[发明专利]可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法

权利要求书

1.一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：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）和热管理控制器（4）；所述热管理控制器（4）与空气供给单元（2）和冷却液循环单元（3）电性连接，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，空气回路中设置有压缩空气引射器（213），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。

2.根据权利要求1所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述空气回路中依次串联有空气滤清器（201）、空气比例阀（202）、空气压缩机（203）、三通电磁阀І（204）、三通电磁阀Ⅱ（205）、增湿器（206）和三通电磁阀Ⅲ（207），三通电磁阀Ⅲ（207）与燃料电池电堆（1）的进气口连通；燃料电池电堆（1）的进气口与三通电磁阀Ⅲ（207）连通的管路中引出的支路，与三通电磁阀Ⅱ（205）连通。

3.根据权利要求2所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述三通电磁阀Ⅱ（205）和增湿器（206）之间的管路引出的支路，与燃料电池电堆（1）的空气尾排管路中的三通电磁阀Ⅳ（208）连通。

4.根据权利要求2所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述空气比例阀（202）和空气压缩机（203）之间的管路引出的支路,与三通电磁阀Ⅲ（207）连通，该支路中依次串联有三通电磁阀Ⅴ（212）和固体吸附式储热器（209）。

5.根据权利要求2所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述三通电磁阀І（204）和三通电磁阀Ⅱ（205）之间的管路引出的支路，与三通电磁阀Ⅴ（212）连通，压缩空气引射器（213）位于该支路中，并与三通电磁阀І（204）连通。

6.根据权利要求1所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述冷却回路中依次串联有水泵（301）、节温器（303）和三通电磁阀Ⅵ（304），燃料电池电堆（1）的进出液口分别与水泵（301）和三通电磁阀Ⅵ（304）连通；燃料电池电堆（1）的进出液口连通的管道中分别设置有温度传感器Ⅲ（305）和温度传感器Ⅳ（306）。

7.根据权利要求6所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述节温器（303）引出的旁路与水泵（301）的进液侧连通，散热器（302）位于该旁路中；三通电磁阀Ⅵ（304）引出的支路与固体吸附式储热器（209）的冷却液进口连通，固体吸附式储热器（209）的冷却液出口连通于节温器（303）和三通电磁阀Ⅵ（304）之间的管路中。

8.根据权利要求1所述的可高效冷启动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）包括固体吸附式储热器外壳（2091）内的冷却液热交换管（2093），以及位于固体吸附式储热器外壳（2091）内壁与冷却液热交换管（2093）外壁之间的保温层（2092），固体吸附式储热管（2094）轴向贯穿固体吸附式储热器外壳（2091）；冷却液热交换管（2093）两端的冷却液出口和冷却液进口分别引出固体吸附式储热器外壳（2091）。

9.根据权利要求8所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统，其特征是：所述冷却液热交换管（2093）内两端的两个圆形钢网（2096）之间填充固体吸附储热材料颗粒（2095）；固体吸附式储热管（2094）外壁和冷却液热交换管（2093）内壁之间设置呈放射状分布的翅片（2097）；固体吸附储热材料颗粒（2095）内设置温度传感器І（210）；固体吸附式储热管（2094）的空气出口处设置温度传感器Ⅱ（211）。

10.根据权利要求1~9任一项所述的可高效冷启动的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，热管理控制器（4）读取燃料电池电堆（1）的当前温度T_F，然后比较T_F与冷启动阈值温度T_C、正常启动阈值温度T_S之间的大小：如果T_F＜T_C则进入S2，如果T_C≤T_F≤T_S则进入S3，如果T_F＞T_S则进入S4；

S2，空气比例阀（202）打开，空气压缩机（203）启动, 三通电磁阀І（204）导通空气压缩机（203）、三通电磁阀Ⅱ（205）导通三通电磁阀І（204）和增湿器（206）、三通电磁阀Ⅲ（207）导通增湿器（206）和燃料电池电堆（1）、三通电磁阀Ⅴ（212）导通三通电磁阀Ⅲ（207）和空气压缩机（203）；水泵（301）启动，三通电磁阀Ⅵ（304）导通固体吸附式储热器（209）；

S2-1，环境中的空气在空气压缩机（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（1）的膜电极；

S2-2，流出燃料电池电堆（1）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，固体吸附储热材料开始对水蒸气进行物理吸附，降低了水分子的自由度并释放出大量的吸附热对空气流进行补热升温；

S2-3，经过补热的空气流进入空气压缩机（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；

S2-4，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；

S2-5，关闭空气比例阀（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（1）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；

S3，延续S2中的通断状态，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，完成燃料电池冷启动；在此过程中，调整空气比例阀（202）的开度，并间歇开启三通电磁阀Ⅳ（208）导通空气尾排管路以补给自热过程所消耗的氧气；

S4，开启空气比例阀（202）、空气压缩机（203）启动，三通电磁阀Ⅱ（205）导通三通电磁阀І（204）和增湿器（206）、三通电磁阀Ⅲ（207）导通固体吸附式储热器（209）、三通电磁阀Ⅳ（208）导通空气尾排管路、三通电磁阀Ⅴ（212）关闭；水泵（301）启动，三通电磁阀Ⅵ（304）导通节温器（303），散热器（302）的风扇通过PWM控制机制分别向水泵（301）、散热器（302）发送脉宽调制信号，调控水泵（301）和散热器（302）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；

S5，当燃料电池汽车处于匀速行驶或燃料电池高功率输出时，

S5-1，开启空气比例阀（202）、空气压缩机（203）启动，三通电磁阀І（204）导通压缩空气引射器（213）、三通电磁阀Ⅱ（205）导通增湿器（206）、三通电磁阀Ⅲ（207）导通燃料电池电堆（1）、三通电磁阀Ⅳ（208）导通空气尾排管路、三通电磁阀Ⅴ（212）导通压缩空气引射器（213）；水泵（301）或散热器（302）启动，三通电磁阀Ⅵ（304）导通固体吸附式储热器（209）；

S5-2，从空气压缩机（203）出来的高压空气在流经压缩空气引射器（213）时，在其吸气口产生一定的吸力使与之连通的固体吸附式储热管（2094）中形成负压环境；

S5-3，水泵（301）驱动冷却液将燃料电池在发电过程中所产生的热量携带至冷却液热交换管（2093）中，并通过热交换传递至固体吸附储热材料进行加热，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）进入压缩空气引射器（213），汇同高压空气流进入燃料电池电堆（1）；

S5-4，热管理控制器（4）实时监测温度传感器І（210）和温度传感器Ⅱ（211）所显示温度T_i和T_o的大小变化，如果检测到T_i=T_o时则首先关闭三通电磁阀Ⅴ（212），然后返回S4进行正常热管理操作，完成固体吸附储热材料的解吸再生，准备下一次的燃料电池的冷启动。