[发明专利]基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法

说明书

一种基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法，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与燃料电池电堆连通，燃料电池热管理单元的循环回路中串联有永磁体和磁质储热器，步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种基于磁热的燃料电池热管理系统及控制方法。

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，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。

目前燃料电池低温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的燃料电池热管理系统及控制方法，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与燃料电池电堆连通，燃料电池热管理单元的循环回路中串联有永磁体和磁质储热器，步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于磁热的燃料电池热管理系统，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循环回路与燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧连通，位于循环回路中串联有永磁体、磁质储热器和水泵，步进电机与磁质储热器连接并驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔。

所述循环回路中的磁质储热器和水泵之间，设置第一三通电磁阀与永磁体一侧的第二三通电磁阀连通。

所述水泵的进液侧设置第四三通电磁阀，从第四三通电磁阀引出的支路与永磁体一侧的循环回路连通，该支路中串联有第三三通电磁阀。

所述第三三通电磁阀引出的支路连接于循环回路的水泵和第四三通电磁阀之间，该支路中串联有散热器和单向阀。

所述循环回路中还设置有第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器；第一温度传感器和第二温度传感器分别靠近燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧；第三温度传感器靠近永磁体一侧。

所述磁质储热器包括位于磁质储热器外壳内的磁质储热管，以及位于磁质储热器外壳和磁质储热管之间的保温层，进液口和出液口分别位于磁质储热器外壳两端与磁质储热管连通。

所述保温层内填充绝热材料；磁质储热管内填充球体或椭球体的固体磁性材料，球体或椭球体之间的空隙为冷却液流动通道。

所述永磁体为中空的圆形筒体。