[发明专利]一种燃料电池和蓄电池的混合电源和热管理方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池和蓄电池的混合电源和热管理方法，该电源包括燃料电池、蓄电池及加热/冷却模块；加热/冷却模块对燃料电池和/或蓄电池加热或散热。该电源将金属空气燃料电池和蓄电池的热管理系统混合，利用两者的优点，可获得高功率密度和高能量密度的电源系统；利用金属空气燃料电池较好的低温启动特性，可以为蓄电池加热，可解决蓄电池在低温环境下无法工作的问题。

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是一种燃料电池和蓄电池的混合电源和热管理方法。

背景技术

随着科学技术的进步与人们生活水平的提高，人类活动对电能的需求日益增加，电源在各类产品中得到广泛应用。现有电源系统包括一次电池、蓄电池、燃料电池及发电机组等形式，其中蓄电池和燃料电池在节能环保的需求牵引下市场需求越来越大，在便携式电源、新能源车辆、军事电源、储能等领域均有迫切需求。然而，现有蓄电池和燃料电池均存在一定的缺陷和不足，如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄电池存在能量密度低、充电时间长、低温特性差等缺点；燃料电池存在功率密度低、动态特性差等缺点，在单独使用过程中不能很好满足用户需求。近几年，采用蓄电池和燃料电池联合的混合供电系统在电动汽车、便携式电源等领域得到广泛应用，如燃料电池+锂离子电池混合动力城市公交、燃料电池+锂离子电池综合单兵电源系统等，利用两者在能量密度和功率密度方面的优点相结合，以构建一个功率密度大、动态特性好、续航时间长的动力或电源系统。然而，低温特性差是燃料电池和蓄电池的一个共同缺陷，进行合理的热管理设计对系统性能及系统简化均十分关键。

对于燃料电池而言，当电池温度较低时，电池内部欧姆阻抗增大，各种极化现象增强，电池的输出性能将会降低。当电池温度在一定范围内升高时，能加快质子在交换膜内的传递速度，加快电池内部的电化学反应速度，对电池的输出特性有促进作用。但是，电池温度过高时，会导致质子交换膜的含水量降低，膜的电导率下降，电池输出性能将会降低。同时，低温环境下的冷启动作为当前燃料电池的主要瓶颈之一，制约着其推广应用。因此，为实现燃料电池正常、高效运行，将温度控制在一定范围内。

蓄电池的低温充放电特性是其重要性能之一。在某些特定场合，如野外电动工具用电池、通信信号中转站、军用场合以及高纬度地区的电动汽车等场合，会对电池的低温充放电特性提出严格的要求。目前常见的几种蓄电池，包括铅蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等，在低温条件下，由于电解液导电率随着温度的降低而降低，电极反应的物质扩散速度会显著降低，电池的电极反应浓差极化现象会显著增强。导致低温环境下，电池的平均放电电压以及放电电荷量均下降明显，甚至在极寒环境(-30℃以下)下可能无法工作。此外，蓄电池工作过程中，如果散热条件不良将造成电池温度升高，在温度过高时存在自燃爆炸的危险。因此，蓄电池的热管理是电池管理系统中的一个关键环节。

当前的燃料电池和锂离子电池在进行混合供电时，最主要的问题时仅仅在能量流(电能)上实现了联合管理和相互配合输出，而在关键的热管理方面依然相互独立。从目前燃料电池+蓄电池混合系统的热管理现状来看，目前主流散热方式和加热保温的效能还有待提升，远不能满足目前混合系统在复杂环境条件下的安全平稳运行，且散热冷却和加热保温是两套独立的系统甚至有些存在干涉，不利于系统整体性能的发挥，使得目前并不令人满意的电池性能大打折扣，且不利于电池系统的长期安全、稳定、可靠运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池和蓄电池混合系统的热管理方法，解决燃料电池和蓄电池冷却液循环系统相对独立时存在的系统复杂、管理效果不佳的问题。

金属空气燃料电池，或称为金属空气电池，是一种以金属和空气中氧气为反应物质的电池，可连续或间歇的向电池内部补充金属，以实现电池的连续运行。

蓄电池，具备充电和放电功能的可充电电池，如锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等。

具体的，本发明提供了一种燃料电池和蓄电池的混合电源，包括燃料电池、蓄电池及加热/冷却模块；