[发明专利]一种基于相变储热的燃料电池冷启动装置及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于相变储热的燃料电池冷启动装置及控制方法，包括相变储热器、水泵、燃料电池电堆、三通电磁阀、节温器、散热器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和热管理控制器；还公开了一种基于相变储热的燃料电池冷启动装置的控制方法，利用该装置中相变储热器内的相变材料在低温环境下释放相变潜热为燃料电池电堆加热来实现燃料电池的冷启动。本发明规避了燃料电池汽车在冷启动时通常采用电加热或氢气催化燃烧等预热方式所需要的额外能量消耗，提高了燃料电池汽车车载能源(电能和氢能)的利用率，从而延长了燃料电池的续驶里程，同时还拓宽了燃料电池汽车在低温环境中停放的时间，增强了整个低温启动系统的时效性。

技术领域

本发明涉及燃料电池动力系统热管理技术领域，具体涉及一种基于相变储热的燃料电池冷启动装置及控制方法。

背景技术

随着环境问题和能源问题的日益突出，发展新能源汽车已是全球的共识。作为汽车电动化的解决方案之一，燃料电池汽车除了具有纯电动汽车相对于燃油车所具有的优点外，又独具续航里程长和充能时间短的特质，被业内一致认为是汽车工业的终极目标。

当前，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，燃料电池低温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，且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。

目前燃料电池低温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，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；另一类是通过配置的动力电池进行电加热或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，该类方式的主要问题是需要额外消耗较多能量(车载电能或氢能)，缩短了燃料电池汽车的续航里程。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于相变储热的燃料电池冷启动装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于固液相变的相变储热器。

一种基于固液相变的相变储热器，包括相变储热器外壳、保温层、热交换管阵列外壳和热交换管阵列；其中，所述相变储热器外壳与所述热交换管阵列外壳之间的空间填充保温绝热材料从而形成所述的保温层，所述热交换管阵列外壳包裹所述热交换管阵列，所述热交换管阵列的热交换管为燃料电池冷却液流动管道，所述热交换管阵列的进液分流主管道和出液汇流主管道均位于所述保温层内，所述热交换管阵列与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内充满相变储热材料和高热导率添加剂。

优选的，所述热交换管阵列的热交换管为由紫铜焊接而成的管肋式结构，该管肋式热交换管包含了纵、横两个方向的肋片，且所述热交换管阵列含有至少1根所述热交换管。

优选的，所述热交换管阵列与所述热交换管阵列外壳所形成的空腔内填充的相变储热材料为凝固点温度在0℃～-10℃之间的低温相变材料。