[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

说明书

一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法，它包括燃料电池电堆、空气供给单元、冷却液循环单元和热管理控制器，通过热管理控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接，空气供给单元的空气回路与燃料电池电堆连通，冷却液循环单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，空气回路中设置有压缩空气引射器，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，利用吸附热对空压机入口处的空气进行补热升温，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，将燃料电池工作时所产生的废热储存在固体储热材料内，耗能较低，无需长时间的绝热保温，成本低，提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法。

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、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池冷启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。

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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可高效冷启动的燃料电池热管理系统及控制方法，采用热管理控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接，空气供给单元的空气回路与燃料电池电堆连通，冷却液循环单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，空气回路中设置有压缩空气引射器，冷却回路还与空气回路中的固体吸附式储热器连通，利用吸附热对空压机入口处的空气进行补热升温，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，将燃料电池工作时所产生的废热储存在固体储热材料内，耗能较低，无需长时间的绝热保温，成本低，提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种可高效冷启动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、冷却液循环单元和热管理控制器；所述热管理控制器与空气供给单元和冷却液循环单元电性连接，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，空气回路中设置有压缩空气引射器，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。

所述空气回路中依次串联有空气滤清器、空气比例阀、空气压缩机、三通电磁阀І、三通电磁阀Ⅱ、增湿器和三通电磁阀Ⅲ，三通电磁阀Ⅲ与燃料电池电堆的进气口连通；燃料电池电堆的进气口与三通电磁阀Ⅲ连通的管路中引出的支路，与三通电磁阀Ⅱ连通。

所述三通电磁阀Ⅱ和增湿器之间的管路引出的支路，与燃料电池电堆的空气尾排管路中的三通电磁阀Ⅳ连通。

所述空气比例阀和空气压缩机之间的管路引出的支路,与三通电磁阀Ⅲ连通，该支路中依次串联有三通电磁阀Ⅴ和固体吸附式储热器。