一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统技术方案

本发明专利技术提供了一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，属于燃料电池应用技术领域，解决了现有技术散热损耗过大且未能有效利用燃料电池产生的热量去提高电解效率的问题。该系统包括PEM燃料电池、PEM电解槽、换热器、第一水泵、第二水泵、加热器、水箱和控制器。PEM燃料电池的冷却液出口依次经第一水泵、加热器、换热器的支路一接其冷却液入口，构成PEM燃料电池的冷却液循环回路。PEM电解槽的出水端依次经水箱、第二水泵、换热器的支路二接其入水端，构成PEM电解槽的电解水加热回路。通过PEM燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用PEM燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了PEM电解槽的常温及低温的启动能力。及低温的启动能力。及低温的启动能力。

【技术实现步骤摘要】
一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池应用
，尤其涉及一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统。

技术介绍

[0002]目前能源危机和环境污染日益严峻，发展可再生能源、走可持续发展道路成为各国的研究焦点之一。其中，氢能以其清洁、高效的特点被公认是未来最有潜力的能源载体之一。
[0003]现有制氢技术中，利用可再生能源燃烧产生的电能作为动力进行电解水是一种最成熟且有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径。电解水是将水分解为氢气和氧气的过程。PEM（聚合电解质膜）电解槽采用纯水作为工质，PEM膜起着电解质与隔膜的双重作用。当PEM电解槽工作时，膜上水化的质子通过界面区域在阳极、阴极之间传递，发生酸性水电解反应，具有制氢效率高、环保等优点。
[0004]在PEM电解槽制氢过程中，水的温度是影响制氢效率的因素之一，一般在70℃左右效率较高，因此需要在电解初期提高电解水温度，在低温环境下电解时尤为重要。现有集成制氢及燃料电池的热管理系统散热损耗过大，且未考虑如何利用燃料电池产生的热量有效提高电解效率。

技术实现思路

[0005]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，用以解决现有技术散热损耗过大且未能有效利用燃料电池产生的热量去提高电解效率的问题。
[0006]一方面，本专利技术实施例提供了一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，包括PEM燃料电池、PEM电解槽、换热器、第一水泵、第二水泵、加热器、水箱，以及控制器；其中，PEM燃料电池的冷却液出口依次经第一水泵、加热器、换热器的支路一接其冷却液入口；PEM电解槽的出水端依次经水箱、第二水泵、换热器的支路二接其入水端；控制器，用于启动后识别PEM电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制PEM燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行；以及，在PEM燃料电池的运行过程中，一旦识别到PEM电解槽入口水温超过目标温度，控制PEM电解槽启动以制氢。
[0007]上述技术方案的有益效果如下：通过PEM燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用PEM燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了PEM电解槽的常温及低温的启动能力。PEM燃料电池和PEM电解槽的工作温度接近，上述设置有效降低了硬件数量和成本。
[0008]基于上述系统的进一步改进，该热管理系统还包括分水器；其中，所述分水器设于PEM电解槽的阳极出气口处，其入口与PEM电解槽的阳极出气口连接，其出水端与水箱的进口连接，其出气口与外设氧气瓶连接或与大气连通。
[0009]进一步，其该热管理系统还包括直流电源；其中，所述直流电源的输出端与PEM电解槽的供电端连接，供电控制端与控制器的输出端连接。
[0010]进一步，所述控制器包括：数据获取单元，用于获取PEM电解槽入口水温、PEM燃料电池的冷却液出口水温，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于启动后识别PEM电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制PEM燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行，以使PEM燃料电池的产热通过换热器对PEM电解槽内的电解水加热，并在PEM燃料电池运行过程中，根据PEM燃料电池的冷却液出口水温实时调整加热器的加热温度，并监测PEM电解槽入口水温直到其超过目标温度，控制PEM电解槽启动制氢；如果否，直接控制PEM电解槽启动制氢。
[0011]进一步，所述数据获取单元包括：第一温度传感器，设于PEM电解槽的入水端处，用于获取PEM电解槽入口水温；第二温度传感器，设于PEM电池的冷却液出口处，用于获取PEM燃料电池的冷却液出口水温。
[0012]进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：S1.启动后获取第一温度传感器的水温，识别该水温是否低于目标温度；如果是，执行步骤S2，否则，执行步骤S5；S2.根据上述水温识别PEM燃料电池是否冷启动，如果是，启动加热器，否则，不启动加热器；S3.启动第一水泵、第二水泵，启动PEM燃料电池，控制PEM燃料电池以与所述水温匹配的运行功率运行；S4.在PEM燃料电池运行过程中，根据第二温度传感器的水温实时调整加热器的加热温度，并实时监测PEM电解槽入口水温是否超过目标温度；如果超过目标温度，关闭加热器，并执行步骤S5；否则，继续监测PEM电解槽入口水温；S5.启动直流电源为PEM电解槽上电，启动PEM电解槽制氢。
[0013]进一步，其该热管理系统还包括散热风扇；其中，所述散热风扇设于PEM燃料电池的壳体外部，其控制端与控制器的输出端连接。
[0014]进一步，在PEM燃料电池运行过程中，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：实时监测PEM燃料电池的冷却液出口水温是否超过上限温度，如果是，关闭加热器，启动散热风扇。
[0015]进一步，所述数据获取单元还包括环境温度传感器；其中，所述环境温度传感器，设于热管理系统的工作环境中，用于获取该热管理系统内PEM电池、PEM电解槽所处的环境温度。
[0016]进一步，所述加热器采用电磁加热器、红外线加热器、PTC加热器中的一种；并且，所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示环境温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器的温度示数，以及PEM燃料电池、PEM电解槽各自的启动状态。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
1、在现有PEM电解槽和PEM燃料电池的设计基础上，有序结合了低温自启动和换热技术，从而产生了一种集成换热系统，通过PEM燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用PEM燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了PEM电解槽的常温及低温的启动能力。
[0018]2、结构简单，能量转换效率高，制备成本低。
[0019]3、可以同时保证PEM电池和PEM电解槽同时高效运行。提供
技术实现思路
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。
技术实现思路
部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
[0020]通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0021]图1示出了实施例1集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统组成示意图；图2示出了实施例2集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统的线路连接示意图；图3示出了实施例2集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统的控制原理示意图。
[0022]附图标记：1
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PEM燃料电池；2
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PEM电解槽；3
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第一水泵；4
‑ꢀ
加热器；5
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换热器；6
‑ꢀ
第二水泵；7
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，其特征在于，包括PEM燃料电池、PEM电解槽、换热器、第一水泵、第二水泵、加热器、水箱，以及控制器；其中，PEM燃料电池的冷却液出口依次经第一水泵、加热器、换热器的支路一接其冷却液入口；PEM电解槽的出水端依次经水箱、第二水泵、换热器的支路二接其入水端；控制器，用于启动后识别PEM电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制PEM燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行；以及，在PEM燃料电池的运行过程中，一旦识别到PEM电解槽入口水温超过目标温度，控制PEM电解槽启动以制氢。2.根据权利要求1所述的集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，其特征在于，还包括分水器；其中，所述分水器设于PEM电解槽的阳极出气口处，其入口与PEM电解槽的阳极出气口连接，其出水端与水箱的进口连接，其出气口与外设氧气瓶连接或与大气连通。3.根据权利要求1或2所述的集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，其特征在于，还包括直流电源；其中，所述直流电源的输出端与PEM电解槽的供电端连接，供电控制端与控制器的输出端连接。4.根据权利要求3所述的集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，其特征在于，所述控制器进一步包括：数据获取单元，用于获取PEM电解槽入口水温、PEM燃料电池的冷却液出口水温，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于启动后识别PEM电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制PEM燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行，以使PEM燃料电池的产热通过换热器对PEM电解槽内的电解水加热，并在PEM燃料电池运行过程中，根据PEM燃料电池的冷却液出口水温实时调整加热器的加热温度，并监测PEM电解槽入口水温直到其超过目标温度，控制PEM电解槽启动制氢；如果否，直接控制PEM电解槽启动制氢。5.根据权利要求4所述的集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统，其特征在于，所述数据获取单元进一步包括：第一温度传感器，设于PEM电解槽的入水端处，用于获取PEM电解槽入口水温；第二温度传感器，设...

【专利技术属性】
技术研发人员：槐佳，方川，赵兴旺，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：