[發明專利]一種燃料電池和蓄電池的混合電源和熱管理方法

有效

• 申請號: 201710865443.0
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107871915B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 馬澤;李勇;王剛
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: H01M10/613
• 分類號: H01M10/613;H01M10/615;H01M8/04007;H01M8/04029;H01M12/08;H01M10/42
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 龔頤雯;張春

本發明提供了一種燃料電池和蓄電池的混合電源和熱管理方法，該電源包括燃料電池、蓄電池及加熱/冷卻模塊；加熱/冷卻模塊對燃料電池和/或蓄電池加熱或散熱。該電源將金屬空氣燃料電池和蓄電池的熱管理系統混合，利用兩者的優點，可獲得高功率密度和高能量密度的電源系統；利用金屬空氣燃料電池較好的低溫啟動特性，可以為蓄電池加熱，可解決蓄電池在低溫環境下無法工作的問題。

技術領域

本發明涉及電池領域，尤其是一種燃料電池和蓄電池的混合電源和熱管理方法。

背景技術

隨著科學技術的進步與人們生活水平的提高，人類活動對電能的需求日益增加，電源在各類產品中得到廣泛應用。現有電源系統包括一次電池、蓄電池、燃料電池及發電機組等形式，其中蓄電池和燃料電池在節能環保的需求牽引下市場需求越來越大，在便攜式電源、新能源車輛、軍事電源、儲能等領域均有迫切需求。然而，現有蓄電池和燃料電池均存在一定的缺陷和不足，如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等蓄電池存在能量密度低、充電時間長、低溫特性差等缺點；燃料電池存在功率密度低、動態特性差等缺點，在單獨使用過程中不能很好滿足用戶需求。近幾年，采用蓄電池和燃料電池聯合的混合供電系統在電動汽車、便攜式電源等領域得到廣泛應用，如燃料電池+鋰離子電池混合動力城市公交、燃料電池+鋰離子電池綜合單兵電源系統等，利用兩者在能量密度和功率密度方面的優點相結合，以構建一個功率密度大、動態特性好、續航時間長的動力或電源系統。然而，低溫特性差是燃料電池和蓄電池的一個共同缺陷，進行合理的熱管理設計對系統性能及系統簡化均十分關鍵。

對于燃料電池而言，當電池溫度較低時，電池內部歐姆阻抗增大，各種極化現象增強，電池的輸出性能將會降低。當電池溫度在一定范圍內升高時，能加快質子在交換膜內的傳遞速度，加快電池內部的電化學反應速度，對電池的輸出特性有促進作用。但是，電池溫度過高時，會導致質子交換膜的含水量降低，膜的電導率下降，電池輸出性能將會降低。同時，低溫環境下的冷啟動作為當前燃料電池的主要瓶頸之一，制約著其推廣應用。因此，為實現燃料電池正常、高效運行，將溫度控制在一定范圍內。

蓄電池的低溫充放電特性是其重要性能之一。在某些特定場合，如野外電動工具用電池、通信信號中轉站、軍用場合以及高緯度地區的電動汽車等場合，會對電池的低溫充放電特性提出嚴格的要求。目前常見的幾種蓄電池，包括鉛蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等，在低溫條件下，由于電解液導電率隨著溫度的降低而降低，電極反應的物質擴散速度會顯著降低，電池的電極反應濃差極化現象會顯著增強。導致低溫環境下，電池的平均放電電壓以及放電電荷量均下降明顯，甚至在極寒環境(-30℃以下)下可能無法工作。此外，蓄電池工作過程中，如果散熱條件不良將造成電池溫度升高，在溫度過高時存在自燃爆炸的危險。因此，蓄電池的熱管理是電池管理系統中的一個關鍵環節。

當前的燃料電池和鋰離子電池在進行混合供電時，最主要的問題時僅僅在能量流(電能)上實現了聯合管理和相互配合輸出，而在關鍵的熱管理方面依然相互獨立。從目前燃料電池+蓄電池混合系統的熱管理現狀來看，目前主流散熱方式和加熱保溫的效能還有待提升，遠不能滿足目前混合系統在復雜環境條件下的安全平穩運行，且散熱冷卻和加熱保溫是兩套獨立的系統甚至有些存在干涉，不利于系統整體性能的發揮，使得目前并不令人滿意的電池性能大打折扣，且不利于電池系統的長期安全、穩定、可靠運行。

發明內容

本發明的目的是提供一種燃料電池和蓄電池混合系統的熱管理方法，解決燃料電池和蓄電池冷卻液循環系統相對獨立時存在的系統復雜、管理效果不佳的問題。

金屬空氣燃料電池，或稱為金屬空氣電池，是一種以金屬和空氣中氧氣為反應物質的電池，可連續或間歇的向電池內部補充金屬，以實現電池的連續運行。

蓄電池，具備充電和放電功能的可充電電池，如鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等。

具體的，本發明提供了一種燃料電池和蓄電池的混合電源，包括燃料電池、蓄電池及加熱/冷卻模塊；