一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统及方法与流程

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料和空气中的化学能直接转化为电能的装置，具有高效率、无噪音、无污染等优点。质子交换膜燃料电池的最佳工作温度范围为60～80℃，在此范围内燃料电池能够达到最大额定功率。

燃料电池在低温环境中进行启动时，水作为电化学反应的生成物，产生于质子交换膜的阴极，受低温环境影响易在燃料电池电堆内部结冰，造成流道堵塞使燃料电池启动失败。目前，质子交换膜燃料电池冷启动的方式主要分为两类，分别为自启动和辅助启动。受制于自启动有限的冷启动温度及时间，往往采用辅助启动的方式对电堆进行加热，在启动过程中需要为燃料电池加热系统提供大量电能。

燃料电池在低温环境中正常运行时，电堆温度要远远高于环境温度，电堆中的热量大量散失到外界环境中，且散失的热量回收困难，使燃料电池的总效率大幅下降，因此在低温环境中对燃料电池电堆进行保温能够实现氢燃料的更高利用率，避免能源浪费。

太阳能是一种资源潜力巨大的可再生能源，但太阳辐射能量密度较低，为获得较高的集热温度，就必须通过聚光器来实现。菲涅尔聚光集热系统具有高聚光比、结构简单、成本低等优势，可使用透明材料使接收器位于透镜下方。

传统使用太阳能为燃料电池冷启动提供热量的方式有两种，其一为太阳能光伏发电，能量转换过程为太阳辐射能→电能→热能；其二为太阳能光热利用，能量转换过程为太阳辐射能→换热工质内能→热能。这两种方式都存在中间能量转换，易造成能源浪费，且效率偏低。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统及方法，通过太阳辐射能到燃料电池所需热能的直接转换，能够实现太阳能聚光系统对燃料电池电堆冷启动和保温过程中加热温度的动态调控。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统，包括：

燃料电池，其外部设有吸热壳体；

太阳能模块，包括伸缩支架，以及连接在所述伸缩支架上用于聚焦太阳能的透镜组；所述透镜组的下方设置反射镜，所述反射镜用于将透镜组聚焦的辐射能反射到燃料电池的吸热壳体上；

控制单元，用于根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体目标加热温度；基于所述加热温度，通过神经网络预测模型得到伸缩支架所需移动的距离。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温方法，包括：

(1)获取待测燃料电池所处的环境温度；

(2)判断电堆温度是否低于设定温度，若是，进入(3)；否则，进入(4)；

(3)控制伸缩支架处于初始位置，燃料电池启动成功后，进入运行工况；

(4)根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体目标加热温度；根据所述加热温度，通过神经网络预测模型得到伸缩支架所需移动的距离，控制伸缩支架按照所述距离移动，燃料电池启动成功后，进入运行工况；

其中，所述伸缩支架的初始位置为使得透镜组的焦平面与燃料电池吸热壳体的上表面重合的位置。

燃料电池进入运行工况后，根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体目标加热温度；根据所述加热温度，通过神经网络预测模型得到伸缩支架所需移动的距离，控制伸缩支架按照所述距离移动。

所述神经网络预测模型的输入参数为：辐照度、环境温度、燃料电池吸热壳体外表面温度；所述神经网络预测模型的输出为伸缩支架相对于初始位置的移动距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将太阳能入射光线由菲涅尔透镜高倍聚光产生辐射热能加热燃料电池，镜片材料价格低廉，聚光系统结构简单，拆装方便，安装后可永久使用，无需热源时可以拆除或将燃料电池替换为光伏电池或太阳能集热器使用。

(2)本发明太阳能模块集热速度快，使用过程中无需耗功即可在白天能够持续不断的提供热源，在燃料电池冷启动后能够对电池起到保温作用，弥补燃料电池在低温环境中产生的大量热量损失，减少了燃料电池辅助冷启动及保温所需电能消耗。

(3)本发明直接由太阳辐射能→热能避免了能量转换过程中因效率产生的能量损失，同时也避免了复杂的能量转换装置。

(4)本发明燃料电池在低温环境中冷启动与运行工况所需加热量不同，因此通过神经网络预测模型得到伸缩支架的移动距离，实现了太阳能聚光系统对燃料电池电堆冷启动和保温过程加热温度的动态调控。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例一中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统结构示意图；

图2为本发明实施例一中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统冷启动工况示意图；

图3为本发明实施例一中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统运行工况示意图；

图4为本发明实施例一中的伸缩支架移动示意图；

图5为本发明实施例二中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统结构示意图；

图6为本发明实施例二中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统冷启动工况示意图；

图7为本发明实施例二中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统运行工况示意图；

图8为本发明实施例二中的伸缩支架移动示意图；

图9为本发明实施例中的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温方法流程图；

其中，1.太阳入射光，2.透射光，3.反射光，4.焦平面，5.线聚焦菲涅尔透镜，6.多焦点菲涅尔透镜，7.伸缩支架，8.燃料电池，9.吸热壳体，10.平面反射镜，11.曲面反射镜，12.电池放置台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统，参照图1，具体包括：

燃料电池8，其外部设有吸热壳体9；

太阳能模块，包括伸缩支架7，以及连接在所述伸缩支架7上用于聚焦太阳能的透镜组；透镜组的下方设置平面反射镜10，平面反射镜10用于将透镜组聚焦的辐射能反射到燃料电池的吸热壳体9上；

控制单元，用于根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9目标加热温度；基于所述加热温度，预测得到伸缩支架7相对于初始位置所需移动的距离。其中，伸缩支架7的初始位置为使得透镜组的焦平面4与燃料电池吸热壳体9的上表面重合的位置。

具体地，结合图1，燃料电池设置在太阳能模块下面，直接放置在地面上或者置于其他平面上，底面被遮挡住；平面反射镜10设置在燃料电池的两侧。

透镜组包括线聚焦菲涅尔透镜5和多焦点菲涅尔透镜6；线聚焦菲涅尔透镜5由多个曲面的菲涅尔透镜依次连接而成；线聚焦菲涅尔透镜5的焦平面4处于燃料电池上；多焦点菲涅尔透镜6为平面透镜，分别设置在线聚焦菲涅尔透镜5的两端；太阳光经过平面透镜后，照射到平面反射镜10上，平面反射镜10的反射光3照射到燃料电池上。

本实施例中，将燃料电池吸热壳体9上表面到焦平面4的距离定义为L，那么伸缩支架7的移动距离也为L；调节伸缩支架7的移动距离，可以调节焦平面4距离燃料电池的位置，进而调节燃料电池吸热壳体9外表面的辐射能，实现太阳能聚光系统对燃料电池电堆冷启动和保温过程加热温度的动态调控。

L＝0时，伸缩支架7处于初始位置，此时焦平面4与燃料电池上表面壳体重合，获得最高加热温度；伸缩杆缩短，L＝X，离开焦平面4，加热温度降低。

其中，焦平面4(The focal plane)又称前焦面或物方焦面，光线经过折射会聚焦于一点，焦点。

因为光线最后汇聚于焦平面4，因此焦平面4处的温度最高，焦平面4是唯一的，其与透镜的距离不变，而伸缩距离L的定义为燃料电池上表面与焦平面4的距离。

因此L＝0，即燃料电池8上表面壳体与焦平面4重合，此时所有光线都聚焦于焦平面4，此时加热温度最高。燃料电池在系统中作为一个光线接收器，在焦平面4处，能接收到全部聚焦光线，因此温度最高；而当接收器移动后，此时是虚焦点，光强变弱，温度下降。因此，调节伸缩支架7的移动距离L，可以调节焦平面4在燃料电池8上的位置，进而调节燃料电池吸热壳体9外表面的辐射能，实现太阳能聚光系统对燃料电池电堆冷启动和保温过程加热温度的动态调控。

本实施例中，根据燃料电池8所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9目标加热温度，具体为：

Q＝mC(T0-Ti)

其中，Q为燃料电池所需吸热量，m为吸热壳体9总质量，C为吸热壳体9比热容，T0为吸热壳体9初始温度，Ti为吸热壳体9目标加热温度。

结合图2，当电堆温度低于0℃冷启动时，进入冷启动工况，此时，开启最大聚光模式；此时L＝0，伸缩支架7处于初始位置，各聚光镜的焦平面4与燃料电池吸热壳体9上表面重合，达到太阳能聚光对燃料电池的最大加热速率；

具体地，太阳入射光1经过燃料电池正上方的线聚焦菲涅尔透镜5得到透射光2聚焦到焦平面4，焦平面4和燃料电池外部吸热壳体9上表面重合，太阳入射光1经过燃料电池上方两侧的多焦点菲涅尔透镜6得到透射光2聚焦到平面反射镜10，反射到燃料电池外部吸热壳体9的两侧表面，透射光2将太阳入射光1聚焦到燃料电池外部吸热壳体9的三个外表面，菲涅尔透镜通过高倍聚光使燃料电池外部吸热壳体9上的辐照度和热流密度大幅上升，产生高温加热燃料电池。

在燃料电池启动成功后，电堆进入运行工况，所需加热温度较冷启动工况相比下降，此时根据环境温度、燃料电池当前工况获得燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9外表面所需加热温度，进而获得伸缩支架7相对于初始位置的移动距离。

当电堆温度高于0℃启动时，根据环境温度、燃料电池当前工况获得燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9外表面所需加热温度，获得伸缩支架7相对于初始位置的移动距离；燃料电池启动成功后，进入运行工况，运行工况下电池所需的吸热量低于启动工况；此时仍然根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9外表面所需加热温度，进而获得伸缩支架7相对于初始位置的移动距离。

控制单元根据燃料电池吸热壳体9外表面所需加热温度获得伸缩杆所需移动距离L；实现过程为将辐照度、环境温度、伸缩杆移动距离L作为自变量，燃料电池吸热壳体9外表面能流密度、温度作为因变量进行试验；通过试验所得数据建立神经网络预测模型，将辐照度、环境温度、燃料电池吸热壳体9外表面温度作为输入参数，伸缩杆移动距离L作为输出参数，得到燃料电池吸热壳体9外表面温度和伸缩杆移动距离的关系，实现不同燃料电池吸热壳体9外表面温度下所需伸缩杆移动距离L的预测值。

结合图3和图4，通过伸缩杆向下移动距离L使焦平面4由燃料电池吸热壳体9上表面下降至其下方，则到达燃料电池吸热壳体9外表面的辐射能下降，因此其表面热流密度和温度均下降。

本实施例通过菲涅尔透镜、反射镜等实现对太阳能的高倍聚光，将入射光聚集到燃料电池外部的吸热壳体9从而为燃料电池的冷启动及其保温过程提供热量，使用过程中无需耗功即可在白天能够持续不断的提供热源，弥补燃料电池在低温环境中的热量损失提高燃料电池总效率。整个系统能够减少燃料电池辅助冷启动及保温过程所需电能，在使用过程中无需功耗，成本低廉，拆装简便，使用寿命长。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统，参照图5，本实施例与实施例一中系统的区别在于，燃料电池放置在电池放置台12上，其地面不被遮挡。

本实施例中，伸缩支架7以及透镜组的结构与实施例一中相同，透镜组的下方设置平面反射镜10和曲面反射镜11；其中，平面反射镜10设置在燃料电池的两侧，可将太阳光反射到燃料电池的侧面；曲面反射镜11设置在电池放置台12的两侧，可以将太阳光反射到燃料电池8的底部。

结合图6，当电堆温度低于0℃冷启动时，进入冷启动工况，此时，开启最大聚光模式；此时L＝0，伸缩支架7处于初始位置，太阳入射光1经过燃料电池正上方的线聚焦菲涅尔透镜5得到透射光2一部分聚焦到焦平面4，另一部分聚焦到燃料电池两侧的曲面反射镜11将其反射到燃料电池外部吸热壳体9的下表面，太阳入射光1经过燃料电池上方两侧的多焦点菲涅尔透镜6得到透射光2聚焦到平面反射镜10，反射到燃料电池外部吸热壳体9的两侧表面，透射光2将太阳入射光1聚焦到燃料电池外部吸热壳体9的四个外表面，菲涅尔透镜通过聚光使燃料电池外部吸热壳体9上的辐照度和热流密度大幅上升，产生高温加热燃料电池。

结合图7和图8，燃料电池所需加热温度下降时，通过伸缩杆向下移动距离L使焦平面4由燃料电池吸热壳体9上表面下降至其下方，则到达燃料电池吸热壳体9外表面的辐照度下降，因此其表面热流密度和温度下降。

本实施例系统的其他结构以及伸缩支架7的调节原理均与实施例一中相同，不再赘述。

实施例三

在实施例一或实施例二公开的利用太阳能的燃料电池冷启动和保温系统的基础上，公开了一种利用太阳能的燃料电池冷启动和保温方法，参照图9，具体包括如下过程：

(1)获取待测燃料电池8所处的环境温度；

(2)判断电堆温度是否低于设定温度，若是，进入(3)；否则，进入(4)；

(3)控制伸缩支架7处于初始位置，燃料电池启动成功后，进入运行工况；

(4)根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9目标加热温度；根据所述加热温度，通过神经网络预测模型得到伸缩支架7所需移动的距离，控制伸缩支架7按照所述距离移动，燃料电池启动成功后，进入运行工况；

其中，所述伸缩支架7的初始位置为使得透镜组的焦平面4与燃料电池吸热壳体9的上表面重合的位置。

燃料电池进入运行工况后，仍然根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9目标加热温度；根据所述加热温度，通过神经网络预测模型得到伸缩支架7所需移动的距离，控制伸缩支架7按照所述距离移动。

本实施例中，根据燃料电池所需吸热量，计算燃料电池吸热壳体9所需加热温度，具体为：

Q＝mC(T0-Ti)

其中，Q为燃料电池所需吸热量，m为吸热壳体9总质量，C为吸热壳体9比热容，T0为吸热壳体9初始温度，Ti为吸热壳体9目标加热温度。

基于所述加热温度，通过训练好的神经网络预测模型得到伸缩支架7所需移动的距离；神经网络预测模型的输入为：辐照度、环境温度、燃料电池吸热壳体9外表面温度；所述神经网络预测模型的输出为伸缩支架7相对于初始位置的移动距离。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。