利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置及方法
【专利摘要】本发明公开了利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置及方法，装置包括：冷却单元、电力变换单元和监控单元；冷却单元的冷却水回路与热交换器相连给热电转换器件组的多个热电器件提供热端温度，热电转换器件组中多个热电器件的冷端由散热片降温从而构建温差产生直流电能;电力变换单元给冷却装置的各部件供电，并对热电转换器件组产生的直流电能进行变换给各个部件供电；监控单元监测燃料电池系统冷却装置的各种参数和状态,进行显示和报警提示，并控制相关执行部件。该装置充分利用了冷却水带出燃料电池电堆的热量进行发电，同时给启动电池充电和其它相关部件供电，提高了燃料电池系统的效率，适用于各种大功率燃料电池系统的应用场合。
【专利说明】利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大功率燃料电池系统冷却【技术领域】，涉及一种燃料电池系统冷却装置及方法，尤其涉及一种利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置及方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]燃料电池由于其工作温度低、清洁、高效等优点普遍应用于固定电站、备用电源和新能源汽车动力系统上。目前，大功率燃料电池系统的额定功率通常为几十千瓦到几百千瓦，大多采用冷却水方式进行冷却，其最大发电效率约为50%，其余能量以冷却水中的热量方式带出，而这些热量未加任何利用直接采用冷却风扇进行降温冷却，造成了较大的能量浪费，若能对这些废热进行回收利用发电，然后给冷却装置中其它部件进行供电，将大大提高燃料电池系统的总体效率。
[0004]
【发明内容】
[0005]为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种能对废热进行回收利用发电、然后给冷却装置中其它部件进行供电的冷却装置及方法。
[0006]本发明的装置所采用的技术方案是:一种利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置，其特征在于:包括冷却单元、电力变换单元和监控单元；所述的冷却单元的冷却水回路与热交换器相连，流出燃料电池电堆的高温冷却水与热交换器进行热交换给热电转换器件组中的多个热电器件提供热端温度，热电转换器件组中多个热电器件的冷端与散热片紧密相连，由于散热片的冷却作用构建多个热电器件的冷热端温差产生直流电能，流过热交换器后的冷却水由散热器进行冷却后进入燃料电池电堆；所述的电力变换单元给整个装置中的各电子部件供电，并对热电转换器件组产生的直流电能进行电压和电流变换后给启动电池充电或给其它部件供电；所述的监控单元监测整个装置的各种参数和状态，向上位机或远程监控中心发送这些信息，并控制相关冷却单元和电力变换单元中相关执行部件的工作状态。
[0007]作为优选，所述的冷却单元由燃料电池电堆、出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、水泵、散热器、第一散热片、第二散热片、第一热电转换器件组、第二热电转换器件组、热交换器构成；燃料电池电堆的出口与出堆温度传感器Tl相连，然后与水泵的入口相连，水泵的出口与热交换器的入口相连；热交换器的上下表面分别与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的热端相连，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的冷端分别与第一散热片和第二散热片相连；第一热电转换器件组和第二热电转换器件组中的所有热电器件全部串联共同作为直流总输出端；热交换器的出口通过管道依次与散热器和进堆温度传感器T2相连，然后与燃料电池电堆的入口相连。
[0008]作为优选，所述的电力变换单元由电压传感器V、电流传感器A、第一 DC/DC、第二DC/DC、启动电池、管理单元、变频器构成；电压传感器V与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端正负极并联，电流传感器A与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端正极串联后与第一 DC/DC的输入端正极相连，第一 DC/DC的输入端负极与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端负极相连；第一DC/DC的输出端分别与启动电池、第二 DC/DC的输入端和散热器的供电端相连；启动电池通过信号线和数据线与管理单元相连;第二 DC/DC的输出端与变频器的输入端相连，变频器的输出端与水泵的供电输入端相连。
[0009]作为优选,所述的监控单兀由CAN模块、电源模块、D/A输出模块、I/O输出模块、声光报警电路、GPRS模块、A/D转换模块、SCI模块、微控制器(MCU)、上位机构成；CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的第一 DC/DC和管理单元相连进行通讯；电源模块的输入端与电力变换单兀中第一 DC/DC的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器(MCU)相连；D/A输出模块与电力变换单元中变频器的信号控制端相连；I/O输出模块分别与散热器和声光报警电路相连;A/D转换模块的信号输入端分别与出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、电压传感器V和电流传感器A相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器(MCU)相连；SCI模块通过RS232/485总线与上位机相连；微控制器(MCU)通过GPRS模块与远程监控中心相连。
[0010]本发明的方法所采用的技术方案是:一种利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却的方法，其特征在于:燃料电池电堆在工作时，若出堆温度传感器Tl的值大于设定的阈值H1，监控单元通过D/A输出模块给变频器输出电压信号控制变频器的输出电压频率来调节水泵的转速，通过I/O输出模块控制散热器中冷却风扇的开关数量实现对燃料电池电堆出堆冷却水的冷却，使进堆温度传感器T2的值低于或等于设定的阈值H2 ;当出堆温度传感器Tl的值高于室温时，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组由于冷热端温差产生直流电势，当直流电势大于第一 DC/DC的输出端电压时，监控单元通过CAN总线向第一DC/DC发送开关命令使其启动，然后通过CAN总线接收管理单元发送过来的有关启动电池的SOC值、输出电压和输出电流信息，并向第一 DC/DC发送输出目标电流命令实现启动电池和第一热电转换器件组、第二热电转换器件组之间的能量流分配，给第二 DC/DC进行供电；所述的监控单元通过A/D转换模块实时采集出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、电压传感器V、电流传感器A的值，通过CAN总线接收管理单元和第一 DC/DC发送过来的启动电池的SOC值、输出电压、输出电流和温度参数，通过RS232/485向上位机发送上述信息进行实时显示，同时利用GPRS模块向远程监控中心进行通讯发送上述各种信息，当上述各种参数超出所设定的正常值范围时，微控制器(MCU)通过I/O输出模块驱动声光报警电路进行报警提示。
[0011]本发明充分利用了多个热电器件吸收冷却水的废热进行发电给启动电池、变频器和散热器进行供电，降低了启动电池的容量，大大提高了燃料电池系统的效率，该装置通过GPRS模块向远程监控中心发送燃料电池系统冷却装置的各种过程参数和工作状态等信息，利用上位机进行实时显示，当相关部件处于不正常工作状态时进行声光报警提示。该装置智能化程度高、实时性强、清洁高效，适合于各种大功率燃料电池系统的冷却水废热回收发电，并给其辅助系统设备的应用场合。
[0012]
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1:为本发明实施例的整体结构原理框图。
[0014]图2:为本发明实施例的第一热电转换器件组在热交换器上表面的布局与电气连接示意图。
[0015]图3:为本发明实施例的第二热电转换器件组在热交换器下表面的布局与电气连接示意图。
[0016]
【具体实施方式】
[0017]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]请见图1，本发明的装置所采用的技术方案是:一种利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置，包括冷却单元、电力变换单元和监控单元；冷却单元由燃料电池电堆、出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、水泵、散热器、第一散热片、第二散热片、第一热电转换器件组、第二热电转换器件组、热交换器构成；燃料电池电堆的出口与出堆温度传感器Tl相连，然后与水泵的入口相连，水泵的出口与热交换器的入口相连；热交换器的上下表面分别与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的热端相连，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的冷端分别与第一散热片和第二散热片相连；第一热电转换器件组和第二热电转换器件组中的所有热电器件全部串联共同作为直流总输出端；热交换器的出口通过管道依次与散热器和进堆温度传感器T2相连，然后与燃料电池电堆的入口相连；电力变换单元由电压传感器V、电流传感器A、第一 DC/DC、第二 DC/DC、启动电池、管理单元、变频器构成；电压传感器V与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端正负极并联，电流传感器A与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端正极串联后与第一 DC/DC的输入端正极相连,第一 DC/DC的输入端负极与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端负极相连；第一 DC/DC的输出端分别与启动电池、第二 DC/DC的输入端和散热器的供电端相连；启动电池通过信号线和数据线与管理单元相连；第二 DC/DC的输出端与变频器的输入端相连，变频器的输出端与水泵的供电输入端相连；监控单元由CAN模块、电源模块、D/A输出模块、I/O输出模块、声光报警电路、GPRS模块、A/D转换模块、SCI模块、微控制器(MCU)、上位机构成；CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的第一 DC/DC和管理单元相连进行通讯；电源模块的输入端与电力变换单元中第一 DC/DC的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器(MCU)相连；D/A输出模块与电力变换单元中变频器的信号控制端相连；1/0输出模块分别与散热器和声光报警电路相连;A/D转换模块的信号输入端分别与出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、电压传感器V和电流传感器A相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器(MCU)相连；SCI模块通过RS232/485总线与上位机相连；微控制器(MCU)通过GPRS模块与远程监控中心相连。
[0019]请见图2，为本实施例的第一热电转换器件组在热交换器上表面的布局与电气连接示意图，第一热电转换器件组由N个热电器件组成，从冷却水入口向冷却水出口方向的热交换器上表面依次与第一到第η热电器件的热端相连，第一热电器件的负极与第二热电器件的正极相连，以此类推，第η-1热电器件的负极与第η热电器件的正极相连，第η热电器件的负极与第η+1热电器件的正极相连。
[0020]请见图3，为本实施例的第二热电转换器件组在热交换器下表面的布局与电气连接示意图，第二热电转换器件组由N个热电器件组成，从冷却水入口向冷却水出口方向的热交换器下表面依次与第η+1到第2η热电器件的热端相连，第η+1热电器件的负极与第η+2热电器件的正极相连，以此类推，第2η-1热电器件的负极与第2η热电器件的正极相连，最终以第一热电器件的正极和第2η热电器件的负极共同作为第一热电转换器件和第二热电转换器件组的直流总输出端。
[0021]本发明的装置工作原理为:
燃料电池电堆在工作时，若出堆温度传感器Tl的值大于设定的阈值Η1，监控单元通过D/A输出模块给变频器输出电压信号控制变频器的输出电压频率来调节水泵的转速，通过I/O输出模块控制散热器中冷却风扇的开关数量实现对燃料电池电堆出堆冷却水的冷却，使进堆温度传感器Τ2的值低于或等于设定的阈值Η2 ；
当出堆温度传感器Tl的值高于室温时，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组由于冷热端温差产生直流电势，当直流电势大于第一 DC/DC的输出端电压时，监控单元通过CAN总线向第一 DC/DC发送开关命令使其启动，然后通过CAN总线接收管理单元发送过来的有关启动电池的SOC值、输出电压和输出电流信息，并向第一 DC/DC发送输出目标电流命令实现启动电池和第一热电转换器件组、第二热电转换器件组之间的能量流分配，给第二 DC/DC进行供电；
所述的监控单元通过A/D转换模块实时采集出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器Τ2、电压传感器V、电流传感器A的值，通过CAN总线接收管理单元和第一 DC/DC发送过来的启动电池的SOC值、输出电压、输出电流和温度参数，通过RS232/485向上位机发送上述信息进行实时显示，同时利用GPRS模块向远程监控中心进行通讯发送上述各种信息，当上述各种参数超出所设定的正常值范围时，微控制器(MCU)通过I/O输出模块驱动声光报警电路进行报警提示。
[0022]本实施例冷却单元的冷却水回路与热交换器相连给第一热电转换器件组和第二热电转换器件组中多个串联的热电器件提供热端温度，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组中多个串联热电器件的冷端由散热片降温从而构建温差产生直流电能；电力变换单元给冷却装置的各部件供电，并对第一热电转换器件组和第二热电转换器件组产生的直流电能进行变换给各个部件充电；监控单元监测燃料电池系统冷却装置的各种参数和状态，进行显示和报警提示，并控制相关执行部件的工作状态。
[0023]本发明的冷却装置，通过在冷却水回路中增加热交换器进行冷却水的热量热传输，利用热电器件吸收冷却水的热量，由于散热片的冷却作用构建温差实现一定程度的冷却水废热发电给循环水泵供电，一方面降低了启动电池的容量，另一方面提高了燃料电池系统的效率。具有清洁、高效、可靠性强的优点。
[0024]尽管本说明书较多地使用了燃料电池电堆、出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器Τ2、水泵、散热器、第一散热片、第二散热片、第一热电转换器件组、第二热电转换器件组、热交换器、电压传感器V、电流传感器Α、第一DC/DC、第二DC/DC、启动电池、管理单元、变频器、CAN模块、电源模块、D/A输出模块、I/O输出模块、声光报警电路、GPRS模块、A/D转换模块、SCI模块、微控制器(MCU)、上位机等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0025]应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0026]应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置，其特征在于:包括冷却单元、电力变换单元和监控单元； 所述的冷却单元的冷却水回路与热交换器相连，流出燃料电池电堆的高温冷却水与热交换器进行热交换给第一热电转换器件组和第二热电转换器件组中的多个热电器件提供热端温度，热电转换器件组中多个热电器件的冷端与散热片紧密相连，由于散热片的冷却作用构建多个热电器件的冷热端温差产生直流电能，流过热交换器后的冷却水由散热器进行冷却后进入燃料电池电堆； 所述的电力变换单元给整个装置中的各电子部件供电，并对第一热电转换器件组和第二热电转换器件组产生的直流电能进行电压和电流变换后给启动电池充电或给其它电子部件供电； 所述的监控单元监测整个装置的各种参数和状态，向上位机或远程监控中心发送这些信息，并控制冷却单元和电力变换单元中执行部件的工作状态。
2.根据权利要求1所述的利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置，其特征在于:所述的冷却单元由燃料电池电堆、出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、水泵、散热器、第一散热片、第二散热片、第一热电转换器件组、第二热电转换器件组、热交换器构成；燃料电池电堆的出口与出堆温度传感器Tl相连，然后与水泵的入口相连，水泵的出口与热交换器的入口相连；热交换器的上下表面分别与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的热端相连，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的冷端分别与第一散热片和第二散热片相连；第一热电转换器件组和第二热电转换器件组中的所有热电器件全部串联共同作为直流总输出端；热交换器的出口通过管道依次与散热器和进堆温度传感器T2相连，然后与燃料电池电堆的入口相连。
3.根据权利要求2所述的利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置，其特征在于:所述的电力变换单元由电压传感器V、电流传感器A、第一 DC/DC、第二 DC/DC、启动电池、管理单元、变频器构成；电压传感器V与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端的正负极并联，电流传感器A与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端正极串联后与第一 DC/DC的输入端正极相连，第一 DC/DC的输入端负极与第一热电转换器件组和第二热电转换器件组的直流总输出端负极相连；第一 DC/DC的输出端分别与启动电池、第二 DC/DC的输入端和散热器的供电端相连；启动电池通过信号线和数据线与管理单元相连；第二 DC/DC的输出端与变频器的输入端相连，变频器的输出端与水泵的供电输入端相连。
4.根据权利要求3所述的利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置，其特征在于:所述的监控单兀由CAN模块、电源模块、D/A输出模块、I/O输出模块、声光报警电路、GPRS模块、A/D转换模块、SCI模块、微控制器(MCU)、上位机构成；CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的第一 DC/DC和管理单元相连进行通讯；电源模块的输入端与电力变换单兀中第一 DC/DC的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器(MCU)相连；D/A输出模块与电力变换单元中变频器的信号控制端相连；1/0输出模块分别与散热器和声光报警电路相连;A/D转换模块的信号输入端分别与出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、电压传感器V和电流传感器A相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器(MCU)相连；SCI模块通过RS232/485总线与上位机相连；微控制器(MCU)通过GPRS模块与远程监控中心相连。
5.一种利用权利要求4所述的利用热电转换技术的大功率燃料电池系统冷却装置对利用热电转换技术的大功率燃料电池系统进行冷却的方法，其特征在于: 燃料电池电堆在工作时，若出堆温度传感器Tl的值大于设定的阈值H1，监控单元通过D/A输出模块给变频器输出电压信号控制变频器的输出电压频率来调节水泵的转速，通过I/O输出模块控制散热器中冷却风扇的开关数量实现对燃料电池电堆出堆冷却水的冷却，使进堆温度传感器T2的值低于或等于设定的阈值H2 ； 当出堆温度传感器Tl的值高于室温时，第一热电转换器件组和第二热电转换器件组由于冷热端温差产生直流电势，当直流电势大于第一 DC/DC的输出端电压时，监控单元通过CAN总线向第一 DC/DC发送开关命令使其启动，然后通过CAN总线接收管理单元发送过来的有关启动电池的SOC值、输出电压和输出电流信息，并向第一 DC/DC发送输出目标电流命令实现启动电池和第一热电转换器件组、第二热电转换器件组之间的能量流分配，给第二 DC/DC和散热器进行供电； 所述的监控单元通过A/D转换模块实时采集出堆温度传感器Tl、进堆温度传感器T2、电压传感器V、电流传感器A的值，通过CAN总线接收管理单元和第一 DC/DC发送过来的启动电池的SOC值、输出电压、输出电流和温度参数，通过RS232/485向上位机发送上述信息进行实时显示，同时利用GPRS模块向远程监控中心进行通讯发送上述各种信息，当上述各种参数超出所设定的正常值范围时，微控制器(MCU)通过I/O输出模块驱动声光报警电路进行报警提示。
【文档编号】H01M8/04GK104201406SQ201410466589
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】全睿 申请人:湖北工业大学