[發明專利]車用高溫PEMFC啟動及運行時的熱管理系統及控制方法

有效

• 申請號: 202210915390.X
• 申請日: 2022-07-31
• 公開（公告）號: CN115395045B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 王金山;王世學;朱禹;岳利可;錢志廣;梅書雪
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04014;H01M8/04082;H01M8/04302;H01M8/0662;H01M8/122
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發明公開了一種車用高溫PEMFC啟動及運行時的熱管理系統，包括高溫質子交換膜燃料電池、復合均溫板、加熱片和由管路連接的設置在復合均溫板兩端的預熱器和散熱器。復合均溫板放置電池中間，利用其高導熱系數既對電池均溫又可實現電池堆與外部的熱傳導。在啟動階段，可以利用蓄電池和加熱片對復合均溫板兩端加熱，實現電池堆的快速啟動。在運行階段，利用預熱器對低于電池運行溫度的燃料進行加熱，同時攜帶出電池堆的部分熱量，向散熱器通入冷空氣將電池堆的熱量排出，將排出的高溫空氣用于車輛供暖，剩余氫氣凈化后循環再利用。本發明操作容易，原理簡單，既滿足電池堆的啟動及運行熱管理要求，又合理的利用了電池堆的剩余燃料及其熱量。

技術領域

本發明屬于能源技術應用領域，尤其涉及一種高溫質子交換膜燃料電池堆啟動及運行時的熱管理系統。

背景技術

高溫質子交換膜燃料電池(high?temperature?proton?exchange?membrane?fuelcell，簡稱HT-PEMFC)是一種可用于乘用車、商用車、無人機和輕型航空及其他便攜式和固定式電站的裝置。該裝置具有發電效率高，污染物排放少等優點，對實現碳達峰和碳中和具有重要實際意義。

HT-PEMFC的運行溫度范圍在120～200℃。由于其要求的工作溫度高于環境溫度，在穩定工作前，需要將電池堆的溫度升溫至其可以工作的范圍，即120℃。當電堆溫度達到120℃后，再通入電池堆所需的燃料，該階段稱為啟動階段。HT-PEMFC中發生的化學反應屬于放熱反應，在工作過程中需要冷卻介質和散熱裝置對其進行散熱。當啟動完成后，進入穩定工作階段時，需要不斷對電池堆冷卻，使其維持正常的工作溫度。此外，在電池堆工作過程中，為了達到更好的性能，通常為電池堆通入過量燃料。因此，為了降低整個系統的復雜程度，在保證效率和性能的前提下，如何使用簡單的系統兼顧燃料預熱、啟動加熱及散熱對其實際中的應用至關重要。

合理高效的熱管理系統，不僅可以減小系統的復雜程度，還可以提高系統的整體效率。HT-PEMFC主要有雙極板、擴散層、催化層和膜等結構。在現有的燃料電池熱管理系統中，大多在雙極板上直接制作出燃料流道和冷卻劑流道。考慮到HT-PEMFC的工作溫度在120℃以上，高于水的沸點使其難以滿足冷卻要求，空氣和導熱油作為冷卻介質的應用較多。若想獲得較為均勻的溫度，通常需要比較復雜的冷卻流道，這會大大增加冷卻介質的壓降，使寄生功率增大。另外，將導熱油通至電池堆內部，也存在泄漏的風險。如何實現更好的散熱，且使整個系統簡單易于操作有助于其在實際當中推廣應用。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種車用高溫PEMFC啟動及運行時的熱管理系統，該系統利用復合均溫板、預熱器、散熱器實現燃料預熱、電池堆的啟動加熱、散熱及燃料再利用。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種車用高溫PEMFC啟動及運行時的熱管理系統，包括加熱系統、散熱系統、剩余燃料及其余熱再利用系統；燃料電池堆的多塊高溫質子交換膜燃料電池之間放置有復合均溫板，所述復合均溫板相對于所述高溫質子交換膜燃料電池的兩端均具有突出端；

所述加熱系統包括分別設置在所述復合均溫板兩個突出端的加熱片，位于兩個突出端的加熱片各自并聯后分別通過加熱線路E和加熱線路F連接至線路開關的一端，所述線路開關的另一端連接至蓄電池；

所述散熱系統包括燃料預熱器和散熱器，所述燃料預熱器設置在所述復合均溫板的一突出端，所述燃料預熱器設有燃料預熱進氣管路和分別連接至所述燃料電池堆的陰陽極進口的電堆進氣管路，所述的燃料預熱進氣管路上設有閥門；所述燃料預熱進氣管路包括空氣進氣管G和氫氣進氣管H，所述電堆進氣管路包括預熱后空氣進氣管A和預熱后氫氣進氣管B；所述散熱器設置在所述復合均溫板的另一突出端，所述散熱器的進口和出口分別連接至冷卻空氣進氣管路I和冷卻空氣出氣管路M；