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CN102013504A - 质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及控制方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及控制方法 Download PDF

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燕希强
单金环
孙昕
侯中军
明平文
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Sunrise Power Co Ltd
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Abstract

质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及控制方法，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。本发明与现有技术比较，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。

Description

质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池电堆测试领域。
背景技术
燃料电池电堆运行是一个复杂的物理化学过程，在进行燃料电池输出性能测试时，不同运行参数和外界环境条件都对其有影响，其中燃料电池运行温度是一个重要的影响参数。目前，在燃料电池测试平台上进行测试时，燃料电池运行温度的控制主要是通过控制外循环冷却水来实现对内循环冷却水温度的控制，通过精确控制外循环冷却水的流量，达到控制内循环冷却水的温度的目的，进而控制燃料电池运行温度。现有技术中，外循环冷却水流量的控制，有两种方法，一是用流量控制仪控制外循环冷却水流量，二是手动阀手动控制外循环冷却水的流量。现有技术的不足是：用流量控制仪控制冷却水流量，流量控制仪价格昂贵，成本比较高；通过手动阀手动控制外循环水的流量，成本较低，但控制精度不够，无法满足燃料电池堆动态运行测试过程中的温度控制。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出一种在在燃料电池测试平台的外循环管路中安装电池阀，通过控制外循环水管路上的电磁阀的通断，来控制内循环水的温度的方法，从而控制燃料电池电堆的动态运行温度。
本发明的技术方案是：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，其特征在于所述外循环水部分还包括一个电磁阀和一个温控仪，电磁阀串接在外循环水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，所述内循环水部分的循环水箱中设有热电偶，热电偶用信号线与温控仪电连接。
本发明所述一种质子交换膜燃料电池堆运行温度控制系统的控制方法包括以下步骤：
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；热电偶时时检测循环水箱内冷却水的温度，并将监测到的温度信号传输给温控仪，温控仪根据温度设定值对传输来的信号做成判断，并根据冷却水箱冷却水检测温度与设定温度差别通过比例-积分-微分(proportional-integral-derivative PID)方式调节电磁阀的通断，调节外循环水的流量；外循环水与内循环水通过板式换热器进行热交换，控制内循环水水箱内冷却水的温度。
本发明与现有技术比较，具有以下有益效果：采用PID控制外循环水管路中电磁阀通断，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
本发明共有两张附图，其中：
图1是燃料电池电堆运行温度控制流程图，
图2是燃料电池电堆动态运行过程中的温度变化曲线图。
附图中：1、循环水泵，2、循环水箱，3、板式换热器，4、电磁阀，5、燃料电池电堆，6、温控仪，7、热电偶，8、冷却水进水管路，9、冷却水出水管路，10、冷却水进水口，11、冷却水出水口。
燃料电池电堆动态运行过程中的温度变化曲线图中，带圆点的曲线是燃料电池电堆输出电流曲线，带菱形点的曲线是燃料电池电堆温度曲线。
具体实施方式
以下所述的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。
实施例1
是应用在燃料电池测试平台中的冷却系统中。包括燃料电池堆5、内循环水部分和外循环水部分，内循环水部分包括与燃料电池堆连接的板式换热器3、循环水箱2和循环水泵1，燃料电池堆5的进水口与循环水泵1出水口用管路连接，燃料电池堆5的出水口与板式换热器3的内循环水端的进水口用管路连接，板式换热器3的内循环水端的出水口用管路与循环水箱2连接，外循环水部分包括外循环冷却水进水管路8和冷却水出水管路9，外循环冷却水进水管路8与板式换热器3的外循环水端的进水口连接，外循环冷却水出水管路9与板式换热器3的外循环水端的出水口连接，外循环水部分还包括个电磁阀4和一个温控仪6，电磁阀4串接在外循环水冷却水进水管路8与板式换热器3的外循环水端的进水口之间连接的管路中，电磁阀4的电控部分与温控仪6电连接，内循环水部分的循环水箱3中设有热电偶7，热电偶7用信号线与温控仪6电连接。
本实施例的测试过程如下：将燃料电池电堆安装在测试平台中，进行气路、水路、负载的连接，使燃料电池电堆处于可测试状态，然后打开测试用气源、外循环水水源、内循环水泵和测试平台的电源以及燃料电池测试专业软件，设定燃料电池电堆运行温度(循环水箱2冷却水温度)为60oC，燃料电池反应气增湿温度为55oC，反应气进电堆温度为60oC，按照空气化学计量比为2.5设定空气气量，氢气给定50kpa压力，采用脉冲方式排气；然后进行燃料电池电堆动态性能测试。测试过程中燃料电池电堆对外输出的电能不断变化，测试过程中产生的热能也不断变化，当循环水箱2内冷却水温度高于设定电池运行温度60oC时，通过温控仪6控制电磁阀4打开，外循环水进入板式换热器3冷却内循环水温度，当循环水箱2内冷却水温度降低于设定温度，电磁阀4断开，外循环水停止进入板式换热器3，停止对内循环水的冷却。运行过程中采用PID控制方式控制外循环管路中电磁阀4的通和断，调节外循环水进入板式换热器3的冷却水流量，可以精确控制燃料电池电堆的动态运行温度。测试结果显示，燃料电池电堆动态运行过程中电堆运行温度波动小于±1℃，确保了燃料电池动态运行过程中的运行温度稳定性。燃料电池电堆动态运行过程中的温度变化曲线如图2。

Claims (2)

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(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(3)、循环水箱(2)和循环水泵(1)，燃料电池堆(5)的进水口与循环水泵(1)出水口用管路连接，燃料电池堆(5)的出水口与板式换热器(3)的内循环水端的进水口用管路连接，板式换热器(3)的内循环水端的出水口用管路与循环水箱(2)连接，所述外循环水部分包括外循环冷却水进水管路(8)和冷却水出水管路(9)，外循环冷却水进水管路(8)与板式换热器(3)的外循环水端的进水口连接，外循环冷却水出水管路(9)与板式换热器(3)的外循环水端的出水口连接，其特征在于所述外循环水部分还包括一个电磁阀(4)和一个温控仪(6)，电磁阀(4)串接在外循环冷却水进水管路(8)与板式换热器(3)的外循环水端的进水口之间连接的管路中，电磁阀(4)的电控部分与温控仪(6)电连接，所述内循环水部分的循环水箱(2)中设有热电偶(7)，热电偶(7)用信号线与温控仪(6)电连接。
2.权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池堆运行温度控制系统的控制方法，其特征在于所述控制方法包括以下步骤：
燃料电池电堆运行过程中，设定循环水箱(2)内冷却水的温度为燃料电池电堆(5)运行温度，热电偶(7)时时检测循环水箱内冷却水的温度，并将监测到的温度信号传输给温控仪(6)，温控仪(6)根据温度设定值对传输来的信号做成判断，并根据冷却水箱冷却水检测温度与设定温度差别通过比例-积分-微分(proportional-integral-derivative PID)方式调节电磁阀(4)的通断，从而调节外循环水的流量；外循环水与内循环水通过板式换热器(3)进行热交换，控制内循环水水箱(2)内冷却水的温度。
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