[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

说明书

一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器，通过热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，多个磁质储热器和脉冲磁体位于冷却回路中，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电性连接，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热的循环回路，将环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够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，涉及一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法。

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技术方案主要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离子树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与离子树脂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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法，采用热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，多个磁质储热器和脉冲磁体位于冷却回路中，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电性连接，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热的循环回路，将环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够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：一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器；热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆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电性连接。

所述冷却回路中的磁质储热器包括磁质储热器І和磁质储热器Ⅱ，磁质储热器І和磁质储热器Ⅱ位于脉冲磁体І、脉冲磁体Ⅱ和脉冲磁体Ⅲ之间。

所述磁质储热器І与燃料电池电堆的出液侧连通的管路中串联有三通电磁阀І；磁质储热器І与燃料电池电堆的进液侧连通的管路中串联有三通电磁阀Ⅱ和水泵І。

所述磁质储热器Ⅱ一端引出的支路连接于三通电磁阀І和燃料电池电堆之间的管路上，该支路中串联有三通电磁阀Ⅲ；磁质储热器Ⅱ另一端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Ⅳ、散热器、三通电磁阀Ⅵ和水泵Ⅱ；位于水泵Ⅱ和三通电磁阀Ⅲ之间的管路中引出分支管路与三通电磁阀І连通。