[发明专利]燃料电池堆的热管理系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池堆的热管理系统装置，具体是指在控制燃料电池堆温度的热管理系统配件及控制简化的燃料电池堆的热管理系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池是将燃料具有的化学能量不需经过燃烧转换成热量，而是在燃料电池堆内实施电气化学式反应变成电能的一种发电装置，不但供应工业、家庭以及车辆驱动用电，也可以为小型电气/电子产品，尤其是便携装置进行供电。

作为燃料电池，如作为用于车辆驱动的供电源研究最多的高分子电解质燃料电池（PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell），其组成包括：以氢离子移动的电解质膜为中心，在膜的两侧粘贴产生电气化学反应的催化电极层的膜电极组（MEA:Membrane Electrode Assembly）、使反应气体均匀地分布，传递发生的电能的气体扩散层（GDL:Gas Diffusion Layer），旨在保持反应气体以及冷却水的气密性和适当夹紧压力的垫圈和夹紧机构；以及移动反应气体和冷却水的分离板（bipolar plate）。

所述燃料电池中作为燃料的氢和作为氧化剂的氧（空气）通过分离板的流路分别供给于膜电极组的阳极（anode）和阴极（cathode），氢供给于阳极（也称为“燃料极”或“氢极”、“氧化极”），氧（空气）供给于阴极（也称为“空气极”或者“氧气极”、“还原极”）。

供给于阳极的氢通过电解质膜两侧构成的电极层催化，分解成氢离子（proton, H⁺）和电子(electron, e^-)，其中只有氢离子选择性地通过阳离子交换膜即电解质膜传递于阴极，同时电子通过导体气体扩散层和分离板传递于阴极。

所述阴极中通过电解质膜供给的氢离子和通过分离板传递的电子与通过空气供给装置供给于阴级的空气中氧气相遇而引起生成水的反应。而且因此时发生的氢离子的移动，电子通过外部导线流动，随着这些电子流动生成电流。

另一方面，装配于车辆的燃料电池系统其组成包括发生的电能的燃料电池堆、向燃料电池堆供给燃料（氢）的燃料供给装置、向燃料电池堆供给电气化学反应所需氧化剂即空气中氧气的空气供给装置、将燃料电池堆的反应热排放到系统外部并控制燃料电池堆的运转温度的热管理系统（TMS:Thermal Management System）。

按所述结构构成的燃料电池系统是通过燃料即氢和空气中的氧气发生的电气化学反应产生电气，并排出反应副产物即热和水。

在所述燃料电池系统中尤其是将热作为反应副产物发生而为防止堆温度上升，需要用冷却装置对堆进行冷却。而且燃料电池系统中最急需且难解决的问题就是冷启动性确保技术，故热与水管理系统的作用尤为重要。

众所周知，TMS线的冷却水是除了制冷剂的作用之外，在冷启动时被加热器迅速加热并供给于堆，因此具有对堆迅速进行解冻的制热剂作用。

为确保燃料电池车辆的冷启动性，传统上采用的解决方案是利用RTA(Rapid Thaw Accumulator)内部的加热器纯水快速解冻。但利用纯水则在凝固点以下纯水会结冰，冷却水回路变得复杂，需要再安装排水阀等难题也随之发生。

为解决所述问题，有一种方案是，将堆用防冻液作为冷却水使用，为在凝固点以下温度使堆顺利地生成电，对冷却水迅速进行加热。但在堆冷却水线上需装配加热器。

燃料电池车辆的燃料电池启动（start up）/关闭（shut down）时，为防止因碳载催化剂腐蚀导致堆的耐久性下降，将COD（Cathod Oxygen Depletion）与堆的双端子连接，将通过氢气和氧气的反应的电力生成作为热能消耗。

所述加热器和COD均属于电阻加热器，除了其使用时期和用途不同之外，基本可以整合成一个加热器。所述COD整合加热器是将粘贴于堆冷却水发生的热全部用于堆冷却水的升温，而且在极低温冷启动时冷却水快速升温到自身发热温度以及自身发热冷启动时为堆的负荷消耗，以及为防止燃料电池启动和停止时电极的碳腐蚀、防止anode flooding等，在TMS线上还装配有COD整合加热器。

具有所述结构的传统技术的热管理系统如图3所示其组成包括歧管20、散热器30、三通阀40、冷却泵50以及COD整合加热器60。