一种基于相变储热的燃料电池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相变储热的燃料电池低温启动系统及其控制方法，包括燃料电池电堆、热管理控制器、空气系统、冷却液循环系统和氢气系统，热管理控制器分别与空气系统、冷却液循环系统和氢气系统通讯连接，空气系统、冷却液循环系统和氢气系统分别与燃料电池电堆连接，空气系统和氢气系统分别与冷却液循环系统连接；冷却液循环系统包括：水泵、三通电磁阀、相变储热器、节温器、散热器、温度传感器。利用该系统中相变储热器内的相变材料在低温环境下释放相变潜热为燃料电池电堆加热来实现燃料电池的低温启动，系统具有车载能源利用率高、低温启动快等优点，还在一定程度上延长了燃料电池膜电极的使用寿命。燃料电池膜电极的使用寿命。燃料电池膜电极的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变储热的燃料电池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
，具体涉及一种基于相变储热的燃料电池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。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统及其控制方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统。
[0009]一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，包括燃料电池电堆、热管理控制器、空气系统、冷却液循环系统和氢气系统；所述热管理控制器分别与空气系统、冷却液循环系统和氢气系统通讯连接，所述空气系统、冷却液循环系统和氢气系统分别与燃料电池电堆连接，所述空气系统、氢气系统分别与冷却液循环系统连接；
[0010]其中，所述冷却液循环系统包括：水泵、第一三通电磁阀、相变储热器、节温器、散
热器、第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器；所述燃料电池电堆的冷却液出口通过所述冷却液循环系统的第一三通电磁阀后一路接于所述相变储热器中冷却液热交换管的进液口，另一路接于所述节温器的输入端，所述节温器的第一输出端接于所述散热器的输入端，所述节温器的第二输出端与所述散热器的输出端及所述相变储热器中冷却液热交换管的出液口三路汇并后经所述水泵接于所述燃料电池电堆的冷却液进口；所述冷却液循环系统的第一温度传感器设置在所述水泵和所述燃料电池电堆的冷却液进口之间，所述第二温度传感器设置在所述燃料电池电堆的冷却液出口和所述第一三通电磁阀之间，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。
[0011]进一步地，所述空气系统包括：空压机、第二三通电磁阀、中冷器和增湿器；所述空压机的高压空气出口通过所述第二三通电磁阀后一路接于所述中冷器的进气口，另一路接于所述冷却液循环系统中相变储热器的空气热交换管的进气口，所述冷却液循环系统中相变储热器的空气热交换管的出气口与所述中冷器的出气口汇并接于所述增湿器的进气口，所述增湿器的出气口接于所述燃料电池电堆的空气进口。
[0012]进一步地，所述氢气系统包括：氢气瓶和第三三通电磁阀；所述氢气瓶的氢气出口通过所述第三三通电磁阀后一路直接接于所述燃料电池电堆的氢气进口，另一路接于所述冷却液循环系统中相变储热器的氢气热交换管的进气口，所述冷却液循环系统中相变储热器的氢气热交换管的出气口接于所述燃料电池电堆的氢气进口。
[0013]进一步地，所述相变储热器为套管式结构，包括相变储热器外壳、保温层、热交换管阵列外壳、空气热交换管、冷却液热交换管和氢气热交换管；其中，所述相变储热器外壳与所述热交换管阵列外壳之间的空间填充保温绝热材料从而形成所述的保温层，所述热交换管阵列外壳内布置有不同数目的空气热交换管、冷却液热交换管和氢气热交换管从而形成热交换管阵列，所述空气热交换管为燃料电池高压空气传输管道，所述冷却液热交换管为燃料电池冷却液流动管道，所述氢气热交换管为燃料电池氢气传输管道，所述热交换管外壁与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内充填相变储热材料和高热导率添加剂。
[0014]进一步地，所述热交换管为由紫铜焊接而成的管肋式结构，该管肋式热交换管包含了纵、横两个方向的肋片，而且所述热交换管的肋片外沿与所述热交换管阵列外壳的内壁紧密接触以为热交换管阵列外壳和热交换管提供机械支撑。
[0015]进一步地，所述热交换管外壁与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内充填的相变储热材料为凝固点温度在0℃～
‑
10℃之间的低温相变材料。
[0016]进一步地，所述热交换管外壁与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内充填的相变储热材料高热导率添加剂为碳材料，而且所述的碳材料至少包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或多种。
[0017]进一步地，所述保温层内填充的绝热材料为二氧化硅纳米微孔绝热材料，所述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，并将所述保温层抽真空密封。
[0018]进一步地，所述冷却液循环系统还包括设置在水泵进出液管路上用于定压补液的膨胀水箱。
[0019]进一步地，所述热管理控制器通过低压信号线与所述温度传感器连接，接收温度传感器的温度信号；通过低压开关控制线与所述三通电磁阀连接，向其发送开通方向的指
令；通过低压开关控制线与所述空压机、氢气瓶电磁阀、水泵和散热器连接，向其发送开关指令并通过PWM控制机制向空压机、水泵和散热器风扇发送脉宽调制信号以调控空压机电机、水泵电机和散热器风扇电机的转速。
[0020]根据本专利技术的另一个方面，还提供一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统的控制方法。
[0021]一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统的控制方法，包括以下步骤：
[0022]步骤(1)，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动时，所述热管理控制器检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，开启所述冷却液循环系统的第一三通电磁阀、所述空气系统的第二三通电磁阀和所述氢气系统的第三三通电磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，其特征在于，包括燃料电池电堆、热管理控制器、空气系统、冷却液循环系统和氢气系统；所述热管理控制器分别与空气系统、冷却液循环系统和氢气系统通讯连接，所述空气系统、冷却液循环系统和氢气系统分别与燃料电池电堆连接，所述空气系统、氢气系统分别与冷却液循环系统连接；其中，所述冷却液循环系统包括：水泵、第一三通电磁阀、相变储热器、节温器、散热器、第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器；所述燃料电池电堆的冷却液出口通过所述冷却液循环系统的第一三通电磁阀后一路接于所述相变储热器中冷却液热交换管的进液口，另一路接于所述节温器的输入端，所述节温器的第一输出端接于所述散热器的输入端，所述节温器的第二输出端与所述散热器的输出端及所述相变储热器中冷却液热交换管的出液口三路汇并后经所述水泵接于所述燃料电池电堆的冷却液进口；所述冷却液循环系统的第一温度传感器设置在所述水泵和所述燃料电池电堆的冷却液进口之间，所述第二温度传感器设置在所述燃料电池电堆的冷却液出口和所述第一三通电磁阀之间，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。2.根据权利要求1所述的一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，其特征在于，所述空气系统包括：空压机、第二三通电磁阀、中冷器和增湿器；所述空压机的高压空气出口通过所述第二三通电磁阀后一路接于所述中冷器的进气口，另一路接于所述冷却液循环系统中相变储热器的空气热交换管的进气口，所述冷却液循环系统中相变储热器的空气热交换管的出气口与所述中冷器的出气口汇并接于所述增湿器的进气口，所述增湿器的出气口接于所述燃料电池电堆的空气进口。3.根据权利要求1所述的一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，其特征在于，所述氢气系统包括：氢气瓶和第三三通电磁阀；所述氢气瓶的氢气出口通过所述第三三通电磁阀后一路直接接于所述燃料电池电堆的氢气进口，另一路接于所述冷却液循环系统中相变储热器的氢气热交换管的进气口，所述冷却液循环系统中相变储热器的氢气热交换管的出气口接于所述燃料电池电堆的氢气进口。4.根据权利要求1～3所述的一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，其特征在于，所述冷却液循环系统的相变储热器为套管式结构，包括相变储热器外壳、保温层、热交换管阵列外壳、空气热交换管、冷却液热交换管和氢气热交换管；其中，所述相变储热器外壳与所述热交换管阵列外壳之间的空间填充保温绝热材料从而形成所述的保温层，所述热交换管阵列外壳内布置有不同数目的空气热交换管、冷却液热交换管和氢气热交换管从而形成热交换管阵列，所述空气热交换管为燃料电池高压空气传输管道，所述冷却液热交换管为燃料电池冷却液流动管道，所述氢气热交换管为燃料电池氢气传输管道，所述热交换管外壁与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内充填相变储热材料和高热导率添加剂。5.根据权利要求4所述的一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，其特征在于，所述热交换管为由紫铜焊接而成的管肋式结构，该管肋式热交换管包含了纵、横两个方向的肋片，而且所述热交换管的肋片外沿与所述热交换管阵列外壳的内壁紧密接触以为热交换管阵列外壳和热交换管提供机械支撑。6.根据权利要求5所述的一种基于相变储热的燃料电池低温启动系统，其特征在于，所述热交换管外壁与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内充填的相变储热材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李砻，张媛，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：