质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开一种质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及其控制方法，该系统在燃料电池测试平台的内外循环管路中安装液体流量控制器和热电偶，系统内部设定的板式换热器的换热量和检测出燃料电池堆运行时内循环水的温度流量和外循环水的温度反馈给温度流量控制仪控制外循环水管路上的液体流量控制器的流量，来控制内循环水的温度，从而控制燃料电池电堆的动态和稳态运行温度。

权利要求

1.质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统，包括燃料电池堆、内循环水部分和外循环水部分，所述内循环水部分包括与燃料电池堆连接的板式换热器、循环水箱和循环水泵，燃料电池堆的进水口与循环水泵出水口用管路连接，燃料电池堆的出水口与板式换热器的内循环水端的进水口用管路连接，板式换热器的内循环水端的出水口用管路与循环水箱连接，所述外循环水部分包括外循环冷却水进水管路和冷却水出水管路，外循环冷却水进水管路与板式换热器的外循环水端的进水口连接，外循环冷却水出水管路与板式换热器的外循环水端的出水口连接，其特征在于，所述内、外循环水部分包括两个流量控制器、两个热电偶和一个共用的温度流量控制仪，外循环水部分的流量控制器和热电偶串接在外循环冷却水进水管路与板式换热器的外循环水端的进水口之间连接的管路中，内循环水部分的流量控制器和热电偶串接在内循环燃料电池堆的进水口与循环水泵出水口用管路中，所述内、外循环冷却水部分的流量控制器和热电偶的电控部分与温度流量控制仪电连接，电子负载与温度流量控制仪电连接。

2.一种利用权利要求1所述的温度控制系统实现的控制方法，其包括以下步骤：

1)燃料电池电堆运行过程中，设定循环水箱内冷却水的温度为燃料电池电堆运行温度，循环水泵使冷却水在燃料电池电堆、循环水箱和板式换热器之间循环，设定内循环中液体流量控制器的流量；

2)热电偶和液体流量控制器时时检测循环水箱内冷却水的温度和流量，并将监测到的燃料电池堆的功率等级、温度和流量信号传输给温度流量控制仪，温度流量控制仪根据设定值对传输来的信号做成判断，并根据板式换热器的换热量、循环水泵与燃料电池堆之间和外循环冷却水检测温度及流量与设定温度差别通过比例-积分-微分方式调节液体流量控制器，调节外循环水的流量；

3)外循环水与内循环水通过板式换热器进行热交换，控制内循环水箱内冷却水的温度。

说明书

质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种燃料电池测试平台，尤其涉及一种测试质子交换膜燃料电池测试平台用的温度控制系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 当今全球能源紧张，油价高涨，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池被认为是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术，它通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。电极反应为：

[0003] 阳极（负极）：H2→2H++2e

[0004] 阴极（正极）：1/2O2+2H++2e→H2O

[0005] 电池反应：H2+1/2O2→H2O

[0006] 一个典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极放在两块导电的导流极板中间，两块导流板分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这样形成的一个燃料电池称为单电池，为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，需要将多个单电池通过直叠的方式串联成电池组，又叫燃料电池电堆。在燃料电池电堆中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。电堆通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起。

[0007] 燃料电池堆在运行时，对冷却温度要求比较高，在运行过程中一旦进入电堆的冷却水温度不能稳定的控制，则将导致电堆性能上的衰减和无法正常运行，对电堆本身造成极大的影响，需要为测试平台设计温度控制系统。

[0008] 中国专利申请号为200820232029.2的发明涉及一种新型燃料电池冷却系统，包括燃料电池堆、水箱、冷却水泵、散热器，冷却水泵出水口连接散热器高端入水口；散热器低端出水口连接燃料电池堆；散热器高端排气口连接球阀入水箱。本实用新型的优点是燃料电池冷却系统可以使系统加水迅速，运行时可提高散热效果，使冷却水泵工作性能更可靠。缺点在于控制散热器的响应速度慢不能精确的控制冷却水的温度，温度波动较大，长时间运行燃料电池堆时性能不稳定。

[0009] 中国专利申请号为201020595016.9的发明提供了一种质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统，包括燃料电池堆、与燃料电池堆连接的板式换热器、循环水箱、循环水泵、电磁阀和温控仪，电磁阀串接在外循环冷却水进水管路与板式换热器的外循环水端的进水口之间连接的管路中，电磁阀的电控部分与温控仪电连接，循环水箱中设有热电偶，热电偶用信号线与温控仪电连接。本实用新型与现有技术比较，具有以下有益效果：采用电磁阀通断方式调节外循环冷却水流量，可有效地保证燃料电池电堆运动态行过程中的温度稳定性，确保了电堆输出性能的稳定。缺点是通过电磁阀来控制外循环侧的水流量，在冷却水温度升高时才会通过控制电磁阀的开关来调节水温，这样的冷却方式不稳定，不能精确的控制冷却水温度。

[0010] 以上专利的增湿方式都存在缺陷：

[0011] 1.在冷却水温度超过到燃料电池堆运行要求时，才会启动系统进行冷却，系统的响应速度慢；

[0012] 2.在燃料电池堆稳定运行的情况下，冷却水温度波动较大对燃料电池堆的性能有影响；

发明内容

[0013] 本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出一种在燃料电池测试平台的内外循环管路中安装液体流量控制器和热电偶，系统内部设定的板式换热器的换热量和检测出燃料电池堆运行时内循环水的温度流量和外循环水的温度反馈给温度流量控制仪控制外循环水管路上的液体流量控制器的流量，来控制内循环水的温度的控制系统和控制方法，从而控制燃料电池电堆的动态和稳态运行温度。

[0014] 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0015] 本发明的质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统，包括燃料电池堆、内循环水部分和外循环水部分，所述内循环水部分包括与燃料电池堆连接的板式换热器、循环水箱和循环水泵，燃料电池堆的进水口与循环水泵出水口用管路连接，燃料电池堆的出水口与板式换热器的内循环水端的进水口用管路连接，板式换热器的内循环水端的出水口用管路与循环水箱连接，所述外循环水部分包括外循环冷却水进水管路和冷却水出水管路，外循环冷却水进水管路与板式换热器的外循环水端的进水口连接，外循环冷却水出水管路与板式换热器的外循环水端的出水口连接，所述内、外循环水部分包括两个流量控制器、两个热电偶和一个共用的温度流量控制仪，外循环冷却水部分的流量控制器和热电偶串接在外循环冷却水进水管路与板式换热器的外循环水端的进水口之间连接的管路中，内循环冷却水部分的流量控制器和热电偶串接在内循环燃料电池堆的进水口与循环水泵出水口用管路中，所述内、外循环冷却水部分的流量控制器和热电偶的电控部分与温度流量控制仪电连接，电子负载与温度流量控制仪电连接。

[0016] 本发明还提出一种质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统的控制方法，其包括以下步骤：1）燃料电池电堆运行过程中，设定循环水箱内冷却水的温度为燃料电池电堆运行温度，循环水泵使冷却水在燃料电池电堆、循环水箱和板式换热器之间循环，设定内循环中液体流量控制器的流量；2）热电偶和液体流量控制器时时检测循环水箱内冷却水的温度和流量，并将监测到的燃料电池堆的功率等级、温度和流量信号传输给温度流量控制仪，温度流量控制仪根据设定值对传输来的信号做成判断，并根据板式换热器的换热量、循环水泵与燃料电池堆之间和外循环冷却水检测温度及流量与设定温度差别通过比例-积分-微分(proportional-integral-derivative PID)方式调节液体流量控制器，调节外循环水的流量；3）外循环水与内循环水通过板式换热器进行热交换，控制内循环水箱内冷却水的温度。

[0017] 本发明与现有技术比较，具有以下有益效果：1、可控制进入燃料电池堆循环水的流量；2、根据板式换热器的换热量、循环水泵与燃料电池堆之间和外循环冷却水检测温度及流量与设定温度差别采用PID控制外循环水管路中液体流量控制器调节冷却水流量，可有效地保证燃料电池电堆运行过程中的温度稳定性，确保了电堆输出性能的稳定。

附图说明

[0018] 图1是本发明的系统原理图；

[0019] 附图中：1、热电偶，2、液体流量控制器，3、循环水泵，4、循环水箱，5、燃料电池电堆，6、温度流量控制仪，7、板式换热器，8、热电偶，9、液体流量控制器，10、冷却水进水管路，11、冷却水出水管路，12、冷却水进水口，13、冷却水出水口，14、电子负载。

具体实施方式

[0020] 下面通过结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0021] 如图1所示是本发明的系统原理图，包括燃料电池堆5、内循环水部分和外循环水部分，所述内循环水部分包括与燃料电池堆5连接的板式换热器7、循环水箱4和循环水泵3，燃料电池堆5的进水口与循环水泵3出水口用管路连接，燃料电池堆5的出水口与板式换热器7的内循环水端的进水口用管路连接，板式换热器7的内循环水端的出水口用管路与循环水箱4连接，外循环水部分包括外循环冷却水进水管路10和冷却水出水管路11，外循环冷却水进水管路10与板式换热器7的外循环水端的进水口连接，外循环冷却水出水管路11与板式换热器7的外循环水端的出水口连接，内循环水部分包括液体流量控制器2、热电偶1和一个温度流量控制仪6，外循环水部分包括液体流量控制器9、热电偶8和一个温度流量控制仪6，液体流量控制器9和热电偶8串接在外循环冷却水进水管路10与板式换热器7的外循环水端的进水口之间连接的管路11中，液体流量控制器2和热电偶1串接在内循环燃料电池堆的进水口12与循环水泵3出水口用管路中，内外循环冷却水部分的液体流量控制器2、9和热电偶1、8的电控部分与温度流量控制仪6电连接，电子负载14与温度流量控制仪电连接。

[0022] 利用上述所述的控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：1）燃料电池电堆运行过程中，设定循环水箱内冷却水的温度为燃料电池电堆5运行温度，循环水泵3使冷却水在燃料电池电堆5、循环水箱4和板式换热器7之间循环，设定内循环中液体流量控制器9的流量；2）热电偶8和液体流量控制器9时时检测循环水箱4内冷却水的温度和流量，并将监测到的燃料电池堆的功率等级、温度和流量信号传输给温度流量控制仪6，温度流量控制仪6根据设定值对传输来的信号做成判断，并根据板式换热器7的换热量、循环水泵3与燃料电池堆5之间和外循环冷却水检测温度及流量与设定温度差别通过比例-积分-微分(proportional-integral-derivative PID)方式调节液体流量控制器9，调节外循环水的流量；
3）外循环水与内循环水通过板式换热器7进行热交换，控制内循环水箱内冷却水的温度。

[0023] 但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。