[發明專利]一種兼容不同功率電堆的燃料電池溫度控制系統

有效

• 申請號: 202110283590.3
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113078334B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 高艷;陳彥志;殷聰;喬澤敏;宋亞婷;曹繼申;李凱;湯浩
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/04014
• 分類號: H01M8/04014;H01M8/04029;H01M8/0432;H01M8/04701;H01M8/04992
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供的一種兼容不同功率電堆的燃料電池溫度控制系統，包括PLC下位機溫度控制單元、上位機監測控制單元、循環水回路和電子負載；循環水回路包括循環水、入堆溫度傳感器、出堆溫度傳感器、水箱、水泵、流量傳感器、加熱器、環翅式散熱器、高功率散熱風扇和低功率散熱風扇；PLC下位機溫度控制單元根據電子負載功率計算燃料電池電堆所需散熱功率，以判斷燃料電池溫度控制系統的工作模式，在不同工作模式下，通過比較入堆溫度和設定測試溫度，控制加熱器、高功率散熱風扇和低功率散熱風扇的工作狀態，實現對燃料電池溫度的控制，具有散熱響應速度快、燃料電池溫度波動幅度小以及測試目標功率范圍廣的優點。

技術領域

本發明屬于自動控制技術領域，具體涉及一種兼容不同功率電堆的燃料電池溫度控制系統。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)在催化劑的作用下使氫氣與氧氣發生氧化還原反應生成水，將氫燃料中的化學能轉化為電能，供給外部負載。質子交換膜燃料電池除了具有燃料電池的無污染、效率高、無噪聲的共有優點外，還有工作溫度低、功率密度大、啟動迅速等優點。經多年的基礎研究和應用開發，質子交換膜燃料電池在汽車、無人機和船舶的應用已取得了實質性的進展。

質子交換膜燃料電池的輸出性能受到很多因素的影響，如壓力、濕度、溫度等，如圖1所示，溫度對輸出性能的影響十分顯著。溫度過低時，電池內各種極化增強，電池性能較差；溫度升高會提升電池內部的電化學反應速度，加速生成物和水分的排出，質子穿過膜的速率更快，電池效率高、性能好；但如果溫度過高，會發生膜脫水的情況，電導率下降，電池性能變差，甚至會導致膜干裂。而燃料電池測試系統本身的溫度變化存在較大延時，使得溫度控制具有滯后性、時變性和不確定性，并且調節時間長，超調量大。因此，對燃料電池測試系統的溫度控制研究具有重大意義。

燃料電池測試系統往往對不止一個電堆進行測試，當需要測試不同功率的電堆時，冷卻系統的設計卻只考慮了最大功率電堆所需的散熱功率，導致在測試小功率電堆時，散熱器的啟動功率已經遠遠大于所需的散熱功率，使得燃料電池的溫度波動幅度較大。這就要求燃料電池測試系統的冷卻系統能夠滿足不同功率的燃料電池電堆的散熱需求。

中國專利201420212102.5中，馬天才等人發明了一種燃料電池的散熱系統，該散熱系統包括了冷卻水大小循環，大小循環中不同溫度的冷卻水混合使用，這種結構會導致溫度控制對象與水泵轉速、大小循環流量、大小循環的管道長度以及散熱器風扇轉速都有著相關性，耦合度較大，并且熱管理模塊的溫度控制本身就是一個大滯后的控制系統，使用該結構還需考慮不同溫度的冷卻水混合后，達到穩定溫度的物理響應時間。

發明內容

針對上述現有技術中散熱系統結構復雜、溫度波動幅度大、測試范圍小的問題，本發明提出了一種兼容不同功率電堆的燃料電池溫度控制系統。

本發明具體技術方案如下：

一種兼容不同功率電堆的燃料電池溫度控制系統，其特征在于，包括PLC(可編程邏輯控制器)下位機溫度控制單元、上位機監測控制單元、循環水回路和電子負載；所述循環水回路包括循環水、入堆溫度傳感器、出堆溫度傳感器、水箱、水泵、流量傳感器、加熱器、環翅式散熱器、高功率散熱風扇和低功率散熱風扇；

所述PLC下位機溫度控制單元用于監測入堆溫度傳感器、出堆溫度傳感器和流量傳感器的檢測信息，及電子負載功率，并基于檢測信息和電子負載功率控制加熱器、高功率散熱風扇和低功率散熱風扇的工作狀態，實現對燃料電池溫度的控制；

所述上位機監測控制單元用于顯示并存儲PLC下位機溫度控制單元監測的檢測信息，發送設定測試溫度T_s的命令；

所述循環水回路中的循環水從水箱流出后，經環翅式散熱器、流量傳感器、水泵、入堆溫度傳感器、燃料電池電堆和出堆溫度傳感器流入水箱，加熱器與水箱相連，高功率散熱風扇和低功率散熱風扇分別與環翅式散熱器相連；