一种燃料电池系统的热管理方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统热管理方法，该燃料电池系统包括燃料电池堆，该方法包括：向所述燃料电池堆通入助燃气体并调节所述助燃气体的温度；通过所述调节了温度的助燃气体和燃料电池堆进行热交换，使燃料电池堆温度在各工作阶段处于预设的温度范围内。该燃料电池系统热管理方法能很好的利用废热能、废燃料气体，并且能很好的对燃料电池进行热管理。

Thermal management method and system for fuel cell system

The present invention provides a fuel cell system thermal management method, the fuel cell system includes a fuel cell stack, the method comprises: a reactor into the combustion gas to the fuel cell and to adjust the combustion gas temperature; through the adjustment of the temperature of the combustion gas and fuel cell reactor for heat exchange, the fuel the stack temperature in different stages in the desired range of temperature. The fuel cell system thermal management method can make good use of waste heat energy, waste fuel gas, and can well heat management of fuel cells.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统的热管理方法和系统
本专利技术涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统热管理方法和系统。
技术介绍
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。常见的两种燃料电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。质子交换膜燃料电池通常使用氢气之类的气体作为燃料，其在较低的温度下就可以将化学能转化为电能。固体氧化物燃料电池则基于高温反应过程进行能量转化，它通常可以使用各种不同高浓度的气体燃料，比如说一氧化碳、氢气。SOFCs很大的一个优势在于：产生电能的气体燃料可以从酒精、汽油、柴油、天然气、甚至生物质或煤等各种物质中获得。这些物质可以在一个燃料重整反应装置中进行气化，从而可以产生丰富的一氧化碳和氢气。该燃料重整反应装置中包含催化剂，该催化剂使得燃料气体反应产生一氧化碳和氢气。大多SOFCs在陶瓷基片上进行制造，为两维的平板式结构。平板式SOFCs的多个平板堆叠在一起成为一个电池堆。平板式SOFCs的最大的缺陷在于陶瓷基片单元容易破裂。虽然，在一定程度上，可以通过减缓加热或者冷却陶瓷基片的时间来减少这种破裂的可能；但是如果这样的话，产生电能的过程将花费很长的时间，比如若干小时或者若干天。为了克服上述热膨胀导致的破裂问题，管式燃料电池逐渐发展起来。这种管式燃料电池的管子比较小，比如长度为50mm或60mm、外径为4mm至6mm、内径为3mm至4mm。管子的基本材料可以是纯陶瓷，或者含有较多镍的类金属。这种含有较多镍的类金属使得气体或者气体离子扩散更方便。在管子的内壁和外壁涂有涂层，这些涂层形成了燃料电池的阳极和阴极。请参图1所示的一种管式燃料电池。该管式燃料电池由阳极层、阴极层以及两极之间的电解质层组成。在阳极层一侧通入H2或者其他燃料气体，在阴极层一侧通进O2或者包含O2的空气。SOFCs工作的时候，需要燃料气体保持一定的浓度；同样的，氧气或者包含氧气的空气也需要保持一定的浓度。所以，持续均匀浓度的燃料气体和氧气/空气对于SOFCs的正常工作来讲，是非常重要的。另外，SOFCs启动工作需要较高的温度；通常，该温度需要超过600摄氏度。一个典型的工作温度区间为600～850摄氏度。如果低于600摄氏度，该固体氧化物燃料电池将无法正常工作。但是，随着SOFCs输出的电能增大，其产生的废热能也越多，电池本身的温度也升高的越多，此时又需要通过某种方式对其进行降温处理以防止电池过热。所以，如何对燃料电池系统进行热管理是当前需要解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种燃料电池系统热管理方法，该燃料电池系统包括燃料电池堆，该方法包括：向所述燃料电池堆通入助燃气体并调节所述助燃气体的温度；所述调节了温度的助燃气体和燃料电池堆进行热交换，使燃料电池堆温度在各工作阶段处于预设的温度范围内。优选地，在燃料电池系统启动阶段，所述调节助燃气体的温度包括：将通入燃料电池堆的燃料气体进行燃烧，该燃烧产生的热量用来加热通入燃料电池堆的助燃气体；和/或者，开启该燃料电池系统的加热元件，使其加热通入燃料电池堆的助燃气体。优选地，本专利技术方法还包括控制通入该燃料电池堆的燃料气体的流速，使得燃烧产生的热量逐渐增加；和/或者，控制该燃料电池系统的加热元件，使得该加热元件的加热功率逐渐升高。优选地，在燃料电池系统工作阶段，所述调节助燃气体温度包括：燃料电池堆进行化学反应放出的热量和通入燃料电池堆的助燃气体进行热交换，使得通入的助燃气体温度升高，且降低燃料电池堆的温度；检测所述通入的助燃气体的温度，如果检测到的温度小于等于第一预设的温度，则控制该燃料电池系统的加热元件开启或者加大对所述助燃气体的加热；如果检测到的温度大于第二预设温度，则控制所述加热元件关闭或者减少对所述助燃气体的加热。优选地，在燃料电池系统工作阶段，所述调节助燃气体温度包括：燃料电池堆进行化学反应放出的热量和通入燃料电池堆的助燃气体进行热交换，使得通入的助燃气体温度升高，且降低燃料电池堆的温度；检测所述通入的助燃气体的温度，如果检测到的温度小于等于第一预设的温度，则增加通入该燃料电池系统的燃料气体的流速，使得更多的燃料气体能被燃烧而产生更多的热量加热通入燃料电池堆的助燃气体；如果检测到的温度大于第二预设温度，则减小通入该燃料电池系统的燃料气体的流速，使得少的燃料气体被燃烧而产生少的热量加热通入燃料电池堆的助燃气体。优选地，本专利技术方法进一步包括：根据当前燃料电池堆所需提供的电功率，持续通入所述电功率对应流速的助燃气体。优选地，在燃料电池系统停止工作阶段，所述方法还包括降低通入该燃料电池堆的助燃气体的温度。优选地，所述降低通入该燃料电池堆的助燃气体的温度包括：降低该燃料电池系统加热元件对助燃气体的加热，直到加热元件停止对助燃气体的加热；和/或者，减少通入的燃料气体直到停止通入燃料气体，使得燃烧燃料气体产生热量对通入助燃气体的加热逐渐降低。优选地，所述方法还包括，对该燃料电池堆通入惰性气体。优选地，所述方法还包括，所述助燃气体为空气或氧气。本专利技术燃料电池系统具有很好的热管理能力，能很好的利用废热能、废燃料气体，并且能很好的对燃料电池进行热管理。附图说明图1是现有的一种管式燃料电池示意图。图2是本专利技术实施例流程图。图3是本专利技术一种燃料电池系统结构示意图。具体实施方式本专利技术提供一种燃料电池系统热管理方法：向所述燃料电池堆通入助燃气体并调节所述助燃气体的温度；通过所述调节了的助燃气体和燃料电池堆进行热交换，使燃料电池堆温度在各工作阶段处于预设的温度范围内，请参图2。该燃料电池系统热管理方法能很好的利用废热能、废燃料气体。其中，调节助燃气体的温度由助燃气体温度调节装置执行。以下通过燃料电池系统启动阶段、工作阶段和停止工作阶段三个方面来详细说明。(一)、燃料电池系统启动阶段初始，燃料电池堆的温度达不到启动工作所需要的高温条件。为了使其温度能上升到启动工作所需的最低温度，本专利技术实施例采用高温度的助燃气体流与燃料电池堆充分进行热交换，从而加热该燃料电池堆，使其达到启动工作所需要的最低温度。具有较高温度的助燃气体可以通过以下两种方式得到：A、燃烧燃料气体产生的热量加热通入燃料电池堆的助燃气体初始时，燃料气体通入燃料电池堆后，由于燃料电池堆的温度较低，这些燃料气体将流入到废气腔中。通过设置的废气补燃器对该废气腔中的燃料气体进行燃烧。燃烧产生的巨大热量加热进气腔中的助燃气体使其温度升高。废气腔、废气补燃器请参图3的一个例子。废气腔中燃料气体的燃烧由控制模块控制废气补燃器实现。B、使用加热元件加热助燃气体加热元件可以设置在燃料电池系统的不同位置。比如说，可以设置在进气腔中；更优的，可以设置在进气腔的第三腔体中。还可以设置在燃料电池堆收容部中，尤其是其第一侧壁中。加热元件的开启或者关闭由燃料电池系统的控制模块进行控制。另外，加热元件可以多档调节，不同档，具有不同的加热功率。在使用加热元件加热助燃气体流时，需要由温感器件检测当前助燃气体的温度。系统的控制模块获取到温感器件检测到的温度后，控制加热元件加热与否。加热元件、进气腔、第三腔体、收容部、第一侧壁参见图3的一个例子。需要说明的是，为了防止热应力产生而损坏燃料电池堆，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统热管理方法，该燃料电池系统包括燃料电池堆，其特征在于，该方法包括：向所述燃料电池堆通入助燃气体并调节所述助燃气体的温度；所述调节了温度的助燃气体和燃料电池堆进行热交换，使燃料电池堆温度在各工作阶段处于预设的温度范围内。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统热管理方法，该燃料电池系统包括燃料电池堆，其特征在于，该方法包括：向所述燃料电池堆通入助燃气体并调节所述助燃气体的温度；所述调节了温度的助燃气体和燃料电池堆进行热交换，使燃料电池堆温度在各工作阶段处于预设的温度范围内。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作阶段包括燃料电池系统启动阶段，所述调节助燃气体的温度包括：将通入燃料电池堆的燃料气体进行燃烧，该燃烧产生的热量用来加热通入燃料电池堆的助燃气体；和/或者，开启该燃料电池系统的加热元件，使其加热通入燃料电池堆的助燃气体。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，控制通入该燃料电池堆的燃料气体的流速，使得燃烧产生的热量逐渐增加；和/或者，控制该燃料电池系统的加热元件，使得该加热元件的加热功率逐渐升高。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作阶段包括燃料电池系统工作阶段，所述调节助燃气体温度包括：燃料电池堆进行化学反应放出的热量和通入燃料电池堆的助燃气体进行热交换，使得通入的助燃气体温度升高，且降低燃料电池堆的温度；检测所述通入的助燃气体的温度，如果检测到的温度小于等于第一预设的温度，则控制该燃料电池系统的加热元件开启或者加大对所述助燃气体的加热；如果检测到的温度大于第二预设温度，则控制所述加热元件关闭或者减少对所述助燃气体的加热。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作阶段包括燃料电池系统工作阶段，所述调节助燃气体温度包括：燃料电池堆进行化学反应放出的热量和通入燃料电池堆的助燃气体进行热交换，使得通入的助燃气体温度升高，且降低燃料电池堆的温度；检测所述通入的助燃气体的温度，如果检测到的温度小于等于第一预设的温度，则增加通入该燃料电池系统的燃料气体的流速，使得更多的燃料气体能被燃烧而产生更多的热量加热通入燃料电池堆的助燃气体；如果检测到的温度大于第二预设温度，则减小通入该燃料电池系统的燃料气体的流速，使得少的燃料气体被燃烧而产生少的热量加热通入燃料电池堆的助燃气体。6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：根据当前燃料电池堆所需提供的电功率，持续通入所述电功率对应流速的助燃气体。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作阶段包括燃料电池系统停止工作阶段，所述方法还包括降低通入该燃料电池堆的助燃气体的温度。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述降低通入该燃料电池堆的助燃气体的温度包括：降低该燃料电池系统加热元件对助燃气体的加热，直到加热元件停止对助燃气体的加热；和/或者，减少通入的燃料气体直到停止通入燃料气体，使得燃烧燃料气体产生热量对通入助燃气体的加热逐渐降低。9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，对该燃料电池堆通入惰性气体。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，所述助燃气体为空气或氧气。11.一种燃料电池系统的热管理系统，该燃料电池系统包括燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆系统还包括收容燃料电池堆的收容部，助燃气体温度调节装置；该助燃气体温度调节装置对通入燃料电池堆的助燃气体的温度进行调节；所述调节了温度的助燃气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄彼德，彦斯·贝肯，丁力·罗伯特，
申请(专利权)人：观致汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32