CN115498209B - 一种燃料电池热管理系统及方法 - Google Patents
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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系统及方法，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，使水箱温度均达到设定温度值；S2、通过水箱存储的热量对燃料电池温度进行瞬态调控。本发明调节支路水泵转速及其循环水流量时，将循环水的比热容视为温度的函数，这样就得到的水泵转速及循环水流量能够更加精准地调节循环水的水温，解决了现有技术瞬态温度控制精确度低的技术问题。
Description
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系统及方法。
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，例如说，如果采用水作为热管理的介质，在热管理的过程中水受到加热作用会逐渐升温，也会由于散热作用而降温，根据热力学相关知识可知，水的温度变化也会造成水的比热容变化，而热管理通常需要监测水温或者以水温作为调节的参数，这种比热容变化所引起的温度变化会使得调节过程出现偏差，比如说，随着水温的升高水的比热容会增加，水受到同样的热量加热，水温的升高量会逐渐降低。综上，现有技术存在瞬态温度控制精确度低的技术问题。
发明内容
本发明提供一种燃料电池热管理系统及方法，解决了现有技术瞬态温度控制精确度低的技术问题。
本发明提供的基础方案为：一种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，使水箱温度均达到设定温度值；
S2、通过水箱存储的热量对燃料电池温度进行瞬态调控：
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S2-2，若否，进行S2-3；
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；
S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
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；
S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱温度(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，
S2-6、设置T0＝Tset，调节两个支路水泵转速，使得两支路循环水流量满足以下关系，
Wh/Wl＝(c0T0-clTl)/(chTh-c0T0)
c＝f(T)
其中，c表示循环水的比热容，c为温度的函数。
本发明的工作原理及优点在于：在本方案中，考虑到热管理过程中循环水的比热容会随着水温的变化而变化，循环水受到加热作用会逐渐升温，循环水也会由于散热作用而降温，而热管理需要监测水温或者以水温作为调节参数，为了防止这种比热容变化引起的温度变化会导致调节过程出现偏差，在调节支路水泵转速及其循环水流量时，将循环水的比热容视为温度的函数，这样就得到的水泵转速及循环水流量能够更加精准地调节循环水的水温，从而提高热管理瞬态温度控制精确度；与此同时，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，可以对电堆工作产生的热能加以利用，而且，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，这样可以将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，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，以降低温度波动。
本发明调节支路水泵转速及其循环水流量时，将循环水的比热容视为温度的函数，这样就得到的水泵转速及循环水流量能够更加精准地调节循环水的水温，解决了现有技术瞬态温度控制精确度低的技术问题。
进一步，S1包括：
B1、启动电堆，电堆温度与水箱温度均为室温；启动水泵1，管路内的循环水开始流动，关闭其余水泵；
B2、保持当前流通支路水泵运行，关闭其余支路水泵；
B3、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B4，若否，进行B2；
B4、启动下一水箱支路的水泵，关闭当前支路的水泵，通过电堆的产热对支路水箱加热升温使其达到设定温度值；
B5、判断水箱n的水箱温度是否达到设定温度值，若是，进行S2，若否，返回B3。
进一步，S2还包括S2-7，在未收到停机指令之前，重复步骤S2-1至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。
有益效果在于：通过调节阀或水泵，以负反馈的形式，不断通过电堆的产热对支路水箱加热升温使其达到设定温度值，这样容易控制实现；在收到停机指令之后，能够进行快速降温，主动控温过程结束，延长寿命。
基于上述公开的一种燃料电池热管理方法，还公开一种燃料电池热管理系统，可用于执行所述一种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：本方案公开的一种燃料电池热管理系统，可以被安装在需要热管理的场合或场所，所述一种燃料电池热管理系统工作时，调节支路水泵转速及其循环水流量时，将循环水的比热容视为温度的函数，这样就得到的水泵转速及循环水流量能够更加精准地调节循环水的水温，从而提高热管理瞬态温度控制精确度；与此同时，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，可以对电堆工作产生的热能加以利用，而且，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，这样可以将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，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，以降低温度波动。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池热管理方法实施例的结构原理图。
图2为本发明一种燃料电池热管理方法实施例的结构示意图。
图3为本发明一种燃料电池热管理方法实施例的循环水的比热容-温度变化曲线。
图4为本发明一种燃料电池热管理方法实施例的燃料电池I-V曲线。
图5为本发明一种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为本发明一种燃料电池热管理方法实施例的流程图之一。
图7为本发明一种燃料电池热管理方法实施例的流程图之二。
图8为本发明一种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
实施例如附图1与附图2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，
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。与此同时，如果采用水作为热管理的介质，在热管理的过程中水受到加热作用会逐渐升温，也会由于散热作用而降温，根据热力学相关知识可知，水的温度变化也会造成水的比热容变化，如附图3所示，而热管理通常需要监测水温或者以水温作为调节的参数，这种比热容变化所引起的温度变化会使得调节过程出现偏差，比如说，随着水温的升高水的比热容会增加，水受到同样的热量加热，水温的升高量会逐渐降低。
本方案基于上述理论进行实施，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，如附图6与附图7所示，具体过程如下：
S1、利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，使水箱温度均达到设定温度值；S1具体包括：
B1、启动电堆，电堆温度与水箱温度均为室温；启动水泵1，管路内的循环水开始流动，关闭其余水泵；
B2、保持当前流通支路水泵运行，关闭其余支路水泵；
B3、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B4，若否，进行B2；
B4、启动下一水箱支路的水泵，关闭当前支路的水泵，通过电堆的产热对支路水箱加热升温使其达到设定温度值；
B5、判断水箱n的水箱温度是否达到设定温度值，若是，进行S2，若否，返回B3。
S2、通过水箱存储的热量对燃料电池温度进行瞬态调控：
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S2-2，若否，进行S2-3；
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；
S2-3、设置燃料电池目标温度Tset；
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；
S2-5、根据燃料电池目标温度Tset以及当前所有水箱温度(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，
S2-6、设置T0＝Tset，调节两个支路水泵转速，使得两支路循环水流量满足以下关系：
Wh/Wl＝(c0T0-clTl)/(chTh-c0T0)
c＝f(T)
其中，c表示循环水的比热容，c为温度的函数；
S2-7、在未收到停机指令之前，重复步骤S2-1至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。
在本实施例中，其调节效果如附图8所示，考虑到热管理过程中循环水的比热容会随着水温的变化而变化，循环水受到加热作用会逐渐升温，循环水也会由于散热作用而降温，而热管理需要监测水温或者以水温作为调节参数，为了防止这种比热容变化引起的温度变化会导致调节过程出现偏差，在调节支路水泵转速及其循环水流量时，将循环水的比热容视为温度的函数，这样就得到的水泵转速及循环水流量能够更加精准地调节循环水的水温，从而提高热管理瞬态温度控制精确度；与此同时，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，可以对电堆工作产生的热能加以利用，而且，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，这样可以将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，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，以降低温度波动。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，基于上述公开的一种燃料电池热管理方法，还公开一种燃料电池热管理系统，可用于执行所述一种燃料电池热管理方法的步骤。本实施例公开的一种燃料电池热管理系统，可以被安装在任何需要热管理的场合或场所，所述一种燃料电池热管理系统工作时，调节支路水泵转速及其循环水流量时，将循环水的比热容视为温度的函数，这样就得到的水泵转速及循环水流量能够更加精准地调节循环水的水温，从而提高热管理瞬态温度控制精确度；与此同时，利用电堆工作所产生的热量加热各个水箱，可以对电堆工作产生的热能加以利用，而且，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，这样可以将各个水箱按照相应的设定温度值由低到高进行排列，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，以降低温度波动。
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 (4)
1.一种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，使水箱温度均达到设定温度值；
S2、通过水箱存储的热量对燃料电池温度进行瞬态调控：
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S2-2，若否，进行S2-3；
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，调节此水箱对应的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，调节此水箱对应的支路水泵转速使循环水对水箱进行降温；
S2-3、设置燃料电池目标温度；
S2-4、比较当前电堆温度与燃料电池目标温度的大小：若，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，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；
S2-5、根据燃料电池目标温度以及当前所有水箱温度（）选择水箱温度与燃料电池目标温度相邻的两个支路：把高于设定温度的水箱温度记为，此支路循环水流量记为；把低于设定温度的水箱温度记为，此支路循环水流量记为；混合后的水箱温度T 0为，
S2-6、设置，调节两个支路水泵转速，使得两支路循环水流量满足以下关系，
其中，c表示循环水的比热容，c为温度的函数。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池热管理方法，其特征在于，S1包括：
B1、启动电堆，电堆温度与水箱温度均为室温；启动水泵1，管路内的循环水开始流动，关闭其余水泵；
B2、保持当前流通支路水泵运行，关闭其余支路水泵；
B3、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B4，若否，进行B2；
B4、启动下一水箱支路的水泵，关闭当前支路的水泵，通过电堆的产热对支路水箱加热升温使其达到设定温度值；
B5、判断水箱n的水箱温度是否达到设定温度值，若是，进行S2，若否，返回B3。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池热管理方法，其特征在于，S2还包括S2-7，在未收到停机指令之前，重复步骤S2-1至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。
4.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，可用于执行权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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