质子交换膜燃料电池冷却系统

摘要

一种燃料电池技术领域的质子交换膜燃料电池冷却系统，包括：传感机构、控制模块、执行机构和冷却机构，其中：传感机构的输出端与控制模块的输入端相连接以传输传感信号，控制模块的输出端执行机构的输入端相连接，执行机构的输出端与冷却机构的输入端相连接，冷却机构的输出端与传感机构的输入端相连接。本发明能够将温度误差控制在±0.1℃范围内，以毫秒级的时间内完成温度的稳定控制，系统响应速度达到毫秒级。

权利要求

1.一种质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征在于，包括：传感机构、控制模块、执行机构和冷却机构，其中：传感机构的输出端与控制模块的输入端相连接以传输传感信号，控制模块的输出端与执行机构的输入端相连接，执行机构的输出端与冷却机构的输入端相连接，冷却机构的输出端与传感机构的输入端相连接；控制模块通过总线访问传感机构，读取传感机构的温度信号，判断温度信号是否报警且在报警时停止系统运行并待机处理，进一步读取传感机构和执行机构传感器的温度信号和流量信号的当前值，控制模块根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调整冷却机构冷却液流量和温度。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述的传感机构包括：第一温度传感器、第二温度传感器、角位移传感器、流量传感器和电机转速传感器，其中：第一温度传感器位于所述质子交换膜燃料电池的冷却液入口的接口内，第二温度传感器位于所述质子交换膜燃料电池的冷却液出口接口内，角位移传感器位于冷却机构内，流量传感器串联于所述质子交换膜燃料电池的冷却液出口并输出至冷却机构的冷却液箱，电机转速传感器位于执行机构的输出端，第一温度传感器、第二温度传感器、角位移传感器、流量传感器和电机转速传感器的输出端与控制模块的输入端相连接以输出传感信号。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述的控制模块包括：数据采集单元、通信单元、决策单元和输出单元，其中：数据采集单元的输入端与传感机构的输出端相连接以传输传感信号，通信单元的输入端和输出端分别连接数据采集单元的输出端和决策单元的输入端以传输传感信号，数据采集单元另外与决策单元相连接以传输脉冲信号，通信单元与输出单元的输入端相连接以输出决策数据，输出单元的输出端连接至执行机构。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述的数据采集单元包括：采集模拟信号的第一数据采集单元和采集脉冲信号的第二数据采集单元，其中：第一数据采集单元的输出端与通信单元相连接以传输传感信号，第二数据采集单元的输出与决策单元相连接以传输脉冲信号。

5.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述通信单元包括：串口转换器和串行总线，其中：串口转换器的一端连接决策单元，串口转换器的另一端连接至串行总线，串行总线分别与传感机构和执行机构相连接。

6.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述的决策单元接收传感信号并根据输出决策矩阵R输出决策数据，其中：输出决策矩阵R为：

7.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述输出单元包括：第一输出单元和第二输出单元，其中第一输出单元的输入端连接三相电源，第一输出单元的输出端连接至执行机构的输入端，第一输出单元的控制端连接至通信单元的串行总线，第二输出单元的控制端连接至通信单元的串行总线，第二输出单元的输出端连接至执行机构的输入端。

8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述的执行机构包括：第一电机、第二电机、第一电磁阀和第二电磁阀，其中：第二电磁阀的常开触点和常闭触点交叉对接并连接到第一电机的电源输入端，第二电磁阀的公共端连接至第一电磁阀的常开触点，第一电磁阀的公共端分别连接至电源的正极和负极，第一电磁阀和第二电磁阀的控制端连接至集电极开路输出组件的输出端，第二电机连接至变频器的输出端。

9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷却系统，其特征是，所述的冷却机构包括：散热器、冷却液箱、液压泵和三通阀门，其中：冷却液箱的入口接口与流量传感器的出口端相连接，冷却液箱的出口接口通过管道连接到液压泵的入口接口处，液压泵的出口接口分别并联三通阀门的一端和散热器的输入端，散热器的输出端连接至三通阀门的另一端，三通阀门的输出端连接至所述质子交换膜燃料电池的冷却液入口接口处。

说明书

质子交换膜燃料电池冷却系统

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的装置，具体是一种质子交换膜燃料电池冷却系统。

背景技术

[0002] 在燃料电池领域，大功率的燃料电堆目前无论是在国内还是其他发达国家，基本上都还处于实验室阶段，对于功率较小的电堆来说，电堆的冷却一般是采用风冷，风冷的成本低，体积小。但对于大功率的电堆来说，特别是在几十个千瓦甚至是上百千瓦的电堆，风冷基本上就成为不可能，因此，用冷却剂冷却成为我们的必要选择。目前比较通用的做法是在循环冷却剂中加上冷却装置，我们也很难把这个冷却装置正好控制在电堆冷却剂入口处正好需要的那个温度，因此，通常的做法是将循环冷却剂冷却到比较低的温度，再在电堆的冷却剂入口处对冷却剂加热到合适的温度。但是，进入电堆的冷却剂温度并不是越低越好，温度太低会对电堆的性能产生不利影响，还会浪费很多不必要的能耗。另外，这些方法基本上不具有可移植性，不同的电堆往往需要设计出不同的冷却系统。

[0003] 经过对现有技术的检索发现，日本专利号JP(A)2000-208157记载了一种“FUEL CELL COOLING SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING CIRCULATION 0FCOOLING LIQUID IN FUEL CELL”(燃料电池冷却系统及控制燃料电池中冷却液的循环的方法)，该技术具有主冷却剂通路和独立于主冷却剂之外的副冷却剂通路，主冷却剂通路用于冷却燃料电池组，副冷却剂用于使冷却剂容器内的冷却济冷却，通过设置在副冷却济通路中的离子过滤器循环，以去除冷却济中的离子；

[0004] 又经检索发现，中国专利申请号200480018410.3，授权公告号CN100362686C，记载了一种“燃料电池冷却系统及控制燃料电池中冷却液的循环的方法”，该技术中冷却液温度控制采用的是冷却部分冷却液，然后将部分冷却后的冷却液与原来的冷却液相混合，得到新的燃料电池组的冷却液。

[0005] 上述现有技术均很难将燃料组的入口冷却液温度快速的调整到期望的温度范围内，因为这样的结构也很难保证控制系统在受到一个外部冲击的时候很快的调整回期望的状态。导致上述现有技术最终的制冷冷却效果不能满足需要。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种质子交换膜燃料电池冷却系统，能够将温度幅度控制在±0.1℃范围内，以毫秒级的时间内完成温度的稳定控制，响应速度达到毫秒级。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：传感机构、控制模块、执行机构和冷却机构，其中：传感机构的输出端与控制模块的输入端相连接以传输传感信号，控制模块的输出端与执行机构的输入端相连接，执行机构的输出端与冷却机构的输入端相连接，冷却机构的输出端与传感机构的输入端相连接；控制模块通过总线访问传感机构，读取传感机构的温度信号，判断温度信号是否报警和停止系统运行并待机处理；进一步读取传感机构的和执行机构传感器的温度信号和流量信号的当前值，控制模块根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调整冷却机构冷却液流量和温度。

[0008] 所述的传感机构包括：第一温度传感器、第二温度传感器、角位移传感器、流量传感器和电机转速传感器，其中：第一温度传感器位于燃料电池组的冷却液入口的接口内，第二温度传感器位于燃料电池组的冷却液出口接口内，角位移传感器位于冷却机构内，流量传感器串联于燃料电池组的冷却液出口并输出至冷却机构的冷却液箱，电机转速传感器位于执行机构的输出端，第一温度传感器、第二温度传感器、角位移传感器、流量传感器和电机转速传感器的输出端与控制模块的输入端相连接以输出传感信号。

[0009] 所述的控制模块包括：数据采集单元、通信单元、决策单元和输出单元，其中：数据采集单元的输入端与传感机构的输出端相连接以传输传感信号，通信单元的输入端和输出端分别连接数据采集单元的输出端和决策单元的输入端以传输传感信号，数据采集单元另外与决策单元相连接以传输脉冲信号，通信单元与输出单元的输入端相连接以输出决策数据，输出单元的输出端连接至执行机构。

[0010] 所述的数据采集单元包括：采集模拟信号的第一数据采集单元和采集脉冲信号的第二数据采集单元，其中：第一数据采集单元的输出端与通信单元相连接以传输传感信号，第二数据采集单元的输出与决策单元相连接以传输脉冲信号。

[0011] 所述通信单元包括：串口转换器和串行总线，其中：串口转换器的一端连接决策单元，串口转换器的另一端连接至串行总线，串行总线分别与传感机构和执行机构相连接。

[0012] 所述的串口转换器为RS232转RS485的串口转换器；

[0013] 所述的串行总线是指带屏蔽功能的串行总线；

[0014] 所述的决策单元接收传感信号并根据输出决策矩阵R输出决策数据，其中：输出决策矩阵R为：

[0015]

[0016] 所述输出单元包括：第一输出单元和第二输出单元，其中第一输出单元的输入端连接三相电源，第一输出单元的输出端连接至执行机构的输入端，第一输出单元的控制端连接至通信单元的串行总线，第二输出单元的控制端连接至通信单元的串行总线，第二输出单元的输出端连接至执行机构的输入端。

[0017] 所述的执行机构包括：第一电机、第二电机、第一电磁阀和第二电磁阀，其中：第二电磁阀的常开触点和常闭触点交叉对接并连接到第一电机的电源输入端，第二电磁阀的公共端连接至第一电磁阀的常开触点，第一电磁阀的公共端分别连接至电源的正极和负极，第一电磁阀和第二电磁阀的控制端连接至集电极开路输出组件的输出端，第二电机连接至变频器的输出端。

[0018] 所述的输出决策数据包括：第一电磁阀的开关状态、第二电磁阀的开关状态、第二电磁阀的开启时间和变频器的频率值。

[0019] 所述的冷却机构包括：散热器、冷却液箱、液压泵和三通阀门，其中：冷却液箱的入口接口与流量传感器的出口端相连接，冷却液箱的出口接口通过管道连接到液压泵的入口接口处，液压泵的出口接口分别并联三通阀门的一端和散热器的输入端，散热器的输出端连接至三通阀门的另一端，三通阀门的输出端连接至燃料电池组的冷却液入口接口处。

[0020] 本发明通过以下方式工作

[0021] 第一步、系统启动后由决策单元通过总线访问传感机构，读取第二温度传感器的温度信号记为T7；

[0022] 第二步、判断T7是否大于二级报警值：

[0023] 1)当T7＞二级报警值时，说明系统处于异常运行状态，停止系统运行并待机处理。

[0024] 2)当T7≤二级报警值时，则进一步判断T7是否大于一级报警值，

[0025] 3)当T7＞一级报警值时，点亮系统一级报警指示灯并读取第一温度传感器的温度信号记为T6；

[0026] 4)当T7≤一级报警值时，则读取第一温度传感器的温度信号记为T6；

[0027] 第三步、判断T7-T6是否落入[T0，T1]范围内，其中T0为T7-T6允许的最小值，T1为T7-T6允许的最大值；

[0028] 1)当T7-T6＞T1或T7-T6＜T0时，表明冷却液流量偏小(或者偏大)，读取流量传感器的流量信号和电机转速传感器的电机转速信号，将当前值送入决策单元，决策单元根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调整变频器的频率值，从而增大(或者减小)冷却液流量。然后再返回到第一步；

[0029] 2)当T0≤T7-T6≤T1时，直接进入第四步

[0030] 第四步、判断T6是否落入[T60，T61]范围内，其中：T60为冷却液入口温度要求的最小值，T61为冷却液入口温度要求的最大值；

[0031] 1)当T6＞T61或T6＜T60时，表明冷却液入口温度过高或过低，读取角位移传感器的当前值，将当前值送入决策单元，决策单元根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调三通阀门的开启角度，从而降低或升高冷却液入口的温度。然后再返回到第一步。

[0032] 2)当T60≤T6≤T61时，直接返回第一步。

[0033] 本发明能够将温度幅度控制在±0.1℃范围内，以毫秒级的时间内完成温度的稳定控制，响应速度达到毫秒级。

附图说明

[0034] 图1为本发明结构示意图；

[0035] 图2为实施例冷却机构示意图；

[0036] 图3为实施例控制模块连接示意图；

[0037] 图4为实施例工作流程图。

具体实施方式

[0038] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0039] 在本实施例中，使用QQ DAQ 7017和PCI9221卡分别作为第一数据采集单元12和第二数据采集单元11，变频器和QQ DAQ 7042集电极开路输出组件分别作为第一输出单元18和作为第二输出单元13，K1电磁阀16作为第一电磁阀，K2电磁阀17作为第二电磁阀。

[0040] 如图1所示，本实施例包括：传感机构1、冷却机构2、控制模块3和执行机构4，其中：传感机构1的输出端与控制模块3的输入端相连接以传输传感信号，控制模块3的输出端与执行机构的输入端4相连接，执行机构4的输出端与冷却机构2的输入端相连接，冷却机构2的输出端与传感机构1的输入端相连接。冷却机构2的冷却液出入口分别与燃料电池组5的冷却液入出口相连接。控制模块3通过总线访问传感机构1，读取传感机构1的温度信号，判断温度信号是否报警和停止系统运行并待机处理；控制模块3进一步读取传感机构1的和执行机构传感器的温度信号的当前值，控制模块3根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调整冷却机构2冷却液流量和温度。

[0041] 如图1和图3所示，所述的传感机构1包括：流量传感器6、电机转速传感器7、第一温度传感器8、第二温度传感器9和角位移传感器10，其中：第一温度传感器8位于燃料电池组5的冷却液入口的接口内，第二温度传感器9位于燃料电池组5的冷却液出口接口内，角位移传感器10位于冷却机构2的三通阀门21内，流量传感器6串联于燃料电池组5的冷却液出口并输出至冷却机构2的冷却液箱23，电机转速传感器7位于液压泵22的动力源，即第二电机19的轴上，第一温度传感器6、第二温度传感器7、角位移传感器8、流量传感器9和电机转速传感器10的输出端与控制模块3的输入端相连接以输出传感信号。

[0042] 所述的传感信号包括：温度信号、流量信号、角位移信号和转速信号。

[0043] 所述的第一温度传感器8和第二温度传感器9分别测量燃料电池组5的冷却液入口温度和冷却液出口温度，该传感器量程为100摄氏度，输出信号为4～20mA，对应0℃～100℃。第一温度传感器8和第二温度传感器9分别输出温度信号至控制模块3。

[0044] 所述角位移传感器10位于冷却机构2的三通阀门21内，用于检测三通阀门21的当前位置。该传感器为不带显示的电流型模拟输出传感器，该传感器输出电流为4～20mA，对应角位移为-60°～+60°。角位移传感器10输出角位移信号至控制模块3。

[0045] 所述的流量传感器6串联于燃料电池组5的冷却液出口并输出至冷却机构2的冷却液输入端。该流量计为数字显示电流型模拟输出流量计，该流量计的输出电流为4～20mA，对应流量为0L/min～100L/min。流量传感器6输出流量信号至控制模块3。

[0046] 所述的电机转速传感器7位于液压泵的动力源，即第二电机19的轴上。该传感器每个周期输出600个脉冲，脉冲幅值为3.3V，占空比为50％；电机转速传感器7输出转速信号至决策单元15。

[0047] 如图1和图2所示，所述的冷却机构2包括：散热器24、冷却液箱23、液压泵22和三通阀门21，其中：冷却液箱23的入口接口与流量传感器6的出口端相连接，冷却液箱23的出口接口通过管道连接到液压泵22的入口接口处，液压泵22的出口接口分别并联三通阀门21的一端和散热器24的输入端，散热器24的输出端连接至三通阀门21的另一端，三通阀门21的输出端连接至燃料电池组5的冷却液入口接口处。

[0048] 所述的三通阀门21的阀门开启范围是0°～90°，通过执行机构调节三通阀门21的开启角度就可以调节来自于两输入端的冷却液的比例。从而调节燃料电池组5的冷却液入口的温度。

[0049] 如图1和图3所示，所述的控制模块3包括：数据采集单元25、通信单元31、决策单元15和输出单元28。其中：数据采集单元25的输入端与传感机构1的输出端相连接以传输传感信号，通信单元31的输入端和输出端分别连接数据采集单元25的输出端和决策单元15的输入端以传输传感信号，通信单元31另外与决策单元15相连接以传输脉冲信号，通信单元31与输出单元28的输入端相连接，输出单元28的输出端连接至执行机构4。

[0050] 所述的数据采集单元25包括：采集4～20mA电流信号的第一数据采集单元12，即QQ DAQ-7017和采集脉冲信号的第二数据采集单元11，即PCI9221，其中：第一数据采集单元12为8通道模拟量数据采集单元，该单元将采集到的传感信号送到决策单元15，第二数据采集单元11，即PCI9221为采集脉冲信号的单元，该单元将采集到的脉冲信号的脉宽(即脉冲的周期)直接送到决策单元15。

[0051] 所述的通信单元31包括串行总线14和串口转换器30。决策单元15的输出端——PC的232通信口与串口转换器30的232的一端相连接，串口转换器30的485的一端与串行总线14相连接。数据采集单元12、传感机构13和变频器18的通信端连接到串行总线14上。这里的串行总线通信方式，保证了系统的可扩展性，每个设备设置一个唯一的地址(地址从00～FF)，最多可以在串行总线上挂256个设备。决策单元15通过地址对这些设备进行访问。

[0052] 所述的决策单元15根据输出决策矩阵R，将数据采集单元25输入的第一温度传感器8和第二温度传感器9的温度信号、当前三通阀门21位置数据、电机转速传感器7的脉冲宽度数据、流量传感器6的流量数据以及间接得到的第一温度传感器8数据和第二温度传感器9数据的差、期望三通阀门21位置信号一起构成一个七维向量与输出决策矩阵共同决定输出决策数据，决策单元15将输出决策数据通过通信模块31输出至输出模块28。

[0053] 所述的输出决策数据包括：第一电磁阀16的开关状态、第二电磁阀17的开关状态、第二电磁阀17的开启时间和变频器18的频率值。

[0054] 所述的期望三通阀门21位置信号通过如下方式获得：期望的冷却液入口温度x(根据燃料电池组的性能要求而定)与三通阀门21的开启角度y之间有如下函数关系：

[0055] (其中的t7为燃料电池组冷却液出口处的温度的值)

[0056] 所述的输出决策矩阵R为：

[0057]

[0058] 所述的输出单元28包括：第一输出单元18和第二输出单元13，第一输出单元18为变频器输出单元，第二输出单元13为13路隔离集电极开路输出单元。变频器输出单元和集电极开路输出组件13用于控制执行机构的工作状态。

[0059] 如图3所示，所述的执行机构4包括：第一电机20、第二电机19、第一电磁阀16和第二电磁阀17，其中：第二电磁阀17的常开触点和常闭触点先交叉对接，然后连接到第一电机20的电源输入端，第二电磁阀17的公共端连接至第一电磁阀16的常开触点，第一电磁阀16的公共端连接24V电源的正负极，第一电磁阀16和第二电磁阀17的控制端连接至控制模块3以传输输出决策数据，第二电机19连接至第一输出单元18的输出端，第一输出单元18的输入端连接三相电源，第一输出单元18的控制端连接至控制模块3的串行总线14上。

[0060] 所述的第一电机20为可正反转的24V直流电机，该电机用作冷却机构2的三通阀门21的动力装置。

[0061] 所述的第二电机19为变频调速三相交流电机，该电机用作冷却机构2的液压泵22的动力装置。

[0062] 如图4所示，本实施例通过以下方式进行工作运行：

[0063] 第一步、系统启动后由决策单元15通过串行总线14访问传感机构25，读取第二温度传感器9的温度信号记为T7；

[0064] 第二步、判断T7是否大于二级报警值：

[0065] 1)当T7＞二级报警值时，说明系统处于异常运行状态，停止系统运行并待机处理。

[0066] 2)当T7≤二级报警值时，则进一步判断T7是否大于一级报警值，

[0067] 3)当T7＞一级报警值时，点亮系统一级报警指示灯并读取第一温度传感器8的温度信号记为T6；

[0068] 4)当T7≤一级报警值时，则读取第一温度传感器8的温度信号记为T6；

[0069] 第三步、判断T7-T6是否落入[T0，T1]范围内，其中T0为T7-T6允许的最小值，T1为T7-T6允许的最大值(本实施例的T0＝5，T1＝7)；

[0070] 1)当T7-T6＞T1(或者T7-T6＜T0)时，表明冷却液流量偏小(或者偏大)，读取流量传感器6的流量信号和电机转速传感器7的转速信号，将当前值送入决策单元15，决策单元15根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调整第一输出单元18的频率值，从而增大(或者减小)冷却液流量。然后再返回到第一步

[0071] 2)当T0≤T7-T6≤T1时，直接进入第四步

[0072] 第四步、判断T6是否落入[T60，T61]范围内，其中T60为冷却液入口温度要求的最小值，T61为冷却液入口温度要求的最大值；(本实施例的T60＝55，T61＝57)；

[0073] 1)当T6＞T61(或者T6＜T60)时，表明冷却液入口温度过高(或者过低)，读取角位移传感器10的当前角位移信号并送入决策单元15，决策单元15根据输出决策矩阵和当前值得到决策输出，调三通阀门21的开启角度，从而降低(或者升高)冷却入口的温度。然后再返回到第一步。

[0074] 2)当T60≤T6≤T61时，直接返回第一步。

[0075] 在对三通阀门21的控制中，把被控量，即阀门的开启角度通过线性变换到[-3，+3]的标准区间，步长取0.01，即将[-3，+3]这个区间600等分，每一小步对应于三通阀门转角为0.15度，如果0度时，冷却液全部来三通阀门的第二端，第二端的冷却液是冷却至常温25度的。90度时，冷却液全部来自于三通阀门21的第一端，第一端冷却液温度约为冷却液出口处的温度65度左右。这样，对三通阀21门每做一小步的调节，冷却液温度变化不大于(65-25)÷600＝0.067度，所以，本实施例的控制精度高，能够将温度误差控制在±0.1℃范围内。

[0076] 对于变频器18的控制，变频器18的频率调节范围是0～60Hz，对应于流量是0～100L/min，即，每做一步调节流量的改变量是1.67L/min

[0077] 对于图3中第一电机的控制：计算机通过第二输出单元13(QQ DAQ 7042)的两路开关量的输出来控制第一电机20的“正转”、“反转”和“停”三个状态。第一路开关量控制图1中K1的断开与闭合，输出为“1”时，K1闭合，此时可以对三通阀门进行调节。输出为“0”，此时不能对三通阀门21进行调节。第一电机20处于“停”的状态。第二路开关量输出用于控制第一电机20的“正转”和“反转”。输出“0”时，图4中第一电机“正转”，输出“1”时，图4中第一电机20“反转”。总结一下，可以得到两个开关量输出与图4中第一电机20状态的关系：“00” ，即“停”；“01”，即“停”；“10”，即“正转”；“11”，即“反转”。

[0078] 对于图3中的第二电机，使用变频器对其进行调速。对于变频器的控制，计算机将直接根据决策频率值，按照变频器接收频率的格式，即“开始符+地址+频率值+校验码+结束符”的格式，通过串行总线14，发送给第一输出单元18。

[0079] 本实施例能够将温度幅度控制在±0.1℃范围内，以毫秒级的时间内完成温度的稳定控制，响应速度达到毫秒级。