CN216288538U - 气液双路的燃料电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

一种气液双路的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、空气供给单元、冷却液循环单元和燃料电池控制器，通过燃料电池电堆、空气供给单元和冷却液循环单元与燃料电池控制器电性连接，空气供给单元和冷却液循环单元的空气回路和冷却回路分别与燃料电池电堆的进出气口和进出液口连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，利用固体吸附式储热器内的固体吸附材料在吸附空气中水分时释放的吸附热为燃料电池电堆加热，实现燃料电池的冷启动，灵活调控燃料电池阴极入口处的空气湿度进而将膜电极的水含量控制在合理范围内，具有储热密度大、环境适应性强、能源利用率高，提高了燃料电池的续航里程。

Description

气液双路的燃料电池热管理系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种气液双路的燃料电池热管理系统。

背景技术

作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、续航里程差、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池冷启动技术与湿度控制技术是直接影响燃料电池续航里程的两大关键瓶颈技术，特别是对燃料电池汽车的冬季运行带来较大挑战。

当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中冷启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。

目前燃料电池冷启动的解决策略分为两类：一类是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与Nafion树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与Nafion界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失；另一类是通过车载动力电池电加热或车载氢气催化燃烧放热等方式对电堆及其内部极板和膜电极进行预热，前者则会消耗一部分车载动力电池的电量，而且在低温环境中动力电池也同样存在着冷启动困难和放电容量大幅缩减的情况，后者则会消耗一部分车载氢气，二者均会缩短燃料电池汽车的续航里程。

另一方面，为了提高燃料电池续航里程，必须保障催化剂有效活性面积和质子交换膜厚度不会衰减，而燃料电池膜电极中的水含量则对二者具有重要影响。通常，水含量较高时催化剂颗粒容易发生溶解、团聚、再沉积从而导致催化剂有效活性面积减少，水含量较低时杂质和羟基自由基等含氧过渡态在质子交换膜内聚集则会加速质子交换膜化学衰减和厚度减少。但是，由于车载燃料电池工况因素如反应气流量、压力、电池温度和电流密度等即时变化，燃料电池膜电极中的水含量变化较大。因此，为了提高燃料电池续航里程，必须保证膜电极的水含量在合理范围内(即最大值和最小值之间)波动。而现有技术直接通过增湿器增湿的方案很难将膜电极的水含量控制在合理范围内。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种气液双路的燃料电池热管理系统，采用燃料电池电堆、空气供给单元和冷却液循环单元与燃料电池控制器电性连接，空气供给单元和冷却液循环单元的空气回路和冷却回路分别与燃料电池电堆的进出气口和进出液口连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，利用固体吸附式储热器内的固体吸附材料在吸附空气中水分时释放的吸附热为燃料电池电堆加热，实现燃料电池的冷启动，灵活调控燃料电池阴极入口处的空气湿度进而将膜电极的水含量控制在合理范围内，具有储热密度大、环境适应性强、能源利用率高，提高了燃料电池的续航里程。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种气液双路的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、空气供给单元、冷却液循环单元和燃料电池控制器，所述空气供给单元的空气回路与燃料电池电堆的进出气口连通，冷却液循环单元的冷却回路与燃料电池电堆的进出液口连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，燃料电池控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接。

所述空气供给单元的空气回路中依次串联有空气压缩机、第三空气比例阀、增湿器、第一三通电磁阀、固体吸附式储热器和两通电磁阀；第一空气比例阀与空气滤清器和空气压缩机连通；第二空气比例阀一端连接于空气回路中的空气压缩机和第三空气比例阀之间，另一端连接于第一三通电磁阀引出的支路中，该支路与燃料电池电堆的进气口连通；空气回路中从第三空气比例阀和增湿器之间引出的支路与燃料电池电堆的出气口连通。

所述冷却液循环单元的冷却回路中依次串联有水泵、节温器和第三三通电磁阀；水泵与燃料电池电堆的进液口连通，燃料电池电堆的出液口与第三三通电磁阀连通；节温器连接的支路上串联有散热器，该支路与冷却回路并联后共同引入至水泵；第三三通电磁阀连接的两个支路分别与固体吸附式储热器上的冷却液进口和冷却液出口连通。

所述固体吸附式储热器的固体吸附式储热器外壳与冷却液热交换管外壁之间的空间填充绝热材料形成保温层，冷却液热交换管内壁与固体吸附式储热管外壁之间的空腔为燃料电池冷却液流动管道。

所述固体吸附式储热管两端设置圆形钢网，位于两个圆形钢网之间的固体吸附式储热管内填充固体吸附储热材料颗粒，固体吸附式储热管的空气进口和空气出口位于固体吸附式储热器外壳外。

所述固体吸附式储热管外壁和冷却液热交换管内壁之间设置呈环形放射状布设的翅片。

所述固体吸附式储热器的固体吸附式储热管内设置温度传感器І；固体吸附式储热器的空气出口设置温度传感器Ⅱ；燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧分别设置温度传感器Ⅲ和温度传感器Ⅳ；燃料电池电堆的空气进口侧和空气出口侧分别设置湿度传感器和第二三通电磁阀。

所述燃料电池控制器与空气回路中的温度传感器І、温度传感器Ⅱ和湿度传感器电性连接，以及与冷却回路中的温度传感器Ⅲ和温度传感器Ⅳ电性连接；燃料电池控制器还与空气回路中的第一空气比例阀、空气压缩机、第二空气比例阀、第三空气比例阀、第一三通电磁阀和第二三通电磁阀和两通电磁阀电性连接，以及与冷却回路中的水泵、散热器和第三三通电磁阀电性连接。

所述燃料电池控制器控制调控空气压缩机、水泵和散热器的转速。

本实用新型的主要有益效果在于：

储能密度大，远高于显热和潜热的储能方式，从而可减少材料的用量与体积，尤其是沸石/水工质对具有相对较高的储能密度和能量密度，吸收能力强，吸附热值大，吸附速度快等优点。

升温速度快，利用吸附热对空压机入口处的空气进行补热升温弥补了现有技术采用空压机压缩空气预热方式在高寒环境中升温缓慢的不足。

环境适应性强，只要将吸附床封闭，即将本实用新型的吸附式储热器空气进出口处的电磁阀关闭，没有气流通过，吸附床将会一直处于储能状态，不受时间及环境温度的限制，无需长时间的绝热保温，从而降低了装置的成本。

能源利用率高，冷启动预热过程无需外接电源加热或氢燃烧加热；再生过程充分利用燃料电池在发电过程中产生的热能实现吸附质在吸附剂上的解吸过程，从而将燃料电池工作时所产生的废热储存在固体储热材料内，有效降低了为燃料电池降温时散热器所需要的额外能耗，进而延长了燃料电池汽车的续航里程。

通过在增湿器的并联旁通管路上设置空气比例阀，以调节进入加湿器的空气流量来实现对燃料电池阴极空气入口湿度的控制，从而将膜电极的水含量调整至合理范围进而提高了燃料电池的续航里程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的系统图。

图2为本实用新型磁热流热交换器内部的结构示意图。

图3为本实用新型固体吸附式储热器的冷却液进口处的截面示意图。

图4为本实用新型固体吸附式储热器中部的截面示意图。

图5为本实用新型固体吸附式储热器的冷却液出口处的截面示意图。

图6为本实用新型固体吸附式储热器的固体吸附式储热管的结构示意图。

图7为本实用新型在冷启动前预热模式的工作图。

图8为本实用新型在正常热管理模式的工作图。

图9为本实用新型在解吸再生模式的工作图。

图中：燃料电池电堆1，空气供给单元2，空气滤清器201，第一空气比例阀202，空气压缩机203，第二空气比例阀204，第三空气比例阀205，增湿器206，第一三通电磁阀207，第二三通电磁阀208，固体吸附式储热器209，固体吸附式储热器外壳2091，保温层2092，冷却液热交换管2093，固体吸附式储热管2094，固体吸附储热材料颗粒2095，圆形钢网2096，翅片2097，空气进口2098，空气出口2099，温度传感器І210，温度传感器Ⅱ211，两通电磁阀212，湿度传感器213，冷却液循环单元3，水泵301，散热器302，节温器303，第三三通电磁阀304，温度传感器Ⅲ305，温度传感器Ⅳ306，冷却液进口307，冷却液出口308，燃料电池控制器4。

具体实施方式

如图1~图9中，一种气液双路的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆1、空气供给单元2、冷却液循环单元3和燃料电池控制器4，所述空气供给单元2的空气回路与燃料电池电堆1的进出气口连通，冷却液循环单元3的冷却回路与燃料电池电堆1的进出液口连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器209连通，燃料电池控制器4与空气供给单元2和冷却液循环单元3电性连接。使用时，利用固体吸附式储热器209内的固体吸附材料在吸附空气中水分时释放的吸附热为燃料电池电堆加热，实现燃料电池的冷启动，灵活调控燃料电池阴极入口处的空气湿度进而将膜电极的水含量控制在合理范围内，具有储热密度大、环境适应性强、能源利用率高，提高了燃料电池的续航里程。

优选的方案中，所述空气供给单元2的空气回路中依次串联有空气压缩机203、第三空气比例阀205、增湿器206、第一三通电磁阀207、固体吸附式储热器209和两通电磁阀212；第一空气比例阀202与空气滤清器201和空气压缩机203连通；第二空气比例阀204一端连接于空气回路中的空气压缩机203和第三空气比例阀205之间，另一端连接于第一三通电磁阀207引出的支路中，该支路与燃料电池电堆1的进气口连通；空气回路中从第三空气比例阀205和增湿器206之间引出的支路与燃料电池电堆1的出气口连通。

优选的方案中，所述冷却液循环单元3的冷却回路中依次串联有水泵301、节温器303和第三三通电磁阀304；水泵301与燃料电池电堆1的进液口连通，燃料电池电堆1的出液口与第三三通电磁阀304连通；节温器303连接的支路上串联有散热器302，该支路与冷却回路并联后共同引入至水泵301；第三三通电磁阀304连接的两个支路分别与固体吸附式储热器209上的冷却液进口307和冷却液出口308连通。

优选地，在水泵301进出液管路上设置用于定压补液的膨胀水箱。

优选的方案中，所述固体吸附式储热器209的固体吸附式储热器外壳2091与冷却液热交换管2093外壁之间的空间填充绝热材料形成保温层2092，冷却液热交换管2093内壁与固体吸附式储热管2094外壁之间的空腔为燃料电池冷却液流动管道。使用时，固体吸附式储热器209用于车用燃料电池在冷启动时通过吸附剂吸附吸附质所释放的吸附热为燃料电池电堆1预热以帮助其快速实现冷启动。

优选的方案中，所述固体吸附式储热管2094两端设置圆形钢网2096，位于两个圆形钢网2096之间的固体吸附式储热管2094内填充固体吸附储热材料颗粒2095，固体吸附式储热管2094的空气进口2098和空气出口2099位于固体吸附式储热器外壳2091外。使用时，固体吸附储热材料颗粒2095内部的孔隙以及颗粒之间的空隙为空气的流动通道。

优选地，所述固体吸附式储热管2094内充填的固体吸附储热材料颗粒包括但不限于由硅胶、活性炭、活性氧化铝、金属有机骨架MOFs、天然沸石和人工沸石分子筛，具有丰富微孔、介孔及大孔的多孔吸附性固体材料所形成的颗粒。

优选地，人工沸石分子筛包括但不限于3A、4A、5A、13X球形、13X条形，人工沸石分子筛以及沸石分子筛/CaCl₂、沸石分子筛/MgCl₂、沸石分子筛/MgSO₄与水合盐复合吸附材料。

优选的方案中，所述固体吸附式储热管2094外壁和冷却液热交换管2093内壁之间设置呈环形放射状布设的翅片2097。制作时，固体吸附式储热管2094外壁上焊有平行于轴线的翅片2097，翅片2097的外沿与冷却液热交换管2093内壁紧密接触，为冷却液热交换管2093提供机械支撑并增强对冷却液的热传导。

优选的方案中，所述固体吸附式储热器209的固体吸附式储热管2094内设置温度传感器І210；固体吸附式储热器209的空气出口2099设置温度传感器Ⅱ211；燃料电池电堆1的进液口侧和出液口侧分别设置温度传感器Ⅲ305和温度传感器Ⅳ306；燃料电池电堆1的空气进口侧和空气出口侧分别设置湿度传感器213和第二三通电磁阀208。

优选的方案中，所述燃料电池控制器4与空气回路中的温度传感器І210、温度传感器Ⅱ211和湿度传感器213电性连接，以及与冷却回路中的温度传感器Ⅲ305和温度传感器Ⅳ306电性连接；燃料电池控制器4还与空气回路中的第一空气比例阀202、空气压缩机203、第二空气比例阀204、第三空气比例阀205、第一三通电磁阀207和第二三通电磁阀208和两通电磁阀212电性连接，以及与冷却回路中的水泵301、散热器302和第三三通电磁阀304电性连接。使用时，燃料电池控制器4接收信号，并发送指令控制调控空气压缩机电机203、水泵301、散热器302的转速，以及控制电磁阀212的开启或关断，和控制第一空气比例阀202、第二空气比例阀204和第三空气比例阀205的开度；温度传感器І210用于监测固体吸附式储热器209内部的温度，温度传感器Ⅱ211用于监测所述固体吸附式储热器209空气出口的温度，温度传感器Ⅲ305和温度传感器Ⅳ306监测燃料电池冷却液的温度，湿度传感器213用于监测燃料电池电堆1空气入口处的空气湿度。

优选的方案中，所述燃料电池控制器4控制调控空气压缩机203、水泵301和散热器302的转速。

上述技术方案中，具体地：

如图1所示，湿度传感器213设置在第二空气比例阀204空气出口和第一三通电磁阀207的一个空气出口管路交汇点与燃料电池电堆1空气进口之间的管路上用于监测燃料电池电堆1空气入口处的空气湿度。

如图1和图2所示，温度传感器І210设置在固体吸附式储热器209内部用于监测固体吸附式储热器209内部的温度，温度传感器Ⅱ211设置在固体吸附式储热器209的空气出口处用于监测固体吸附式储热器209空气出口的温度。

如图1所示，温度传感器Ⅲ305设置在水泵301出液口与燃料电池电堆1冷却液进口之间的管路上，温度传感器Ⅳ306设置在燃料电池电堆1冷却液出口与第三三通电磁阀304输入端之间的管路上，通过利用二者监测到的温度来确定燃料电池内部的温度。

燃料电池控制器4用于接收空气供给单元2中燃料电池电堆1空气入口处的空气湿度信号，和固体吸附式储热器209内部和空气出口处的温度信号以及冷却液循环单元3中燃料电池电堆1冷却液进出口处的温度信号，向空气供给单元2中的空气压缩机203以及冷却液循环单元3中的水泵301和散热器302发送开关指令以及通过PWM控制机制调控空气压缩机电机、水泵电机、散热器风扇电机的转速，向空气供给单元2中的第一三通电磁阀207、第二三通电磁阀208以及冷却液循环单元3中的第三三通电磁阀304发送开关指令和开通方向的指令，向空气供给单元2中的两通电磁阀212发送开启/关断指令，以及控制第一空气比例阀202、第二空气比例阀204和第三空气比例阀205的开度。

如图2~图5所示，空气供给单元2的固体吸附式储热器209为套管式结构，包括固体吸附式储热器外壳2091、保温层2092、冷却液热交换管2093和固体吸附式储热管2094；其中，固体吸附式储热器外壳2091与冷却液热交换管2093外壁之间的空间填充绝热材料从而形成的保温层2092，冷却液热交换管2093内壁与固体吸附式储热管2094外壁之间的空腔为燃料电池冷却液流动管道，固体吸附式储热管2094内距离空气进口2098和空气出口2099一定距离处分别焊接一片带有筛孔的圆形钢网2096，在两片圆形钢网2096与固体吸附式储热管2094内壁之间围成的空腔内填充固体吸附储热材料颗粒2095，固体吸附储热材料颗粒2095内部的孔隙以及颗粒之间的空隙为空气的流动通道。

如图3~图5所示，固体吸附式储热管2094外壁上焊有平行于轴线的翅片2097，而且翅片2097的外沿与冷却液热交换管2093内壁紧密接触以为冷却液热交换管2093提供机械支撑并增强对冷却液的热传导。

如图1和图2所示，空气供给单元2的空气滤清器201的空气出口与第一空气比例阀202的进气口通过管道连接，第一空气比例阀202的出气口与空气压缩机203的空气进口通过管道连接，空气压缩机203的空气出口通过管道分别与第二空气比例阀204和第三空气比例阀205的进气口连接，第二空气比例阀204的空气出口通过管道接于燃料电池电堆1的空气进口，第三空气比例阀205的空气出口与增湿器206的空气进口通过管道连接，增湿器206的空气出口与第一三通电磁阀207的进气口通过管道连接，第一三通电磁阀207的第一出气口通过管道接于燃料电池电堆1的空气进口，第一三通电磁阀207的第二出气口与固体吸附式储热器209的空气进口2098通过管道连接，固体吸附式储热器209的空气出口2099与两通三通电磁阀212的空气进口通过管道连接，两通电磁阀212的出气口通过管道接于空气压缩机203的空气进口，燃料电池电堆1的空气出口与第二三通电磁阀208的空气进口通过管道连接，第二三通电磁阀208的第一出气口接入空气尾排管路，第二三通电磁阀208的第二出气口通过管道接于增湿器206的空气进口，从而形成燃料电池电堆1的空气供给循环通路。

如图1~6所示，冷却液循环单元3中水泵301的出液口通过管道接于燃料电池电堆1的冷却液进口，燃料电池电堆1的冷却液出口与第三三通电磁阀304的进液口通过管道连接，第三三通电磁阀304的第一出液口与节温器303的进液口通过管道连接，第三三通电磁阀304的第二出液口与固体吸附式储热器209的冷却液进口307通过管道连接，固体吸附式储热器209的冷却液出口308与节温器303的进液口通过管道连接，节温器303的第一出液口与散热器302的冷却液进口通过管道连接，节温器303的第二出液口和散热器302的冷却液出口均通过管道接于水泵301的进液口，从而形成燃料电池电堆1的冷却液循环通路。

此外，在水泵301的进出液管路上还设置有用于定压补液的膨胀水箱。图中未示出。

如图1所示，燃料电池控制器4通过低压信号线与空气供给单元2中的湿度传感器213连接接收湿度传感器的湿度信号，通过低压信号线分别与空气供给单元2中的温度传感器І210、温度传感器Ⅱ211以及冷却液循环单元3中的温度传感器Ⅲ305和温度传感器Ⅳ306连接，接收温度传感器的温度信号；通过低压开关控制线分别与空气供给单元2中的第一空气比例阀202、第二空气比例阀204、第三空气比例阀205连接控制其开度，通过低压开关控制线与两通电磁阀连接向其发送开启/关断指令，通过低压开关控制线分别与空气供给单元2中的第一三通电磁阀207、第二三通电磁阀208以及冷却液循环单元3中的第三三通电磁阀304连接，向其发送开关及开通方向的指令；通过低压开关控制线分别与空气供给单元2中的空气压缩机203以及冷却液循环单元3中的水泵301和散热器302连接，向其发送开关指令并通过PWM控制机制向空气压缩机203、水泵301、散热器302发送脉宽调制信号以调控空气压缩机电机、水泵电机和散热器风扇电机的转速。

实施例：

一种气液双路的燃料电池热管理系统工作在冷启动前预热模式、冷启动模式、正常热管理模式和解吸再生模式：

在一个实施例中，燃料电池控制器4采用冷却液循环单元3中温度传感器Ⅲ305或者温度传感器Ⅳ306的冷却液温度作为参考温度进行后续比较和处理；

在另一个实施例中，燃料电池控制器4采用温度传感器Ⅲ305和温度传感器Ⅳ306的冷却液温度的平均值作为后续比较和处理的参数。以下将上述实施例中的温度传感器Ⅲ305或/和温度传感器Ⅳ306的冷却液参考温度统称为“燃料电池电堆冷却液温度T_F”，并将空气供给单元2中的温度传感器І210所显示的温度记为“T_i”以及温度传感器Ⅱ211所显示的温度记为“T_o”。

在一个实施例中，燃料电池控制器4读取冷启动阈值温度T_C、正常启动阈值温度T_S；其中，冷启动阈值温度T_C设定为-5℃~0℃区间中的一个温度；正常启动阈值温度T_S设定为大于0℃的一个温度。

在一个实施例中，燃料电池控制器4将空气供给单元2中的湿度传感器213所显示的湿度记为“H”并与设定的下限湿度阈值H_L和上限湿度阈值H_U进行比较。

燃料电池控制器4比较燃料电池电堆冷却液当前温度T_F和冷启动阈值温度T_C、正常启动阈值温度T_S之间的大小：当T_F＜T_C时，燃料电池热管理系统进入冷启动前预热模式；当T_C≤T_F≤T_S时，燃料电池热管理系统进入冷启动模式；当T_F＞T_S时，燃料电池热管理系统进入正常热管理模式；当燃料电池热管理系统从冷启动模式进入正常热管理模式后，如果燃料电池汽车处于高功率输出，即大电流运行或加速工况时，燃料电池热管理系统可进入再生解吸模式直至T_i=T_o时再次切换回正常热管理模式。

在冷启动前预热模式下，如图7所示，燃料电池控制器4分别开启空气供给单元2中的第一空气比例阀202、空气压缩机203、第二空气比例阀204、第二三通电磁阀208的第二阀门、第一三通电磁阀207的第二阀门以及两通电磁阀212并使第三空气比例阀205处于完全关闭状态从而使空气的循环输送路径为：空气滤清器201→第一空气比例阀202→空气压缩机203→第二空气比例阀204→燃料电池电堆1→第二三通电磁阀208→增湿器206→第一三通电磁阀207→固体吸附式储热器209→两通电磁阀212→空气压缩机203，分别开启冷却液循环单元3中的水泵301以及第三三通电磁阀304的第二阀门使冷却液的循环路径为：水泵301→燃料电池电堆1→第三三通电磁阀304→固体吸附式储热器209→节温器303→水泵301；在此过程中，环境中的空气经过空气滤清器201净化后在空气压缩机203的作用下绝热压缩进行初次升温并在进入燃料电池电堆1时将热量直接传递给燃料电池电堆的膜电极，流出燃料电池电堆的空气再经过增湿器206增湿后携带着大量水蒸气进入到固体吸附式储热器209的固体吸附式储热管2094中，固体吸附式储热管2094中的固体吸附储热材料2095开始对水蒸气进行物理吸附从而降低了水分子的自由度释放出大量的吸附热并对空气流进行补热升温，经过补热的空气流则进入空气压缩机203进行再次升温并将更多的热量传递给燃料电池电堆1使其加速预热，同时水泵301驱动冷却液流经固体吸附式储热器209的冷却液热交换管2093并吸收固体吸附式储热管2094中释放的吸附热进入燃料电池电堆1为其内部的双极板进行预热；在此过程中燃料电池控制器4关闭第一空气比例阀202使空气在空气压缩机203、燃料电池电堆1、增湿器206和固体吸附式储热器209之间形成封闭的循环回路对燃料电池电堆进行持续且递进性预热，并实时监测并比较T_F与T_C、T_S之间的大小变化。

在冷启动模式下，燃料电池控制器4首先使空气供给单元2和冷却液循环单元3中的空气比例阀、三通电磁阀、两通电磁阀212、空气压缩机203及水泵301处于冷启动前预热模式所描述的状态，然后以小功率大电流启动燃料电池电堆1使其产生的电能以欧姆极化热的形式加速暖机升温直至T_F＞T_S，燃料电池冷启动操作完成；在此过程中适当调整第一空气比例阀202的开度并间歇开启第二三通电磁阀208的第一阀门以补给自热过程所消耗的氧气。

在正常热管理模式下，如图8所示，燃料电池控制器4分别开启空气供给单元2中的第一空气比例阀202、空气压缩机203、第二空气比例阀204、第三空气比例阀205、第一三通电磁阀的第一阀门、第二三通电磁阀的第一阀门并关闭两通电磁阀212使空气的输送路径为：空气滤清器201→第一空气比例阀202→空气压缩机203→第二空气比例阀204→燃料电池电堆1→第二三通电磁阀208→空气尾排管路，该输送路径中，第二空气比例阀204可替换为第三空气比例阀205→增湿器206→第一三通电磁阀207；分别开启冷却液循环单元3中的水泵301以及第三三通电磁阀304的第一阀门使冷却液的循环路径为：水泵301→燃料电池电堆1→第三三通电磁阀304→节温器303或者散热器302→水泵301；在此过程中燃料电池控制器4通过PWM控制机制分别向水泵301、散热器302发送脉宽调制信号以调控水泵电机和散热器风扇电机的转速来控制燃料电池电堆1的温度处于最佳工作温度区间；同时，燃料电池控制器根据燃料电池运行的实时工况分别调整第二空气比例阀204和第三空气比例阀205的开度使所监测到的湿度传感器的数值H落入所设定的湿度范围内，即H_L~H_U；当燃料电池处于高功率输出，即大电流运行或加速工况时，增大第二空气比例阀204的开度同时减小第三空气比例阀205的开度使H接近设定的下限湿度阈值H_L，如果固体吸附式储热器209处于待解吸再生状态则可进入解吸再生模式；当燃料电池处于减速或怠速工况时，增大第三空气比例阀205的开度或者全开同时，减小第二空气比例阀204的开度后者全闭，而且必要时增大空压机203转速以提高空气流量并增大散热器302风扇转速降低阴极入口处的温度从而使阴极空气入口处湿度传感器的数值H接近设定的上限湿度阈值H_U，如此使膜电极中的水含量处于合理的范围内。

在解吸再生模式下，如图9所示，燃料电池控制器4分别开启空气供给单元2中的第一空气比例阀202、空气压缩机203、第二空气比例阀204、第三空气比例阀205、第一三通电磁阀的第一阀门、第二三通电磁阀的第一阀门、两通电磁阀212使空气的输送路径为：空气滤清器201→第一空气比例阀202→空气压缩机203→第二空气比例阀204→燃料电池电堆1→第二三通电磁阀208→空气尾排管路，该输送路径中的第二空气比例阀204可替换为第三空气比例阀205→增湿器206→第一三通电磁阀207；分别开启冷却液循环单元3中的水泵301和/或散热器302风扇以及第三三通电磁阀304的第二阀门使冷却液的循环路径为：水泵301→燃料电池电堆1→第三三通电磁阀304→固体吸附式储热器209→节温器303或者散热器302→水泵301；如此空气压缩机203在工作时其空气入口处所产生的吸力使与之连通的固体吸附式储热管2094内形成负压环境，而冷却液循环单元3中的水泵301驱动冷却液将燃料电池在大电流工作过程中所产生的热量携带至固体吸附式储热器209的冷却液热交换管2093中并通过热交换传递至固体吸附式储热管2094中对其内的固体吸附储热材料2095进行加热，其所吸附的水分遇热蒸发并在负压环境中从吸附剂内快速脱附，随即被抽离出固体吸附式储热管2094进入空气压缩机203实现空气的预增湿；在此过程中燃料电池控制器4在按照S4方法调控燃料电池的工作温度及空气入口处湿度的同时实时监测空气供给单元2中的温度传感器І210和温度传感器Ⅱ211所显示温度T_i和T_o的大小变化，如果监测到T_i=T_o时则首先关闭两通电磁阀212，然后返回S4进行正常热管理操作和湿度调控，从而完成固体吸附储热材料2095的解吸再生准备下一次的燃料电池的冷启动。

本实用新型巧妙利用固体吸附式储能的原理将吸附剂在吸附吸附质，例如在吸附水的过程中释放出大量的吸附热为燃料电池电堆预热以实现燃料电池的冷启动，其优点在于：

储能密度大，远高于显热和潜热的储能方式，从而可减少材料的用量与体积，尤其是沸石/水工质对具有相对较高的储能密度和能量密度，吸收能力强，吸附热值大，吸附速度快等优点；

升温速度快，利用吸附热对空压机入口处的空气进行补热升温弥补了现有技术采用空压机压缩空气预热方式在高寒环境中升温缓慢的不足；

环境适应性强，只要将吸附床封闭，即将本实用新型的吸附式储热器空气进出口处的电磁阀关闭，就没有气流通过，吸附床将会一直处于储能状态，不受时间及环境温度的限制，无需长时间的绝热保温，从而降低了装置的成本；

能源利用率高，冷启动预热过程无需外接电源加热或氢燃烧加热；再生过程充分利用燃料电池在发电过程中产生的热能实现吸附质在吸附剂上的解吸过程，从而将燃料电池工作时所产生的废热储存在固体储热材料内，有效降低了为燃料电池降温时散热器所需要的额外能耗，进而延长了燃料电池汽车的续航里程。

另一方面，本实用新型通过在增湿器的并联旁通管路上设置空气比例阀以调节进入加湿器的空气流量来实现对燃料电池阴极空气入口湿度的控制从而将膜电极的水含量调整至合理范围进而提高了燃料电池的续航里程。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：它包括空气供给单元（2）、冷却液循环单元（3）和燃料电池控制器（4）；所述空气供给单元（2）的空气回路与冷却液循环单元（3）的冷却回路连通，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器（209）连通，燃料电池控制器（4）与空气供给单元（2）和冷却液循环单元（3）电性连接；

燃料电池电堆（1）的空气进口侧和空气出口侧分别设置湿度传感器（213）和第二三通电磁阀（208）；

燃料电池控制器（4）还与空气回路中的第一空气比例阀（202）、空气压缩机（203）、第二空气比例阀（204）、第三空气比例阀（205）、第一三通电磁阀（207）和第二三通电磁阀（208）和两通电磁阀（212）电性连接，以及与冷却回路中的水泵（301）、散热器（302）和第三三通电磁阀（304）电性连接。

2.根据权利要求1所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述空气供给单元（2）的空气回路中依次串联有空气压缩机（203）、第三空气比例阀（205）、增湿器（206）、第一三通电磁阀（207）、固体吸附式储热器（209）和两通电磁阀（212）；第一空气比例阀（202）与空气滤清器（201）和空气压缩机（203）连通；第二空气比例阀（204）一端连接于空气回路中的空气压缩机（203）和第三空气比例阀（205）之间，另一端连接于第一三通电磁阀（207）引出的支路中，该支路与燃料电池电堆（1）的进气口连通；空气回路中从第三空气比例阀（205）和增湿器（206）之间引出的支路与燃料电池电堆（1）的出气口连通。

3.根据权利要求1所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述冷却液循环单元（3）的冷却回路中依次串联有水泵（301）、节温器（303）和第三三通电磁阀（304）；水泵（301）与燃料电池电堆（1）的进液口连通，燃料电池电堆（1）的出液口与第三三通电磁阀（304）连通；节温器（303）连接的支路上串联有散热器（302），该支路与冷却回路并联后共同引入至水泵（301）；第三三通电磁阀（304）连接的两个支路分别与固体吸附式储热器（209）上的冷却液进口（307）和冷却液出口（308）连通。

4.根据权利要求1所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述固体吸附式储热器（209）的固体吸附式储热器外壳（2091）与冷却液热交换管（2093）外壁之间的空间填充绝热材料形成保温层（2092），冷却液热交换管（2093）内壁与固体吸附式储热管（2094）外壁之间的空腔为燃料电池冷却液流动管道。

5.根据权利要求4所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述固体吸附式储热管（2094）两端设置圆形钢网（2096），位于两个圆形钢网（2096）之间的固体吸附式储热管（2094）内填充固体吸附储热材料颗粒（2095），固体吸附式储热管（2094）的空气进口（2098）和空气出口（2099）位于固体吸附式储热器外壳（2091）外。

6.根据权利要求4所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述固体吸附式储热管（2094）外壁和冷却液热交换管（2093）内壁之间设置呈环形放射状布设的翅片（2097）。

7.根据权利要求1所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述固体吸附式储热器（209）的固体吸附式储热管（2094）内设置温度传感器І（210）；固体吸附式储热器（209）的空气出口（2099）设置温度传感器Ⅱ（211）；燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧分别设置温度传感器Ⅲ（305）和温度传感器Ⅳ（306）。

8.根据权利要求1所述的气液双路的燃料电池热管理系统，其特征是：所述燃料电池控制器（4）与空气回路中的温度传感器І（210）、温度传感器Ⅱ（211）和湿度传感器（213）电性连接，以及与冷却回路中的温度传感器Ⅲ（305）和温度传感器Ⅳ（306）电性连接。

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