JP7417336B1 - 燃料電池の温度制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
対向して設置し、面積が少なくとも第1のプリセット値である2つのエンドプレートを含む被測定燃料電池と、
2つの前記エンドプレートのそれぞれの温度制御を実現するように、2つの前記エンドプレートの被測定燃料電池の外側に面する側の表面にそれぞれ配置され、前記エンドプレートに対向する熱放射面の面積が第1のプリセット値の第1のプリセット比率以上である少なくとも2セットの温度調整モジュールと、
前記被測定燃料電池のカソードとアノードに取り付けられ、前記被測定燃料電池のカソードとアノードの実測温度を取得するための少なくとも2セットの温度検出モジュールと、
前記温度検出モジュールに接続され、前記温度調整モジュールに接続され、前記2セットの温度検出モジュールの検出結果に基づいて、2セットの前記温度調整モジュールの運転状態を制御して、前記カソードとアノードの実測温度が目標温度に向かって調整されるように、前記被測定燃料電池のエンドプレートの温度を調整する制御モジュールと、
を備える燃料電池の温度制御システムを提供する。
対向して設置し、面積が少なくとも第1のプリセット値である2つのエンドプレートを含む被測定燃料電池を提供するステップと、
被測定燃料電池のカソードとアノードの実測温度を取得するステップと、
被測定燃料電池のカソードとアノードの目標温度を取得するステップと、
2つの前記エンドプレートの被測定燃料電池の外側に面する側の表面にそれぞれ配置され、前記エンドプレートに対向する熱放射面の面積が第1のプリセット値の第1のプリセット比率以上である少なくとも2セットの温度調整モジュールを提供するステップと、
前記カソードとアノードの実測温度が目標温度に向かって調整されるように、前記実測温度と目標温度に基づいて、前記少なくとも2セットの温度調整モジュールを介して、前記被測定燃料電池のエンドプレートの温度を調整するステップと、
を備える燃料電池の温度制御方法を提供する。
当然のことながら、本明細書の各実施例では、制御モジュールは、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラなど、および/またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。
本願で提供される燃料電池の温度制御システムおよびその温度制御方法は、水素燃料電池、直接メタノール燃料電池(DMFC)などを含むがこれらに限定されないさまざまな燃料電池に適用できることが理解される。
有効反応面積108.0cm2の被測定燃料電池100を燃料電池試験台に設置し、試験台のガス供給インターフェースと負荷インターフェースを接続し、被測定燃料電池100の気密性試験に合格することを確保する。
カソードとアノードの吸気の化学量論比は2.0と2.0であり、カソードとアノードの吸気温度は80℃と80℃であり、カソードとアノードの吸気の相対湿度は100%と100%であり、カソードとアノードの吸気圧力は1.5atmと1.5atmであることに従って、試験台パラメータを調整して、吸気流量、吸気温度、吸気湿度、および吸気圧力が規定のパラメータ範囲にあるように設定されている。
冷却液体循環機と温度制御器をオンにし、試験条件で指定された単燃料電池の運転温度に従って温度制御器の目標温度Ttargetを設定し、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度をTcoolとして設定する。被測定単燃料電池の運転温度は80℃であり、温度制御器の目標温度Ttargetは80℃として設定し、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度Tcoolは10℃である。
試験条件に従って試験を開始し、被測定燃料電池100の性能試験を開始し、被測定燃料電池100の内部に挿入された熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Trealを読み取り、温度制御器によって読み取られた第一の熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Treal_1と、温度制御器によって読み取られた第2の熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Treal_2を含む。
温度制御器の目標温度Ttargetと単燃料電池のリアルタイム温度Trealを比較し、TtargetがTrealよりも大きい場合、半導体冷却シートの加熱パワーが温度制御器によって自動的に増加する。温度制御器の目標温度80℃と第一の熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Treal_1を比較し、Treal_1が80℃未満である場合、被測定燃料電池100のアノード端の外側にある4つの半導体冷却シートの加熱パワーが温度制御器によって自動的に増加する。Treal_1が80℃を超えると、被測定燃料電池100のアノード端の外側にある4つの半導体冷却シートの冷却パワーが温度制御器によって自動的に増加する。
温度制御器の目標温度80℃と第2の熱電対が温度制御器にフィードバックするリアルタイム温度Treal_2を比較し、Treal_2が80℃未満である場合、被測定燃料電池100のカソード端の外側にある4つの半導体冷却シートの加熱パワーが温度制御器によって自動的に増加する。Treal_2が80℃を超えると、被測定燃料電池100のカソード端の外側にある4つの半導体冷却シートの冷却パワーが温度制御器によって自動的に増加する。
半導体冷却シートの冷却パワーが最大に達し、Ttargetが依然としてTrealよりも大きい場合、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度Tcoolを下げて、半導体冷却シートの冷却パワーをさらに高める。前記の実施ステップで、Treal_1とTreal_2が依然として80℃を超える場合、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度Tcoolを5℃に下げて、半導体冷却シートの冷却パワーをさらに高める。
温度制御器の目標温度80℃と熱電対が温度制御器にフィードバックするリアルタイム温度Treal_1とTreal_2との差が設定の温度差Tdiffを超えないまで、前記の手順を繰り返す。
Claims (1)
- 対向して設置し、面積が少なくとも第1のプリセット値である2つのエンドプレートを含む被測定燃料電池と、
2つの前記エンドプレートのそれぞれの温度制御を実現するように、2つの前記エンドプレートの被測定燃料電池の外側に面する側の表面にそれぞれ配置され、前記エンドプレートに対向する熱放射面の面積が第1のプリセット値の第1のプリセット比率以上である少なくとも2セットの温度調整モジュールと、前記被測定燃料電池のカソードとアノードに取り付けられ、前記被測定燃料電池のカソードとアノードの実測温度を取得するための少なくとも2セットの温度検出モジュールと、
前記温度検出モジュールに接続され、前記温度調整モジュールに接続され、前記2セットの温度検出モジュールの検出結果に基づいて、2セットの前記温度調整モジュールの運転状態を制御して、前記カソードとアノードの実測温度が目標温度に向かって調整されるように、前記被測定燃料電池のエンドプレートの温度を調整する制御モジュールと、
を備える燃料電池の温度制御システムであって、
前記温度調整モジュールは、複数の半導体冷却シートを含む板状の温度調整ユニットを備え、
前記板状の温度調整ユニットは、前記エンドプレートに対向して配置され、板状の熱放射面を有し、前記板状の熱放射面と前記エンドプレートの対向する熱放射面の面積が前記第1のプリセット値の第1のプリセット比率以上であり、
前記第1のプリセット比率が70%以上であり、
前記板状の温度調整ユニットにおける複数の半導体冷却シートは、各前記半導体冷却シートは、前記エンドプレートの前記被測定燃料電池の外側に面する側の表面に均一に配置され、前記被測定燃料電池のエンドプレートに隣接して配置され、前記エンドプレートに対向する熱放射面の面積が第2のプリセット値以上であり、各前記半導体冷却シートは互いに並列に接続され、それぞれ制御モジュールが取得した実測温度に応じて被測定燃料電池のエンドプレート側の温度を調整するように、すべて前記制御モジュールに接続され、
前記温度調整モジュールは、制御モジュールが取得した実測温度に応じて被測定燃料電池のエンドプレート側の温度を調整するように、前記板状の温度調整ユニットの前記被測定燃料電池から離れた一側表面の外側に配置され、液路が設置された液冷温度制御ユニットと、前記液路を流れることができる制御可能な温液体とをさらに備え、
前記温度調整モジュールの液冷温度制御ユニットの液路は、導管を介して相互に接続され、同じ温度制御可能な冷却液体循環機に接続され、前記冷却液体循環機により、前記液冷温度制御ユニットの前記液路内の液体温度を制御し、前記液路に温度制御可能な液体を提供し、且つ、前記液冷温度制御ユニットは、前記板状の温度調整ユニットの板状の熱放射面の少なくとも80%の領域を覆い、
前記液冷温度制御ユニットは、少なくとも液冷入口と液体出口を含む複数の液冷ブロックを備え、隣接する2つの液冷ブロックのうち、前の液冷ブロックの液冷出口は、導管を介して次の液冷ブロックの液冷入口に接続され、前記温度制御可能な液体は、前記導管に沿って各液冷ブロック間を流れることが可能であり、
前記導管は、前記温度制御可能な液体の液路を延長し、温度制御能力を向上させるように、U字型の導管を含み、
前記温度調整モジュールは、前記半導体冷却シートの温度伝導を加速するように、前記板状の温度調整ユニットと前記液冷温度制御ユニットとの間に配置され、少なくとも前記板状の温度調整ユニットの板状の熱放射面の80%の領域を覆う導温金属板をさらに備え、
前記温度調整モジュールは、前記導温金属板と前記板状の温度調整ユニットとの間に配置され、および/または、前記導温金属板と液体温度制御ユニットとの間に配置された導熱フィルム層をさらに備え、
前記温度検出モジュールは、前記被測定燃料電池のカソードおよびアノードにそれぞれ取り付けられ、前記カソードおよびアノードの実測温度を取得する少なくとも2つの熱電対を備え、
前記制御モジュールは、前記温度検出モジュールに接続され、前記温度調整モジュールに接続され、前記温度検出モジュールによって取得された実測温度を取得して、前記実測温度と目的温度との大小関係に基づいて、2セットの前記温度調整モジュールの運転状態を調整して前記被測定燃料電池のカソードおよびアノードの温度が前記目的温度になるように調整するための温度制御器を備え、
前記第1のプリセット値は30cm2以上であり、
前記燃料電池の温度制御システムの温度制御方法は、
被測定燃料電池のカソードとアノードの実測温度及び目標温度を取得する第1のステップと、
2つの前記エンドプレートの表面の温度をそれぞれ調整するように、前記実測温度と目標温度との大小関係に応じて、前記少なくとも2セットの温度調整モジュールによって、前記被測定燃料電池に対向して配置された2つのエンドプレートの表面にそれぞれ外気温度の情報を提供し、前記温度調整モジュールの外気温調整パワーを制御することにより、前記温度調整モジュールによって前記被測定燃料電池のエンドプレートに提供される前記外気温度を変更し、前記実測温度が目標温度よりも大きい場合、前記外気温度の温度範囲は前記実測温度よりも小さく、前記実測温度が前記目標温度よりも小さい場合、前記外気温度の温度範囲は前記実測温度よりも大きい第2のステップと、
前記少なくとも2セットの温度調整モジュールによって、前記被測定燃料電池に対向して配置された2つのエンドプレートの表面にそれぞれ前記外気温度の情報を提供する場合、前記実測温度が時間の経過に応じて目標温度に向かって逆方向に変化する場合、前記外気温調整パワーが調整範囲内の極値に達するまで、前記外気温調整パワーを増減して前記外気温度を増減し、前記実測温度を前記目標温度に向かって正方向に変化させる第3のステップと、
被測定燃料電池を燃料電池試験台に設置し、試験台のガス供給インターフェースと負荷インターフェースを接続し、被測定燃料電池の気密性試験に合格することを確保する第4のステップと、
カソードとアノードの吸気の化学量論比、カソードとアノードの吸気温度、カソードとアノードの吸気の相対湿度、カソードとアノードの吸気圧力に従って、試験台パラメータを調整して、吸気流量、吸気温度、吸気湿度、および吸気圧力が規定のパラメータ範囲にあるように設定されている第5のステップと、
冷却液体循環機と温度制御器をオンにし、試験条件で指定された単燃料電池の運転温度に従って温度制御器の目標温度Ttargetを設定し、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度をTcoolとして設定し、被測定単燃料電池の運転温度は80℃であることによって、温度制御器の目標温度Ttargetは80℃として設定し、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度Tcoolは10℃として設定する第6のステップと、
試験条件に従って試験を開始し、被測定燃料電池の性能試験を開始し、被測定燃料電池の内部に挿入された熱電対が温度制御器にフィードバックされる、温度制御器によって読み取られた第一の熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Treal_1と、温度制御器によって読み取られた第2の熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Treal_2を含むリアルタイム温度Trealを読み取る第7のステップと、
温度制御器の目標温度Ttargetと単燃料電池のリアルタイム温度Trealを比較し、TtargetがTrealよりも大きい場合、半導体冷却シートの加熱パワーが温度制御器によって自動的に増加し、温度制御器の目標温度80℃と第一の熱電対が温度制御器にフィードバックされるリアルタイム温度Treal_1を比較し、Treal_1が80℃未満である場合、被測定燃料電池のアノード端の外側にある4つの半導体冷却シートの加熱パワーが温度制御器によって自動的に増加し、Treal_1が80℃を超えると、被測定燃料電池のアノード端の外側にある4つの半導体冷却シートの冷却パワーが温度制御器によって自動的に増加する第8のステップと、
温度制御器の目標温度80℃と第2の熱電対が温度制御器にフィードバックするリアルタイム温度Treal_2を比較し、Treal_2が80℃未満である場合、被測定燃料電池のカソード端の外側にある4つの半導体冷却シートの加熱パワーが温度制御器によって自動的に増加し、Treal_2が80℃を超えると、被測定燃料電池のカソード端の外側にある4つの半導体冷却シートの冷却パワーが温度制御器によって自動的に増加する第9のステップと、
半導体冷却シートの冷却パワーが最大に達し、Ttargetが依然としてTrealよりも大きい場合、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度Tcoolを下げて、半導体冷却シートの冷却パワーをさらに高め、前記第8のステップ及び前記第9のステップにおけるTreal_1とTreal_2が依然として80℃を超える場合、冷却液体循環機の温度制御可能な液体の制御温度Tcoolを5℃に下げて、半導体冷却シートの冷却パワーをさらに高める第10のステップと、
温度制御器の目標温度80℃と熱電対が温度制御器にフィードバックするリアルタイム温度Treal_1とTreal_2との差が設定の温度差Tdiffを超えない間、前記第1のステップから前記第10のステップを順次繰り返す第11のステップと、
備えることを特徴とする燃料電池の温度制御システム。
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