基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统及控制方法技术方案

一种基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统及控制方法，通过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中设置冷却回路和磁工质回路，热管理控制器与冷却回路中的第一循环泵、第一散热器、三通电磁阀、第一温度传感器和第二温度传感器电性连接，以及与磁工质回路中的第二循环泵、第二散热器和第三温度传感器电性连接，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热

【技术实现步骤摘要】
基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统及控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，涉及一种基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统及控制方法。

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]当燃料电池不采取任何保护措施的情况下，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]目前燃料电池冷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液态磁热流的燃料电池冷启动系统及控制方法，采用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中设置冷却回路和磁工质回路，热管理控制器与冷却回路中的第一循环泵、第一散热器、三通电磁阀、第一温度传感器和第二温度传感器电性连接，以及与磁工质回路中的第二循环泵、第二散热器和第三温度传感器电性连接，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热
→
退磁吸热
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磁化放热，循环将环境中的热量传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，耗能低，有利于提高燃料电池的利用率和续航里程，避免冰融化造成铂与离子树脂界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，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，所述燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，磁工质回路中的磁热流热交换器串联于冷却回路中，热管理控制器与冷却回路中的第一循环泵、第一散热器、三通电磁阀、第一温度传感器和第二温度传感器电性连接，以及与磁工质回路中的第二循环泵、第二散热器和第三温度传感器电性连接。
[0007]所述冷却回路中依次串联有永磁体、第一散热器和三通电磁阀。
[0008]所述磁热流热交换器位于永磁体的磁场空腔内。
[0009]所述第一散热器一侧与燃料电池电堆连通的支路上设置第一温度传感器；第一散热器另一侧与燃料电池电堆连通的支路与三通电磁阀连通，该支路上依次设置有第一循环泵和第二温度传感器。
[0010]所述磁热流热交换器包括磁热流热交换器外壳、保温层、液态磁质储热管和冷却液热交换管；磁热流热交换器外壳与液态磁质储热管外壁之间的空间填充绝热材料形成所述的保温层；液态磁质储热管内壁与冷却液热交换管外壁之间的空腔为液态磁质的流动通道；冷却液热交换管两端的冷却液进口和冷却液出口与冷却回路连通。
[0011]所述液态磁质的流动通道两端的液态磁质进液管和液态磁质出液管与磁工质回路连通。
[0012]所述磁热流热交换器的冷却液热交换管外壁上连接有平行于轴线的翅片。
[0013]所述翅片呈放射状布设延伸至液态磁质储热管内壁并与其接触。
[0014]所述磁热流热交换器的保温层为真空层，其内部填充的绝热材料为二氧化硅纳米微孔绝热材料。
[0015]如上所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统的控制方法，它包括如下步骤：S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要冷启动，且热管理控制器监测到燃料电池电堆冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时，三通电磁阀导通磁热流热交换器的冷却液进口，第一循环泵、第二循环泵和第二散热器启动；S1
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1，热交换，第二循环泵驱动液态磁质中的磁性粉体进入磁热流热交换器的液态磁质的流动通道，液态磁质中的磁性粉体在永磁体所形成的磁场中开始磁化放热，冷却液热交换管将磁化热传递给冷却液热交换管内的冷却液；S1
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2，磁化放热，在第一循环泵的驱动下冷却液流入燃料电池电堆将磁化热传递给电堆，而液态磁质则在流经第二散热器时通过热交换吸收环境中的热量完成退磁后再次进入磁热流热交换器进行磁化放热；S1
‑
3，供热及控制，重复S1
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1和S1
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2对燃料电池电堆持续供热使其升温；在此过程中，热管理控制器调整第一循环泵、第二循环泵和第二散热器的转速，控制液态磁质储热管的液态磁质出液管处的温度与冷却液进口处的温度保持一致；S2，温度监测及控制，实时监测冷却液温度TF与第一阀值温度T1的大小变化；第一阈值温度T1设定为
‑
4℃~0℃之间；S2
‑
1，当热管理控制器监测到TF＞T1时，关闭第二循环泵和第二散热器，燃料电池开始启动，热管理控制器开始实时监测燃料电池电堆冷却液温度TF与第二阈值温度T2的大小；第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间；S2
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2，当热管理控制器监测到TF＞T2时，三通电磁阀导通第一散热器，使燃料电池电堆的冷却液流经第一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。
[0016]本专利技术的主要有益效果在于：利用磁性材料的磁热效应在低温环境中构建磁化放热
→
退磁吸热
→
磁化放热循环将环境中的热量传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动。
[0017]燃料电池热管理单元用于控制燃料电池电堆的工作温度，并在冷启动前通过利用液态磁质流进入磁热流热交换器，在永磁体所形成的磁场中释放的磁化热为燃料电池电堆进行预热。
[0018]冷却液热交换管外壁上连接有平行于其轴线的翅片以增强冷却液与液态磁质之间的热传导，翅片呈放射状延伸至液态磁质储热管内壁并与其紧密接触，为液态磁质储热管提供机械支撑。
[0019]通过PWM控制机制发送脉宽调制信号以调控循环泵电机和散热器风扇电机的转速，实现对燃料电池电堆持续供热升温至符合燃料电池的启动温度。
附图说明
[0020]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。
[0021]图2为本专利技术磁热流热交换器内部的结构示意图。
[0022]图3为本专利技术磁热流热交换器的液态磁质进口处的截面示意图。
[0023]图4为本专利技术磁热流热交换器中部的截面示意图。
[0024]图5为本专利技术磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，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）；所述燃料电池热管理单元（2）的冷却回路与燃料电池电堆（1）连通，磁工质回路中的磁热流热交换器（204）串联于冷却回路中，热管理控制器（3）与冷却回路中的第一循环泵（201）、第一散热器（205）、三通电磁阀（207）、第一温度传感器（208）和第二温度传感器（209）电性连接，以及与磁工质回路中的第二循环泵（202）、第二散热器（206）和第三温度传感器（210）电性连接。2.根据权利要求1所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述冷却回路中依次串联有永磁体（203）、第一散热器（205）和三通电磁阀（207）。3.根据权利要求1所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁热流热交换器（204）位于永磁体（203）的磁场空腔内。4.根据权利要求1所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述第一散热器（205）一侧与燃料电池电堆（1）连通的支路上设置第一温度传感器（208）；第一散热器（205）另一侧与燃料电池电堆（1）连通的支路与三通电磁阀（207）连通，该支路上依次设置有第一循环泵（201）和第二温度传感器（209）。5.根据权利要求1所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁热流热交换器（204）包括磁热流热交换器外壳（2041）、保温层（2042）、液态磁质储热管（2043）和冷却液热交换管（2044）；磁热流热交换器外壳（2041）与液态磁质储热管（2043）外壁之间的空间填充绝热材料形成所述的保温层（2042）；液态磁质储热管（2043）内壁与冷却液热交换管（2044）外壁之间的空腔为液态磁质的流动通道；冷却液热交换管（2044）两端的冷却液进口（2046）和冷却液出口（2047）与冷却回路连通。6.根据权利要求5所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述液态磁质的流动通道两端的液态磁质进液管（2048）和液态磁质出液管（2049）与磁工质回路连通。7.根据权利要求1所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁热流热交换器（204）的冷却液热交换管（2044）外壁上连接有平行于轴线的翅片（2045）。8.根据权利要求7所述的基于液态磁热流的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述翅片（2045）呈放射状布设延伸至液态磁质储热管（2043）内壁并与其接触。9.根据权利要求1...

【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：