一种用于PEMFC双电堆热电联供的热管理系统及其运行方法

本发明涉及燃料电池热电联供，尤其涉及一种用于pemfc双电堆热电联供的热管理系统及其运行方法。

背景技术：

1、全球环境保护问题和能源危机促使各国持续推进能源结构向高效化和绿色化方向调整，目前，基于氢能利用的燃料电池技术具有清洁、高效等诸多优势，引起了广泛重视。质子交换膜燃料电池(pemfc)以离子选择性透过的质子膜作为电池电解质，以碳载铂为催化剂，利用氢气与氧气的电化学反应发电。pemfc一般运行在60～80℃和120～200℃的温度区间，因而分别被称作低温pemfc和高温pemfc。

2、pemfc的发电效率在40～60％之间，其余能量则以热能形式释放。为此，现有技术结合能量梯级利用构建质子交换膜燃料电池热电联供系统，实现了高达75～95％的能源综合利用效率。尽管pemfc热电联供系统具有巨大的能源优势和潜力，但是系统服役寿命和可靠性仍是制约该技术大规模商业化的关键因素。

3、热管理方案对于pemfc电堆寿命和可靠性而言是至关重要的，温度过高则有可能烧毁电池内部结构，温度过低则电化学活性低，电池性能表现差。合理的热管理方案能够将电堆运行温度控制在特定温度区间，同时，还尽可能地减少系统冗余和降低寄生功率。

4、针对pemfc双电堆和多电堆热电联供系统，现有技术通常采用解耦的方案，即对每台电堆采用独立热管理系统。这种方案的优势是针对性强，一套系统负责一台电堆的热管理，多套热管理系统之间互不干涉。当一套系统出现故障，其他电堆仍可以继续正常运行。

5、尽管如此，发明人发现，由于不能实现电堆之间的热能协调，导致无法拓展出更加灵活的热管理协调方案。实际上，耦合电堆之间的热管理，不仅有潜力实现更加高效的热管理，还可以提高系统的鲁棒性。为此，在不显著增加系统冗余的前提下，寻求这样一种灵活的热管理系统：既可以实现电堆之间的热管理耦合，又具备常规解耦热管理方案的优势，是十分必要的。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于pemfc双电堆热电联供的热管理系统及其运行方法，所述系统旨在实现pemfc热电联供系统中电堆之间的热管理协调，拓展热管理系统灵活性，提高热电联供系统综合能效；所述运行方法中，热管理控制单元依据电堆运行情况，通过控制阀门的开闭组合，形成不同冷却液循环路线，达到电堆之间热管理耦合或解耦的效果，同时，通过调整冷却泵和风冷式散热器的运行工况来控制电堆散热量，确保电堆温度处于合理范围内。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种用于pemfc双电堆热电联供的热管理系统，包括：

4、低温电堆和高温电堆，其内部发生燃料电池的化学反应；

5、冷却液循环回路，包括电堆启动冷却液循环回路、第一冷却液循环回路、第二冷却液循环回路和第三冷却液循环回路；

6、其中，所述电堆启动冷却液循环回路连接双电堆；所述第一冷却液循环回路，包括共用风冷式散热器的第一低温冷却液循环回路和第一高温冷却液循环回路；所述第二冷却液循环回路包括共用第二去离子器的第二低温冷却液循环回路和第二高温冷却液循环回路；所述第三冷却液循环回路包括分离的第三低温冷却液循环回路和第三高温冷却液循环回路；

7、余热回收循环回路，与所述冷却液循环回路连接，用于吸收冷却液携带的热量并储存；

8、热管理控制单元，用于根据电堆运行状态，控制运行电堆启动冷却液循环回路、第一冷却液循环回路、第二冷却液循环回路或第三冷却液循环回路。

9、优选地，所述电堆启动冷却液循环回路，包括依次连接的低温电堆、第一去离子器、第一电动三通阀、电动四通阀、第二电动三通阀、第二冷却泵、高温电堆、预热器、换热器、第四电动三通阀、第三电动三通阀、冷却液加热器。

10、优选地，所述第一低温冷却液循环回路包括依次连接的低温电堆、冷却液加热器、第三电动三通阀、风冷式散热器、电动四通阀、第一冷却泵、第一电动三通阀和第一去离子器；

11、所述第一高温冷却液循环回路包括依次连接的高温电堆、预热器、换热器、第四电动三通阀、第三电动三通阀、风冷式散热器、电动四通阀、第二电动三通阀和第二冷却泵；

12、热电联供系统通过余热回收循环回路和风冷式散热器散热。

13、优选地，所述第二低温冷却液循环回路包括依次连接的低温电堆、冷却液加热器、第三电动三通阀、第四电动三通阀、第二去离子器、第二电动三通阀、电动四通阀、第一冷却泵、第一电动三通阀和第一去离子器；

14、所述第二高温冷却液循环回路包括依次连接的高温电堆、预热器、换热器、第四电动三通阀、第二去离子器、第二电动三通阀和第二冷却泵；

15、热电联供系统通过余热回收循环回路和第二低温、第二高温冷却液循环回路之间的热交换散热。

16、优选地，所述第三低温冷却液循环回路包括依次连接的低温电堆、冷却液加热器、第三电动三通阀、风冷式散热器、电动四通阀、第一冷却泵、第一电动三通阀和第一去离子器；

17、第三低温冷却液循环回路通过风冷式散热器散热；

18、所述第三高温冷却液循环回路包括依次连接的高温电堆、预热器、换热器、第四电动三通阀、第二去离子器、第二电动三通阀和第二冷却泵；

19、第三高温冷却液循环回路通过余热回收循环回路散热。

20、优选地，所述余热回收循环回路包括依次连接的预热器、换热器、水循环泵和储热装置。

21、第二方面，本发明提供一种用于pemfc双电堆热电联供的热管理系统的运行方法，采用第一方面所述的用于pemfc双电堆热电联供的热管理系统，包括：

22、热管理控制单元根据can总线传输的电堆运行状态信息，控制运行电堆启动冷却液循环回路、第一冷却液循环回路、第二冷却液循环回路或第三冷却液循环回路，实现双电堆启动状态、双电堆常规运行状态和双电堆解耦运行状态的热管理方法。

23、优选地，所述双电堆启动状态的热管理方法为：

24、热管理控制单元控制运行电堆启动冷却液循环回路；

25、若低温电堆启动温度未达到工作所需温度，热管理控制单元开启冷却液加热器为低温电堆暖堆，暖堆结束并完成低温电堆启动后，冷却液携带低温电堆的余热为高温电堆暖堆，辅助高温电堆实现快速启动。

26、优选地，所述双电堆常规运行状态的热管理方法为：

27、若电堆散热需求超过设定阈值，热管理控制单元控制运行第一冷却液循环回路；否则控制运行第二冷却液循环回路。

28、优选地，所述双电堆解耦运行状态的热管理方法为：

29、若一台电堆故障或临时暂停运行，热管理控制单元控制运行第三冷却液循环回路。

30、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

31、(1)本公开提供的用于pemfc双电堆热电联供的热管理系统，通过设置不同的冷却液循环回路路线，实现了双电堆之间在不同工况下灵活的耦合和解耦的运行模式，克服了现有技术只设置双电堆解耦运行模式导致的无法充分实现电堆之间热能协调的问题，不仅提高了热电联供系统的启动速度和能源效率，而且拓展了热管理发挥空间，有助于后续开发出更加高效的热管理策略。

32、(2)在电堆启动阶段，打破了现有技术针对两个电堆单独启动的屏障，通过构建电堆启动冷却液循环回路，耦合双电堆，使低温pemfc电堆的余热通过冷却液循环回路为高温pemfc电堆暖堆，实现热量的传递，提高资源利用率，实现双电堆的快速启动。

33、(3)在双电堆常规运行过程中，根据电堆不同散热需求，灵活切换不同冷却液循环回路进行散热：①散热需求大时，高温电堆冷却液循环回路中的高温冷却液经过预热器和换热器散除一部分热量后，降温为低温冷却液，该低温冷却液与低温电堆冷却液循环回路中的高温冷却液在第三电动三通阀交汇，并共同流经风冷式散热器，进一步实现对两个冷却液循环回路的散热；②散热需求小时，高温电堆冷却液循环回路中的高温冷却液经过预热器和换热器散除一部分热量后，降温为低温冷却液，该低温冷却液与低温电堆冷却液循环回路中的高温冷却液在第四电动三通阀交汇，并共同流经第二去离子器，利用热量交换进一步实现对低温电堆冷却液循环回路的散热，从而提高散热效率。减轻了利用单一回路进行散热对系统造成的负担，并且低温、高温电堆冷却液循环回路存在耦合，提高设备资源利用率，在不显著增加系统冗余的前提下，提高系统鲁棒性。

34、(4)在热管理系统解耦运行阶段，若一台电堆停运，保证系统整体能够正常运行，提高系统运行的稳定性。

35、(5)系统中还设置余热回收循环回路，分担回路散热压力并减少对热量的浪费的同时，收集的热量用于预热阳极进气，实现了能量的最大化利用。