[發明專利]一種燃料電池冷卻水回路溫度控制系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202110719732.6
• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113471477B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 殷聰;趙安;宋亞婷;曹繼申;樊紅偉;湯浩
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04029;H01M8/04701
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供一種燃料電池冷卻水回路溫度控制系統及其控制方法，屬于燃料電池測試系統技術領域，系統包括溫度測量傳感器、壓力測量傳感器、冷卻液、管路、燃料電池電堆、水泵、水箱、控制器和由n個換熱器串聯或并聯組成的換熱器組；各換熱器的最大散熱功率之和大于燃料電池電堆最大輸出熱功率；在各換熱器的散熱功率相同或不同的情況下，控制器根據入堆溫度、當前燃料電池電堆的輸出熱功率和各換熱器的最大散熱功率，控制各換熱器的工作狀態，實現溫度控制系統的散熱等級可調，以滿足燃料電池在不同功率等級下的測試需求。相比傳統單獨大功率換熱器，可降低系統的自然散熱能力和不同輸出功率的最小散熱功率，避免不同功率溫度調節相差過大。

技術領域

本發明屬于燃料電池測試系統技術領域，具體涉及一種燃料電池冷卻水回路溫度控制系統及其控制方法。

背景技術

在全球日益增長的能源需求、愈演愈烈的環境危機等背景下，清潔能源的新型利用方式越來越受到人們的重視。其中，燃料電池因高效率、零污染、低噪音、啟動快等優勢走入大眾的視線。不同于常規意義上的電池，燃料電池直接將燃料和氧化劑的化學能通過電極反應轉化為電能，因工作時需連續地向其供給燃料和氧化劑，而得名燃料電池。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種功率密度高、工作溫度低、響應快、無污染的清潔電化學能源，被廣泛認為是下一代清潔能源汽車最具潛力的動力源候選。溫度作為影響PEMFC性能的關鍵因素之一，直接影響燃料電池內部水成分的運輸，同時也影響質子交換膜的氣體滲透性。除此之外，溫度也對催化劑的活性、燃料氣體的擴散以及“水淹”現象產生顯著影響。為此，在進行燃料電池性能或壽命測試時，需要將燃料電池保持在最優工作溫度。

現有技術常見于一種傳統的燃料電池熱管理系統，如圖1所示，主要包括燃料電池堆、冷卻水箱、循環水泵、散熱風扇、溫度傳感器、壓力傳感器和控制器。該系統通過測定燃料電池堆的進堆/出堆溫度值，將其與控制器設定溫度值比較，如果冷卻水溫度低于設定的循環水溫度，通過電堆自身的產熱進行升溫，當冷卻水溫度達到設定溫度后，通過控制器來控制風扇對系統進行散熱，將溫度穩定在設定溫度附近。但現有技術中，對于一個特定功率等級的測試系統，其冷卻系統中換熱器的最大散熱負荷一定大于或等于被測電堆的最大輸出熱功率，而實際過程中，換熱器的散熱風扇都具有最小啟動轉速，即換熱器存在最小散熱功率，如圖2所示的換熱器最小啟動轉速為15％，而且管路以及換熱器本身都有自然散熱能力。因此在電堆的測試過程中，如果只使用一個大功率換熱器對系統進行散熱，由于系統本身存在的延遲加上溫度本身的滯后特性，可能會因換熱器的散熱能力過強而導致溫度出現較大波動。特別對于低功率點的測試，往往會出現系統產熱功率小于散熱風扇的最小散熱功率，在此情況下散熱風扇的控制情況為頻繁啟停，因此導致冷卻水的溫度無法穩定，在設定的循環水溫度65℃附近來回波動，如圖3所示。

因此尋求一種燃料電池冷卻水回路溫度控制系統及其控制方法，在滿足燃料電池溫度控制穩定的前提下，適用于更廣泛的溫度控制范圍。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明提出了一種燃料電池冷卻水回路溫度控制系統及其控制方法，采用多個小功率等級的換熱器，通過控制其處于不同工作狀態，實現散熱等級可調的溫度控制系統，以滿足燃料電池在不同功率等級下的測試需求。

本發明具體技術方案如下：

一種燃料電池冷卻水回路溫度控制系統，包括溫度測量傳感器，壓力測量傳感器，冷卻液，及依次通過管路連接的燃料電池電堆、水泵和水箱，溫度測量傳感器和壓力測量傳感器位于燃料電池電堆的入堆口和出堆口處，冷卻液在管路中流動；其特征在于，所述溫度控制系統還包括換熱器組和控制器；

所述換熱器組位于水箱的出口和燃料電池電堆的入堆口之間，由n個散熱功率小于等于測試平臺最大測試功率的1/3的換熱器串聯或并聯組成，各換熱器的最大散熱功率相同或不同，并且各換熱器的最大散熱功率之和大于所述燃料電池電堆的最大輸出熱功率；所述測試平臺最大測試功率為測試平臺所能測試的電堆的最大輸出熱功率；