一种质子交换膜燃料电池热管理系统及工作方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池热管理领域，具体是基于超薄均热板与复合相变材料的质子交换膜燃料电池热管理系统及工作方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将反应物本身的化学能直接转化成电能的装置，具有高能量密度、低环境污染性，燃料丰富可且再生的特点，受到了广泛关注，被誉为21世纪的终极能源，具有广泛的应用前景。在实际应用中，燃料40％～60％的化学能转换成电能，其余的能量大多数转化为热能。如果热量不能及时排出，系统温度会持续上升，出现单电池内局部或者电堆内局部区域超温现象，严重影响燃料电池正常工作。当质子交换膜温度达到80℃以上时，其热稳定性和质子传导能力将会下降，严重时会出现膜脱水的现象，导致电导率急剧降低。当质子交换膜温度高于130℃时，会使膜产生不可逆的损害，局部热点会导致膜穿孔，最终影响电堆运行的安全性。同时，电池的温度过高也会加速催化剂的衰减。

当前的质子交换膜燃料电池热管理技术如专利申请CN201810662690.5公开了一种用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块，由燃料电池电堆、冷却液流道、超薄均温板、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；蓄液箱、循环液体泵、加热装置通过冷却液流道依次串联，形成传热均温循环回路；冷却液流道穿过多个间隔设置的燃料电池电堆的超薄均温板的冷凝端；膜电极的两侧分别设有超薄均温板，多个膜电极和超薄均温板交替设置；超薄均温板的空腔体设置在壳体中，至少从壳体的一端伸出壳体，其采用均温板传出温度并用冷却液进行冷却或加热，专利申请CN201820980615.9公布了一种应用于高电流密度燃料电池传热均温的液冷式装置。这些专利技术在低温启动没有侧重，或采用加热冷却液进行间接加热，会导致系统实时性有缺陷，且没有对电堆工作产生的热量进行回收利用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于超薄均热板与复合相变材料的质子交换膜燃料电池热管理系统，能够保证质子交换膜燃料电池电堆在运行过程中均匀处于合适的温度范围内，储存热量实现电堆快速冷启动以及防止电堆发生局部温度过高损坏，以优化质子交换膜燃料电池热管理提升其性能。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于超薄均热板与复合相变材料的质子交换膜燃料电池热管理系统，包括燃料电池电堆、超薄均热板、水冷模块、保温加热模块和控制模块。

所述的燃料电池电堆包括多个串联的单电池，每个所述单电池包括膜电极和双极板，所述双极板内设置有插槽，所述超薄均热板嵌于双极板的插槽内，燃料电池电堆的外侧设置有双极板端板，所述燃料电池电堆内设置有温度传感器；

所述的水冷模块和保温加热模块分别位于电堆的两侧，相邻两块超薄均热板分别与水冷模块和保温加热模块连接；

所述的保温加热模块包括保温外壳和设置在保温外壳内的加热棒以及相变材料；

所述的控制模块与水冷模块和保温加热模块连接，用于控制冷却流体流速以及加热棒功率。

优选的，每块超薄均热板包括导热段和控温段，所述导热段位于双极板内，所述控温段与水冷模块或保温加热模块连接。所述控温段占超薄均热板整体面积的15％～20％。

优选的，所述超薄均热板包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑体和工作介质，所述上壳板和下壳板之间密封并由支撑体支撑形成中空腔体，所述中空腔体内设置有工作介质和吸液芯。

优选的，所述工作介质为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、氨和氟利昂的任一种或多种的混合物。

优选的，所述上壳板、下壳板材质为铜、铝、铜合金和铝合金中的任一种。

优选的，所述吸液芯为烧结铜粉柱丝网复合吸液芯、烧结铜丝网编织带复合吸液芯或烧结铜粉柱丝网编织带吸液芯。

优选的，所述超薄均热板的厚度为0.6～1mm。

优选的，所述水冷模块包括铝或者铝合金外壳以及内部的水流空腔，水冷模块的两端分别设置有进水口和出水口，进水口上设置有阀门，阀门与控制模块连接，所述外壳上设置有用于嵌设均热板控温段的插槽。

优选的，所述保温加热模块中的相变材料由质量分数为80～90％的石蜡和10～20％的膨胀石墨组成，其中所用石蜡的熔点在60～80℃之间。

优选的，本发明提供一种上述的基于超薄均热板与复合相变材料的氢燃料电池热管理系统的工作方法，包括如下步骤：

当电堆温度T低于第一预设温度T

所述温度传感器实时采集燃料电池电堆的温度T，当燃料电池电堆的温度T高于第二预设温度T

当所述燃料电池电堆冷启动时，即采集到电堆内温度T低于第一预设温度T

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、系统可靠灵活：本发明使用超薄均热板控制电堆温度，无需冷却流场，能够有效提高电堆空间利用率，简化电堆整体构造。同时系统采用模块化设计、便于高效控制和故障监测，系统具有较快的启动响应能力，可有效降低系统运行的故障率，且各模块可更换升级；

2、电堆温度分布均匀稳定：本发明充分利用超薄均热板的优良均温特性，在各单电池上布置均热板，避免局部高温点的出现，实现电堆内温度均匀分布；

3、热量调控高效节能：基于所述的工作模式，利用超薄均热板的优良均温特性将热量从电堆导出或导入，同时利用复合相变材料储热特性，电堆温度高回收存储热量，温度低释放潜热，减少系统能耗，并实现电堆温度高效实时稳定调控；

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1为本发明所提供的质子交换膜燃料电池热管理系统的整体图；

图2为本发明所提供的质子交换膜燃料电池热管理系统的整体爆炸示意图；

图3为本发明所提供的水冷模块示意图；

图4为本发明所提供的保温加热模块示意图；

图5为本发明提出的质子交换膜燃料电池热管理系统控制方法流程图。

其中，1、双极板端板，2、双极板，3、膜电极，4、超薄均热板，5、水冷模块，6、保温加热模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1～4所示，本发明提出了一种质子交换膜燃料电池热管理系统，该燃料电池热管理系统包括燃料电池电堆、超薄均热板4、水冷模块5、保温加热模块6和控制模块。

所述燃料电池电堆包括多个串联的单电池，每个所述单电池包括膜电极2和双极板3，所述双极板3内设置有插槽，所述超薄均热板4嵌于双极板3的插槽内，燃料电池电堆的外侧设置有双极板端板1，所述燃料电池电堆内设置有温度传感器。

在本发明的其中一些实施例中，所述超薄均热板4包括导热段和控温段，导热段插设在插槽内，控温段外露于电堆，相邻的两块超薄均热板4分别与水冷模块5与保温加热模块连接。水冷模块5位于电堆的上方，保温加热模块6位于电堆的下方，相邻的两个超薄均热板4的控温段分别外露于电堆上部和下部，并分别插入水冷模块5与加热保温模块6。

所述的控制模块与水冷模块5和保温加热模块6连接，用于控制冷却流体流速以及加热棒功率。

在本发明其中一些实施例中，所述控温段占超薄均热板4整体面积的20％。控温段的面积占比是从控温的效果和节省材料和空间的角度来决定的，控温段的占比为15％～20％时，在保证控温效果的同时也能节省材料和空间。

在本发明其中一些实施例中，所述超薄均热板4与电堆接触的导热段涂覆导热硅脂以减小热阻。

在本发明其中一些实施例中，所述超薄均热板4包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑体和工作介质，所述上壳板和下壳板的四周通过高温钎焊进行连接密封并由支撑体支撑形成具有中空腔体的壳体结构，所述中空腔体内设置有工作介质和吸液芯。

在本实施例中上壳板、下壳板材质为铜。支撑体为与壳体相同为铜的柱状结构，所述工作介质为去离子水。

在本发明其中一些实施例中，吸液芯为烧结铜粉柱丝网编织带复合吸液芯结构。烧结铜粉柱丝网编织带吸液芯的生产效率较高、成本较低，同时较高的孔隙率使其拥有较好的毛细性能，在逆重力方向使用时受重力影响较小，并且有利于气泡逸出及减少液态工质的回流阻力。

在本发明其中一些实施例中，所述超薄均热板4所使用的支撑柱为圆柱结构正方形矩阵排布，正方形排布方式能有效减少壳板塌陷现象，同时减小内部蒸汽的运动阻力。

在本发明其中一些实施例中，所述超薄均热板4厚度为0.6mm，过厚的均热板会导致电堆的尺寸增大，如车载的一些场合要求减缩体积重量，节省空间。

在本发明其中一些实施例中，所述水冷模块5包括外壳，外壳内部设置有水流空腔，水流空腔的两端分别为进水口和出水口，进水口上设置有阀门，阀门与控制模块连接。控制模块通过控制阀门改变冷却水流速。

在本发明其中一些实施例中，水冷模块5的外壳由铝合金加工而成。外壳上加工有用于嵌设均热板冷凝端的均热板沟槽，均热板插入均热板沟槽内且仅与水冷外壳接触，不与水接触。插入水冷模块的超薄均热板控温段涂覆导热硅脂以减少热阻。

在本发明其中一些实施例中，所述保温加热模块6包括铝合金保温外壳以及内部填充的相变材料和加热棒，加热棒与控制模块连接。相变材料由质量分数为90％的石蜡和10％的膨胀石墨组成，其中石蜡的熔点在80℃，此占比能提高保温加热模块的储存潜热的能力以及保证良好的导热性与成形性。控制模块可以控制加热棒加热功率。

在本发明的其中一些实施例中，保温加热模块6中的相变材料制备方法为：将低熔点石蜡和膨胀石墨在80℃水浴加热搅拌1h，直到熔融石蜡融入到膨胀石墨的空隙中，冷却后的石蜡-膨胀石墨混合物放置于保温壳体中并与石墨烯膜裹覆的加热棒一体压制成型，在与电堆装配时加热棒将整体加热至80℃再插入石墨烯膜裹覆的均热板控温段即可。

在本发明的其中一些实施例中，所述质子交换膜燃料电池的工作方法为:

当电堆温度T低于第一预设温度T

所述温度传感器实时采集燃料电池电堆的温度T，当燃料电池电堆的温度T高于第二预设温度T

当所述燃料电池电堆冷启动时，即采集到电堆内温度T低于第一预设温度T

第一预设温度T

通过上述过程使氢燃料电池电堆各部分的温度均匀保持在最佳区间，储存热量实现电堆快速冷启动以及防止电堆中的局部温度过高，优化电堆的热管理以提高电堆性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。