；
加热装置，设置在所述容纳腔内，位于所述进风口的一侧，且处在所述燃料电池堆与所述进风风门之间；
所述进风风门和所述出风风门可被控制开度以满足所述燃料电池堆的加热或冷却需求。
2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池组件，其特征在于，所述外壳为筒状结构，其两端分别构成所述进风口和出风口，
所述进风风门和所述出风风门为板状结构，可翻转地设置在所述外壳的两端。
3.根据权利要求1所述的风冷燃料电池组件，其特征在于，
所述加热装置为电加热器，为网格状结构。
4.根据权利要求3所述的风冷燃料电池组件，其特征在于，所述风冷燃料电池组还包过滤网结构，设置在所述进风口处。
5.根据权利要求1-4任一项所述的风冷燃料电池组件，其特征在于，所述风冷燃料电池组还包括温度检测装置，用于检测所述燃料电池堆的进气口温度以及特征点温度。
6.一种权利要求1-5任一项所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，包括：
暖堆模式，控制所述加热装置和所述风扇启动，关闭所述排气通道；
正常模式，控制所述风扇启动，开启所述排气通道。
7.根据权利要求6所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，关闭所述排气通道包括：
控制所述出风风门关闭，所述进风风门开启；或者，
控制所述出风风门和所述进风风门同时关闭。
8.根据权利要求7所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，检测所述电池堆的进气口温度，
当所述进气口温度高于额定温度时，进入所述正常模式；
当所述进气口温度低于额定温度时，检测所述燃料电池堆的特征点温度；
当所述特征点温度高于临界温度时，进入所述正常模式；
当所述特征点温度低于临界温度时，进入所述暖堆模式；
所述正常模式或所述暖堆模式运行过程中持续检测所述特征点温度。
9.根据权利要求8所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，
当所述特征点温度高于临界温度时，进入所述暖堆模式的同时，可控制所述燃料电池堆同时启动；
当所述特征点温度低于临界温度时，进入所述暖堆模式，控制所述燃料电池堆不能启动。
10.根据权利要求7所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，检测所述电池堆的进气口温度，
当所述进气口温度高于额定温度时，进入所述正常模式；
当所述进气口温度低于额定温度时，检测所述燃料电池堆的特征点温度；
当所述特征点温度高于工作温度时，进入所述正常模式；
当所述特征点温度低于工作温度时，进入所述暖堆模式；
所述正常模式或所述暖堆模式运行过程中持续检测所述特征点温度。
11.根据权利要求10所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，当所述特征点温度高于临界温度时，进入所述暖堆模式的同时，可控制所述燃料电池堆同时启动；
当所述特征点温度低于临界温度时，进入所述暖堆模式，控制所述燃料电池堆不能启动。
12.根据权利要求8-11任一项所述的风冷燃料电池组件的控制方法，其特征在于，所述正常模式包括：
所述燃料电池堆内通入氢气，控制所述风扇启动，开启所述排气通道；
所述暖堆模式包括：
关闭所述排气通道，控制所述风扇和所述加热装置启动。
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