專利名稱：一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有在一定溫度范圍內(nèi)性能達(dá)到最佳的特點(diǎn)。由于燃料電池結(jié)構(gòu)及工藝不同，其最佳工作溫度區(qū)間有所差異，一般燃料電池最佳工作溫度區(qū)間在60-75°C 以內(nèi)。對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)來說，溫度是影響其化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的一個(gè)重要因素，所以當(dāng)燃料電池處于低溫的情況下，其化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程會(huì)變慢，也就是性能會(huì)變差，加載速度變慢。一般，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)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(huán)冷卻液循環(huán)而緩慢的提高來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)見圖3，這樣升溫較慢，催化劑活性較低，不利于燃料電池性能的提升；同時(shí)，在低溫時(shí)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(fā)明內(nèi)容
為了克服燃料電池發(fā)電系統(tǒng)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)及其方法，實(shí)現(xiàn)在燃料電池處于低溫時(shí)的快速升溫，從而提高燃料電池的性能和使用壽命。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)，包括內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)泵、內(nèi)循環(huán)單向閥、進(jìn)口三通、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器組成， 冷卻液從水箱進(jìn)入出口三通，流經(jīng)加熱器、內(nèi)循環(huán)泵、內(nèi)循環(huán)單向閥、進(jìn)口三通，經(jīng)燃料電池堆進(jìn)口傳感器檢測(cè)后進(jìn)入燃料電池堆，最后經(jīng)燃料電池堆冷卻液出口傳感器檢測(cè)流出，重新進(jìn)入出口三通；所述的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(huán)泵、散熱器、外循環(huán)單向閥、進(jìn)口三通、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器組成，冷卻液從水箱流入外循環(huán)泵，經(jīng)散熱器后進(jìn)入外循環(huán)單向閥、進(jìn)口三通，經(jīng)燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器檢測(cè)后進(jìn)入燃料電池堆，最后經(jīng)燃料電池堆冷卻液出口傳感器檢測(cè)流出，重新進(jìn)入出口三通。本發(fā)明所述的加熱器通過電纜經(jīng)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(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)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(duì)燃料電池堆的冷卻液出口溫度進(jìn)行檢測(cè)， 根據(jù)其檢測(cè)值確認(rèn)燃料電池堆是否處于最佳工作溫度區(qū)域；B、當(dāng)燃料電池堆的冷卻液出口溫度低于最佳工作溫度區(qū)域時(shí)，關(guān)閉外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，啟動(dòng)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，快速加熱燃料電池堆，當(dāng)燃料電池堆升溫到其最佳工作區(qū)域時(shí)， 關(guān)閉內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱；C、當(dāng)燃料電池堆溫度再次低于其最佳工作溫度時(shí)，重復(fù)步驟B。本發(fā)明所述的快速加熱燃料電池堆是控制一個(gè)掛載于燃料電池堆或者外部電源的加熱器的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)對(duì)燃料電池堆進(jìn)行加熱，同時(shí)開啟內(nèi)循環(huán)泵并關(guān)閉外循環(huán)泵； 所述的散熱是控制加熱器停止加熱，同時(shí)關(guān)閉內(nèi)循環(huán)泵并開啟外循環(huán)泵。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、一般燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)均是以散熱為主，燃料電池產(chǎn)生的廢熱通過循環(huán)管路上的散熱器與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，從而帶走燃料電池產(chǎn)生的廢熱，燃料電池的溫升靠自身的廢熱一點(diǎn)一點(diǎn)的升上去，當(dāng)環(huán)境溫度較低的時(shí)候，因?yàn)槔鋮s液要經(jīng)過散熱器，而散熱器與環(huán)境溫度進(jìn)行熱交換，燃料電池的溫升將很困難，尤其是在自身發(fā)出的功率較低的時(shí)候，更是很難達(dá)到燃料電池的最佳溫度工作區(qū)間。由于本發(fā)明增加了一個(gè)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，既解決了燃料電池堆的散熱問題，同時(shí)又能快速升溫燃料電池堆，并保持燃料電池堆始終處于其最佳工作溫度區(qū)間，保持性能處于最穩(wěn)定狀態(tài)，延長其使用壽命。2、本發(fā)明通過進(jìn)口三通管件和出口三通管件的組合把水箱和兩個(gè)不同用途的循環(huán)系統(tǒng)連接到一起，共用冷卻液，以單向閥隔離，形成了一個(gè)完整的加熱冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。 為避免冷卻液不經(jīng)過燃料電池堆而流入含有散熱器的管段，采用內(nèi)循環(huán)單向閥或外循環(huán)單向閥進(jìn)行隔離。當(dāng)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)工作時(shí)，冷卻液不能通過外循環(huán)冷卻系統(tǒng)散熱器后面的外循環(huán)單向閥，不能反向流動(dòng)，只能通過內(nèi)循環(huán)單向閥流向燃料電池堆，同理外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，也只能流經(jīng)外循環(huán)單向閥進(jìn)入燃料電池堆，不流向內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)。


本發(fā)明共有附圖5幅，其中圖1為一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)示意圖。圖2為一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)的熱管理方法流程圖。圖3為現(xiàn)有的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)示意圖。圖4為本發(fā)明的測(cè)試結(jié)果曲線圖。圖5為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)試結(jié)果對(duì)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(nèi)循環(huán)泵，6、外循環(huán)泵，7、電源切換裝置，8、內(nèi)循環(huán)單向閥，9、散熱器，10、外循環(huán)單向閥，11、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器，12、出口三通，13、進(jìn)口三通，14、外部電源，20、本發(fā)明的測(cè)試結(jié)果曲線，30、現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)試結(jié)果曲線。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。如圖1所示，一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)，包括內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)泵5、內(nèi)循環(huán)單向閥8、進(jìn)口三通13、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器11組成，冷卻液從水箱3進(jìn)入出口三通12，流經(jīng)加熱器4、內(nèi)循環(huán)泵 5、內(nèi)循環(huán)單向閥8、進(jìn)口三通13，經(jīng)燃料電池堆1進(jìn)口傳感器檢測(cè)后進(jìn)入燃料電池堆1，最后經(jīng)燃料電池堆冷卻液出口傳感器2檢測(cè)流出，重新進(jìn)入出口三通12 ；所述的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(huán)泵6、散熱器9、外循環(huán)單向閥10、進(jìn)口三通13、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器11組成，冷卻液從水箱3流入外循環(huán)泵6，經(jīng)散熱器9后進(jìn)入外循環(huán)單向閥10、進(jìn)口三通13，經(jīng)燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器11檢測(cè)后進(jìn)入燃料電池堆1，最后經(jīng)燃料電池堆冷卻液出口傳感器2檢測(cè)流出，重新進(jìn)入出口三通12。所述的加熱器4通過電纜經(jīng)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(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)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(duì)燃料電池堆1的冷卻液出口溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其檢測(cè)值確認(rèn)燃料電池堆1是否處于最佳工作溫度區(qū)域；B、當(dāng)燃料電池堆1的冷卻液出口溫度低于最佳工作溫度區(qū)域時(shí)，關(guān)閉外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，啟動(dòng)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，快速加熱燃料電池堆1，當(dāng)燃料電池堆1升溫到其最佳工作區(qū)域時(shí)，關(guān)閉內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱；C、當(dāng)燃料電池堆1溫度再次低于其最佳工作溫度時(shí)，重復(fù)步驟B。本發(fā)明所述的快速加熱燃料電池堆1是控制一個(gè)掛載于燃料電池堆1或者外部電源14的加熱器4的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)對(duì)燃料電池堆1進(jìn)行加熱，同時(shí)開啟內(nèi)循環(huán)泵5并關(guān)閉外循環(huán)泵6 ；所述的散熱是控制加熱器4停止加熱，同時(shí)關(guān)閉內(nèi)循環(huán)泵5并開啟外循環(huán)泵6。下面通過試驗(yàn)結(jié)果來說明本發(fā)明的有益效果。試驗(yàn)中，采用額定IOkW的燃料電池堆1系統(tǒng)，冷卻液泵流量2m3/h ；加熱器4功率為5kW，水流量0. 8m3/h ；內(nèi)循環(huán)泵5流量 0. 5m3/h ；環(huán)境溫度為25°C ；加熱器4為0 2. 5kW功率可調(diào)的加熱器4 ；散熱器9功率IOkW ； 設(shè)定燃料電池堆1出口溫度大于60°C時(shí)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻系統(tǒng)切換。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后，因?yàn)槔鋮s液溫度與環(huán)境溫度相同只有25°C，低于設(shè)定值60°C，此時(shí)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，而內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，內(nèi)循環(huán)泵5工作，冷卻液流經(jīng)加熱器4加熱，經(jīng)內(nèi)循環(huán)單向閥8后進(jìn)入燃料電池堆1，由于有外循環(huán)單向閥10，冷卻液不能反向流動(dòng)進(jìn)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(jì)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(jīng)過1150秒，出口溫度上升到設(shè)定值60°C，當(dāng)檢測(cè)到出口溫度大于60°C時(shí)，加熱器 4停止加熱切換到外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，隨著散熱器9的工作，溫度又開始下降，當(dāng)?shù)陀?0°C時(shí)， 系統(tǒng)再次切換，內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)又開始工作，使溫度始終保持在60°C左右，見附圖4的本發(fā)明的測(cè)試結(jié)果曲線20。試驗(yàn)還做了沒有內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)的燃料電池溫升情況，由于水流經(jīng)過散熱器9，溫升緩慢，需要經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，才能達(dá)到燃料電池堆1的最佳溫度，兩者測(cè)試結(jié)果對(duì)比見附圖5的本發(fā)明的測(cè)試結(jié)果曲線20和現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)試結(jié)果曲線30。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)，其特征在于包括內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)泵(5)、內(nèi)循環(huán)單向閥(8)、進(jìn)口三通(13)、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器(11)組成，冷卻液從水箱(3)進(jìn)入出口三通(12)， 流經(jīng)加熱器G)、內(nèi)循環(huán)泵(5)、內(nèi)循環(huán)單向閥(8)、進(jìn)口三通(13)，經(jīng)燃料電池堆(1)進(jìn)口傳感器檢測(cè)后進(jìn)入燃料電池堆(1)，最后經(jīng)燃料電池堆冷卻液出口傳感器( 檢測(cè)流出，重新進(jìn)入出口三通(1 ；所述的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(huán)泵(6)、散熱器(9)、外循環(huán)單向閥(10)、進(jìn)口三通(13)、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器(11)組成，冷卻液從水箱C3)流入外循環(huán)泵(6)， 經(jīng)散熱器(9)后進(jìn)入外循環(huán)單向閥(10)、進(jìn)口三通(13)，經(jīng)燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器 (11)檢測(cè)后進(jìn)入燃料電池堆(1)，最后經(jīng)燃料電池堆冷卻液出口傳感器⑵檢測(cè)流出，重新進(jìn)入出口三通(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)，其特征在于所述的加熱器(4)通過電纜經(jīng)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(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)的熱管理方法，其特征在于包括以下步驟A、通過燃料電池堆冷卻液出口傳感器( 對(duì)燃料電池堆(1)的冷卻液出口溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其檢測(cè)值確認(rèn)燃料電池堆(1)是否處于最佳工作溫度區(qū)域；B、當(dāng)燃料電池堆(1)的冷卻液出口溫度低于最佳工作溫度區(qū)域時(shí)，關(guān)閉外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，啟動(dòng)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，快速加熱燃料電池堆(1)，當(dāng)燃料電池堆(1)升溫到其最佳工作區(qū)域時(shí)，關(guān)閉內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱；C、當(dāng)燃料電池堆(1)溫度再次低于其最佳工作溫度時(shí)，重復(fù)步驟B。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)的熱管理方法，其特征在于所述的快速加熱燃料電池堆(1)是控制一個(gè)掛載于燃料電池堆(1)或者外部電源(14)的加熱器(4)的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)對(duì)燃料電池堆(1)進(jìn)行加熱，同時(shí)開啟內(nèi)循環(huán)泵( 并關(guān)閉外循環(huán)泵(6)；所述的散熱是控制加熱器(4)停止加熱，同時(shí)關(guān)閉內(nèi)循環(huán)泵(5)并開啟外循環(huán)泵(6)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)的熱管理系統(tǒng)及其方法，所述的熱管理系統(tǒng)包括內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述的內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)泵、內(nèi)循環(huán)單向閥、進(jìn)口三通、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器組成，所述的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(huán)泵、散熱器、外循環(huán)單向閥、進(jìn)口三通、燃料電池堆冷卻液進(jìn)口傳感器組成。本發(fā)明增加了一個(gè)內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，既解決了燃料電池堆的散熱問題，同時(shí)又能快速升溫燃料電池堆，并保持燃料電池堆始終處于其最佳工作溫度區(qū)間，保持性能處于最穩(wěn)定狀態(tài)，延長其使用壽命。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102496730SQ201110379850
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)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(qǐng)人:新源動(dòng)力股份有限公司