一種燃料電池發電系統低溫啟動的熱管理系統及其方法

2023-09-22 19:42:50 1

專利名稱：一種燃料電池發電系統低溫啟動的熱管理系統及其方法
技術領域：
本發明屬於質子交換膜燃料電池領域，尤其涉及一種燃料電池發電系統低溫啟動的熱管理系統及其方法。
背景技術：
燃料電池發電系統具有在一定溫度範圍內性能達到最佳的特點。由於燃料電池結構及工藝不同，其最佳工作溫度區間有所差異，一般燃料電池最佳工作溫度區間在60-75°C 以內。對於一個化學反應來說，溫度是影響其化學反應進程的一個重要因素，所以當燃料電池處於低溫的情況下，其化學反應進程會變慢，也就是性能會變差，加載速度變慢。一般，燃料電池發電系統熱管理系統都是以散熱為主，燃料電池的升溫都是自身的廢熱通過循環冷卻液循環而緩慢的提高來實現，其結構見圖3，這樣升溫較慢，催化劑活性較低，不利於燃料電池性能的提升；同時，在低溫時急劇加載和載荷過大情況下，催化劑活性較低，電壓大幅下降，容易擊穿電極從而影響燃料電池的使用壽命。

發明內容
為了克服燃料電池發電系統存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種燃料電池發電系統低溫啟動的熱管理系統及其方法，實現在燃料電池處於低溫時的快速升溫，從而提高燃料電池的性能和使用壽命。本發明的目的通過以下技術方案來實現一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統，包括內循環加熱系統和外循環冷卻系統，所述的內循環加熱系統由燃料電池堆、燃料電池堆冷卻液出口傳感器、出口三通、水箱、加熱器、內循環泵、內循環單向閥、進口三通、燃料電池堆冷卻液進口傳感器組成， 冷卻液從水箱進入出口三通，流經加熱器、內循環泵、內循環單向閥、進口三通，經燃料電池堆進口傳感器檢測後進入燃料電池堆，最後經燃料電池堆冷卻液出口傳感器檢測流出，重新進入出口三通；所述的外循環冷卻系統由燃料電池堆、燃料電池堆冷卻液出口傳感器、出口三通、水箱、外循環泵、散熱器、外循環單向閥、進口三通、燃料電池堆冷卻液進口傳感器組成，冷卻液從水箱流入外循環泵，經散熱器後進入外循環單向閥、進口三通，經燃料電池堆冷卻液進口傳感器檢測後進入燃料電池堆，最後經燃料電池堆冷卻液出口傳感器檢測流出，重新進入出口三通。本發明所述的加熱器通過電纜經電源切換裝置分別與燃料電池堆或者外部電源連接，所述的電源切換裝置用來切換到燃料電池堆供電或外部電源供電。—種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統的熱管理方法，包括以下步驟A、通過燃料電池堆冷卻液出口傳感器對燃料電池堆的冷卻液出口溫度進行檢測， 根據其檢測值確認燃料電池堆是否處於最佳工作溫度區域；B、當燃料電池堆的冷卻液出口溫度低於最佳工作溫度區域時，關閉外循環冷卻系統，啟動內循環加熱系統，快速加熱燃料電池堆，當燃料電池堆升溫到其最佳工作區域時， 關閉內循環加熱系統，同時啟動外循環冷卻系統進行散熱；C、當燃料電池堆溫度再次低於其最佳工作溫度時，重複步驟B。本發明所述的快速加熱燃料電池堆是控制一個掛載於燃料電池堆或者外部電源的加熱器的內循環加熱系統對燃料電池堆進行加熱，同時開啟內循環泵並關閉外循環泵； 所述的散熱是控制加熱器停止加熱，同時關閉內循環泵並開啟外循環泵。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果1、一般燃料電池發電系統的熱管理系統均是以散熱為主，燃料電池產生的廢熱通過循環管路上的散熱器與外界環境進行熱交換，從而帶走燃料電池產生的廢熱，燃料電池的溫升靠自身的廢熱一點一點的升上去，當環境溫度較低的時候，因為冷卻液要經過散熱器，而散熱器與環境溫度進行熱交換，燃料電池的溫升將很困難，尤其是在自身發出的功率較低的時候，更是很難達到燃料電池的最佳溫度工作區間。由於本發明增加了一個內循環加熱系統，既解決了燃料電池堆的散熱問題，同時又能快速升溫燃料電池堆，並保持燃料電池堆始終處於其最佳工作溫度區間，保持性能處於最穩定狀態，延長其使用壽命。2、本發明通過進口三通管件和出口三通管件的組合把水箱和兩個不同用途的循環系統連接到一起，共用冷卻液，以單向閥隔離，形成了一個完整的加熱冷卻液循環系統。 為避免冷卻液不經過燃料電池堆而流入含有散熱器的管段，採用內循環單向閥或外循環單向閥進行隔離。當內循環加熱系統工作時，冷卻液不能通過外循環冷卻系統散熱器後面的外循環單向閥，不能反向流動，只能通過內循環單向閥流向燃料電池堆，同理外循環冷卻系統工作時，也只能流經外循環單向閥進入燃料電池堆，不流向內循環加熱系統。


本發明共有附圖5幅，其中圖1為一種燃料電池發電系統的低溫啟動的熱管理系統示意圖。圖2為一種燃料電池發電系統的低溫啟動的熱管理系統的熱管理方法流程圖。圖3為現有的燃料電池發電系統熱管理系統示意圖。圖4為本發明的測試結果曲線圖。圖5為本發明與現有技術的測試結果對比曲線圖。圖中1、燃料電池堆，2、燃料電池堆冷卻液出口傳感器，3、水箱，4、加熱器，5、內循環泵，6、外循環泵，7、電源切換裝置，8、內循環單向閥，9、散熱器，10、外循環單向閥，11、燃料電池堆冷卻液進口傳感器，12、出口三通，13、進口三通，14、外部電源，20、本發明的測試結果曲線，30、現有技術的測試結果曲線。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。如圖1所示，一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統，包括內循環加熱系統和外循環冷卻系統，所述的內循環加熱系統由燃料電池堆1、燃料電池堆冷卻液出口傳感器2、出口三通12、水箱3、加熱器4、內循環泵5、內循環單向閥8、進口三通13、燃料電池堆冷卻液進口傳感器11組成，冷卻液從水箱3進入出口三通12，流經加熱器4、內循環泵 5、內循環單向閥8、進口三通13，經燃料電池堆1進口傳感器檢測後進入燃料電池堆1，最後經燃料電池堆冷卻液出口傳感器2檢測流出，重新進入出口三通12 ；所述的外循環冷卻系統由燃料電池堆1、燃料電池堆冷卻液出口傳感器2、出口三通12、水箱3、外循環泵6、散熱器9、外循環單向閥10、進口三通13、燃料電池堆冷卻液進口傳感器11組成，冷卻液從水箱3流入外循環泵6，經散熱器9後進入外循環單向閥10、進口三通13，經燃料電池堆冷卻液進口傳感器11檢測後進入燃料電池堆1，最後經燃料電池堆冷卻液出口傳感器2檢測流出，重新進入出口三通12。所述的加熱器4通過電纜經電源切換裝置7分別與燃料電池堆 1或者外部電源14連接，所述的電源切換裝置7用來切換到燃料電池堆1供電或外部電源 14供電。如圖2所示，一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統的熱管理方法， 包括以下步驟A、通過燃料電池堆冷卻液出口傳感器2對燃料電池堆1的冷卻液出口溫度進行檢測，根據其檢測值確認燃料電池堆1是否處於最佳工作溫度區域；B、當燃料電池堆1的冷卻液出口溫度低於最佳工作溫度區域時，關閉外循環冷卻系統，啟動內循環加熱系統，快速加熱燃料電池堆1，當燃料電池堆1升溫到其最佳工作區域時，關閉內循環加熱系統，同時啟動外循環冷卻系統進行散熱；C、當燃料電池堆1溫度再次低於其最佳工作溫度時，重複步驟B。本發明所述的快速加熱燃料電池堆1是控制一個掛載於燃料電池堆1或者外部電源14的加熱器4的內循環加熱系統對燃料電池堆1進行加熱，同時開啟內循環泵5並關閉外循環泵6 ；所述的散熱是控制加熱器4停止加熱，同時關閉內循環泵5並開啟外循環泵6。下面通過試驗結果來說明本發明的有益效果。試驗中，採用額定IOkW的燃料電池堆1系統，冷卻液泵流量2m3/h ；加熱器4功率為5kW，水流量0. 8m3/h ；內循環泵5流量 0. 5m3/h ；環境溫度為25°C ；加熱器4為0 2. 5kW功率可調的加熱器4 ；散熱器9功率IOkW ； 設定燃料電池堆1出口溫度大於60°C時內循環加熱系統和外循環冷卻系統切換。燃料電池發動機啟動以後，因為冷卻液溫度與環境溫度相同只有25°C，低於設定值60°C，此時外循環冷卻系統處於關閉狀態，而內循環加熱系統處於工作狀態，內循環泵5工作，冷卻液流經加熱器4加熱，經內循環單向閥8後進入燃料電池堆1，由於有外循環單向閥10，冷卻液不能反向流動進入散熱器9，減少了熱量損失。燃料電池以5kW的功率加載，其廢熱功率以氫的低熱值計算約為5kW，加熱器4與燃料電池自身廢熱共同加熱冷卻液，總加熱功率為 7. 5kW，經過1150秒，出口溫度上升到設定值60°C，當檢測到出口溫度大於60°C時，加熱器 4停止加熱切換到外循環冷卻系統，隨著散熱器9的工作，溫度又開始下降，當低於60°C時， 系統再次切換，內循環加熱系統又開始工作，使溫度始終保持在60°C左右，見附圖4的本發明的測試結果曲線20。試驗還做了沒有內循環加熱系統的燃料電池溫升情況，由於水流經過散熱器9，溫升緩慢，需要經過長時間運行，才能達到燃料電池堆1的最佳溫度，兩者測試結果對比見附圖5的本發明的測試結果曲線20和現有技術的測試結果曲線30。
權利要求
1.一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統，其特徵在於包括內循環加熱系統和外循環冷卻系統，所述的內循環加熱系統由燃料電池堆(1)、燃料電池堆冷卻液出口傳感器O)、出口三通(12)、水箱(3)、加熱器G)、內循環泵(5)、內循環單向閥(8)、進口三通(13)、燃料電池堆冷卻液進口傳感器(11)組成，冷卻液從水箱(3)進入出口三通(12)， 流經加熱器G)、內循環泵(5)、內循環單向閥(8)、進口三通(13)，經燃料電池堆(1)進口傳感器檢測後進入燃料電池堆(1)，最後經燃料電池堆冷卻液出口傳感器( 檢測流出，重新進入出口三通(1 ；所述的外循環冷卻系統由燃料電池堆(1)、燃料電池堆冷卻液出口傳感器O)、出口三通(12)、水箱(3)、外循環泵(6)、散熱器(9)、外循環單向閥(10)、進口三通(13)、燃料電池堆冷卻液進口傳感器(11)組成，冷卻液從水箱C3)流入外循環泵(6)， 經散熱器(9)後進入外循環單向閥(10)、進口三通(13)，經燃料電池堆冷卻液進口傳感器 (11)檢測後進入燃料電池堆(1)，最後經燃料電池堆冷卻液出口傳感器⑵檢測流出，重新進入出口三通(12)。
2.根據權利要求1所述的一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統，其特徵在於所述的加熱器(4)通過電纜經電源切換裝置(7)分別與燃料電池堆(1)或者外部電源(14)連接，所述的電源切換裝置(7)用來切換到燃料電池堆⑴供電或外部電源(14){共 ο
3.一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統的熱管理方法，其特徵在於包括以下步驟A、通過燃料電池堆冷卻液出口傳感器( 對燃料電池堆(1)的冷卻液出口溫度進行檢測，根據其檢測值確認燃料電池堆(1)是否處於最佳工作溫度區域；B、當燃料電池堆(1)的冷卻液出口溫度低於最佳工作溫度區域時，關閉外循環冷卻系統，啟動內循環加熱系統，快速加熱燃料電池堆(1)，當燃料電池堆(1)升溫到其最佳工作區域時，關閉內循環加熱系統，同時啟動外循環冷卻系統進行散熱；C、當燃料電池堆(1)溫度再次低於其最佳工作溫度時，重複步驟B。
4.根據權利要求3所述的一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統的熱管理方法，其特徵在於所述的快速加熱燃料電池堆(1)是控制一個掛載於燃料電池堆(1)或者外部電源(14)的加熱器(4)的內循環加熱系統對燃料電池堆(1)進行加熱，同時開啟內循環泵( 並關閉外循環泵(6)；所述的散熱是控制加熱器(4)停止加熱，同時關閉內循環泵(5)並開啟外循環泵(6)。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池發電系統的低溫冷啟動的熱管理系統及其方法，所述的熱管理系統包括內循環加熱系統和外循環冷卻系統，所述的內循環加熱系統由燃料電池堆、燃料電池堆冷卻液出口傳感器、出口三通、水箱、加熱器、內循環泵、內循環單向閥、進口三通、燃料電池堆冷卻液進口傳感器組成，所述的外循環冷卻系統由燃料電池堆、燃料電池堆冷卻液出口傳感器、出口三通、水箱、外循環泵、散熱器、外循環單向閥、進口三通、燃料電池堆冷卻液進口傳感器組成。本發明增加了一個內循環加熱系統，既解決了燃料電池堆的散熱問題，同時又能快速升溫燃料電池堆，並保持燃料電池堆始終處於其最佳工作溫度區間，保持性能處於最穩定狀態，延長其使用壽命。
文檔編號H01M8/04GK102496730SQ201110379850
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者侯中軍, 劉常福, 孫德堯, 明平文, 江洪春, 王仁芳, 甘全全, 胡軍 申請人:新源動力股份有限公司