CN115425253A - 燃料电池热管理装置及方法 - Google Patents

燃料电池热管理装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115425253A
CN115425253A CN202211145519.XA CN202211145519A CN115425253A CN 115425253 A CN115425253 A CN 115425253A CN 202211145519 A CN202211145519 A CN 202211145519A CN 115425253 A CN115425253 A CN 115425253A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
water tank
fuel cell
water
branch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211145519.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN115425253B (zh
Inventor
万鑫铭
邓波
毛占鑫
殷聪
杜坤
李凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Caic New Energy Technology Co ltd
China Automotive Engineering Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Caic New Energy Technology Co ltd
China Automotive Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Caic New Energy Technology Co ltd, China Automotive Engineering Research Institute Co Ltd filed Critical Caic New Energy Technology Co ltd
Priority to CN202211145519.XA priority Critical patent/CN115425253B/zh
Publication of CN115425253A publication Critical patent/CN115425253A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115425253B publication Critical patent/CN115425253B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04052—Storage of heat in the fuel cell system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池热管理装置及方法，其中方法包括：S1、利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值；S2、将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，按照所排列的水箱顺序对燃料电池温度进行瞬态调控。本发明可以实现在最低的水箱温度到最高的水箱温度区间内以任意温度进行瞬态调控，并将换热器在原有热管理技术中对热管理的散热作用转换为调节并维持各个水箱温度的作用，解决了现有技术瞬态温度控制精确性低、温度波动大的技术问题。

Description

燃料电池热管理装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池热管理装置及方法。
背景技术
温度作为燃料电池的重要运行条件之一，对燃料电池内部的多种理化作用均存在一定影响，设计合适的热管理系统来满足电堆的温度工作需求至关重要。现有热管理技术中，存在不可避免的诸多因素，燃料电池温度的稳态及动态特性在电堆工作过程中难以达到理想水平，例如：一是由于系统存在的延时特性以及温度动态的滞后特性，通过调节散热风扇转速来调节燃料电池温度无法实现精确调控，并且温度响应存在着一定延迟，无法实现瞬态温度控制；二是通过保持电堆产热与换热器散热平衡来维持电堆的温度稳定，实际中无法实时满足这一条件，只能在一定时间内保持电堆产热与换热器散热达到动态平衡，导致电堆在稳态运行时出现波动，在电堆突然变载时，温度也会出现较大波动。综上，现有技术存在瞬态温度控制精确性低、温度波动大的技术问题。
发明内容
本发明提供一种燃料电池热管理装置及方法，解决了现有技术瞬态温度控制精确性低、温度波动大的技术问题。
本发明提供的基础方案为：燃料电池热管理方法，包括：
S1、利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值；
S2、将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，按照所排列的水箱顺序对燃料电池温度进行瞬态调控。
本发明的工作原理及优点在于：利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值，这样通过多个水箱对该部分能量进行存储，从而实现对电堆工作产生的热能加以利用，随后，由于各个水箱温度相应的设定温度值不同，各个水箱被加热完毕之后的水箱温度也不同，将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，就可以将各个水箱温度进行分段，在最低的水箱温度到最高的水箱温度区间内，以任意温度进行瞬态调控，从而实现通过不同温度范围的水箱对燃料电池温度进行精准控制；与此同时，将换热器在原有热管理技术中对热管理的散热作用，转换为调节并维持各个水箱温度的作用，避免了换热器控制延迟以及温度滞后所带来的温度波动，最终降低了温度波动。
本发明可以实现在最低的水箱温度到最高的水箱温度区间内以任意温度进行瞬态调控，并将换热器在原有热管理技术中对热管理的散热作用转换为调节并维持各个水箱温度的作用，解决了现有技术瞬态温度控制精确性低、温度波动大的技术问题。
进一步，S2包括：
A-S2-1、判断当前所有水箱温度是否有偏离预设温度阈值，若是，进行A-S2-2，若否进行A-S2-3；
A-S2-2、调节换热器以其需要修正水箱温度的支路调节阀开度，使其温度回到正常范围：如果水箱温度低于设定范围，减小换热器功率使得换热器出口温度升高，通过调节阀使循环水对水箱进行升温；如果水箱温度高于设定范围，增大换热器功率使得换热器出口温度降低，通过调节阀使循环水对水箱进行降温；
A-S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
A-S2-4、比较当前电堆温度Tst与燃料电池目标温度Tset的大小：若Tst>Tset，增大电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；若Tst<Tset，减小电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；
A-S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱的温度(T1,T2,…Tn)选择水箱温度与燃料电池目标温度Tset相邻的两个支路：把高于设定温度值的水箱温度记为Th，此支路调节阀开度记为
Figure BDA0003855090880000021
把低于设定温度值的水箱温度记为Tl，此支路调节阀开度记为
Figure BDA0003855090880000022
混合后的水箱温度T0为，
Figure BDA0003855090880000023
Figure BDA0003855090880000024
设置T0＝Tset，计算出两个支路的调节阀开度
Figure BDA0003855090880000025
A-S2-6、调节两个支路的调节阀开度，使得混合后的水箱温度与燃料电池目标温度Tset相同。
进一步，还包括A-S2-7，在未收到停止指令之前，重复A-S2-1～A-S2-6；收到停止指令之后，控制调节阀1全开，关闭其余调节阀，开启换热器，进行快速降温，主动控温过程结束。
进一步，S1包括：
A-S1-1、启动电堆与水泵启动，打开控制调节阀1全开，关闭其他调节阀；
A-S1-2、保持当前流通支路的调节阀全开，关闭其余支路的调节阀；
A-S1-3、判断当前电堆的出口温度是否大于当前流通支路的水箱温度，若是，进行A-S1-4，若否，返回A-S1-2；
A-S1-4、控制当前支路的调节阀关闭，下一水箱支路的调节阀全开，通过电堆的产热对水箱加热升温，使其达到设定温度值；
A-S1-5、判断水箱n的温度是否达到设定温度值，若是，进入S2，若否，返回A-S1-3。
有益效果在于：如果有水箱温度偏离预设温度阈值，调节换热器修正水箱温度的支路调节阀开度使其温度回到正常范围，这样可以防止水箱温度的温度偏离过大，从而影响调节的精确性，同时，通过增加或者减小电堆工作电流进而提高电堆发热效率，能够抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟，此外，通过调节两个支路的调节阀开度使混合后水箱温度达到燃料电池目标温度，实现容易，操作简单，也容易控制。
进一步，S2包括：
B-S2-1、判断当前所有水箱温度是否有偏离预设温度阈值，若是，进行B-S2-2，若否，进行B-S2-3；
B-S2-2、调节换热器以其需要修正水箱温度的水泵转速，使其温度回到正常范围：如果水箱温度低于设定范围，减少换热器功率，使得换热器出口温度升高，调节该支路水泵转速使循环水对水箱进行升温；如果水箱温度高于设定范围，增大换热器功率，使得换热器出口温度降低，调节该支路水泵转速使循环水对水箱进行降温；
B-S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
B-S2-4、比较当前电堆温度Tst与燃料电池目标温度Tset的大小：若Tst>Tset，增加电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；若Tst<Tset，降低电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；
B-S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱的温度(T1,T2,…Tn)选择水箱温度与燃料电池目标温度Tset相邻的两个支路：把高于设定温度值的水箱温度记为Th，此支路循环水流量记为Wh；把低于设定温度值的水箱温度记为Tl，此支路循环水流量记为Wl；混合后的水箱温度T0为，
Figure BDA0003855090880000041
B-S2-6、设置T0＝Tset，调节两个支路的水泵转速，使得两个支路循环水流量满足Wh/Wl＝(T0-Tl)/(Th-T0)。
进一步，还包括B-S2-7，在未收到停机指令之前，重复B-S2-1～B-S2-6；在收到停机指令之后，控制水泵1开启最大转速，关闭其余水泵，开启换热器，进行快速降温，主动控温过程结束。
进一步，S1包括：
B-S1-1、启动电堆，电堆温度与水箱温度为室温；启动水泵1，控制管路内循环水开始流动，关闭其余水泵；
B-S1-2、保持当前流通支路水泵运行，关闭其余支路水泵；
B-S1-3、判断当前电堆的出口温度是否大于当前流通支路的水箱温度，若是，进行B-S1-4，若否，进行B-S1-2；
B-S1-4、启动下一水箱支路的水泵，关闭当前支路的水泵，通过电堆的产热对水箱加热升温使其达到设定温度值；
B-S1-5、判断水箱n的温度是否达到设定温度值，若是，进行S2，若否，返回B-S1-3。
有益效果在于：如果有水箱温度偏离预设温度阈值，调节换热器以其需要修正水箱温度的水泵转速，使其温度回到正常范围，这样可以防止水箱温度的温度偏离过大，从而影响调节的精确性，同样地，也是通过增加或者减小电堆工作电流进而提高电堆发热效率，能够抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟，此外，通过调节两个支路的水泵转速改变两个支路循环水流量，使混合后水箱温度达到燃料电池目标温度，这样实也容易控制实现。
基于上述公开的燃料电池热管理方法，还公开一种燃料电池热管理装置，可用于执行所述燃料电池热管理方法的步骤。
本发明的工作原理及优点在于：本方案公开的燃料电池热管理装置，可以被安装在需要热管理的场合或场所，所述燃料电池热管理装置工作时，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值，实现对电堆工作产生的热能加以利用，随后，由于各个水箱温度相应的设定温度值不同，各个水箱被加热完毕之后的水箱温度也不同，将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，就可以将各个水箱温度进行分段，在最低的水箱温度到最高的水箱温度区间内，以任意温度进行瞬态调控，从而实现通过不同温度范围的水箱对燃料电池温度进行精准控制；同时，相较于现有技术来说，本质上将换热器在原有热管理技术中对热管理的散热作用，转换为调节并维持各个水箱温度的作用，最终降低了换热器控制延迟以及温度滞后所带来的温度波动的影响。
附图说明
图1为本发明燃料电池热管理方法实施例的结构原理图。
图2为本发明燃料电池热管理方法实施例优选方案一的结构示意图。
图3为本发明燃料电池热管理方法实施例优选方案二的结构示意图。
图4为本发明燃料电池热管理方法实施例的燃料电池I-V曲线。
图5为本发明燃料电池热管理方法实施例的燃料电池I-V线性拟合曲线。
图6为本发明燃料电池热管理方法实施例优选方案一的流程图之一。
图7为本发明燃料电池热管理方法实施例优选方案一的流程图之二。
图8为本发明燃料电池热管理方法实施例优选方案二的流程图之一。
图9为本发明燃料电池热管理方法实施例优选方案二的流程图之二。
图10为本发明燃料电池热管理方法实施例的燃料电池温度控制效果对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
实施例基本原理如附图1所示，包括电堆、水泵、换热器以及由不同水箱温度的水箱组成的水箱组，也即储热结构，其中，水箱组中各个水箱编号按水箱温度从低到高进行排列，水箱温度最低的水箱(水箱1)接近环境温度，水箱温度最高的水箱(水箱n)接近电堆的出口温度，各个相邻水箱的水箱温度梯度设置为10℃，例如说，水箱1的水箱温度设置为30℃，水箱2的水箱温度设置为40℃，以此类推，水箱n的水箱温度设置为70℃。特别地，在运行过程中，各个支路水箱温度不是固定不变的，而是处于各自的温度范围内，例如说，设定每个水箱的水箱温度偏离不得超过设定的温度范围，比如说，不得超过预设温度阈值5℃。与此同时，在各个水箱的内部、电堆的进出口端以及换热器的进出口端均装有温度传感器，实时采集相应各个点位的温度。
需要说明的是，本方案还提出了电堆的电/热效率模型作为控制的依据与补充，燃料电池的输出特性I-V曲线如附图4与附图5所示，由于燃料电池大部分时间工作都处于中高电流点，此时燃料电池的电压可以近似看作是电流的线性关系，通过对中高电流点的燃料电池输出节电压进行线性拟合，得到节电压v与工作电流Ist的关系式：
v＝f(Ist)＝-3.47e-4·Ist+0.858
根据燃料电池发电效率公式，
Figure BDA0003855090880000061
εhe＝1-ηel
式中，ηel为燃料电池发电效率；εhe为燃料电池热效率，v0是单节燃料电池在一个大气压和25℃的纯氢气和氧气上可逆运行时的理想电压，为1.229V，根据上述公式可以得到燃料电池热效率εhe与工作电流Ist的关系式：
εhe＝0.302+2.823e-4·Ist
由此可见，燃料电池热效率随着工作电流的增加而升高，因此，本方案在调节燃料电池温度的过程中，通过调节电堆工作电流来调节电堆热效率，从而抵消由电堆热容效应带来的温度响应滞后问题。
本方案基于上述理论进行实施，具体地，运行过程主要分为两个过程，包括水箱温度控制过程以及电堆精准控温过程，但是，选择水箱组的不同结构，具体实施方案也有所不同：
作为方案的优选之一，如附图2、附图6与附图7所示，具体实施过程如下，包括步骤：
S1、利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值；S1包括：
A-S1-1、启动电堆与水泵启动，打开控制调节阀1全开，关闭其他调节阀；
A-S1-2、保持当前流通支路的调节阀全开，关闭其余支路的调节阀；
A-S1-3、判断当前电堆的出口温度是否大于当前流通支路的水箱温度，若是，进行A-S1-4，若否，返回A-S1-2；
A-S1-4、控制当前支路的调节阀关闭，下一水箱支路的调节阀全开，通过电堆的产热对水箱加热升温，使其达到设定温度值；
A-S1-5、判断水箱n的温度是否达到设定温度值，若是，进入S2，若否，返回A-S1-3。
S2、将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，按照所排列的水箱顺序对燃料电池温度进行瞬态调控；S2包括：
A-S2-1、判断当前所有水箱温度是否有偏离预设温度阈值，若是，进行A-S2-2，若否进行A-S2-3；
A-S2-2、调节换热器以其需要修正水箱温度的支路调节阀开度，使其温度回到正常范围：如果水箱温度低于设定范围，减小换热器功率使得换热器出口温度升高，通过调节阀使循环水对水箱进行升温；如果水箱温度高于设定范围，增大换热器功率使得换热器出口温度降低，通过调节阀使循环水对水箱进行降温；
A-S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
A-S2-4、比较当前电堆温度Tst与燃料电池目标温度Tset的大小：若Tst>Tset，增大电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；若Tst<Tset，减小电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；
A-S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱的温度(T1,T2,…Tn)选择水箱温度与燃料电池目标温度Tset相邻的两个支路：把高于设定温度值的水箱温度记为Th，此支路调节阀开度记为
Figure BDA0003855090880000081
把低于设定温度值的水箱温度记为Tl，此支路调节阀开度记为
Figure BDA0003855090880000082
混合后的水箱温度T0为，
Figure BDA0003855090880000083
Figure BDA0003855090880000084
设置T0＝Tset，计算出两个支路的调节阀开度
Figure BDA0003855090880000085
A-S2-6、调节两个支路的调节阀开度，使得混合后的水箱温度与燃料电池目标温度Tset相同。
A-S2-7，在未收到停止指令之前，重复A-S2-1～A-S2-6；收到停止指令之后，控制调节阀1全开，关闭其余调节阀，开启换热器，进行快速降温，主动控温过程结束。
也就是说，如果有水箱温度偏离预设温度阈值，调节换热器修正水箱温度的支路调节阀开度使其温度回到正常范围，这样可以防止水箱温度的温度偏离过大，从而影响调节的精确性，同时，通过增加或者减小电堆工作电流进而提高电堆发热效率，能够抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟，此外，通过调节两个支路的调节阀开度使混合后水箱温度达到燃料电池目标温度，实现容易，操作简单，也容易控制。
作为方案的优选之二，如附图3、附图8与附图9所示，具体实施过程如下，包括步骤：
S1、利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值；S1包括：
B-S1-1、启动电堆，电堆温度与水箱温度为室温；启动水泵1，控制管路内循环水开始流动，关闭其余水泵；
B-S1-2、保持当前流通支路水泵运行，关闭其余支路水泵；
B-S1-3、判断当前电堆的出口温度是否大于当前流通支路的水箱温度，若是，进行B-S1-4，若否，进行B-S1-2；
B-S1-4、启动下一水箱支路的水泵，关闭当前支路的水泵，通过电堆的产热对水箱加热升温使其达到设定温度值；
B-S1-5、判断水箱n的温度是否达到设定温度值，若是，进行S2，若否，返回B-S1-3。
S2、将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，按照所排列的水箱顺序对燃料电池温度进行瞬态调控；S2包括：
B-S2-1、判断当前所有水箱温度是否有偏离预设温度阈值，若是，进行B-S2-2，若否，进行B-S2-3；
B-S2-2、调节换热器以其需要修正水箱温度的水泵转速，使其温度回到正常范围：如果水箱温度低于设定范围，减少换热器功率，使得换热器出口温度升高，调节该支路水泵转速使循环水对水箱进行升温；如果水箱温度高于设定范围，增大换热器功率，使得换热器出口温度降低，调节该支路水泵转速使循环水对水箱进行降温；
B-S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
B-S2-4、比较当前电堆温度Tst与燃料电池目标温度Tset的大小：若Tst>Tset，增加电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；若Tst<Tset，降低电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；
B-S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱的温度(T1,T2,…Tn)选择水箱温度与燃料电池目标温度Tset相邻的两个支路：把高于设定温度值的水箱温度记为Th，此支路循环水流量记为Wh；把低于设定温度值的水箱温度记为Tl，此支路循环水流量记为Wl；混合后的水箱温度T0为，
Figure BDA0003855090880000091
B-S2-6、设置T0＝Tset，调节两个支路的水泵转速，使得两个支路循环水流量满足Wh/Wl＝(T0-Tl)/(Th-T0)。
进一步，还包括B-S2-7，在未收到停机指令之前，重复B-S2-1～B-S2-6；在收到停机指令之后，控制水泵1开启最大转速，关闭其余水泵，开启换热器，进行快速降温，主动控温过程结束。
如果有水箱温度偏离预设温度阈值，调节换热器以其需要修正水箱温度的水泵转速，使其温度回到正常范围，这样可以防止水箱温度的温度偏离过大，从而影响调节的精确性，同样地，也是通过增加或者减小电堆工作电流进而提高电堆发热效率，能够抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟，此外，通过调节两个支路的水泵转速改变两个支路循环水流量，使混合后水箱温度达到燃料电池目标温度，这样实也容易控制实现。
无论是优选方案一，还是优选方案二，如附图10所示，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值，这样通过多个水箱对该部分能量进行存储，从而实现对电堆工作产生的热能加以利用，随后，由于各个水箱温度相应的设定温度值不同，各个水箱被加热完毕之后的水箱温度也不同，将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，就可以将各个水箱温度进行分段，在最低的水箱温度到最高的水箱温度区间内，以任意温度进行瞬态调控，从而实现通过不同温度范围的水箱对燃料电池温度进行精准控制；与此同时，将换热器在原有热管理技术中对热管理的散热作用，转换为调节并维持各个水箱温度的作用，避免了换热器控制延迟以及温度滞后所带来的温度波动，最终降低了温度波动。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，基于上述公开的燃料电池热管理方法，还公开一种燃料电池热管理装置，可用于执行所述燃料电池热管理方法的步骤，所示燃料电池热管理装置可以被安装在需要热管理的场合或场所，所述燃料电池热管理装置工作时，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值，实现对电堆工作产生的热能加以利用，随后，由于各个水箱温度相应的设定温度值不同，各个水箱被加热完毕之后的水箱温度也不同，将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，就可以将各个水箱温度进行分段，在最低的水箱温度到最高的水箱温度区间内，以任意温度进行瞬态调控，从而实现通过不同温度范围的水箱对燃料电池温度进行精准控制；同时，相较于现有技术来说，本质上将换热器在原有热管理技术中对热管理的散热作用，转换为调节并维持各个水箱温度的作用，最终降低了换热器控制延迟以及温度滞后所带来的温度波动的影响。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.燃料电池热管理方法，其特征在于，包括：
S1、利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到相应的设定温度值；
S2、将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，按照所排列的水箱顺序对燃料电池温度进行瞬态调控。
2.如权利要求1所述的燃料电池热管理方法，其特征在于，S2包括：
A-S2-1、判断当前所有水箱温度是否有偏离预设温度阈值，若是，进行A-S2-2，若否进行A-S2-3；
A-S2-2、调节换热器以其需要修正水箱温度的支路调节阀开度，使其温度回到正常范围：如果水箱温度低于设定范围，减小换热器功率使得换热器出口温度升高，通过调节阀使循环水对水箱进行升温；如果水箱温度高于设定范围，增大换热器功率使得换热器出口温度降低，通过调节阀使循环水对水箱进行降温；
A-S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
A-S2-4、比较当前电堆温度Tst与燃料电池目标温度Tset的大小：若Tst>Tset，增大电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；若Tst<Tset，减小电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；
A-S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱的温度(T1,T2,…Tn)选择水箱温度与燃料电池目标温度Tset相邻的两个支路：把高于设定温度值的水箱温度记为Th，此支路调节阀开度记为
Figure FDA0003855090870000011
把低于设定温度值的水箱温度记为Tl，此支路调节阀开度记为
Figure FDA0003855090870000012
混合后的水箱温度T0为，
Figure FDA0003855090870000013
Figure FDA0003855090870000014
设置T0＝Tset，计算出两个支路的调节阀开度
Figure FDA0003855090870000015
A-S2-6、调节两个支路的调节阀开度，使得混合后的水箱温度与燃料电池目标温度Tset相同。
3.如权利要求2所述的燃料电池热管理方法，其特征在于，还包括A-S2-7，在未收到停止指令之前，重复A-S2-1～A-S2-6；收到停止指令之后，控制调节阀1全开，关闭其余调节阀，开启换热器，进行快速降温，主动控温过程结束。
4.如权利要求3所述的燃料电池热管理方法，其特征在于，S1包括：
A-S1-1、启动电堆与水泵启动，打开控制调节阀1全开，关闭其他调节阀；
A-S1-2、保持当前流通支路的调节阀全开，关闭其余支路的调节阀；
A-S1-3、判断当前电堆的出口温度是否大于当前流通支路的水箱温度，若是，进行A-S1-4，若否，返回A-S1-2；
A-S1-4、控制当前支路的调节阀关闭，下一水箱支路的调节阀全开，通过电堆的产热对水箱加热升温，使其达到设定温度值；
A-S1-5、判断水箱n的温度是否达到设定温度值，若是，进入S2，若否，返回A-S1-3。
5.如权利要求1所述的燃料电池热管理方法，其特征在于，S2包括：
B-S2-1、判断当前所有水箱温度是否有偏离预设温度阈值，若是，进行B-S2-2，若否，进行B-S2-3；
B-S2-2、调节换热器以其需要修正水箱温度的水泵转速，使其温度回到正常范围：如果水箱温度低于设定范围，减少换热器功率，使得换热器出口温度升高，调节该支路水泵转速使循环水对水箱进行升温；如果水箱温度高于设定范围，增大换热器功率，使得换热器出口温度降低，调节该支路水泵转速使循环水对水箱进行降温；
B-S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
B-S2-4、比较当前电堆温度Tst与燃料电池目标温度Tset的大小：若Tst>Tset，增加电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；若Tst<Tset，降低电堆工作电流，提高电堆发热效率，抵消电堆热容效应造成的温度响应延迟；
B-S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱的温度(T1,T2,…Tn)选择水箱温度与燃料电池目标温度Tset相邻的两个支路：把高于设定温度值的水箱温度记为Th，此支路循环水流量记为Wh；把低于设定温度值的水箱温度记为Tl，此支路循环水流量记为Wl；混合后的水箱温度T0为，
Figure FDA0003855090870000021
B-S2-6、设置T0＝Tset，调节两个支路的水泵转速，使得两个支路循环水流量满足Wh/Wl＝(T0-Tl)/(Th-T0)。
6.如权利要求5所述的燃料电池热管理方法，其特征在于，还包括B-S2-7，在未收到停机指令之前，重复B-S2-1～B-S2-6；在收到停机指令之后，控制水泵1开启最大转速，关闭其余水泵，开启换热器，进行快速降温，主动控温过程结束。
7.如权利要求6所述的燃料电池热管理方法，其特征在于，S1包括：
B-S1-1、启动电堆，电堆温度与水箱温度为室温；启动水泵1，控制管路内循环水开始流动，关闭其余水泵；
B-S1-2、保持当前流通支路水泵运行，关闭其余支路水泵；
B-S1-3、判断当前电堆的出口温度是否大于当前流通支路的水箱温度，若是，进行B-S1-4，若否，进行B-S1-2；
B-S1-4、启动下一水箱支路的水泵，关闭当前支路的水泵，通过电堆的产热对水箱加热升温使其达到设定温度值；
B-S1-5、判断水箱n的温度是否达到设定温度值，若是，进行S2，若否，返回B-S1-3。
8.燃料电池热管理装置，其特征在于，可用于执行权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
CN202211145519.XA 2022-09-20 2022-09-20 燃料电池热管理装置及方法 Active CN115425253B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211145519.XA CN115425253B (zh) 2022-09-20 2022-09-20 燃料电池热管理装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211145519.XA CN115425253B (zh) 2022-09-20 2022-09-20 燃料电池热管理装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115425253A true CN115425253A (zh) 2022-12-02
CN115425253B CN115425253B (zh) 2023-05-26

Family

ID=84203332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211145519.XA Active CN115425253B (zh) 2022-09-20 2022-09-20 燃料电池热管理装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115425253B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005025986A (ja) * 2003-06-30 2005-01-27 Osaka Gas Co Ltd コージェネレーションシステム
CN202474108U (zh) * 2012-03-22 2012-10-03 中国东方电气集团有限公司 燃料电池热管理系统、燃料电池系统及具有该系统的车辆
JP2017181023A (ja) * 2017-06-16 2017-10-05 三浦工業株式会社 燃料電池システム
JP2020053365A (ja) * 2018-09-28 2020-04-02 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム、改質水流量制御プログラム
CN210296515U (zh) * 2019-09-30 2020-04-10 河南豫氢动力有限公司 一种燃料电池低温试验快速降温装置
CN112397748A (zh) * 2020-11-13 2021-02-23 上海捷氢科技有限公司 一种燃料电池系统启动控制方法及装置
CN113471477A (zh) * 2021-06-28 2021-10-01 电子科技大学 一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法
CN113839065A (zh) * 2021-09-18 2021-12-24 电子科技大学 一种燃料电池冷却水回路热补偿温度控制系统及控制方法
CN114335629A (zh) * 2021-12-29 2022-04-12 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 一种燃料电池热电联供控制方法及系统
CN114909739A (zh) * 2022-05-12 2022-08-16 国能信控互联技术有限公司 一种储能冷板余温并联回收利用系统及其控制方法
CN115064726A (zh) * 2022-07-15 2022-09-16 西南交通大学 一种燃料电池相变强化散热方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005025986A (ja) * 2003-06-30 2005-01-27 Osaka Gas Co Ltd コージェネレーションシステム
CN202474108U (zh) * 2012-03-22 2012-10-03 中国东方电气集团有限公司 燃料电池热管理系统、燃料电池系统及具有该系统的车辆
JP2017181023A (ja) * 2017-06-16 2017-10-05 三浦工業株式会社 燃料電池システム
JP2020053365A (ja) * 2018-09-28 2020-04-02 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム、改質水流量制御プログラム
CN210296515U (zh) * 2019-09-30 2020-04-10 河南豫氢动力有限公司 一种燃料电池低温试验快速降温装置
CN112397748A (zh) * 2020-11-13 2021-02-23 上海捷氢科技有限公司 一种燃料电池系统启动控制方法及装置
CN113471477A (zh) * 2021-06-28 2021-10-01 电子科技大学 一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法
CN113839065A (zh) * 2021-09-18 2021-12-24 电子科技大学 一种燃料电池冷却水回路热补偿温度控制系统及控制方法
CN114335629A (zh) * 2021-12-29 2022-04-12 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 一种燃料电池热电联供控制方法及系统
CN114909739A (zh) * 2022-05-12 2022-08-16 国能信控互联技术有限公司 一种储能冷板余温并联回收利用系统及其控制方法
CN115064726A (zh) * 2022-07-15 2022-09-16 西南交通大学 一种燃料电池相变强化散热方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115425253B (zh) 2023-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110414157B (zh) 质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法
Wang et al. Temperature control for a polymer electrolyte membrane fuel cell by using fuzzy rule
CN114335624B (zh) 一种燃料电池热管理系统及其控制方法
CN113471477B (zh) 一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法
CN113258105B (zh) 一种液氢燃料电池余热回收系统的控制方法
CN111403779B (zh) 一种应用在燃料电池热管理系统中的模型参考自适应控制方法
CN114447366A (zh) 一种抑制燃料电池冷却液温度过冲方法、系统及其控制器
CN218385294U (zh) 一种用于燃料电池的热管理装置
CN113839065B (zh) 一种燃料电池冷却水回路热补偿温度控制系统及控制方法
US11424459B2 (en) Fuel cell system
CN113571743A (zh) 一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法
CN112993318B (zh) 一种水冷燃料电池发动机快速升温系统及控制方法
CN115425253A (zh) 燃料电池热管理装置及方法
CN115566230A (zh) 燃料电池温度控制方法、系统、燃料电池以及存储介质
CN116722185A (zh) 一种燃料电池电堆温度控制方法及系统
Reineh et al. Thermal control of SOFC: An anti-windup approach for maximizing usable power
CN115498209B (zh) 一种燃料电池热管理系统及方法
CN114843547B (zh) 一种燃料电池余热控制系统以及车辆
CN115882014A (zh) 一种燃料电池进气温度控制装置及控制方法
Ghasemi et al. PEM fuel cell system to extend the stack life based on a PID-PSO controller design
Özdemir et al. Proton Exchange Membrane Fuel Cell Thermal System Modeling and Control
Tan et al. Robust Control of Interleaved Boost Converter for Open-Cathode PEM Fuel Cell Systems
KR101558583B1 (ko) 연료전지 차량의 흡기 공기 온도 조절 장치 및 방법
US11831046B2 (en) System and method for controlling fuel supply for fuel cell
Chen et al. Active control of stack inlet and outlet coolant temperature for the PEM fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant