CN114883598A - 一种燃料电池热管理系统及热管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池热管理系统及热管理方法。燃料电池的热管理系统至少包括：燃料电池电堆、主管路、热源、集成散热装置、流量调节部件、电子水泵，其中的集成散热装置依靠旁管路并联在主管路的一个子段。依靠换向阀控制导热油流向，使导热油进行小循环或者大循环流动。本发明通过导热油温度的变化来控制阀门的开闭，阀门既能耐高温，又无需通电控制，安全且节能。采用大小循环的设计，既满足了前期预热阶段尽可能减少散热的要求，又能在稳态阶段平稳高效的散热。综合考虑了电堆反应所产生热量的回收利用，使得系统的整体效率大幅提升。

Description

一种燃料电池热管理系统及热管理方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池热管理系统，以及燃料电池热管理方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是一种把燃料具有的化学能直接转换成电能的化学装置，转化效率高。燃料电池用燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件，排放出的有害气体极少，使用寿命长。从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

典型的燃料电池系统包括电堆、循环管路、循环泵、启动燃烧器等。燃料电池发电必然经过两个阶段，其中一个为预热阶段，另一个为稳态发电阶段。

燃料电池电堆需要加热到一定温度才能开始电化学反应，因此需要进行预热。预热阶段通常使用一个启动燃烧器，启动燃烧器中发生燃烧反应，产生大量热，然后通过换热，先加热导热油，导热油循环流动，将电堆加热到适当的反应温度。

在稳态发电阶段，电堆已经开始发电，自身同时会产生大量的废热，导热油流经电堆时会将该部分热量带走，再将热量释放到外界，或者将热量收集起来做其他用途。

发明内容

本发明主要目的在于建立一种具有自动切换大小循环功能的燃料电池热管理系统，该系统实现了在系统运行的各个阶段分别对燃料电池电堆实行高效热管理。

为实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种用于燃料电池的热管理系统，至少包括：

燃料电池电堆，用于进行电化学反应；

主管路，其出口和入口分别与燃料电池电堆连接，形成循环回路；

热源，用于加热在主管路中循环流动的导热介质；

集成散热装置，其依靠旁管路并联在主管路的一个子段；

流量调节部件，用于控制导热介质在主管路子段和集成散热装置中的流动；

电子水泵，其安装在主管路上且不位于主管路子段。

在一些实施例中，流量调节部件采用换向阀，换向阀设置在旁管路与主管路的连接处。

在一些实施例中，换向阀位于集成散热装置的上游。

在一些实施例中，换向阀采用内置形状记忆合金的弹簧阀门。

在一些实施例中，形状记忆合金采用镍钛合金，换向阀的开度与形状记忆合金的温度正相关。

在一些实施例中，热源包括催化燃烧器和换热器。

在一些实施例中，集成散热装置包括：

壳体，壳体的一侧带有出风口；

翅片管换热器，翅片管换热器安装在壳体内，翅片管换热器带有导热介质入口与导热介质出口；

风扇，风扇安装在壳体的另一侧，用于使壳体外的空气流经翅片管换热器并到达出风口。

在一些实施例中，并排安装两个风扇。

本发明的第二方面，提供了基于上述燃料电池热管理系统的热管理方法，包括如下步骤：

在燃料电池电堆预热阶段：由换向阀控制导热介质流向，使其不经过集成散热装置，只在主管路中流动；

在燃料电池电堆稳态阶段：由换向阀控制导热介质经过集成散热装置。

在一些实施例中，在燃料电池电堆稳态阶段，换向阀根据导热介质的温度实时动态调节在集成散热装置和主管路子段内的流量。

本发明的有益效果：在热管理系统中使用内置形状记忆合金弹簧的换向阀，通过导热介质温度的变化来控制阀门的开闭，既能耐高温，又无需通电控制，安全且节能。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中的燃料电池热管理系统结构示意图。

图2是本发明一个较佳实施例中的集成散热装置的整体结构示意图。

图3是图2所示集成散热装置的另一个视角的结构示意图。

以上各图中的附图标记如下：

100 燃料电池电堆

210 主管路

211 子段

220 旁管路

230 电子水泵

240 换向阀

250 三通

300 集成散热装置

310 壳体

311 出风口

320 风扇

330 翅片管换热器

331 导热油入口

332 导热油出口

410 启动燃烧器

420 风机

430 换热器

具体实施方式

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

下面结合附图，以一个具体实施例对本发明的技术构思作详细阐述。本发明提供的燃料电池热管理系统的整体示意图如图1所示。燃料电池热管理系统主要由电堆、循环管路、集成散热装置、热源这几个部分构成。燃料电池电堆100进行电化学反应，将化学能转换为电能。燃料电池电堆100内部带有导热油流通管道。集成散热装置300连接在循环管路，用于给流经其中的导热油散热。

循环管路及其附件由主管路210、旁管路220、电子水泵230、换向阀240、三通250等组成。

主管路210的两端分别连接在燃料电池电堆100的导热油出口和导热油入口，形成一个循环回路。集成散热装置300通过旁管路220并联在主管路210的一个子段211。电子水泵230安装在这个循环回路上，为导热油的循环流动提供动力。电子水泵230不能安装在连接有旁管路220的主管路子段211，其他位置不限制。在主管路210上还设有测温部件(图中未示出)。

旁管路220与主管路210的两个连接处分别安装有换向阀240和三通250。换向阀240和三通250的位置可以互换。优选地，换向阀240安装在集成散热装置300的上游，三通250安装在集成散热装置300下游，这样导热油依次经过换向阀240、集成散热装置300、三通250。

热源由启动燃烧器410、风机420、换热器430组成。换热器430安装在主管路210中，导热油流经换热器430。启动燃烧器410内的燃料燃烧产生热量，这些热量传至换热器430并被导热油吸收后导热油升温。导热油流至燃料电池电堆100使其升温到适宜工作温度。风机420用于向启动燃烧器410提供空气或氧气，促进燃料燃烧。

集成散热装置300的具体结构如图2和图3所示。为了便于观察内部结构，俩图中的集成散热装置300都摘除了前面板。集成散热装置300最外部是一个壳体310，其由耐高温耐腐蚀材料制成，例如铝合金。在壳体310上方开有两个面积较大的通风孔，每个通风孔各安装一个风扇320。壳体310下方带有一个出风口311。两个风扇320将外界的冷空气吹到壳体310内部，带走热量并从出风口311吹出。

封闭壳体310内部安装有一个翅片管换热器330，在它两端分别带有一个导热油入口331和一个导热油出口332，它们都与旁管路220连接。这个翅片管换热器330的横向尺寸比壳体310的宽度更大，以使导热油入口331和导热油出口332都位于封闭壳体310之外侧，便于连接管路。翅片管换热器330的散热翅片全部位于壳体310的内部。散热翅片是翅片管换热器的基本元件，传热过程主要通过散热翅片热传导及翅片与流体之间的对流传热来完成。散热翅片的主要作用是扩大传热面积，提高换热器的紧凑性，提高传热效率。

换向阀240的作用是控制导热油在集成散热装置300和主管路子段211之间流动方向和流量分配。如果导热油完全在子段211中流过，但不经过集成散热装置300，那么此时集成散热装置300就是被“短路”了，或者说是被关闭了，导热油的热量不会散失，这个状态适合预热阶段。反之，如果导热油完全在集成散热装置300中流过，而不经过子段211，这样导热油的散热最强。在散热时还可以加大风扇功率，进一步加快导热油散热。如果导热油同时在集成散热装置300和子段211中流过，只有集成散热装置300中的导热油被散热，子段211中的不散热(不考虑管壁的微弱散热)，只要调节两者之间的流量比例，就可以控制散热速率。

为了实现上述效果，本发明中换向阀240采用内置形状记忆合金弹簧的阀门。形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的特种合金，除具有独特的形状记忆功能外，还具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优异特点。利用形状记忆合金的形状随温度变化的性质制成弹簧，用形状记忆合金控制阀门的开合，进而调节流量分配。在起始的预热阶段，弹簧温度低，导热油仅流过子段211。进入稳态阶段后，导热油的温度会超过弹簧的变形温度。且随着电堆中电化学反应的进行，导热油温度越来越高；这时弹簧的变形越来越大，更多导热液流进集成散热装置300进行散热，导热油温度降低，并且最终达到平衡的温度。

优选的，形状记忆合金采用镍钛合金。镍钛合金是一种形状记忆合金，它的伸缩率在20％以上，疲劳寿命达百万次，阻尼特性比普通的弹簧材料高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，因此可以满足各类工程和医学的应用需求，是一种非常优秀的形状记忆合金材料。本发明中使用的镍钛形状记忆合金弹簧，具有如下优点：综合感温性能提高20倍；镍钛合金材料适用介质广泛；使用寿命提高10～1000倍；感温速率和滞后性“可编程”；适用温区-50度～150度；双向记忆，结构设计更灵活；结构简单，流量倍增，成本优化。

三通250安装在集成散热装置300下游。这样做的好处是：在预热阶段时，导热油朝集成散热装置300的流向是被换向阀240阻断的，集成散热装置300内留存的导热油不受热，减少了热量损失。

如果三通250安装在集成散热装置300上游，在预热阶段时，集成散热装置300内留存的导热油与主管路210中的导热油连通，热量可以传至集成散热装置300。随着预热的进行，换向阀240打开，但在这之前导热油在集成散热装置300上持续散热，造成能量浪费。如果不考虑维修的便利性，图1中三通250的位置可以直接以管道焊接，不使用三通。

本发明提供的燃料电池热管理系统的工作流程如下，分为预热阶段和稳态阶段：

(1)预热阶段

燃料电池电堆100需要通过导热油加热到一定温度才能开始电化学反应，因此需要进行预热。在预热阶段，电子水泵230打开，从而为导热油循环提供动力，导热油由此开始循环。此时风机420带来的空气与燃料在启动燃烧器410中发生氧化催化反应，产生的热气经过换热器430的第二流道与第一流道中的导热油进行换热，流经换热器430的导热油被加热，该导热油再使燃料电池电堆100加热到适当的反应温度。

在该预热阶段，换向阀240处于关闭状态，导热油避开集成散热装置300，仅流经主管路子段211与主管路其他段，导热油的循环路径较短，进行的是小循环。这样减少了热量损失，导热油能更快地将燃料电池电堆电堆100预热到适当的反应温度。

(2)稳态阶段

稳态发电阶段，当燃料电池电堆100稳定发电时，除了电化学反应产生的电能外，伴随着反应的进行会产生大量的废热，导热油流经燃料电池电堆100时将该部分热量带走。导热油温度不断提升，需要集成散热装置300来进行散热。此时，换向阀240中的形状记忆合金受热变形，换向阀240被打开，导热油流经集成散热装置300进行散热。由于导热油在集成散热装置300中的行程较长，在此阶段导热油进行的是大循环。

集成散热装置300的风扇320从外界吸入冷空气，吹至翅片管换热器330，带走导热油的多余热量，这样达到控制燃料电池电堆100进出口温度的目的，使燃料电池电堆100处于最合适的反应温度区间。冷空气吸热形成的尾气从出风口311排出，这些尾气温度较高，可收集后二次利用。

导热油温度降低后，换向阀240中的形状记忆合金的温度也随之降低，形状记忆合金的形变导致换向阀240开度变化，流经集成散热装置300的导热油变少变慢，散热减少，最终达到温度的平衡。这种动态平衡是换向阀240自发进行的，无需任何电子设备监控和人为操作干预。

与现有技术相比，本专利具有如下特点：

(1)采用换向阀，有别于常规的石蜡节温器，因为石蜡节温器不能耐高温至180℃；也并非电动球阀，因为电动球阀体积庞大；而是采用内置形状记忆合金弹簧的阀门。通过导热油温度的变化来控制阀门的开闭，既能耐高温，又无需通电控制，安全且节能。

(2)采用大小循环的设计，既满足了前期预热阶段尽可能减少散热的要求，又能在稳态阶段平稳高效的散热。并可根据需求，将散热的余热利用，达到降低系统启动功耗，提高系统热管理效率的目的。

(3)综合考虑了电堆反应所产生的热量回收利用。大量利用系统产生的余热，使得系统的整体效率大幅提升。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，至少包括：

燃料电池电堆，用于进行电化学反应；

主管路，其出口和入口分别与所述燃料电池电堆连接，形成循环回路；

热源，用于加热在所述主管路中循环流动的导热介质；

集成散热装置，其依靠旁管路并联在所述主管路的一个子段；

流量调节部件，用于控制所述导热介质在所述子段和所述集成散热装置中的流动；

电子水泵，其安装在所述主管路上且不位于所述子段。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述流量调节部件采用换向阀，所述换向阀设置在所述旁管路与所述主管路的连接处。

3.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述换向阀位于所述集成散热装置的上游。

4.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述换向阀采用内置形状记忆合金的弹簧阀门。

5.根据权利要求4所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述形状记忆合金采用镍钛合金，所述换向阀的开度与所述形状记忆合金的温度正相关。

6.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述热源包括催化燃烧器和换热器。

7.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述集成散热装置包括：

壳体，所述壳体的一侧带有出风口；

翅片管换热器，所述翅片管换热器安装在所述壳体内，所述翅片管换热器带有导热介质入口与导热介质出口；

风扇，所述风扇安装在所述壳体的另一侧，用于使所述壳体外的空气流经所述翅片管换热器并到达所述出风口。

8.根据权利要求7所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，并排安装两个所述风扇。

9.根据权利要求7所述的燃料电池热管理系统的热管理方法，其特征在于，

在所述燃料电池电堆预热阶段：由所述换向阀控制导热介质流向，使其不经过所述集成散热装置，只在所述主管路中流动；

在所述燃料电池电堆稳态阶段：由所述换向阀控制导热介质经过所述集成散热装置。

10.根据权利要求9所述的燃料电池热管理系统的热管理方法，其特征在于，在所述燃料电池电堆稳态阶段，所述换向阀根据导热介质的温度实时动态调节在所述集成散热装置和所述子段内的流量。

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