CN212783528U - 一种风冷燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种风冷燃料电池系统，包括：燃料电池，风扇和加热器，燃料电池位于风扇的出风路径上，以通过风扇对燃料电池进行冷却，加热器能够对燃料电池进行加热；还包括控制器和温度传感器，温度传感器设置于燃料电池上、以检测燃料电池的实时温度，温度传感器能够将检测的温度发送至控制器，控制器根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制风扇的转速大小，控制器还根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制加热器打开或关闭。根据本实用新型能够有效且快速地使得燃料电池的温度达到最佳温度T设，实现了燃料电池的温度快速精准的控制的效果。

Description

一种风冷燃料电池系统
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种风冷燃料电池系统。
背景技术
氢能作为21世纪清洁能源，其燃料应用效率高、环境污染少。其中以氢能作为能源供给的燃料电池被认为潜力最大的发电装置。近年来，大量的科研学者投入对氢燃料电池的研究，随着燃料电池技术的发展，对燃料电池堆的效率、风扇控制系统、成本等要求越来越高，相比水冷燃料电池，风冷燃料电池更经济更便携。
燃料电池的散热系统的性能直接影响燃料电池的工作效率、使用寿命等，所以如何有效控制风扇是燃料电池高效率运行的重要因素。
专利号为200980134166.X的专利公开了一种车辆用燃料电池冷却系统，但是这种冷却系统是依靠冷却液、散热器、散热扇以及散热侧流管道实现对燃料电池电堆进行冷却，导致工艺复杂，且成本较高。
专利号为201310717028.2的专利公开了一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，该方法使得燃料电池根据不同的环境温度、燃料电池内部温度与输出电流密度，控制燃料电池风扇转速，使燃料电池工作在合适的温度点。燃料电池的温度过高使得膜失水，影响膜的质子传导率，使电池性能下降；温度过低，催化剂活性不会达到最佳值。该专利的风扇调节系统在燃料电池启动时没有达到燃料电池最佳的工作温度65℃，造成资源浪费，进入燃料电池的空气没有进行过滤处理，影响燃料电池的使用寿命。
由于现有技术中的燃料电池内部温度变化时，风扇不能快速跟上，在燃料电池启动前无法使双极板达到最佳工作温度，致使燃料电池的温度无法实现快速精准的控制等问题，因此本实用新型研究设计出一种风冷燃料电池系统。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题主要在于克服现有技术中的燃料电池的温度无法实现快速精准的控制的缺陷，从而提供一种风冷燃料电池系统。
为了解决上述问题，本实用新型提供一种风冷燃料电池系统，其包括：
燃料电池，风扇和加热器，所述燃料电池位于所述风扇的出风路径上，以通过所述风扇对所述燃料电池进行冷却，所述加热器能够对所述燃料电池进行加热；
还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器设置于所述燃料电池上、以检测所述燃料电池的实时温度，所述温度传感器能够将检测的温度发送至所述控制器，所述控制器根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述风扇的转速大小，所述控制器还根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述加热器打开或关闭。
优选地，还包括启动电池，所述启动电池能够在所述燃料电池的加热阶段与所述加热器连通、以对所述加热器提供电能，对所述燃料电池加热。
优选地，所述启动电池还能够在所述燃料电池的散热阶段与所述燃料电池连通、以通过所述燃料电池对所述启动电池进行充电。
优选地，所述加热器的一端连接的第一通路和与所述启动电池的一端连接的第二通路之间还设置有第一三通阀，所述第一三通阀还通过第三通路连接至所述燃料电池的一端。
优选地，还包括负载，所述负载与所述燃料电池电连接，以能通过所述燃料电池带动所述负载工作，
所述负载的一端连接的第四通路连通至所述燃料电池的一端，且所述第四通路与所述第二通路通过第二通断阀连接。
优选地，在所述燃料电池的进风侧还设置有过滤结构；和/或，当还包括启动电池时，所述控制器与所述启动电池电连接；和/或，当还包括第一三通阀时，所述控制器与所述第一三通阀电连接；和/或，当还包括第二通断阀时，所述控制器与所述第二通断阀电连接；和/或，当还包括启动电池时，所述启动电池为锂电池。
本实用新型提供的一种风冷燃料电池系统具有如下有益效果：
1.本实用新型通过在燃料电池系统中设置风扇，能够有效地对燃料电池进行散热降温作用，并且通过在燃料电池中设置加热器能够有效地对燃料电池尤其是初始阶段进行升温加热作用，保证燃料电池的正常工作温度；并且通过温度传感器的设置能够准确快速检测出燃料电池的实时温度，并且利用控制器根据燃料电池的实时温度与燃料电池的最佳温度T设之间进行比较，进而能够有效且快速地使得燃料电池的温度达到最佳温度T设，实现了燃料电池的温度快速精准的控制的效果；
2.并且本实用新型通过将燃料电池的实时温度和最佳温度T设作为参数对风扇的风速进行控制的手段采用最小二乘法结合PID算法的方式，能够进一步提高温度快速精准控制的效果，尤其是通过加热阶段的参数控制手段Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))-Ki*Xn，能够使得在加热阶段燃料电池的温度能够最快最精准地上升靠近甚至达到最佳温度T设；并且尤其是通过散热阶段的参数控制手段Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))+Ki*Xn，能够使得在散热阶段燃料电池的温度能够最快最精准地下降靠近甚至达到最佳温度T设；实现精准快速的温度控制的效果；
3.本实用新型通过在燃料电池的进风侧设置的过滤结构，能够对进入燃料电池堆内的空气先进行过滤，防止熔点低、易对双极板腐蚀等物质进入到电堆内，对燃料电池造成摧毁。
附图说明
图1是本实用新型的风冷燃料电池系统的结构示意图；
图2是本实用新型的风冷燃料电池系统的控制流程示意图。
附图标记表示为：
1、燃料电池；2、风扇；3、加热器；4、控制器；5、温度传感器；6、启动电池；7、负载；81、第一三通阀；82、第二通断阀；9、过滤结构；11、第一通路；12、第二通路；13、第三通路；14、第四通路。
具体实施方式
如图1-2所示，本实用新型提供一种风冷燃料电池系统，其包括：
燃料电池1，风扇2和加热器3，所述燃料电池1位于所述风扇2的出风路径上，以通过所述风扇2对所述燃料电池1进行冷却，所述加热器3能够对所述燃料电池1进行加热；
还包括控制器4和温度传感器5，所述温度传感器5设置于所述燃料电池1上、以检测所述燃料电池1的实时温度，所述温度传感器5能够将检测的温度发送至所述控制器4，所述控制器4根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述风扇2的转速大小，所述控制器4还根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述加热器3打开或关闭。
本实用新型通过在燃料电池系统中设置风扇，能够有效地对燃料电池进行散热降温作用，并且通过在燃料电池中设置加热器能够有效地对燃料电池尤其是初始阶段进行升温加热作用，保证燃料电池的正常工作温度；并且通过温度传感器的设置能够准确快速检测出燃料电池的实时温度，并且利用控制器根据燃料电池的实时温度与燃料电池的最佳温度T设之间进行比较，进而能够有效且快速地使得燃料电池的温度达到最佳温度T设，实现了燃料电池的温度快速精准的控制的效果。
由于温度传感器采样燃料电池中间双极板的温度，所以可快速准确的测得燃料电池内部的温度，根据温度传感器的反馈数据可以快速精准的控制风扇转速，实现了燃料电池风扇控制的快速性；
由于燃料电池的最佳工作温度65℃，所以在燃料电池工作前需要进行预热，要使电堆的温度达到最佳工作温度65℃，需要在燃料电池和风扇之间加一个加热器，这样对吹进燃料电池堆内的空气先进行加热，起到给燃料电池堆加热的效果。
本实用新型的燃料电池系统主要通过风扇与加热器配合对燃料电池进行启动前的进行预加热、在其工作时电堆温度升高时散热。为了达到接近燃料电池工作的最佳温度65℃，需要给电堆加热；在电堆进行化学反应过程中，产生大量的热量，电堆内温度过高可能会导致膜电极失效，严重可能造成膜电极烧毁，所以燃料电池正常工作过程中既需要加热也需要散热。在加热阶段，锂电池座位系统的供电电源，控制器发出控制信号将第一三通阀81接到锂电池。加热器在燃料电池预加热阶段需要锂电池提供电能，待加热结束以及燃料电池输出稳定后，控制器控制第二通断阀82使燃料电池对锂电池充电。不管是加热阶段还是散热阶段都需要风扇，加热阶段，风扇的风速是低速，作用是快速均匀地给燃料电池加热；散热阶段，控制风扇的PWM的占空比随着温度的升高而增大，使转速随着温度的升高而升高，起到快速散热的效果，这个阶段，贴在燃料电池中间双极板的温度传感器提供控制风扇转速的PWM信号的反馈信号。
优选地，还包括启动电池6，所述启动电池6能够在所述燃料电池1的加热阶段与所述加热器3连通、以对所述加热器3提供电能，对所述燃料电池1加热。本实用新型通过启动电池能够在燃料电池启动阶段时通过该启动电池对加热器供电，防止启动阶段燃料电池无法提供足够电能以供给加热器实现有效加热的作用，保证燃料电池的启动阶段能够快速精准地达到最佳工作温度T设。
优选地，所述启动电池6还能够在所述燃料电池1的散热阶段与所述燃料电池1连通、以通过所述燃料电池1对所述启动电池6进行充电。通过将启动电池与燃料电池连通，能够有效地在燃料电池不需要加热的散热阶段而利用燃料电池发出的电能对启动电池进行充电，有效保证启动电池具有足够的电能。
优选地，所述加热器3的一端连接的第一通路11和与所述启动电池6的一端连接的第二通路12之间还设置有第一三通阀81，所述第一三通阀81还通过第三通路13连接至所述燃料电池1的一端。本实用新型通过第一三通阀的设置能够有效地对加热器与启动电池之间连接和与燃料电池连接之间进行切换，使得加热阶段启动电池连接加热器以进行加热，散热阶段关闭启动电池而利用燃料电池带动风扇进行转动。
优选地，还包括负载7，所述负载7与所述燃料电池1电连接，以能通过所述燃料电池1带动所述负载7工作，
所述负载7的一端连接的第四通路14连通至所述燃料电池1的一端，且所述第四通路14与所述第二通路12通过第二通断阀82连接。
本实用新型还通过设置的负载能够使得燃料电池发出的电能能够驱动负载进行工作运行，负载连接的第四通路与第二通路之间通过第二通断阀连接能够使得燃料电池同时供电负载还能对启动电池进行充电。
优选地，在所述燃料电池1的进风侧还设置有过滤结构9；和/或，当还包括启动电池6时，所述控制器4与所述启动电池6电连接；和/或，当还包括第一三通阀81时，所述控制器4与所述第一三通阀81电连接；和/或，当还包括第二通断阀82时，所述控制器4与所述第二通断阀82电连接；和/或，当还包括启动电池6时，所述启动电池6为锂电池。本实用新型通过在燃料电池的进风侧设置的过滤结构，能够对进入燃料电池堆内的空气先进行过滤，防止熔点低、易对双极板腐蚀等物质进入到电堆内，对燃料电池造成摧毁。
由于燃料电池双极板的结构以及抗腐蚀性弱不允许有杂物吹进燃料电池堆内，所以应该对进入燃料电池堆内的空气先进行过滤，防止熔点低、易对双极板腐蚀等物质进入到电堆内，对燃料电池造成摧毁。
本实用新型有效搭建了一套风冷燃料电池系统，由燃料电池、空气过滤网、加热器、风扇、两个阀、锂电池以及负载等部分构成。
本实用新型的燃料电池系统主要通过风扇与加热器配合对燃料电池进行启动前的进行预加热、在其工作时电堆温度升高时散热。为了达到接近燃料电池工作的最佳温度65℃，需要给电堆加热；在电堆进行化学反应过程中，产生大量的热量，电堆内温度过高可能会导致膜电极失效，严重可能造成膜电极烧毁，所以燃料电池正常工作过程中既需要加热也需要散热。在加热阶段，锂电池座位系统的供电电源，控制器发出控制信号将第一三通阀81接到锂电池。加热器在燃料电池预加热阶段需要锂电池提供电能，待加热结束以及燃料电池输出稳定后，控制器控制第二通断阀82使燃料电池对锂电池充电。不管是加热阶段还是散热阶段都需要风扇，加热阶段，风扇的风速是低速，作用是快速均匀地给燃料电池加热；散热阶段，控制风扇的PWM的占空比随着温度的升高而增大，使转速随着温度的升高而升高，起到快速散热的效果，这个阶段，贴在燃料电池中间双极板的温度传感器提供控制风扇转速的PWM信号的反馈信号。
燃料电池双极板之间有缝隙，空气中的氧气需要进入到双极板的膜电极与氢气反应，进行燃料电池堆内的空气必须经过过滤，假若空气中的杂质进入到燃料电池堆内，容易造成双极板腐蚀，影响燃料电池的工作效率和使用寿命。该空气过滤网必须紧贴燃料电池。
本实用新型还提供一种如前任一项所述的风冷燃料电池系统的控制方法，其包括：
检测步骤，用于检测所述燃料电池1的实时温度；
判断步骤，用于判断所述燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系；
控制步骤，用于根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述风扇2的转速大小，所述控制器4还根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述加热器3打开或关闭。
本实用新型提出了一种风冷燃料电池风扇控制方法，控制上运用最小二乘法和PID算法，实现了风机的快准稳控制。
图2显示为风扇控制的主流程图，当系统启动前将控制器风扇控制系统的温度采样数据清零处理后，重新采样。通过在控制上运用最小二乘法和PID算法的结合，实现了风机的快准稳控制。是以燃料电池中间双极板的温度与双极板最佳工作温度65℃(T设)的差值作为偏差，基于该偏差进行PID运算，计算出风扇最佳PWM占空比，最小二乘法主要是通过最小化误差的平方和来进行参数估计燃料电池中间双极板当前温度T，输出风扇最优转速，可使风扇的控制更加迅速，对燃料电池内部温度变化的跟随性提高。
本实用新型提出了一种风冷燃料电池风扇控制系统，由燃料电池、空气过滤网、加热器、风扇、两个阀、锂电池以及负载等部分构成。软件上通过采样燃料电池中心的温度，通过PID算法和最小二乘算法实现电堆在最佳工作温度运行。
优选地，当T<T设时，所述控制步骤控制所述加热器3打开，使得所述风冷燃料电池系统进入加热阶段，且所述控制步骤控制所述风扇2打开、并通过最小二乘法结合PID算法的控制手段利用参数T对风扇的风速进行控制。
优选地，所述加热阶段中，通过所述最小二乘法结合PID算法控制所述风速的控制手段为：
控制所述风扇2的风速与实时温度T之间满足下列关系式：
Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))-Ki*Xn；
其中：T设与T的差值为当前的Xn，当前差值之前一次的误差为X(n-1)，当前差值之前二次的误差为X(n-2)，当前风扇的PWM占空比为Nn(PWM占空比控制风扇风速，PWM每个占空比对应相应风速)，当前风扇的前一次输入PWM占空比为N(n-1)，Kp为PWM占空比Nn的比例调节系数，Kd为Nn的微分调节系数，Ki为Nn的积分调节系数。
优选地，当T>T设时，所述控制步骤控制所述加热器3关闭，使得所述风冷燃料电池系统进入散热阶段，所述控制步骤控制所述风扇2打开、并且通过最小二乘法结合PID算法的控制手段利用参数T对风扇的风速进行控制。
优选地，所述最小二乘法结合PID算法的控制手段为：
控制所述风扇(2)的风速与实时温度T之间满足下列关系式：
Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))+Ki*Xn；
其中：T设与T的差值为当前的Xn，当前差值之前一次的误差为X(n-1)，当前差值之前二次的误差为X(n-2)，当前风扇的PWM占空比为Nn，当前风扇的前一次输入PWM占空比为N(n-1)，Kp为PWM占空比Nn的比例调节系数，Kd为Nn的微分调节系数，Ki为Nn的积分调节系数。
本实用新型通过将燃料电池的实时温度和最佳温度T设作为参数对风扇的风速进行控制的手段采用最小二乘法结合PID算法的方式，能够进一步提高温度快速精准控制的效果，尤其是通过加热阶段的参数控制手段Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))-Ki*Xn，能够使得在加热阶段燃料电池的温度能够最快最精准地上升靠近甚至达到最佳温度T设；并且尤其是通过散热阶段的参数控制手段Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))+Ki*Xn，能够使得在散热阶段燃料电池的温度能够最快最精准地下降靠近甚至达到最佳温度T设；实现精准快速的温度控制的效果。
具体地，当燃料电池堆内的温度小于65℃，系统需要进入加热阶段，设燃料电池最佳工作温度65℃与燃料电池中间双极板当前温度T的差值为当前的Xn，当前差值之前一次的误差为X(n-1)，当前差值之前二次的误差为X(n-2)，当前风扇的PWM占空比为Nn，当前风扇的前一次输入PWM占空比为N(n-1),Kp为PWM占空比Nn的比例调节系数，Kd为Nn的微分调节系数，Ki为Nn的积分调节系数，则加热阶段的PID算法为：
Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))-Ki*Xn；
当燃料电池堆内的温度大于65℃，系统需要进入加热阶段，设燃料电池中间双极板温度T与燃料电池最佳工作温度65℃的差值为当前的Xn，则加热阶段的PID算法为：
Nn＝N(n-1)+Kp*(Xn-X(n-1))+Kd*(Xn-2*X(n-1)+X(n-2))+Ki*Xn；
当燃料电池堆内的温度大于等于65℃时，无需进入加热阶段，只需利用散热PID算法控制风扇输出PWM占空比，从而控制风扇转速，将燃料电池工作时产生的热量跟产物水以及多余的空气氢气吹出电堆内部。本系统具有高效节能、控制精度高等特点。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种风冷燃料电池系统，其特征在于：包括：
燃料电池(1)，风扇(2)和加热器(3)，所述燃料电池(1)位于所述风扇(2)的出风路径上，以通过所述风扇(2)对所述燃料电池(1)进行冷却，所述加热器(3)能够对所述燃料电池(1)进行加热；
还包括控制器(4)和温度传感器(5)，所述温度传感器(5)设置于所述燃料电池(1)上，以检测所述燃料电池(1)的实时温度，所述温度传感器(5)能够将检测的温度发送至所述控制器(4)，所述控制器(4)根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述风扇(2)的转速大小，所述控制器(4)还根据燃料电池的实时温度T与预设温度值T设之间的大小关系而控制所述加热器(3)打开或关闭。
2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池系统，其特征在于：
还包括启动电池(6)，所述启动电池(6)能够在所述燃料电池(1)的加热阶段与所述加热器(3)连通，以对所述加热器(3)提供电能，对所述燃料电池(1)加热。
3.根据权利要求2所述的风冷燃料电池系统，其特征在于：
所述启动电池(6)还能够在所述燃料电池(1)的散热阶段与所述燃料电池(1)连通，以通过所述燃料电池(1)对所述启动电池(6)进行充电。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的风冷燃料电池系统，其特征在于：
所述加热器(3)的一端连接的第一通路(11)和与所述启动电池(6)的一端连接的第二通路(12)之间还设置有第一三通阀(81)，所述第一三通阀(81)还通过第三通路(13)连接至所述燃料电池(1)的一端。
5.根据权利要求4所述的风冷燃料电池系统，其特征在于：
还包括负载(7)，所述负载(7)与所述燃料电池(1)电连接，以能通过所述燃料电池(1)带动所述负载(7)工作，
所述负载(7)的一端连接的第四通路(14)连通至所述燃料电池(1)的一端，且所述第四通路(14)与所述第二通路(12)通过第二通断阀(82)连接。
6.根据权利要求5所述的风冷燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池(1)的进风侧还设置有过滤结构(9)；和/或，当还包括启动电池(6)时，所述控制器(4)与所述启动电池(6)电连接；和/或，当还包括第一三通阀(81)时，所述控制器(4)与所述第一三通阀(81)电连接；和/或，当还包括第二通断阀(82)时，所述控制器(4)与所述第二通断阀(82)电连接；和/或，当还包括启动电池(6)时，所述启动电池(6)为锂电池。
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