[发明专利]一种兼容不同功率电堆的燃料电池温度控制系统

说明书

本发明提供的一种兼容不同功率电堆的燃料电池温度控制系统，包括PLC下位机温度控制单元、上位机监测控制单元、循环水回路和电子负载；循环水回路包括循环水、入堆温度传感器、出堆温度传感器、水箱、水泵、流量传感器、加热器、环翅式散热器、高功率散热风扇和低功率散热风扇；PLC下位机温度控制单元根据电子负载功率计算燃料电池电堆所需散热功率，以判断燃料电池温度控制系统的工作模式，在不同工作模式下，通过比较入堆温度和设定测试温度，控制加热器、高功率散热风扇和低功率散热风扇的工作状态，实现对燃料电池温度的控制，具有散热响应速度快、燃料电池温度波动幅度小以及测试目标功率范围广的优点。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种兼容不同功率电堆的燃料电池温度控制系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在催化剂的作用下使氢气与氧气发生氧化还原反应生成水，将氢燃料中的化学能转化为电能，供给外部负载。质子交换膜燃料电池除了具有燃料电池的无污染、效率高、无噪声的共有优点外，还有工作温度低、功率密度大、启动迅速等优点。经多年的基础研究和应用开发，质子交换膜燃料电池在汽车、无人机和船舶的应用已取得了实质性的进展。

质子交换膜燃料电池的输出性能受到很多因素的影响，如压力、湿度、温度等，如图1所示，温度对输出性能的影响十分显著。温度过低时，电池内各种极化增强，电池性能较差；温度升高会提升电池内部的电化学反应速度，加速生成物和水分的排出，质子穿过膜的速率更快，电池效率高、性能好；但如果温度过高，会发生膜脱水的情况，电导率下降，电池性能变差，甚至会导致膜干裂。而燃料电池测试系统本身的温度变化存在较大延时，使得温度控制具有滞后性、时变性和不确定性，并且调节时间长，超调量大。因此，对燃料电池测试系统的温度控制研究具有重大意义。

燃料电池测试系统往往对不止一个电堆进行测试，当需要测试不同功率的电堆时，冷却系统的设计却只考虑了最大功率电堆所需的散热功率，导致在测试小功率电堆时，散热器的启动功率已经远远大于所需的散热功率，使得燃料电池的温度波动幅度较大。这就要求燃料电池测试系统的冷却系统能够满足不同功率的燃料电池电堆的散热需求。

中国专利201420212102.5中，马天才等人发明了一种燃料电池的散热系统，该散热系统包括了冷却水大小循环，大小循环中不同温度的冷却水混合使用，这种结构会导致温度控制对象与水泵转速、大小循环流量、大小循环的管道长度以及散热器风扇转速都有着相关性，耦合度较大，并且热管理模块的温度控制本身就是一个大滞后的控制系统，使用该结构还需考虑不同温度的冷却水混合后，达到稳定温度的物理响应时间。

发明内容

针对上述现有技术中散热系统结构复杂、温度波动幅度大、测试范围小的问题，本发明提出了一种兼容不同功率电堆的燃料电池温度控制系统。

本发明具体技术方案如下：

一种兼容不同功率电堆的燃料电池温度控制系统，其特征在于，包括PLC(可编程逻辑控制器)下位机温度控制单元、上位机监测控制单元、循环水回路和电子负载；所述循环水回路包括循环水、入堆温度传感器、出堆温度传感器、水箱、水泵、流量传感器、加热器、环翅式散热器、高功率散热风扇和低功率散热风扇；

所述PLC下位机温度控制单元用于监测入堆温度传感器、出堆温度传感器和流量传感器的检测信息，及电子负载功率，并基于检测信息和电子负载功率控制加热器、高功率散热风扇和低功率散热风扇的工作状态，实现对燃料电池温度的控制；

所述上位机监测控制单元用于显示并存储PLC下位机温度控制单元监测的检测信息，发送设定测试温度T_s的命令；

所述循环水回路中的循环水从水箱流出后，经环翅式散热器、流量传感器、水泵、入堆温度传感器、燃料电池电堆和出堆温度传感器流入水箱，加热器与水箱相连，高功率散热风扇和低功率散热风扇分别与环翅式散热器相连；