一种质子交换膜燃料电池热管理系统及工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池热管理系统及其工作方法。所述的燃料电池热管理系统包括燃料电池电堆、超薄均热板、水冷模块、保温加热模块和控制模块。所述燃料电池电堆的双极板上设置有插槽，所述超薄均热板的导热段嵌于插槽内，相邻两块超薄均热板的控温段分别与冷却模块和保温加热模块连接。所述燃料电池热管理系统利用超薄均热板的均温特性及复合相变材料储存潜热的特性，配合控制模块实现对燃料电池电堆的高效热管理。本发明专利技术提出的燃料电池热管理系统具有系统可靠灵活、电池温度分布均匀稳定、热量调控高效节能等优点。热量调控高效节能等优点。热量调控高效节能等优点。

A thermal management system and working method of proton exchange membrane fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池热管理系统及工作方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池热管理领域，具体是基于超薄均热板与复合相变材料的质子交换膜燃料电池热管理系统及工作方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是将反应物本身的化学能直接转化成电能的装置，具有高能量密度、低环境污染性，燃料丰富可且再生的特点，受到了广泛关注，被誉为21世纪的终极能源，具有广泛的应用前景。在实际应用中，燃料40％～60％的化学能转换成电能，其余的能量大多数转化为热能。如果热量不能及时排出，系统温度会持续上升，出现单电池内局部或者电堆内局部区域超温现象，严重影响燃料电池正常工作。当质子交换膜温度达到80℃以上时，其热稳定性和质子传导能力将会下降，严重时会出现膜脱水的现象，导致电导率急剧降低。当质子交换膜温度高于130℃时，会使膜产生不可逆的损害，局部热点会导致膜穿孔，最终影响电堆运行的安全性。同时，电池的温度过高也会加速催化剂的衰减。
[0003]当前的质子交换膜燃料电池热管理技术如专利申请CN201810662690.5公开了一种用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块，由燃料电池电堆、冷却液流道、超薄均温板、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；蓄液箱、循环液体泵、加热装置通过冷却液流道依次串联，形成传热均温循环回路；冷却液流道穿过多个间隔设置的燃料电池电堆的超薄均温板的冷凝端；膜电极的两侧分别设有超薄均温板，多个膜电极和超薄均温板交替设置；超薄均温板的空腔体设置在壳体中，至少从壳体的一端伸出壳体，其采用均温板传出温度并用冷却液进行冷却或加热，专利申请CN201820980615.9公布了一种应用于高电流密度燃料电池传热均温的液冷式装置。这些专利技术在低温启动没有侧重，或采用加热冷却液进行间接加热，会导致系统实时性有缺陷，且没有对电堆工作产生的热量进行回收利用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于超薄均热板与复合相变材料的质子交换膜燃料电池热管理系统，能够保证质子交换膜燃料电池电堆在运行过程中均匀处于合适的温度范围内，储存热量实现电堆快速冷启动以及防止电堆发生局部温度过高损坏，以优化质子交换膜燃料电池热管理提升其性能。
[0005]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]一种基于超薄均热板与复合相变材料的质子交换膜燃料电池热管理系统，包括燃料电池电堆、超薄均热板、水冷模块、保温加热模块和控制模块。
[0007]所述的燃料电池电堆包括多个串联的单电池，每个所述单电池包括膜电极和双极板，所述双极板内设置有插槽，所述超薄均热板嵌于双极板的插槽内，燃料电池电堆的外侧设置有双极板端板，所述燃料电池电堆内设置有温度传感器；
[0008]所述的水冷模块和保温加热模块分别位于电堆的两侧，相邻两块超薄均热板分别与水冷模块和保温加热模块连接；
[0009]所述的保温加热模块包括保温外壳和设置在保温外壳内的加热棒以及相变材料；
[0010]所述的控制模块与水冷模块和保温加热模块连接，用于控制冷却流体流速以及加热棒功率。
[0011]优选的，每块超薄均热板包括导热段和控温段，所述导热段位于双极板内，所述控温段与水冷模块或保温加热模块连接。所述控温段占超薄均热板整体面积的15％～20％。
[0012]优选的，所述超薄均热板包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑体和工作介质，所述上壳板和下壳板之间密封并由支撑体支撑形成中空腔体，所述中空腔体内设置有工作介质和吸液芯。
[0013]优选的，所述工作介质为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、氨和氟利昂的任一种或多种的混合物。
[0014]优选的，所述上壳板、下壳板材质为铜、铝、铜合金和铝合金中的任一种。
[0015]优选的，所述吸液芯为烧结铜粉柱丝网复合吸液芯、烧结铜丝网编织带复合吸液芯或烧结铜粉柱丝网编织带吸液芯。
[0016]优选的，所述超薄均热板的厚度为0.6～1mm。
[0017]优选的，所述水冷模块包括铝或者铝合金外壳以及内部的水流空腔，水冷模块的两端分别设置有进水口和出水口，进水口上设置有阀门，阀门与控制模块连接，所述外壳上设置有用于嵌设均热板控温段的插槽。
[0018]优选的，所述保温加热模块中的相变材料由质量分数为80～90％的石蜡和10～20％的膨胀石墨组成，其中所用石蜡的熔点在60～80℃之间。
[0019]优选的，本专利技术提供一种上述的基于超薄均热板与复合相变材料的氢燃料电池热管理系统的工作方法，包括如下步骤：
[0020]当电堆温度T低于第一预设温度T1时，所述保温加热模块的相变材料释放潜热，所述潜热通过超薄均热板导入燃料电池电堆，用于燃料电池电堆的保温；
[0021]所述温度传感器实时采集燃料电池电堆的温度T，当燃料电池电堆的温度T高于第二预设温度T2时，所述控制模块增大水冷模块的水流速度来加速冷却超薄均热板的控温段，保温加热模块中的相变材料吸收储存燃料电池电堆的热量；
[0022]当所述燃料电池电堆冷启动时，即采集到电堆内温度T低于第一预设温度T1时，所述保温加热模块中的相变材料释放热量以提高燃料电池电堆的温度，所述控制模块增大保温加热模块中加热棒的加热功率以提高超薄均热板控温段的温度，所述控温段将热量传输到导热段，以提升燃料电池电堆的温度。
[0023]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0024]1、系统可靠灵活：本专利技术使用超薄均热板控制电堆温度，无需冷却流场，能够有效提高电堆空间利用率，简化电堆整体构造。同时系统采用模块化设计、便于高效控制和故障监测，系统具有较快的启动响应能力，可有效降低系统运行的故障率，且各模块可更换升级；
[0025]2、电堆温度分布均匀稳定：本专利技术充分利用超薄均热板的优良均温特性，在各单电池上布置均热板，避免局部高温点的出现，实现电堆内温度均匀分布；
[0026]3、热量调控高效节能：基于所述的工作模式，利用超薄均热板的优良均温特性将热量从电堆导出或导入，同时利用复合相变材料储热特性，电堆温度高回收存储热量，温度
低释放潜热，减少系统能耗，并实现电堆温度高效实时稳定调控；
附图说明
[0027]为了更清楚地说明专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
[0028]图1为本专利技术所提供的质子交换膜燃料电池热管理系统的整体图；
[0029]图2为本专利技术所提供的质子交换膜燃料电池热管理系统的整体爆炸示意图；
[0030]图3为本专利技术所提供的水冷模块示意图；
[0031]图4为本专利技术所提供的保温加热模块示意图；
[0032]图5为本专利技术提出的质子交换膜燃料电池热管理系统控制方法流程图。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池热管理系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、超薄均热板(4)、水冷模块(5)、保温加热模块(6)和控制模块；所述燃料电池电堆包括多个串联的单电池，每个所述单电池包括膜电极(2)和双极板(3)，所述双极板(3)内设置有插槽，所述超薄均热板(4)嵌于双极板(3)的插槽内，燃料电池电堆的外侧设置有双极板端板(1)，所述燃料电池电堆内还设置有温度传感器；所述水冷模块(5)和保温加热模块(6)分别位于燃料电池电堆的上下两侧，相邻两块超薄均热板(4)分别与水冷模块(5)和保温加热模块(6)连接；所述保温加热模块(6)包括保温外壳和设置在保温外壳内的加热棒及相变材料；所述控制模块与水冷模块(5)和保温加热模块(6)均连接，用于控制冷却流体流速以及加热棒功率。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池热管理系统，其特征在于：所述超薄均热板(4)包括导热段和控温段，所述导热段嵌于双极板(3)内，所述控温段与水冷模块(5)或保温加热模块(6)连接，所述控温段占超薄均热板(4)整体面积的15％～20％。3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池热管理系统，其特征在于：所述超薄均热板(4)包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑体和工作介质，所述上壳板和下壳板之间密封并由支撑体支撑形成中空腔体，工作介质和吸液芯设置在所述中空腔体内。4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池热管理系统，其特征在于：所述工作介质为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、氨和氟利昂的任一种或多种的混合物。5.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池热管理系统，其特征在于：所述上壳板、下壳板材质为铜、铝、铜合金和铝合金中的任一种。6.根据权利要求3所述的一种质子交...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，梁浩伟，陈瀚贤，柯育智，林惠铖，刘庆森，赵永豪，李锦广，
申请(专利权)人：广东氢机智创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：