车用高温PEMFC启动及运行时的热管理系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种车用高温PEMFC启动及运行时的热管理系统，包括高温质子交换膜燃料电池、复合均温板、加热片和由管路连接的设置在复合均温板两端的预热器和散热器。复合均温板放置电池中间，利用其高导热系数既对电池均温又可实现电池堆与外部的热传导。在启动阶段，可以利用蓄电池和加热片对复合均温板两端加热，实现电池堆的快速启动。在运行阶段，利用预热器对低于电池运行温度的燃料进行加热，同时携带出电池堆的部分热量，向散热器通入冷空气将电池堆的热量排出，将排出的高温空气用于车辆供暖，剩余氢气净化后循环再利用。本发明专利技术操作容易，原理简单，既满足电池堆的启动及运行热管理要求，又合理的利用了电池堆的剩余燃料及其热量。及其热量。及其热量。

【技术实现步骤摘要】
车用高温PEMFC启动及运行时的热管理系统及控制方法


[0001]本专利技术属于能源技术应用领域，尤其涉及一种高温质子交换膜燃料电池堆启动及运行时的热管理系统。

技术介绍

[0002]高温质子交换膜燃料电池(high temperature proton exchange membrane fuel cell，简称HT
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PEMFC)是一种可用于乘用车、商用车、无人机和轻型航空及其他便携式和固定式电站的装置。该装置具有发电效率高，污染物排放少等优点，对实现碳达峰和碳中和具有重要实际意义。
[0003]HT
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PEMFC的运行温度范围在120～200℃。由于其要求的工作温度高于环境温度，在稳定工作前，需要将电池堆的温度升温至其可以工作的范围，即120℃。当电堆温度达到120℃后，再通入电池堆所需的燃料，该阶段称为启动阶段。HT
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PEMFC中发生的化学反应属于放热反应，在工作过程中需要冷却介质和散热装置对其进行散热。当启动完成后，进入稳定工作阶段时，需要不断对电池堆冷却，使其维持正常的工作温度。此外，在电池堆工作过程中，为了达到更好的性能，通常为电池堆通入过量燃料。因此，为了降低整个系统的复杂程度，在保证效率和性能的前提下，如何使用简单的系统兼顾燃料预热、启动加热及散热对其实际中的应用至关重要。
[0004]合理高效的热管理系统，不仅可以减小系统的复杂程度，还可以提高系统的整体效率。HT
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PEMFC主要有双极板、扩散层、催化层和膜等结构。在现有的燃料电池热管理系统中，大多在双极板上直接制作出燃料流道和冷却剂流道。考虑到HT
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PEMFC的工作温度在120℃以上，高于水的沸点使其难以满足冷却要求，空气和导热油作为冷却介质的应用较多。若想获得较为均匀的温度，通常需要比较复杂的冷却流道，这会大大增加冷却介质的压降，使寄生功率增大。另外，将导热油通至电池堆内部，也存在泄漏的风险。如何实现更好的散热，且使整个系统简单易于操作有助于其在实际当中推广应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种车用高温PEMFC启动及运行时的热管理系统，，该系统利用复合均温板、预热器、散热器实现燃料预热、电池堆的启动加热、散热及燃料再利用。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种车用高温PEMFC启动及运行时的热管理系统，包括加热系统、散热系统、剩余燃料及其余热再利用系统；燃料电池堆的多块高温质子交换膜燃料电池之间放置有复合均温板，所述复合均温板相对于所述高温质子交换膜燃料电池的两端均具有突出端；
[0007]所述加热系统包括分别设置在所述复合均温板两个突出端的加热片，位于两个突出端的加热片各自并联后分别通过加热线路E和加热线路F连接至线路开关的一端，所述线路开关的另一端连接至蓄电池；
[0008]所述散热系统包括燃料预热器和散热器，所述燃料预热器设置在所述复合均温板的一突出端，所述燃料预热器设有燃料预热进气管路和分别连接至所述燃料电池堆的阴阳极进口的电堆进气管路，所述的燃料预热进气管路上设有阀门；所述燃料预热进气管路包括所述空气进气管G和氢气进气管H，所述电堆进气管路包括与预热后空气进气管A和预热后氢气进气管B；所述散热器设置在所述复合均温板的另一突出端，所述散热器的进口和出口分别连接至冷却空气进气管路I和冷却空气出气管路M；
[0009]所述燃料及其余热再利用系统包括自所述燃料电池堆的阳极出口连接至所述氢气进气管H的阳极燃料氢气再利用管路C和自所述燃料电池堆的阴极出口并联至所述冷却空气出气管路M的阴极燃料空气余热利用管路D；所述冷却空气出气管路M和阴极燃料空气余热利用管路D并联后通过空气混合管路J连接至空调换热器。
[0010]进一步讲，本专利技术所述的热管理系统，其特征在于，所述复合均温板的结构是，在金属板或导热率大于200W/m
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K的材料的表面复合一层导热率大于1500W/m
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K的材料。
[0011]所述的导热率大于1500W/m
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K的材料优选的是柔性石墨薄片或是石墨烯。
[0012]所述复合均温板的数量根据工况和实际要求确定，在相邻高温质子交换膜燃料电池之间放置一块复合均温板或是每间隔1到多个高温质子交换膜燃料电池放置一块复合均温板。
[0013]所述阳极燃料氢气再利用管路C上设有净化器。
[0014]所述冷却空气进气管路I上设有阀门。
[0015]同时，本专利技术中还提出了上述热管理系统的控制方法，主要包括：
[0016]在所述燃料电池堆启动时，打开所述的线路开关，通过加热线路E和加热线路F对安装在复合均温板两个突出端上的加热片进行加热；利用所述的复合均温板快速导热特性将热量迅速传导至所有的高温质子交换膜燃料电池；同时，打开所述空气进气管G上的阀门，对所述燃料电池堆进行加热；当所述燃料电池堆温度达到预定加热温度时，关闭所述的的线路开关，停止加热。
[0017]所述散热系统，在所述燃料电堆稳定工作状态时，启动所述的散热系统对工作的燃料电池堆进行散热，使所述的燃料电池堆维持在合理的工作温度；所述的燃料预热器和散热器在电池端对所述的高温质子交换膜燃料电池进行散热；阴阳极燃料空气和氢气低于电池运行温度，并分别通过所述空气进气管G和氢气进气管H进入所述的燃料预热器，利用所述的燃料预热器将所述复合均温板从燃料电池堆导出的热量传递至其中的燃料，对低于燃料电池堆运行温度的燃料进行加热；预热后的氢气和空气分别通过预热后空气进气管A和预热后氢气进气管B送至所述的燃料电池堆内部，剩余氢气通入所述的阳极燃料氢气再利用管路C，剩余空气及产物水蒸气通入所述的阴极燃料空气余热利用管路D；燃料电池堆另一端利用外部的冷空气对燃料电池堆进行散热，打开所述冷却空气进气管路I上的阀门，将冷空气通过冷却空气进气管路I通入所述散热器，吸收燃料电池堆传导出的热量后通至所述的冷却空气出管路M。
[0018]将剩余氢气通至所述的阳极燃料氢气再利用管路C后，经过所述净化器，除去其中含有的水蒸气和磷酸；净化后的氢气与氢气进气管H内的氢气进行混合后再次通入所述的燃料预热器，实现剩余氢气的再利用；阴极燃料空气余热利用管路D中来自燃料电池堆的剩余空气及产物水蒸气与冷却空气出管路M中的空气混合，通过空气混合管路J通入至所述空
调换热器，将来自所述燃料电池堆的剩余空气及产物水蒸气和所述的冷却空气出管路M中的空气从燃料电池堆吸收的热量利用空调换热器传递给来自空调换热器进气管路K的空调进气；车内空间需要供热时，打开空调换热器进气管路K上的阀门，加热后的空调进气通过空调换热器出气管路L流通至车内空间；最终，将来自空气混合管路J并经过空调换热器的气体排出管路N排放至环境，实现电堆的余热利用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果是：
[0020]本专利技术热管理系统中的散热结构的双极板不存在冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车用高温PEMFC启动及运行时的热管理系统，其特征在于，该热管理系统包括加热系统、散热系统、剩余燃料及其余热再利用系统；燃料电池堆(1)的多块高温质子交换膜燃料电池(14)之间放置有复合均温板(2)，所述复合均温板(2)相对于所述高温质子交换膜燃料电池(14)的两端均具有突出端；所述加热系统包括分别设置在所述复合均温板(2)两个突出端的加热片，位于两个突出端的加热片各自并联后分别通过加热线路E和加热线路F连接至线路开关(9)的一端，所述线路开关的另一端连接至蓄电池(8)；所述散热系统包括燃料预热器(4)和散热器(3)，所述燃料预热器(4)设置在所述复合均温板(2)的一突出端，所述燃料预热器(4)设有燃料预热进气管路和分别连接至所述燃料电池堆(1)的阴阳极进口的电堆进气管路，所述的燃料预热进气管路上设有阀门；所述燃料预热进气管路包括所述空气进气管G和氢气进气管H，所述电堆进气管路包括与预热后空气进气管A和预热后氢气进气管B；所述散热器(3)设置在所述复合均温板(2)的另一突出端，所述散热器(3)的进口和出口分别连接至冷却空气进气管路I和冷却空气出气管路M；所述燃料及其余热再利用系统包括自所述燃料电池堆(1)的阳极出口连接至所述氢气进气管H的阳极燃料氢气再利用管路C和自所述燃料电池堆(1)的阴极出口并联至所述冷却空气出气管路M的阴极燃料空气余热利用管路D；所述冷却空气出气管路M和阴极燃料空气余热利用管路D并联后通过空气混合管路J连接至空调换热器(11)。2.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述复合均温板(2)的结构是，在金属板或导热率大于200W/m
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K的材料的表面复合一层导热率大于1500W/m
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K的材料。3.根据权利要求2所述的热管理系统，其特征在于，所述的导热率大于1500W/m
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K的材料是柔性石墨薄片或是石墨烯。4.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述复合均温板(2)的数量根据工况和实际要求确定，在相邻高温质子交换膜燃料电池之间放置一块复合均温板(2)或是每间隔1到多个高温质子交换膜燃料电池放置一块复合均温板(2)。5.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述阳极燃料氢气再利用管路C上设有净化器(7)。6.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述冷却空气进气管路I上设有阀门(6)。7.一种如权利要求1
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6任一所述的热管理系统的控制方法，其特征在于，在所述燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金山，王世学，朱禹，岳利可，钱志广，梅书雪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：