[发明专利]燃料电池的动力系统与交通工具

说明书

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池的动力系统与交通工具。

背景技术

燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。

对于燃料电池动力系统而言，电堆发电时产生反应热约占总能量的30％～60％，热能中除了少量需要维持电堆反应温度和环境自然散失外，大部分需要借助散热设备进行系统与环境的强制对流排出，如果反应产热与散失热量不平衡，会导致电堆温度不稳定。而燃料电池系统的性能与电堆温度有密切的关系。电堆温度的提高将增加电堆的反应活性，从而提高燃料电池的发电效率。但电堆长时间工作在高温环境下寿命会明显的缩短，一般情况下电池的运行温度不超过80℃。电堆在低温条件时，欧姆内阻和极化内阻增加，反应活性明显降低，使得电堆的功率密度、反应效率下降。特别地，当动力系统处于冰点以下启动时，燃料电池反应生成水有可能形成固态冰，堵塞多孔电极与气体流道，阻碍反应介质的传输，同时由于膜电极结冰处的体积膨胀作用，破坏多孔电极结构，降低燃料电池安全性和使用寿命。因此，要保证燃料电池具有良好的动力输出性能、可靠的安全性及较长的使用寿命，必须建立有效热管理策略，提高燃料电池动力系统运行温度对工况和环境的适应性。

目前，质子交换膜燃料电池车用动力系统多采用如图1所示的结构，即氢气和空气/氧气进入电堆1'发生电化学反应，此过程产生的热量由冷却液作为传热媒介流经电堆的冷却液流场带出，通过堆外冷却液回路进入换热器2'与大气进行热量交换后再进入电堆完成持续循环，此过程中，冷却液泵3'作为输送动力源，冷却液箱4'作为补液用途设置。

为保证电堆运行处于较好的温度条件下，上述过程一般将风扇(换热器中的)的启停与电堆温度相关联，即当电堆温度高于设定温度时，风扇开启，冷却液与气流形成强制对流散热，当电堆温度低于设定温度时，风扇关停，对流散热停止。此技术在实际应用中存在以下问题：

(1)电堆的运行温度波动较大，主要原因主要可归纳为以下三方面：一是温度反馈器件(热电偶)的测量过程导致的温度传感滞后引起的温度波动；二是冷却液自身的比热容大引起的温度反应滞后造成的温度惯性波动，三是风扇启停过程中风扇叶片转动的机械惯性。此问题对于功率等级较小的燃料电池系统，其冷却液的容量小，风扇叶片小，这两方面引起的惯性波动会相对弱化，功率等级越大的系统利用以上控制方式其温度惯性波动将明显。电堆温度的运行波动示意图如图2所示，该图中包括两个二维图，这两个图的横坐标均是时间，其中，一个图是换热器的开和关随时间变化的逻辑图，纵坐标中，逻辑“0”表示换热器的关闭，逻辑“1”表示换热器的开启；另一个图是电堆的温度随着时间的变化示意图，纵坐标为电堆的温度，T₀表示电堆的预定温度。

电堆温度波动较大时会存在以下危害：A.由于电堆正常运行过程中堆内水分多处于饱和状态，当电堆温度波动时，气态水很容易凝结液化，增加了电堆水淹的风险；B.温度波动过程中造成电堆温度分布均一性降低，短时间影响性能，长时造成寿命衰减。

(2)电堆无法适应低温环境。当动力系统运行于低温环境时，即使发电模块有保温措施，但由于冷却液在电堆运行时一直处于循环状态，且冷却液经过换热器时与环境的接触面积非常大，加之环境温度低，造成系统对外散热速率较大，这种情况下，导致电堆的产热速率低于系统的自散热速率，使得电堆温度持续走低(称之为温匮)，直至无法运行。车辆行驶速度越快、环境温度越低，温匮风险越大。特别地，当电堆处于启动过程时，电堆产热速率小，温匮风险加剧，导致电堆无法正常启动。

(3)不能保证电堆的运行温差。电堆正常运行时，堆内反应过程产生的水分随反应物沿流场进行分布，为了避免堆内高湿度处水淹或低湿度出过干现象出现，电堆需具有适宜的温差来维持电堆内部气态水平衡。现有技术的热管理方法不具备温差调控功能。

总之，现有的动力系统中，热管理技术实施过程存在电堆温度不稳定、温差无法调控和环境适应性差等问题，对电堆的性能有较大影响。