[发明专利]基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：它包括燃料电池电堆（1）、燃料电池热管理单元（2）和热管理控制器（3）；热管理控制器（3）与燃料电池热管理单元（2）电性连接，燃料电池热管理单元（2）的冷却回路与燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有多个磁质储热器和脉冲磁体，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源（206）电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述冷却回路中的磁质储热器包括磁质储热器І（203）和磁质储热器Ⅱ（204），磁质储热器І（203）和磁质储热器Ⅱ（204）位于脉冲磁体І（207）、脉冲磁体Ⅱ（208）和脉冲磁体Ⅲ（209）之间。

3.根据权利要求2所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热器І（203）与燃料电池电堆（1）的出液侧连通的管路中串联有三通电磁阀І（211）；磁质储热器І（203）与燃料电池电堆（1）的进液侧连通的管路中串联有三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）。

4.根据权利要求2所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热器Ⅱ（204）一端引出的支路连接于三通电磁阀І（211）和燃料电池电堆（1）之间的管路上，该支路中串联有三通电磁阀Ⅲ（213）；磁质储热器Ⅱ（204）另一端引出的支路与三通电磁阀Ⅲ（213）连通，该支路中依次串联有三通电磁阀Ⅳ（214）、散热器（205）、三通电磁阀Ⅵ（216）和水泵Ⅱ（202）；位于水泵Ⅱ（202）和三通电磁阀Ⅲ（213）之间的管路中引出分支管路与三通电磁阀І（211）连通。

5.根据权利要求3所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述三通电磁阀Ⅱ（212）引出的支路与三通电磁阀Ⅳ（214）和散热器（205）之间的管路连通；该支路引出的分支管路与燃料电池电堆（1）的出液侧连通，该分支管路上串联有三通电磁阀Ⅴ（215），三通电磁阀Ⅴ（215）还连通于三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）之间的管路上；三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）之间的管路中引出两个分支管路分别与三通电磁阀Ⅳ（214）和三通电磁阀Ⅵ（216）连通。

6.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述冷却回路中的温度传感器І（210）和温度传感器Ⅱ（217）分别靠近燃料电池电堆（1）的进液侧和出液侧。

7.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热器包括磁质储热器外壳（21）内的磁质储热管（23），以及位于磁质储热器外壳（21）内壁与磁质储热管（23）外壁之间的保温层（22），磁质储热器外壳（21）两端的磁质进口和磁质出口与磁质储热管（23）连通。

8.根据权利要求7所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热管（23）内沿轴线布设多个磁工质板（24），磁工质板（24）之间的间隙为冷却液流动通道。

9.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述热管理控制器（3）接收温度信号，并发送指令控制调控水泵І（201）、水泵Ⅱ（202）和散热器（205）的转速，以及控制脉冲磁体І（207）、脉冲磁体Ⅱ（208）或脉冲磁体Ⅲ（209）的通断。

10.根据权利要求1~9任一项所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统的控制方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器（3）监测到燃料电池电堆（1）冷却液温度T_F小于第一阈值温度T₁时；此步骤中，第一阈值温度T₁设定为-4℃~0℃之间；

S1-1，水泵І（201）启动，三通电磁阀Ⅲ（213）、三通电磁阀Ⅳ（214）、三通电磁阀Ⅴ（215）和三通电磁阀Ⅵ（216）关闭；水泵І（201）驱动燃料电池电堆（1）内的冷却液沿三通电磁阀І（211）、磁质储热器І（203）、三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）返回至燃料电池电堆（1）内；

S1-2，脉冲磁体І（207）和脉冲磁体Ⅱ（208）作用于磁质储热器І（203）形成磁化放热，冷却液将磁工质板（24）释放的磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其预热；

S2，当热管理控制器（3）监测到燃料电池电堆（1）冷却液进口的温度T_Fi等于燃料电池电堆（1）冷却液出口的温度T_Fo时；

S2-1，三通电磁阀Ⅲ（213）导通燃料电池电堆（1）、三通电磁阀Ⅳ（214）导通水泵І（201）、三通电磁阀І（211）导通水泵Ⅱ（202）、三通电磁阀Ⅵ（216）导通水泵Ⅱ（202）和散热器（205）、三通电磁阀Ⅱ（212）导通散热器（205）、三通电磁阀Ⅴ（215）关闭；水泵І（201）和水泵Ⅱ（202）启动；

S2-2，脉冲磁体Ⅲ（209）和脉冲磁体Ⅱ（208）作用于磁质储热器Ⅱ（204），断开脉冲磁体І（207）；磁质储热器Ⅱ（204）中的磁工质开始磁化放热,磁质储热器І（203）中的磁工质则开始退磁释冷；

S2-3，燃料电池电堆（1）的冷却液在水泵І（201）的驱动下流经磁质储热器Ⅱ（204），将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其进行持续预热；

S2-4，冷水泵Ⅱ（202）驱动磁质储热器І（203）中的冷却液流经散热器（205），将磁质储热器І（203）中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；

S3，当热管理控制器再次监测到T_Fi=T_Fo时；

S3-1，三通电磁阀І（211）导通燃料电池电堆（1）、三通电磁阀Ⅱ（212）导通水泵І（201）、三通电磁阀Ⅲ（213）导通水泵Ⅱ（202）、三通电磁阀Ⅳ（214）导通散热器（205）、三通电磁阀Ⅵ（216）导通水泵Ⅱ（202），三通电磁阀Ⅴ（215）关闭；水泵І（201）和水泵Ⅱ（202）启动；

S3-2，脉冲磁体І（207）和脉冲磁体Ⅱ（208）作用于磁质储热器І（203），断开脉冲磁体Ⅲ（209），磁质储热器І（203）中的磁工质开始磁化放热, 磁质储热器Ⅱ（204）中的磁工质则开始退磁释冷；

S3-3，燃料电池电堆（1）的冷却液在水泵І（201）的驱动下流经磁质储热器І（203），将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其进行持续预热；

S3-4，冷水泵Ⅱ（202）驱动磁质储热器Ⅱ（204）中的冷却液流经散热器（205），将磁质储热器Ⅱ（204）中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；

重复S2→S3→S2，为燃料电池电堆（1）进行不间断的预热；然后实时监测T_F与T₁的大小变化；

S4，当热管理控制器监测到T_F＞T₁时，燃料电池开始启动；

S4-1，三通电磁阀Ⅴ（215）导通水泵І（201），三通电磁阀І（211）、三通电磁阀Ⅱ（212）、三通电磁阀Ⅲ（213）、三通电磁阀Ⅳ（214）和三通电磁阀Ⅵ（216）关闭，以及水泵Ⅱ（202）和脉冲电源（206）关闭；

S4-2，燃料电池电堆（1）的冷却液只通过水泵І（201）进行循环；

S5，当热管理控制器监测到T_F＞T₂时，三通电磁阀Ⅴ（215）导通散热器（205）、三通电磁阀Ⅵ（216）导通水泵І（201），三通电磁阀І（211）、三通电磁阀Ⅱ（212）、三通电磁阀Ⅲ（213）和三通电磁阀Ⅳ（214）关闭，以及水泵Ⅱ（202）关闭；燃料电池电堆（1）的冷却液流经散热器（205）进行散热降温以确保燃料电池处于最佳的工作温度区间；此步骤中，第二阈值温度T₂设定为70℃~75℃之间。