一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水冷型燃料电池电堆的热管理系统结构及其控制方法，具体是指一种为控制水冷型质子交换膜燃料电池电堆温度的简单有效的热管理系统以及控制方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的发电装置，其中以质子交换膜燃料(PEMFC)电池运用最为广泛。PEMFC具有高效、清洁、环境友好特点，可用于电动汽车、分布式发电站、航空、军工、民用等各个领域，具有十分广阔的应用的前景。
[0003]PEMFC在发电过程中会产生与电能相当的热能，如果不能及时有效的排除产生的热能将会导致电堆温度升高，高温虽然能够提高电极反应，提高催化活性，但是过高的温度会导致质子交换膜干燥，降低膜的性能，从而降低PEMFC的输出特性和使用寿命，更进一步，如果温度失控，将会威胁系统以及工作人员的安全。因此对燃料电池的热管理系统及其控制方法的研宄是及其重要的。
[0004]传统的热管理系统结构如图4所示，主要由电堆410、散热器420、三通阀430、冷却循环泵440、分流阀450、温度传感器460、系统控制器470、负载480组成。
[0005]传统的热管理系统的工作原理是测定燃料电池电堆的出口的冷却水温度，如果冷却水温度超过设定的目标值，则打开三通阀散热器所在的通路。通过散热器温度降低的冷却水与直接流向三通阀温度几乎不变的冷却水混合后，形成温度适当的混合冷却水，在冷却水泵的带动下进入电堆，进入下一个循环。
[0006]在传统的热管理技术中，为了保证进入电堆的冷却水具有一个合适的温度，需要精确控制三通阀与散热器风扇。即通过控制散热器风扇使温度较高的冷却水经过散热器后温度降低，同时通过控制三通阀使从散热器侧流动的温度较低的冷却水和从分流阀直接流向三通阀的冷却水按一定比例分配，充分混合。从而得到满足要求的冷却水。由于需要两种不同温度的冷却水混合，为了保证最终冷却水进堆温度适当，首先就要保证冷却水的混合比例是否恰当，其次是考虑温度混合的物理响应时间，否则将会导致冷却水难以保持适当的温度。
[0007]中国专利[CN 103872357A]，提出了经过改善的结构简单的热管理系统，主要由具备COD整合的散热器；冷却泵、电堆以及温度传感器。
[0008]其主要工作原理是测定从电堆排出的冷却水温度，根据温度运行加热器，再根据温度调节冷却水泵，使冷却水流入电堆。当冷却水温度低于目标温度时，加热器运行加热冷却水，同时调节冷却泵，以低转速驱动而使低流量冷却水流入电堆。当冷却水温度高于目标温度时，通过调节冷却水泵，以高转速驱动而使高流量的冷却水流入电堆。
[0009]虽然相对于传统的热管理系统系统而言，该系统只需控制通过冷却泵的冷却水流量即可控制堆的温度而更加简单地实施燃料电池堆的热管理。但是不论是传统的系统还是改良的系统主要关注的对冷却水出堆温度的精确控制，而忽略的对冷却水进堆温度的精确控制；其次在热管理系统自动控制过程中散热器风扇和冷却水循环泵之间的控制存在耦合现象，容易导致电堆温度，冷却水流速、风扇控制电压产生振荡，如图5b所示；然后高温的冷却水出电堆后直接进入散热器，当燃料电池输出功率发生改变的时，将会导致冷却水出堆温度发生改变，这是就需要实时的改变风扇以及水泵控制电压，特别是输出功率发生大幅变化时，对控制精度要求更加明显，增加了散热器风扇的转速的不断振荡；最后，质子交换膜燃料电池对气路、水路之间的压力要求更加严格，传统的控制方法，没有考虑压力的因素，冷却水的压力不能良好控制，如图5c所示。本发明针对目前水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统存在不足，开发水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法。
[0010]注:在冷却水循环过程中，通过调节循环水泵的转速控制电堆冷却水进出口的温差，调节散热器风扇转速控制电堆冷却水入口的温度值。在传统的温度控制方法中，需要设定好电堆冷却水入口温度与出口温度(或者出入口的温差)，所以在调节过程中，风扇和水泵的调节极易出现耦合现象，延长调节时间。比如在电堆输出功率突然增大的情况下，系统先检测到电堆冷却水出口温度升高，那么需要调节冷却水泵的转速以满足设定的冷却水出口温度(或出入口的温差)，但水流速增大的同时，散热器出口即电堆冷却水入口的温度也会随即提升，需要增大风扇转速用以降低冷却水入口温度达到设定值。而此时又引起了电堆冷却水出入口的温差的变化，所以这种传统的控制方式存在较强的耦合性。
【发明内容】
[0011]本发明的目的主要是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，更利于控制的水冷型质子交换膜燃料电池的热管理系统及其控制方法。
[0012]为了实现上述目的本发明的采用的技术方案如下:
一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统，
所述的热管理系统如图1表示，主要组成结构为:电堆、水箱、冷却水循环泵、散热器、温度传感器、压力传感器、温度控制器、电子负载。所述的冷却水循环泵的入口通过管路与水箱的出口相连，循环泵的出口通过管路与散热器冷却水入口相连，散热器冷却水出口通过管路与电堆的冷却水入口相连，电堆冷却水出口通过管路与水箱入口相连；在电堆与散热器之间添加温度传感器与压力传感器，在电堆与水箱之间添加温度传感器。
[0013]电堆，根据负载需求，给负载提供电能，并产生大约相同能量的热量。
[0014]水箱，存储冷却水，同时缓冲进入散热器的冷却水温度，并在燃料电池启动阶段利用其中的加热装置给冷却水加热。
[0015]冷却水循环泵，控制冷却水的流速。
[0016]散热器，降低进入散热器的冷却水温度。
[0017]温度传感器，测量电堆入口与出口冷却水的温度。
[0018]压力传感器，测量电堆入口冷却水的压力。
[0019]温度控制器，控制整个热管理系统正常运行。
[0020]电子负载，消耗燃料电池产生的电能。
[0021]一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理控制方法，
对冷却水泵的控制是根据空气入口压力来确定，在冷却水入口压力和空气入口压力差值目标量固定的情况下，不再考虑电堆的温度；对散热器风扇的控制是根据冷却水入口温度来确定。冷却水泵与散热器风扇采用不同的控制依据，实现系统解耦。
[0022]在燃料电池正常工作过程中，散热器风扇的旋转速度与电堆入口冷却水的温度成比例调节，冷却水循环泵的旋转速度与电堆入口冷却水的压力成比例调节。
[0023]当所述的电堆入口冷却水温度高于温度阈值时，散热器风扇转速将会加快，使较高流量的冷空气经过散热器；当所述的电堆入口冷却水温度低于温度阈值时，散热器风扇转速减慢，使较低流量对冷空气经过散热器。
[0024]当所述的电堆入口冷却水压力高于压力阈值时，冷却水循环泵旋转将会减慢，使较低流量的冷却水流入燃料电池电堆；当所述的电堆入口冷却水压力低于压力阈值时，冷却水循环泵转速将会加快，使较高流量的冷却水流入燃料电池电堆。
[0025]本发明和现有技术相比具有以下优点:水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统，在减少了三通阀和分流阀，增加水箱和压力传感器的基础上优化系统结构。更加易于控制冷却水的温度同时增加压力控制，确保电堆内部极板的受力平衡，阻止冷却水中的乙二醇进入催化层，减少对催化层的毒化作用。又只需通过控制散热器风扇的转速就可控制冷却水的温度，通过控制冷却泵的冷却水流量就可控制冷却水的压力，使温度响应速度变快，超调量变小，系统不出现耦合现象，从而使整个热管理系统稳定与安全。
【附图说明】
[0026]图1是本发明实施例提供的一种的水冷型燃料电池热管理系统结构图
图2是本发明实施例提供的一种的水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统的控制方法的流程图
图3a_3c是根据本发明的控制方法实施的燃料电池热管理系统操作曲线图图4是传统的热管理系统结构图图5a_5c是根据传统的热管理控制方法实施的燃料电池热管理系统操作曲线图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明更加容易理解，下面结合附图对本发明的水冷型质子交换膜燃料电池的热管理系统及其控制方法做进一步的阐述，但附图中的实施例不能够成对本发明的任何限制。
[0028]如图1所示，本发明的实施例水冷型质子交换膜燃料电池的热管理系统主要包括以下几个主要部件:电堆110、带有加热装置的水箱120、冷却水循环泵130、散热器140、冷却水入堆温度传感器150、冷却水出堆温度传感器160、冷却水入堆压力传感器170、热管理系统的控制器180。
[0029]电堆110主要作用是根据负载的需求给负载提供电能。在供电的同时产生大约与电能相等废热。
[0030]水箱120主要作用是存储冷却水；其次是缓冲由于负载突然变换引起散热器的冷却水入口温度快速变化的趋势，减小散热器140的工作压力，减少散热器风扇141剧烈抖动从而保证进入电堆的冷却水温度精度更高；最后在水箱上加热装置121可以在燃料电池启动阶段可以快速的将冷却水加热