可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法技术方案

一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法，它包括燃料电池电堆、空气供给单元、冷却液循环单元和热管理控制器，通过热管理控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接，空气供给单元的空气回路与燃料电池电堆连通，冷却液循环单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，空气回路中设置有压缩空气引射器，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，利用吸附热对空压机入口处的空气进行补热升温，再生过程充分利用燃料电池在发电过程中产生的热能实现吸附质在吸附剂上的解吸，将燃料电池工作时所产生的废热储存在固体储热材料内，耗能较低，无需长时间的绝热保温，成本低，提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。航里程。航里程。

【技术实现步骤摘要】
可高效冷启动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
，涉及一种可高效冷启动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，燃料电池冷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℃的低温环境中冷启动时，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]目前燃料电池冷启动的解决策略分为两类：一类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Nafion树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与Nafion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；另一类是通过车载动力电池电加热或车载氢气催化燃烧放热等方式对电堆及其内部极板和膜电极进行预热，前者则会消耗一部分车载动力电池的电量，而且在低温环境中动力电池也同样存在着冷启动困难和放电容量大幅缩减的情况，后者则会消耗一部分车载氢气，二者均会缩短燃料电池汽车的续航里程。

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可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法，采用热管理控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接，空气供给单元的空气回路与燃料电池电堆连通，冷却液循环单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，空气回路中设置有压缩空气引射器，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，利用吸附热对空压机入口处的空气进行补热升温，再生过程充分利用燃料电池在发电过程中产生的热能实现吸附质在吸附剂上的解吸，将燃料电池工作时所产生的废热储存在固体储热材料内，耗能较低，无需长时间的绝热保温，成本低，提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、空气供给单元、冷却液循环单元和热管理控制器；所述热管理控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接，空气供给单元的空气回路与
燃料电池电堆的进出气口连通，空气回路中设置有压缩空气引射器，冷却液循环单元的冷却回路与燃料电池电堆的进出液口连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通。
[0007]所述空气回路中依次串联有空气滤清器、空气比例阀、空气压缩机、三通电磁阀
І
、三通电磁阀Ⅱ、增湿器和三通电磁阀Ⅲ，三通电磁阀Ⅲ与燃料电池电堆的进气口连通；燃料电池电堆的进气口与三通电磁阀Ⅲ连通的管路中引出的支路，与三通电磁阀Ⅱ连通。
[0008]所述三通电磁阀Ⅱ和增湿器之间的管路引出的支路，与燃料电池电堆的空气尾排管路中的三通电磁阀Ⅳ连通。
[0009]所述空气比例阀和空气压缩机之间的管路引出的支路,与三通电磁阀Ⅲ连通，该支路中依次串联有三通电磁阀
Ⅴ
和固体吸附式储热器。
[0010]所述三通电磁阀
І
和三通电磁阀Ⅱ之间的管路引出的支路，与三通电磁阀
Ⅴ
连通，压缩空气引射器位于该支路中，并与三通电磁阀
І
连通。
[0011]所述冷却回路中依次串联有水泵、节温器和三通电磁阀
Ⅵ
，燃料电池电堆的进出液口分别与水泵和三通电磁阀
Ⅵ
连通；燃料电池电堆的进出液口连通的管道中分别设置有温度传感器Ⅲ和温度传感器Ⅳ。
[0012]所述节温器引出的旁路与水泵的进液侧连通，散热器位于该旁路中；三通电磁阀
Ⅵ
引出的支路与固体吸附式储热器的冷却液进口连通，固体吸附式储热器的冷却液出口连通于节温器和三通电磁阀
Ⅵ
之间的管路中。
[0013]所述固体吸附式储热器包括固体吸附式储热器外壳内的冷却液热交换管，以及位于固体吸附式储热器外壳内壁与冷却液热交换管外壁之间的保温层，固体吸附式储热管轴向贯穿固体吸附式储热器外壳；冷却液热交换管两端的冷却液出口和冷却液进口分别引出固体吸附式储热器外壳。
[0014]所述冷却液热交换管内两端的两个圆形钢网之间填充固体吸附储热材料颗粒；固体吸附式储热管外壁和冷却液热交换管内壁之间设置呈放射状分布的翅片；固体吸附储热材料颗粒内设置温度传感器
І
；固体吸附式储热管的空气出口处设置温度传感器Ⅱ。
[0015]如上所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统的控制方法，它包括如下步骤：S1，热管理控制器读取燃料电池电堆的当前温度T
F
，然后比较T
F
与冷启动阈值温度T
C
、正常启动阈值温度T
S
之间的大小：如果T
F
＜T
C
则进入S2，如果T
C
≤T
F
≤T
S
则进入S3，如果T
F
＞T
S
则进入S4；S2，空气比例阀打开，空气压缩机启动, 三通电磁阀
І
导通空气压缩机、三通电磁阀Ⅱ导通三通电磁阀
І
和增湿器、三通电磁阀Ⅲ导通增湿器和燃料电池电堆、三通电磁阀
Ⅴ
导通三通电磁阀Ⅲ和空气压缩机；水泵启动，三通电磁阀
Ⅵ
导通固体吸附式储热器；S2
‑
1，环境中的空气在空气压缩机的作用下绝热压缩进行初次升温，并在进入燃料电池电堆时将热量直接传递给燃料电池电堆的膜电极；S2
‑
2，流出燃料电池电堆的空气再经过增湿器增湿后携带着大量水蒸气进入到固体吸附式储热器的固体吸附式储热管中，固体吸附储热材料开始对水蒸气进行物理吸附，降低了水分子的自由度并释放出大量的吸附热对空气流进行补热升温；S2
‑
3，经过补热的空气流进入空气压缩机进行再次升温并将更多的热量传递给燃料电池电堆使其加速预热；
S2
‑
4，水泵驱动冷却液流经固体吸附式储热器的冷却液热交换管，并吸收固体吸附式储热管中释放的吸附热，进入燃料电池电堆为其内部的双极板进行预热；S2
‑
5，关闭空气比例阀使空气在空气压缩机、燃料电池电堆、增湿器和固体吸附式储热器之间形成封闭的循环回路，对燃料电池电堆进行持续且递进性预热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：它包括燃料电池电堆（1）、空气供给单元（2）、冷却液循环单元（3）和热管理控制器（4）；所述热管理控制器（4）与空气供给单元（2）和冷却液循环单元（3）电性连接，空气供给单元（2）的空气回路与燃料电池电堆（1）的进出气口连通，空气回路中设置有压缩空气引射器（213），冷却液循环单元（3）的冷却回路与燃料电池电堆（1）的进出液口连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器（209）连通。2.根据权利要求1所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述空气回路中依次串联有空气滤清器（201）、空气比例阀（202）、空气压缩机（203）、三通电磁阀
І
（204）、三通电磁阀Ⅱ（205）、增湿器（206）和三通电磁阀Ⅲ（207），三通电磁阀Ⅲ（207）与燃料电池电堆（1）的进气口连通；燃料电池电堆（1）的进气口与三通电磁阀Ⅲ（207）连通的管路中引出的支路，与三通电磁阀Ⅱ（205）连通。3.根据权利要求2所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述三通电磁阀Ⅱ（205）和增湿器（206）之间的管路引出的支路，与燃料电池电堆（1）的空气尾排管路中的三通电磁阀Ⅳ（208）连通。4.根据权利要求2所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述空气比例阀（202）和空气压缩机（203）之间的管路引出的支路,与三通电磁阀Ⅲ（207）连通，该支路中依次串联有三通电磁阀
Ⅴ
（212）和固体吸附式储热器（209）。5.根据权利要求2所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述三通电磁阀
І
（204）和三通电磁阀Ⅱ（205）之间的管路引出的支路，与三通电磁阀
Ⅴ
（212）连通，压缩空气引射器（213）位于该支路中，并与三通电磁阀
І
（204）连通。6.根据权利要求1所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述冷却回路中依次串联有水泵（301）、节温器（303）和三通电磁阀
Ⅵ
（304），燃料电池电堆（1）的进出液口分别与水泵（301）和三通电磁阀
Ⅵ
（304）连通；燃料电池电堆（1）的进出液口连通的管道中分别设置有温度传感器Ⅲ（305）和温度传感器Ⅳ（306）。7.根据权利要求6所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述节温器（303）引出的旁路与水泵（301）的进液侧连通，散热器（302）位于该旁路中；三通电磁阀
Ⅵ
（304）引出的支路与固体吸附式储热器（209）的冷却液进口连通，固体吸附式储热器（209）的冷却液出口连通于节温器（303）和三通电磁阀
Ⅵ
（304）之间的管路中。8.根据权利要求1所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述固体吸附式储热器（209）包括固体吸附式储热器外壳（2091）内的冷却液热交换管（2093），以及位于固体吸附式储热器外壳（2091）内壁与冷却液热交换管（2093）外壁之间的保温层（2092），固体吸附式储热管（2094）轴向贯穿固体吸附式储热器外壳（2091）；冷却液热交换管（2093）两端的冷却液出口和冷却液进口分别引出固体吸附式储热器外壳（2091）。9.根据权利要求8所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述冷却液热交换管（2093）内两端的两个圆形钢网（2096）之间填充固体吸附储热材料颗粒（2095）；固体吸附式储热管（2094）外壁和冷却液热交换管（2093）内壁之间设置呈放射状分布的翅片（2097）；固体吸附储热材料颗粒（2095）内设置温度传感器
І
（210）；固体吸附式储热管（2094）的空气出口处设置温度传感器Ⅱ（211）。10.根据权利要求1~9任一项所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统的控制方法，
其特征是，它包括如下步骤：S1，热管理控制器（4）读取燃料电池电堆（1）的当前温度T
F
，然后比较T
F
与冷启动阈值温度T
C
、正常启动阈值温度T
S
之间的大小：如果T
F
＜T
C
则进入S2，如果T
C
≤T
F
≤T
S
则进入S3，如果T
F
＞T
S
则进入S4；S2，空气比例阀（202）打开，空气压缩机（203）启动, 三通电磁阀
І
...

【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：