一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法，涉及燃料电池动力系统热管理技术领域，解决了现有的燃料电池低温启动损耗较大，且现有的吹扫受制约较大，而通过电加热或氢气催化燃烧放热等方式会消耗较多额外的能量的问题，现提出如下方案，其包括燃料电池热管理单元和热管理控制器，所述热管理控制器与所述燃料电池热管理单元通讯连接。本装置具有方便智能调控，且可以及时对打鼾的睡眠者进行有效的提醒，保障了安全性，还在一定程度上保护了使用者的特点。还在一定程度上保护了使用者的特点。还在一定程度上保护了使用者的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池动力系统热管理
，尤其涉及一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着环境问题和能源问题的日益突出，发展新能源汽车已是全球的共识。作为汽车电动化的解决方案之一，燃料电池汽车除了具有纯电动汽车相对于燃油车所具有的优点外，又独具续航里程长和充能时间短的特质，被业内一致认为是汽车工业的终极目标。
[0003]当前，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。
[0004]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。
[0005]目前燃料电池低温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；另一类是通过配置的动力电池进行电加热或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，该类方式的主要问题是需要额外消耗较多能量 (车载电能或氢能)，缩短了燃料电池汽车的续航里程。因此提出一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法，解决了现有的燃料电池低温启动损耗较大，且现有的吹扫受制约较大，而通过电加热或氢气催化燃烧放热等方式会消耗较多额外的能量的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统，包括燃料电池热管理单元和热管理控制器，所述热管理控制器与所述燃料电池热管理单元通讯连接；
[0008]所述燃料电池热管理单元包括水泵、燃料电池电堆、三通电磁阀、相变储热器、节温器、散热器、膨胀水箱、第一温度传感器、第二温度传感器及第三温度传感器，所述相变储
热器上分别设置有冷却液进口与冷却液出口，所述燃料电池电堆的液体出口分别连接有三通电磁阀与节温器，且三通电磁阀与相变储热器的冷却液进口连接，所述节温器分别与散热器的输入端与输出端连接，所述相变储热器的冷却液出口分别与三通电磁阀、散热器的输出端、水泵连接，且水泵的另一端与燃料电池电堆的液体进口连接，所述第一温度传感器设置在水泵与燃料电池电堆的液体进口之间，所述第二温度传感器设置在燃料电池电堆的液体出口与三通电磁阀之间，所述第三温度传感器设置在所述相变储热器的相变储热材料内，所述膨胀水箱的两端分别与水泵的输出端与输入端连接。
[0009]优选的，所述相变储热器为管壳式或套管式，包括外壳、保温层、和管壳式热交换器，所述管壳式热交换器的管程为载热流体即冷却液流动管道，所述管壳式热交换器的壳程内充满相变储热材料，所述管壳式热交换器的壳体外部与所述相变储热器的外壳之间的空间填充保温绝热材料从而形成所述保温层。
[0010]优选的，所述相变储热器的壳程中填充的相变储热材料为熔点温度在0℃～
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10℃之间的低温相变材料。
[0011]优选的，所述相变储热器的壳程内填充的低温相变材料是由 0.2～1.0mol/L的甘氨酸、0.1mol/L丙三醇、0.1wt.％的苯甲酸钠、0.7wt.％～0.8wt.％的SAP组成的水溶液(相变温度为
‑
7.3℃～
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5℃，相变潜热为296.4～305.9kJ/kg)。
[0012]优选的，所述相变储热器的管壳式热交换器的管程为U形铜制管，所述壳体为绝热陶瓷，所述管程的U形铜制管形状为U形、W 形或带有翅片的U形，其中翅片垂直于U形铜制管的轴线。
[0013]优选的，所述相变储热器的保温层内填充的绝热材料为二氧化硅纳米微孔绝热材料。
[0014]优选的，所述相变储热器的保温层内填充的二氧化硅纳米微孔绝热材料包括气相二氧化硅、二氧化硅气凝胶及沉淀法二氧化硅中的一种或多种，所述保温层为抽真空密封设置。
[0015]优选的，所述燃料电池热管理单元中的水泵、三通电磁阀、散热器均通过线路与热管理控制器连接，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均通过线路与热管理控制器连接。
[0016]一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统的控制方法，包括以下步骤：
[0017]S1：检测并比较通过燃料电池电堆冷却液温度TF和第一阚值温度T1的大小，当热管理控制器检测到燃料电池电堆冷却液温度TF 小于第一阈值温度T1时，开启燃料电池热管理单元的三通电磁阀与相变储热器之间的第二阀门和水泵，使燃料电池电堆的冷却液流经相变储热器的管程管路获取相变储热器的壳程中相变材料所传递过来的相变潜热并在水泵的驱动下进入燃料电池电堆为其加热；
[0018]S2：当热管理控制器检测到TF＞T1或相变储热材料体相温度 TP大于相变特征温度TP0时，开启燃料电池热管理单元中三通电磁阀与节温器之间的第一阀门，使燃料电池电堆的冷却液流经节温器直接通过水泵进入燃料电池电堆，并开始监测TF与第二阈值温度 T2的大小变化；
[0019]S3：当热管理控制器检测到燃料电池电堆冷却液温度TF＞T2 时，再次开启燃料电池热管理单元的三通电磁阀的第二阀门，使燃料电池电堆的冷却液流经相变储热器的管程
管路将燃料电池在工作时所产生的热量通过换热器传递给相变储热器的壳程中的相变材料使其升温以存储热量；然后实时监测TP与T2的大小变化；
[0020]S4：当热管理控制器检测到相变储热材料体相温度TP＞T2时，再次开启燃料电池热管理单元中的三通电磁阀的第一阀门进入正常热管理模式，而相变材料所储存的热量被封存于相变储热器中留待下一次低温启动时再次释放。
[0021]优选的，第一阈值温度T1设定为
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4℃～0℃之间，第二阈值温度 T2设定为70℃～75℃之间。
[0022]与相关技术相比较，本专利技术提供的一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统及其控制方法具有如下有益效果：
[0023]1、本专利技术将燃料电池汽车在燃料电池工作时所产生的热量存储于相变材料中并在低温启动时通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统，其特征在于，包括燃料电池热管理单元(1)和热管理控制器(2)，所述热管理控制器(2)与所述燃料电池热管理单元(1)通讯连接；所述燃料电池热管理单元(1)包括水泵(101)、燃料电池电堆(102)、三通电磁阀(103)、相变储热器(104)、节温器(105)、散热器(106)、膨胀水箱(107)、第一温度传感器(108)、第二温度传感器(109)及第三温度传感器(110)，所述相变储热器(104)上分别设置有冷却液进口(1047)与冷却液出口(1048)，所述燃料电池电堆(102)的液体出口分别连接有三通电磁阀(103)与节温器(105)，且三通电磁阀(103)与相变储热器(104)的冷却液进口(1047)连接，所述节温器(105)分别与散热器(106)的输入端与输出端连接，所述相变储热器(104)的冷却液出口(1048)分别与三通电磁阀(103)、散热器(106)的输出端、水泵(101)连接，且水泵(101)的另一端与燃料电池电堆(102)的液体进口连接，所述第一温度传感器(108)设置在水泵(101)与燃料电池电堆(102)的液体进口之间，所述第二温度传感器(109)设置在燃料电池电堆(102)的液体出口与三通电磁阀(103)之间，所述第三温度传感器(110)设置在所述相变储热器(104)的相变储热材料内，所述膨胀水箱(107)的两端分别与水泵(101)的输出端与输入端连接。2.根据权利要求1所述一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统，其特征在于，所述相变储热器(104)为管壳式或套管式，包括外壳(1041)、保温层(1042)、和管壳式热交换器，所述管壳式热交换器的管程(1046)为载热流体即冷却液流动管道，所述管壳式热交换器的壳程(1044)内充满相变储热材料，所述管壳式热交换器的壳体(1043)外部与所述相变储热器的外壳(1041)之间的空间填充保温绝热材料从而形成所述保温层(1042)。3.根据权利要求1或2所述一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统，其特征在于，所述相变储热器(104)的壳程(1044)中填充的相变储热材料为熔点温度在0℃～
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10℃之间的低温相变材料。4.根据权利要求3所述一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统，其特征在于，所述相变储热器(104)的壳程(1044)内填充的低温相变材料是由0.2～1.0mol/L的甘氨酸、0.1mol/L丙三醇、0.1wt.％的苯甲酸钠、0.7wt.％～0.8wt.％的SAP组成的水溶液(相变温度为
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7.3℃～
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5℃，相变潜热为296.4～305.9kJ/kg)。5.根据权利要求4所述一种一种基于热储能的燃料电池汽车低温启动系统，其特征在于，所述相变储热器(104)的管壳式热交换器的管程(1046)为U形铜制管(1045)，所述壳体(1043)为绝热陶瓷，所述管程(1046)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张媛，李砻，霍晓强，杨怡，
申请(专利权)人：北京氢马力新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：