[發明專利]燃料電池堆的熱管理系統及其控制方法

在審

• 申請號: 201310266125.4
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103872357A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 孫基碩
• 申請（專利權）人: 現代摩比斯株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 程殿軍

技術領域

本發明涉及燃料電池堆的熱管理系統裝置，具體是指在控制燃料電池堆溫度的熱管理系統配件及控制簡化的燃料電池堆的熱管理系統及其控制方法。

背景技術

燃料電池是將燃料具有的化學能量不需經過燃燒轉換成熱量，而是在燃料電池堆內實施電氣化學式反應變成電能的一種發電裝置，不但供應工業、家庭以及車輛驅動用電，也可以為小型電氣/電子產品，尤其是便攜裝置進行供電。

作為燃料電池，如作為用于車輛驅動的供電源研究最多的高分子電解質燃料電池（PEMFC:Polymer?Electrolyte?Membrane?Fuel?Cell,?Proton?Exchange?Membrane?Fuel?Cell），其組成包括：以氫離子移動的電解質膜為中心，在膜的兩側粘貼產生電氣化學反應的催化電極層的膜電極組（MEA:Membrane?Electrode?Assembly）、使反應氣體均勻地分布，傳遞發生的電能的氣體擴散層（GDL:Gas?Diffusion?Layer），旨在保持反應氣體以及冷卻水的氣密性和適當夾緊壓力的墊圈和夾緊機構；以及移動反應氣體和冷卻水的分離板（bipolar?plate）。

所述燃料電池中作為燃料的氫和作為氧化劑的氧（空氣）通過分離板的流路分別供給于膜電極組的陽極（anode）和陰極（cathode），氫供給于陽極（也稱為“燃料極”或“氫極”、“氧化極”），氧（空氣）供給于陰極（也稱為“空氣極”或者“氧氣極”、“還原極”）。

供給于陽極的氫通過電解質膜兩側構成的電極層催化，分解成氫離子（proton,?H⁺）和電子(electron,?e^-)，其中只有氫離子選擇性地通過陽離子交換膜即電解質膜傳遞于陰極，同時電子通過導體氣體擴散層和分離板傳遞于陰極。

所述陰極中通過電解質膜供給的氫離子和通過分離板傳遞的電子與通過空氣供給裝置供給于陰級的空氣中氧氣相遇而引起生成水的反應。而且因此時發生的氫離子的移動，電子通過外部導線流動，隨著這些電子流動生成電流。

另一方面，裝配于車輛的燃料電池系統其組成包括發生的電能的燃料電池堆、向燃料電池堆供給燃料（氫）的燃料供給裝置、向燃料電池堆供給電氣化學反應所需氧化劑即空氣中氧氣的空氣供給裝置、將燃料電池堆的反應熱排放到系統外部并控制燃料電池堆的運轉溫度的熱管理系統（TMS:Thermal?Management?System）。

按所述結構構成的燃料電池系統是通過燃料即氫和空氣中的氧氣發生的電氣化學反應產生電氣，并排出反應副產物即熱和水。

在所述燃料電池系統中尤其是將熱作為反應副產物發生而為防止堆溫度上升，需要用冷卻裝置對堆進行冷卻。而且燃料電池系統中最急需且難解決的問題就是冷啟動性確保技術，故熱與水管理系統的作用尤為重要。

眾所周知，TMS線的冷卻水是除了制冷劑的作用之外，在冷啟動時被加熱器迅速加熱并供給于堆，因此具有對堆迅速進行解凍的制熱劑作用。

為確保燃料電池車輛的冷啟動性，傳統上采用的解決方案是利用RTA(Rapid?Thaw?Accumulator)內部的加熱器純水快速解凍。但利用純水則在凝固點以下純水會結冰，冷卻水回路變得復雜，需要再安裝排水閥等難題也隨之發生。

為解決所述問題，有一種方案是，將堆用防凍液作為冷卻水使用，為在凝固點以下溫度使堆順利地生成電，對冷卻水迅速進行加熱。但在堆冷卻水線上需裝配加熱器。

燃料電池車輛的燃料電池啟動（start?up）/關閉（shut?down）時，為防止因碳載催化劑腐蝕導致堆的耐久性下降，將COD（Cathod?Oxygen?Depletion）與堆的雙端子連接，將通過氫氣和氧氣的反應的電力生成作為熱能消耗。

所述加熱器和COD均屬于電阻加熱器，除了其使用時期和用途不同之外，基本可以整合成一個加熱器。所述COD整合加熱器是將粘貼于堆冷卻水發生的熱全部用于堆冷卻水的升溫，而且在極低溫冷啟動時冷卻水快速升溫到自身發熱溫度以及自身發熱冷啟動時為堆的負荷消耗，以及為防止燃料電池啟動和停止時電極的碳腐蝕、防止anode?flooding等，在TMS線上還裝配有COD整合加熱器。

具有所述結構的傳統技術的熱管理系統如圖3所示其組成包括歧管20、散熱器30、三通閥40、冷卻泵50以及COD整合加熱器60。