一种燃料电池系统的热管理模块及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池系统的热管理技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统的热管理模块及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池系统是一种以燃料电池为核心，由氢气供给循环系统、空气供给系统、燃料电池、热管理系统、控制系统等组成的发电系统。实际运行时，为了更方便可靠的储存氢气，一般会将氢气均储存在高压储氢罐中，高压储氢罐内氢气的最大储存压力为70mpa左右。而燃料电池系统实际运行时，进入燃料电池的氢气工作压力仅为0.3mpa左右。目前行业内均在储氢罐与燃料电池之间配备减压阀，以达到将氢气的压力从储存压力降至工作压力的目的。而在这个过程中，高压储氢罐中的压缩氢气带有巨大的内能，燃料电池在运行时也会产生大量的热量，为了更好的实现散热的功能，现有的热管理系统包括散热器，散热器能够将燃料电池运行过程中产生的热量传递至散热器进行散热，虽然保证了燃料电池能够稳定良好的进行电能的输出，但是也浪费了氢气所携带的内能。


技术实现要素：

3.基于以上所述，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的热管理模块及其控制方法，能够充分利用氢气所携带的内能，避免了能源的浪费。
4.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种燃料电池系统的热管理模块，包括两个并联设置的第一氢气支路和两个并联设置的冷却液支路，每个所述第一氢气支路的进口均与储氢罐连通，每个所述第一氢气支路的出口均与燃料电池的氢气入口连通，每个所述冷却液支路的进口均与所述燃料电池的冷却液的出口连通，每个所述冷却液支路的出口均与所述燃料电池的冷却液的进口连通；每个所述第一氢气支路上均设有一个由第一隔膜围成的氢气腔，每个所述冷却液支路上均设有一个冷却液腔；每个所述冷却液腔分别与一个所述氢气腔对应设置且两者组成调节腔，两个所述调节腔分别为第一调节腔和第二调节腔，每个所述调节腔的内部均设有第二隔膜，所述第二隔膜将所述调节腔分割为所述冷却液腔和所述氢气腔，所述第二隔膜和所述第一隔膜均具有弹性，一个所述调节腔的所述氢气腔和所述冷却液腔两者中的一个的压力增大时，所述第二隔膜能够逐渐凸设于另一个的内部，使得另一个的体积缩小。
6.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，每个所述第一氢气支路上还均设有进气阀和排气阀，所述进气阀设置在所述氢气腔的进口，所述排气阀设置在所述氢气腔的出口。
7.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，每个所述第一氢气支路上的所述进气阀和所述排气阀被配置为至多开启一个，且与所述第一调节腔对应的所述进气阀、与所述第二调节腔对应的所述排气阀被配置为同时开启或者关闭，与所述第一调节腔对应的所述排气阀、与所述第二调节腔对应的所述进气阀被配置为同时开启或者关闭。
8.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，每个所述冷却液支路上还均设有进液阀和排液阀，所述进液阀设置在所述冷却液腔的进口，所述排液阀设置在所述冷却液腔的出口。
9.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，每个所述冷却液支路上的所述进液阀和所述排液阀被配置为至多开启一个，且与所述第一调节腔对应的所述进液阀、与所述第二调节腔对应的所述排液阀被配置为同时开启或者关闭，与所述第一调节腔对应的所述排液阀、与所述第二调节腔对应的所述进液阀被配置为同时开启或者关闭。
10.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，所述进液阀为止回阀，所述排液阀为电动截止阀。
11.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，所述燃料电池系统的热管理模块还包括上位机，所述上位机分别与所述进气阀、所述排气阀及所述排液阀电连接，所述上位机被配置为能够分别控制所述进气阀、所述排气阀及所述排液阀的开度。
12.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，所述燃料电池系统的热管理模块还包括第二氢气支路，所述第二氢气支路与两个所述第一氢气支路并联，所述第二氢气支路上设有减压阀。
13.作为一种燃料电池系统的热管理模块的优选方案，两个所述冷却液腔相邻设置，两个所述冷却液腔通过隔板隔开。
14.一种适用于以上任一方案所述的燃料电池系统的热管理模块的控制方法，包括：
15.s1、所述第一调节腔的所述氢气腔的进口与所述储氢罐连通，所述第二调节腔的所述氢气腔的出口与所述燃料电池的氢气入口连通；
16.s2、所述第一调节腔的所述氢气腔内的压力达到第一预设压力后，停止向所述第一调节腔的所述氢气腔通入氢气，所述第二调节腔的所述氢气腔的出口与所述燃料电池的氢气入口断开；所述第一调节腔的所述冷却液腔的出口与所述燃料电池的冷却液的进口连通，所述第二调节腔的所述冷却液腔的进口与所述燃料电池的冷却液的出口连通；
17.s3、所述第二调节腔的所述冷却液腔充满冷却液后，停止向所述第二调节腔的所述冷却液腔的进口通入冷却液，所述第一调节腔的所述冷却液腔的出口与所述燃料电池的冷却液的出口断开；所述第二调节腔的所述氢气腔的进口与所述储氢罐连通，所述第一调节腔的所述氢气腔的出口与所述燃料电池的氢气入口连通；
18.s4、所述第二调节腔的所述氢气腔内的压力达到第二预设压力后，停止向所述第二调节腔的所述氢气腔通入氢气，所述第一调节腔的所述氢气腔的出口与所述燃料电池的氢气入口断开；所述第二调节腔的所述冷却液腔的出口与所述燃料电池的冷却液的进口连通，所述第一调节腔的所述冷却液腔的进口与所述燃料电池的冷却液的出口连通；
19.s5、所述第一调节腔的所述冷却液腔充满冷却液后，返回s1。
20.本发明的有益效果为：本发明公开的燃料电池系统的热管理模块，氢气腔由第一隔膜围成，氢气腔与冷却液腔之间使用第二隔膜分隔开来，当一个调节腔的氢气腔压力升高后，便会导致第二隔膜变形，引起该调节腔的冷却液腔的体积缩小，冷却液腔内的冷却液的压力升高，使得使冷却液能够在燃料电池中流动，转化为冷却液的动能，实际运行时，交替使用第一调节腔和第二调节腔，保证了运行的稳定性和连续性，使得燃料电池能够稳定良好的进行电能的输出。
21.本发明公开的燃料电池系统的热管理模块的控制方法，能够将氢气的内能通过第二隔膜传递给冷却液腔中的冷却液，转化为冷却液的动能，继而使冷却液能够在燃料电池中流动，从而充分利用了氢气所携带的内能，避免了能源的浪费。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明具体实施例提供的燃料电池系统的热管理模块的示意图。
24.图中：
25.11、第一氢气支路；12、氢气腔；13、进气阀；14、排气阀；
26.21、冷却液支路；22、冷却液腔；23、进液阀；24、排液阀；
27.31、第一隔膜；32、第二隔膜；33、隔板；
28.40、第一调节腔；50、第二调节腔；
29.61、第二氢气支路；62、减压阀。
具体实施方式
30.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.本实施例提供一种燃料电池系统的热管理模块，如图1所示，包括两个并联设置的第一氢气支路11和两个并联设置的冷却液支路21，每个第一氢气支路11的进口均与储氢罐连通，每个第一氢气支路11的出口均与燃料电池的氢气入口连通，每个冷却液支路21的进口均与燃料电池的冷却液的出口连通，每个冷却液支路21的出口均与燃料电池的冷却液的进口连通。每个第一氢气支路11上均设有一个由第一隔膜31围成的氢气腔12，每个冷却液支路21上均设有一个冷却液腔22。每个冷却液腔22分别与一个氢气腔12对应设置且两者组
成调节腔，两个调节腔分别为第一调节腔40和第二调节腔50，每个调节腔的内部均设有第二隔膜32，第二隔膜32将调节腔分割为冷却液腔22和氢气腔12，第二隔膜32和第一隔膜31均具有弹性，一个调节腔的氢气腔12和冷却液腔22两者中的一个的压力增大时，第二隔膜32能够逐渐凸设于另一个的内部，使得另一个的体积缩小。
34.需要说明的是，如图1所示，本实施例的两个冷却液腔22相邻设置，两个冷却液腔22通过隔板33隔开。也就是说，两个冷却液腔22之间不连通且两者的体积的大小互不影响。在其他实施例中，两个冷却腔还可以间隔设置，具体根据实际需要选定。
35.本实施例提供的燃料电池系统的热管理模块，氢气腔12由第一隔膜31围成，氢气腔12与冷却液腔22之间使用第二隔膜32分隔开来，当一个调节腔的氢气腔12的压力升高后，便会导致第二隔膜32变形，引起该调节腔的冷却液腔22的体积缩小，冷却液腔22内的冷却液的压力升高，使得使冷却液能够在燃料电池中流动，转化为冷却液的动能，继而使冷却液能够在燃料电池中流动，实际运行时，交替使用第一调节腔40和第二调节腔50，保证了运行的稳定性和连续性，使得燃料电池能够稳定良好的进行电能的输出。
36.如图1所示，每个第一氢气支路11上还均设有进气阀13和排气阀14，进气阀13设置在氢气腔12的进口，排气阀14设置在氢气腔12的出口，进气阀13和排气阀14均为电动截止阀，使得进气阀13和排气阀14均能够实现自动化控制。具体地，每个第一氢气支路11上的进气阀13和排气阀14被配置为至多开启一个，且与第一调节腔40对应的进气阀13、与第二调节腔50对应的排气阀14被配置为同时开启或者关闭，与第一调节腔40对应的排气阀14、与第二调节腔50对应的进气阀13被配置为同时开启或者关闭。
37.如图1所示，每个冷却液支路21上还均设有进液阀23和排液阀24，进液阀23设置在冷却液腔22的进口，排液阀24设置在冷却液腔22的出口。具体地，每个冷却液支路21的进液阀23和排液阀24被配置为至多开启一个，且与第一调节腔40对应的进液阀23、与第二调节腔50对应的排液阀24被配置为同时开启或者关闭，与第一调节腔40对应的排液阀24、与第二调节腔50对应的进液阀23被配置为同时开启或者关闭。
38.具体地，定义第一调节腔40的氢气腔12和冷却液腔22分别为第一氢气腔和第一冷却液腔，第一调节腔40的进液阀23和排液阀24分别为第一进液阀和第一排液阀，第一调节腔40的进气阀13和排气阀14分别为第一进气阀和第一排气阀，定义第二调节腔50的氢气腔12和冷却液腔22分别为第二氢气腔和第二冷却液腔，第二调节腔50的进液阀23和排液阀24分别为第二进液阀和第二排液阀，第二调节腔50的进气阀13和排气阀14分别为第二进气阀和第二排气阀，燃料电池系统的热管理模块的操作步骤如下：
39.步骤一、打开第一进气阀和第二排气阀，第二进气阀、第一排气阀、第一进液阀、第二进液阀、第一排液阀及第二排液阀均处于关闭状态。由于储氢罐排出的氢气的压力较高，使得第一氢气腔内的氢气的压力逐渐增加，第一氢气腔的体积逐渐增大，使得第一冷却液腔的体积逐渐缩小，第一冷却液腔内的冷却液的压力逐渐增大；随着第二氢气腔内的氢气的流出，第二氢气腔内的压力逐渐降低，第二氢气腔的体积逐渐缩小，使得第二冷却液腔的体积逐渐增大，第二冷却液腔内的冷却液的压力逐渐减小，直至第二冷却液腔内的冷却液的压力降至常压，第二冷却液腔的体积恢复至初始状态。
40.步骤二、第一氢气腔内的压力达到第一预设压力后，关闭第一进气阀和第二排气阀，打开第一排液阀和第二进液阀。此时，由于第一冷却液腔内的冷却液的压力较高，使得
第一冷却液腔内的冷却液能够顺利地通过第一排液阀向外流出，第一冷却液腔内的压力逐渐降低，第一冷却液腔的体积逐渐缩小，而第一氢气腔的体积则逐渐增大，第一氢气腔内的氢气的压力逐渐减小；第二冷却液腔内的冷却液逐渐增多，第二冷却液腔的体积不变，且第二氢气腔和第二冷却液腔内的压力均维持常压；
41.步骤三、第二冷却液腔充满冷却液后，关闭第一排液阀和第二进液阀，打开第一排气阀和第二进气阀。此时，随着第一氢气腔内的氢气的减少，第一氢气腔内的压力逐渐减小，第一氢气腔内的体积逐渐增大，第一冷却液腔内的冷却液的压力逐渐缩小，直至第一冷却液腔内的冷却液的压力降至常压，第一冷却液腔的体积恢复至初始状态；由于储氢罐排出的氢气的压力较高，使得第二氢气腔内的压力逐渐增加，第二氢气腔的体积逐渐增大，而第二冷却液腔的体积逐渐缩小，第二冷却液腔内的冷却液的压力逐渐增大。
42.步骤四、第二氢气腔内的压力达到第二预设压力后，关闭第二进气阀和第一排气阀，打开第一进液阀和第二排液阀。第一冷却液腔内的冷却液逐渐增多，第一冷却液腔的体积不变，且第一氢气腔和第一冷却液腔内的压力均维持常压；随着第二调节腔50内的冷却液的流出，第二冷却液腔内冷却液的压力逐渐降低，第二氢气腔的体积逐渐增大，第二氢气腔内的氢气的压力逐渐减小；
43.步骤五、第一冷却液腔充满冷却液后，关闭第二排液阀和第一进液阀，并返回步骤一。
44.需要说明的是，步骤一中的第二冷却液腔的体积恢复至初始状态指的是，第二冷却液腔和第二氢气腔中的压力均为常压时，第二冷却液腔的实际体积；步骤三中的第一冷却液腔的体积恢复至初始状态指的是，第一冷却液腔和第一氢气腔中的压力均为常压时，第一冷却液腔的实际体积。
45.这种设置能够使冷却液的热量传递至氢气，将氢气的温度调节至更接近于燃料电池的实际工作温度，从而保证进入燃料电池的氢气满足实际需求，冷却液能够从燃料电池的冷却液的出口进入冷却液腔22，从而使冷却液腔22内的冷却液压力升高，最终使得冷却液从冷却液腔22经过进液阀23进入燃料电池的冷却液的进口，使得流至燃料电池内的冷却液能够满足实际需求，从而保证燃料电池系统的热管理模块能够稳定和连续的运行。
46.本实施例的进液阀23为止回阀，止回阀使得冷却液支路21内的冷却液只能从冷却液腔22的进口进入，并从冷却液腔22的出口流出，而不会反向流动，排液阀24为电动截止阀，使得排液阀24能够实现自动化控制。
47.本实施例的燃料电池系统的热管理模块还包括上位机(图中未示出)，上位机分别与进气阀13、排气阀14及排液阀24电连接，上位机被配置为能够分别控制进气阀13、排气阀14及排液阀24的开度，使得进气阀13、排气阀14及排液阀24能够实现开启、关闭以及开度的调节的目的。
48.进一步地，如图1所示，本实施例的燃料电池系统的热管理模块还包括第二氢气支路61，第二氢气支路61与两个第一氢气支路11并联，第二氢气支路61的进口与储氢罐连通，出口与燃料电池的氢气入口连通，第二氢气支路61上设有减压阀62。当该燃料电池系统的热管理模块刚开始工作而不需要散热时，只开启减压阀62，使得储氢罐内的高压的氢气直接经减压阀62减压后送至燃料电池内。
49.本实施例还提供一种适用于燃料电池系统的热管理模块的控制方法，包括：
50.s1、第一调节腔40的氢气腔12的进口与储氢罐连通，第二调节腔50的氢气腔12的出口与燃料电池的氢气入口连通；
51.s2、第一调节腔40的氢气腔12内的压力达到第一预设压力后，停止向第一调节腔40的氢气腔12通入氢气，第二调节腔50的氢气腔12的出口与燃料电池的氢气入口断开；第一调节腔40的冷却液腔22的出口与燃料电池的冷却液的进口连通，第二调节腔50的冷却液腔22的进口与燃料电池的冷却液的出口连通；
52.s3、第二调节腔50的冷却液腔22充满冷却液后，停止向第二调节腔50的冷却液腔22的进口通入冷却液，第一调节腔40的冷却液腔22的出口与燃料电池的冷却液的出口断开；第二调节腔50的氢气腔12的进口与储氢罐连通，第一调节腔40的氢气腔12的出口与燃料电池的氢气入口连通；
53.s4、第二调节腔50的氢气腔12内的压力达到第二预设压力后，停止向第二调节腔50的氢气腔12通入氢气，第一调节腔40的氢气腔12的出口与燃料电池的氢气入口断开；第二调节腔50的冷却液腔22的出口与燃料电池的冷却液的进口连通，第一调节腔40的冷却液腔22的进口与燃料电池的冷却液的出口连通；
54.s5、第一调节腔40的冷却液腔22充满冷却液后，返回s1。
55.本实施例的第一预设压力和第二预设压力均大于常压，两者的具体值根据实际需要选定。
56.本实施例提供的燃料电池系统的热管理模块的控制方法，能够将氢气的内能通过第二隔膜32传递给冷却液腔22中的冷却液，转化为冷却液的动能，继而使冷却液能够在燃料电池中流动，从而充分利用了氢气所携带的内能，避免了能源的浪费。
57.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。