高温质子交换膜燃料电池的热管理系统及控制方法

1.本发明属于能源技术应用领域，尤其涉及一种基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆的热管理系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，简称pemfc)是一种能源转换效率高、环境友好、噪声小的新一代发电装置，燃料为氢气和空气，可供工业、航天、家庭、车辆驱动等众多领域用电，是我国乃至全球实现碳中和及碳达峰目标的重要技术手段之一。
3.质子交换膜燃料电池分为低温质子交换膜燃料电池(lt
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pemfc)和高温质子交换膜燃料电池(ht
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pemfc)，前者的运行温度为60～80℃，氢燃料纯度要求高；后者的运行温度在120～200℃，与前者相比，后者具有电化学反应活性高、贵金属催化剂负载低、co耐受性高、水热管理简单等特点。且由于其co耐受性高，可利用甲醇重整气直接作为燃料，省去了氢气的提纯和存储过程，扩大了氢燃料的来源，进一步降低了氢燃料的使用成本。
4.高温质子交换膜燃料电池的运行温度高，启动阶段需要将燃料电池堆的温度由环境温度加热至工作温度，即加热至120℃后电堆开始工作。启动时加热时间的长短会大大影响电堆的工作效率。此外，燃料电池堆工作时，反应过程会放出大量的热，若没有散热系统，电堆温度将会持续升高，若超过其最佳运行温度，电堆的性能将会下降，并对电池内的材料造成不可逆损伤。为了维持电堆在合理的温度内运行，需要散热系统带走电池产生的热量。另外，燃料电池堆的排气含有部分剩余燃料，若直接排放，既存在一定的危险，又是一种资源浪费，将其合理利用可以提高整体电池发电系统的效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆的热管理系统，该系统既可利用电池堆的排气实现燃料电池堆的快速启动，又可以对运行中的电堆进行散热，使其维持正常的运行温度。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出的一种高温质子交换膜燃料电池的热管理系统，该热管理系统包括燃料电池堆、加热系统、散热系统和管道控制装置；所述燃料电池堆包括高温质子交换膜燃料电池和平板热管；所述加热系统包括储油箱、循环泵、燃烧式换热器和储气箱；所述散热系统包括换热器和风扇；所述加热系统利用所述燃料电池堆的排气及外界燃料燃烧，结合所述平板热管和导热油，提供给所述燃料电池堆在启动阶段时所需的热量；所述散热系统利用风扇将导热油在所述换热器中降温，结合所述平板热管将所述燃料电池堆在运行阶段时产生的热量带至外界，维持电池运行温度；所述管道控制装置通过阀门切换实现对燃料电池堆的加热和散热功能。
7.进一步讲，本发明所述的热管理系统中，所述的储油箱和循环泵为所述的加热系统和散热系统共用装置。
8.所述平板热管的一端与所述储油箱的液体接触，所述平板热管的另一端与所述高温质子交换膜燃料电池接触；所述平板热管的蒸发段与冷凝段根据所述高温质子交换膜燃料电池的运行状态的变化互相转换：当所述高温质子交换膜燃料电池处于启动阶段时，电池温度为环境温度，所述平板热管在储油箱中的一端吸收热油中的热量，该端为蒸发段，所述平板热管的另一端与电池接触，放出热量对电池进行加热，该端为冷凝段；当所述高温质子交换膜燃料电池处于运行阶段及停车阶段时，由于电池放热，需要散热，此时所述平板热管与电池接触的一端需要吸收电池的热量为蒸发段，所述平板热管的另一端与温度低于电池温度的导热油接触，冷凝放热，将热量传递至导热油，该端为冷凝段。
9.所述储油箱的出口管路分为a、b两路，a路连接至所述燃烧式换热器的进口，b路连接至所述换热器的进口；所述燃烧式换热器的出口与c路的一端相连，所述换热器的出口与d路的一端相连，所述c路的另一端和所述d路的另一端汇集至所述循环泵的进口；所述循环泵的出口连接至所述储油箱的进口相连；所述储气箱的进口与所述燃料电池堆的排气口相连，所述储气箱的出口通过e路连接至外部燃料进气管道上，所述外部燃料进气管道的出口连接至所述的燃烧式换热器的燃料进口；所述管道控制装置包括a路、b路、c路、d路、e路和外部燃料进气管道及设置在储油箱出口后的a路上的第一阀门和b路上的第二阀门，设置在所述燃烧式换热器出口后的c路上的第三阀门，设置在所述换热器出口后的d路上的第四阀门，设置在所述储气箱出口后的e路上的第五阀门和设置在所述外部燃料进气管道上的第六阀门以及连接管道。
10.同时，本发明中还提出了利用上述高温质子交换膜燃料电池的热管理系统的控制方法，包括以下情形：
11.1)在燃料电池堆的启动阶段，打开第三阀门、第一阀门、第五阀门或第六阀门，关闭第二阀门和第四阀门；导热油从所述储油箱流出后，经由a路流入所述燃烧式换热器，通过控制第五阀门和第六阀门的开关状态，将外界燃料或所述燃料电池堆的排气通入所述燃烧式换热器进行燃烧，对流经的导热油进行加热；加热后的导热油经过所述循环泵流入所述储油箱对所述平板热管进行加热，由于此时燃料电池温度低，导热油温度高，所述平板热管在所述储油箱的部分为蒸发段，所述平板热管与所述燃料电池堆中的燃料电池接触部分为冷凝段，利用所述平板热管的高导热系数，导热油的热量可快速的传递至燃料电池，实现燃料电池启动阶段的快速加热，减少启动时间；
12.2)在燃料电池堆的运行阶段，打开第二阀门和第四阀门，关闭第三阀门、第一阀门、第五阀门和第六阀门，导热油从所述储油箱流出后经由b路流入所述换热器，利用所述风扇吹过的冷空气对所述换热器中的导热油进行冷却；冷却后的导热油经过所述循环泵流入所述储油箱，对处于所述储油箱内的所述平板热管的冷凝段进行冷却，将平板热管从燃料电池吸收的热量传递至导热油，维持或降低燃料电池的温度。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.本发明热管理系统中的平板热管的蒸发段与冷凝段可根据冷热源温度变化互相调换使用，并且通过多个阀门之间的切换，使该系统兼具加热和散热的功能，本发明流程简单，操作容易，合理的回收利用了电池堆的排气，该系统既能实现高温质子交换膜燃料电池在启动阶段的快速启动，又可以在电堆进入正常工作状态后对其进行散热，使维持其合理的运行温度。
附图说明
15.图1是本发明的整体结构示意图。
16.图中：1
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高温质子交换膜燃料电池堆，2
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平板热管，3
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储油箱，4
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循环泵，5、6、7、8、9、10
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第一至第六阀门，11
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燃烧式换热器，12
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储气箱，13
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风扇，14
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换热器。
具体实施方式
17.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
18.如图1所示，本发明提出的一种高温质子交换膜燃料电池的热管理系统，该热管理系统包括燃料电池堆1、加热系统、散热系统和管道控制装置。
19.所述燃料电池堆1包括高温质子交换膜燃料电池和平板热管2。
20.所述加热系统包括储油箱3、循环泵4、燃烧式换热器11和储气箱12。
21.所述散热系统包括换热器14和风扇13；所述加热系统利用所述燃料电池堆1的排气及外界燃料燃烧，结合所述平板热管2和导热油，提供给所述燃料电池堆1在启动阶段时所需的热量；所述冷却系统利用风扇13将导热油在所述换热器14中降温，结合所述平板热管2将所述燃料电池堆1在运行阶段时产生的热量带至外界，维持电池运行温度；所述管道控制装置通过阀门切换实现对燃料电池堆1的加热和散热功能。
22.本发明中，所述的储油箱3和循环泵4为所述的加热系统和散热系统共用装置。
23.本发明中相关器件和装置的连接关系是：所述平板热管2的一端与所述储油箱3的液体接触，所述平板热管2的另一端与所述高温质子交换膜燃料电池接触；所述平板热管2的蒸发段与冷凝段根据所述高温质子交换膜燃料电池的运行状态的变化互相转换：当所述高温质子交换膜燃料电池处于启动阶段时，电池温度为环境温度，所述平板热管2在储油箱3中的一端吸收热油中的热量，该端为蒸发段，所述平板热管2的另一端与电池接触，放出热量对电池进行加热，该端为冷凝段；当所述高温质子交换膜燃料电池处于运行阶段及停车阶段时，由于电池放热，需要散热，此时所述平板热管2与电池接触的一端需要吸收电池的热量为蒸发段，所述平板热管2的另一端与温度低于电池温度的导热油接触，冷凝放热，将热量传递至导热油，该端为冷凝段。
24.所述储油箱3的出口管路分为a、b两路，a路连接至所述燃烧式换热器11的进口，b路连接至所述换热器14的进口；所述燃烧式换热器11的出口与c路的一端相连，所述换热器14的出口与d路的一端相连，所述c路的另一端和所述d路的另一端汇集至所述循环泵4的进口；所述循环泵4的出口连接至所述储油箱3的进口相连；所述储气箱12的进口与所述燃料电池堆1的排气口相连，所述储气箱12的出口通过e路连接至外部燃料进气管道上，所述外部燃料进气管道的出口连接至所述的燃烧式换热器11的燃料进口。
25.所述管道控制装置包括a路、b路、c路、d路、e路和外部燃料进气管道及设置在储油箱3出口后的a路上的第一阀门6和b路上的第二阀门7，设置在所述燃烧式换热器11出口后的c路上的第三阀门5，设置在所述换热器14出口后的d路上的第四阀门8，设置在所述储气箱12出口后的e路上的第五阀门9和设置在所述外部燃料进气管道上的第六阀门10以及连接管道。
26.本发明热管理系统中的平板热管的蒸发段与冷凝段可根据冷热源温度变化互相调换使用，即：平板热管2的蒸发段与冷凝段可根据燃料电池运行状态的变化互相转换，当燃料电池处于启动阶段时，电池温度为环境温度，平板热管2在储油箱3中的一端与热油接触，吸收热油中的热量，该端为蒸发段，另一端与电池接触，放出热量对电池进行加热，该段为冷凝段；当燃料电池处于运行阶段及停车阶段时，由于燃料电池放热，需要散热，此时与电池接触侧需要吸收电池的热量，变成蒸发段，另一端与温度低于电池温度的导热油接触，冷凝放热，将热量传递至导热油，该段变成了冷凝段。
27.本发明的加热系统中，燃料电池堆的尾部排气会储存在储气箱3中，当燃料电池启动需要加热时，可将储气箱3内存储的燃料输送至燃烧式换热器14进行燃烧，若储存燃料不足时，可由外部输送燃料进行补充；燃料的热量通过燃烧式换热器14传递至导热油，经过加热后的导热油经由循环泵4输送至储油箱3与平板热管2进行换热；平板热管2将导热油的热量传递至电池，对其进行加热，最终导热油经由管路循环至燃烧式换热器11。
28.本发明的散热系统中，燃料电池产生的热量由平板热管2传递至储油箱3中的导热油，导热油经由管路输送至换热器14，利用风扇13吹出的空气对换热器14中的导热油进行冷却，冷却后的导热油再经由循环泵4输送至储油箱3，达到对运行中的电池进行散热的目的。
29.本发明中，通过多个阀门之间的切换，分别实现高温质子交换膜燃料电池堆在启动阶段所需的加热功能以及在运行阶段所需的散热功能，并合理回收利用了电池堆排气的热量，它包括以下两种调控方法：
30.在燃料电池堆的启动阶段，打开第三阀门5和第一阀门6，关闭第二阀门7和第四阀门8，而第五阀门9和第六阀门10的开启与否视储气箱3中的储气量而定，当储气箱3中的燃料不足时，可关闭阀门9，打开阀门10，燃料燃烧加热导热油，热量通过平板热管传递至电池，将其温度从室温25℃加热至120℃仅需要100s。导热油从所述储油箱3流出后，经由a路流入所述燃烧式换热器11，通过控制第五阀门9和第六阀门10的开关状态，将外界燃料或所述燃料电池堆的排气通入所述燃烧式换热器11进行燃烧，对流经的导热油进行加热；加热后的导热油经过所述循环泵4流入所述储油箱3对所述平板热管2进行加热，由于此时燃料电池温度低，导热油温度高，所述平板热管2在所述储油箱3的部分为蒸发段，所述平板热管2与所述燃料电池堆1中的燃料电池接触部分为冷凝段，利用所述平板热管2的高导热系数，导热油的热量可快速的传递至燃料电池，实现燃料电池启动阶段的快速加热，减少启动时间；
31.在燃料电池堆的运行阶段，打开第二阀门7和第四阀门8，关闭第三阀门5、第一阀门6、第五阀门9和第六阀门10，运行时电池产生的热量由经由平板热管传递至导热油，导热油在换热器中被空气冷却，使电池温度维持在要求的运行温度范围内。导热油从所述储油箱3流出后经由b路流入所述换热器14，利用所述风扇13吹过的冷空气对所述换热器14中的导热油进行冷却；冷却后的导热油经过所述循环泵4流入所述储油箱3，对处于所述储油箱3内的所述平板热管2的冷凝段进行冷却，将平板热管从燃料电池吸收的热量传递至导热油，维持或降低燃料电池的温度。
32.当然，只要能够达到本发明的目的，本发明中管道的连接及其多个控制阀门的位置等可以用各种适合的方式组合或由等效的技术方案来代替。
33.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。