基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法技术方案

一种基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器，通过热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元与燃料电池电堆连通，燃料电池热管理单元的循环回路中串联有永磁体和磁质储热器，步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。提高了燃料电池的利用率。提高了燃料电池的利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，涉及一种基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法。

技术介绍

[0002]作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池低温启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。
[0003]当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。
[0004]目前燃料电池低温启动的技术方案主要是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与离子树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与离子树脂界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法，采用热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元与燃料电池电堆连通，燃料电池热管理单元的循环回路中串联有永磁体和磁质储热器，步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于磁热的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器；热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的循环回路与燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧连通，位于循环回路中串联有永磁体、磁质储热器和水泵，步进电机与磁质储热器连接并驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔。
[0007]所述循环回路中的磁质储热器和水泵之间，设置第一三通电磁阀与永磁体一侧的第二三通电磁阀连通。
[0008]所述水泵的进液侧设置第四三通电磁阀，从第四三通电磁阀引出的支路与永磁体
一侧的循环回路连通，该支路中串联有第三三通电磁阀。
[0009]所述第三三通电磁阀引出的支路连接于循环回路的水泵和第四三通电磁阀之间，该支路中串联有散热器和单向阀。
[0010]所述循环回路中还设置有第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器；第一温度传感器和第二温度传感器分别靠近燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧；第三温度传感器靠近永磁体一侧。
[0011]所述磁质储热器包括位于磁质储热器外壳内的磁质储热管，以及位于磁质储热器外壳和磁质储热管之间的保温层，进液口和出液口分别位于磁质储热器外壳两端与磁质储热管连通。
[0012]所述保温层内填充绝热材料；磁质储热管内填充球体或椭球体的固体磁性材料，球体或椭球体之间的空隙为冷却液流动通道。
[0013]所述永磁体为中空的圆形筒体。
[0014]所述热管理控制器接收温度信号并发送指令，控制调整水泵、步进电机和散热器的转速。
[0015]如上所述的基于磁热的燃料电池热管理系统的控制方法，它包括如下步骤：S1，预热，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动时，且热管理控制器监测到燃料电池电堆冷却液温度T
F
小于第一阈值温度T1时，对燃料电池电堆进行预热；此步骤中，第一阈值温度T1设定为
‑
4℃~0℃之间；S1
‑
1，水泵驱动燃料电池的冷却液沿第四三通电磁阀、水泵、第一三通电磁阀、磁质储热器、永磁体、第二三通电磁阀返回至燃料电池电堆；S1
‑
2，步进电机驱动磁质储热器进入永磁体的磁场腔内，磁性材料开始磁化放热，磁性材料释放的磁化热传递给冷却液后进入燃料电池电堆为其预热；S2，释冷，当热管理控制器监测到磁质储热器冷却液出口的温度T
M
不再升高时，第二三通电磁阀和第四三通电磁阀关闭，步进电机开始换向驱动磁质储热器移出永磁体空腔退磁，水泵驱动冷却液沿磁质储热器、永磁体、第三三通电磁阀、散热器、单向阀返回至水泵，将磁质储热器中磁性材料退磁时的冷量释放到环境中；S3，继续预热，当热管理控制器监测到磁质储热器出液口冷却液的温度T
M
接近环境温度时，第三三通电磁阀关闭，第二三通电磁阀和第四三通电磁阀打开，重复S1
‑
1~S1
‑
2；然后实时监测T
F
与T1的大小变化；S4，控制管理，当热管理控制器监测到T
F
＞T1时，步进电机驱动磁质储热器退出永磁体的磁场腔，燃料电池开始启动，水泵驱动冷却液沿第四三通电磁阀、水泵、第一三通电磁阀、二三通电磁阀（206）进入返回燃料电池电堆，进入正常热管理模式；S5，散热降温，当热管理控制器监测到T
F
＞T2时，第三三通电磁阀打开，冷却液沿第四三通电磁阀、第三三通电磁阀、散热器、单向阀返回至水泵的进液侧后再进入燃料电池电堆，使燃料电池电堆的冷却液流经散热器进行散热降温以确保燃料电池处于最佳的工作温度区间；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间。
[0016]本专利技术的主要有益效果在于：采用步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热
→
退磁吸热。
[0017]采用水泵驱动冷却液沿循环回路循环流动将磁化放热的热量传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动。
[0018]采用热管理控制器监测循环回路温度，并根据条件启动对应的管理模式，使燃料电池处于最佳工作温度区间。
附图说明
[0019]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术的系统图。
[0020]图2为本专利技术磁质储热器的结构示意图。
[0021]图3为本专利技术的流程示意图。
[0022]图中：燃料电池电堆1，燃料电池热管理单元2，水泵201，第一三通电磁阀202，磁质储热器203，磁质储热器外壳2031，保温层2032，磁质储热管2033，固体磁性材料2034，进液口2035，出液口2036，步进电机204，永磁体205，第二三通电磁阀206，第三三通电磁阀207，散热器208，单向阀209，第四三通电磁阀210，第一温度传感器211，第二温度传感器212，第三温度传感器213，热管理控制器3。
具体实施方式
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：它包括燃料电池电堆（1）、燃料电池热管理单元（2）和热管理控制器（3）；热管理控制器（3）与燃料电池热管理单元（2）电性连接，燃料电池热管理单元（2）的循环回路与燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧连通，位于循环回路中串联有永磁体（205）、磁质储热器（203）和水泵（201），步进电机（204）与磁质储热器（203）连接并驱动磁质储热器（203）进出永磁体（205）的磁场空腔。2.根据权利要求1所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述循环回路中的磁质储热器（203）和水泵（201）之间，设置第一三通电磁阀（202）与永磁体（205）一侧的第二三通电磁阀（206）连通。3.根据权利要求1所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述水泵（201）的进液侧设置第四三通电磁阀（210），从第四三通电磁阀（210）引出的支路与永磁体（205）一侧的循环回路连通，该支路中串联有第三三通电磁阀（207）。4.根据权利要求3所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述第三三通电磁阀（207）引出的支路连接于循环回路的水泵（201）和第四三通电磁阀（210）之间，该支路中串联有散热器（208）和单向阀（209）。5.根据权利要求1所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述循环回路中还设置有第一温度传感器（211）、第二温度传感器（212）和第三温度传感器（213）；第一温度传感器（211）和第二温度传感器（212）分别靠近燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧；第三温度传感器（213）靠近永磁体（205）一侧。6.根据权利要求1所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述磁质储热器（203）包括位于磁质储热器外壳（2031）内的磁质储热管（2033），以及位于磁质储热器外壳（2031）和磁质储热管（2033）之间的保温层（2032），进液口（2035）和出液口（2036）分别位于磁质储热器外壳（2031）两端与磁质储热管（2033）连通。7.根据权利要求6所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述保温层（2032）内填充绝热材料；磁质储热管（2033）内填充球体或椭球体的固体磁性材料（2034），球体或椭球体之间的空隙为冷却液流动通道。8.根据权利要求1所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述永磁体（205）为中空的圆形筒体。9.根据权利要求1所述的基于磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述热管理控制器（3）接收温度信号并发送指令，控制调整水泵（201）、步进电机（204）和散热器（208）的转速。10.根据权利要求1~9任一项所述的基于磁热的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征是，它...

【专利技术属性】
技术研发人员：季孟波，
申请(专利权)人：中国三峡新能源集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：