一种集成PEM制氢及PEM燃料电池的热管理系统的制作方法

一种集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统
技术领域
1.本发明涉及燃料电池应用技术领域，尤其涉及一种集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统。


背景技术：

2.目前能源危机和环境污染日益严峻，发展可再生能源、走可持续发展道路成为各国的研究焦点之一。其中，氢能以其清洁、高效的特点被公认是未来最有潜力的能源载体之一。
3.现有制氢技术中，利用可再生能源燃烧产生的电能作为动力进行电解水是一种最成熟且有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径。电解水是将水分解为氢气和氧气的过程。pem（聚合电解质膜）电解槽采用纯水作为工质，pem膜起着电解质与隔膜的双重作用。当pem电解槽工作时，膜上水化的质子通过界面区域在阳极、阴极之间传递，发生酸性水电解反应，具有制氢效率高、环保等优点。
4.在pem电解槽制氢过程中，水的温度是影响制氢效率的因素之一，一般在70℃左右效率较高，因此需要在电解初期提高电解水温度，在低温环境下电解时尤为重要。现有集成制氢及燃料电池的热管理系统散热损耗过大，且未考虑如何利用燃料电池产生的热量有效提高电解效率。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统，用以解决现有技术散热损耗过大且未能有效利用燃料电池产生的热量去提高电解效率的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统，包括pem燃料电池、pem电解槽、换热器、第一水泵、第二水泵、加热器、水箱，以及控制器；其中，pem燃料电池的冷却液出口依次经第一水泵、加热器、换热器的支路一接其冷却液入口；pem电解槽的出水端依次经水箱、第二水泵、换热器的支路二接其入水端；控制器，用于启动后识别pem电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制pem燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行；以及，在pem燃料电池的运行过程中，一旦识别到pem电解槽入口水温超过目标温度，控制pem电解槽启动以制氢。
7.上述技术方案的有益效果如下：通过pem燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用pem燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了pem电解槽的常温及低温的启动能力。pem燃料电池和pem电解槽的工作温度接近，上述设置有效降低了硬件数量和成本。
8.基于上述系统的进一步改进，该热管理系统还包括分水器；其中，所述分水器设于pem电解槽的阳极出气口处，其入口与pem电解槽的阳极出气口连接，其出水端与水箱的进口连接，其出气口与外设氧气瓶连接或与大气连通。
9.进一步，其该热管理系统还包括直流电源；其中，所述直流电源的输出端与pem电解槽的供电端连接，供电控制端与控制器的输出端连接。
10.进一步，所述控制器包括：数据获取单元，用于获取pem电解槽入口水温、pem燃料电池的冷却液出口水温，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于启动后识别pem电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制pem燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行，以使pem燃料电池的产热通过换热器对pem电解槽内的电解水加热，并在pem燃料电池运行过程中，根据pem燃料电池的冷却液出口水温实时调整加热器的加热温度，并监测pem电解槽入口水温直到其超过目标温度，控制pem电解槽启动制氢；如果否，直接控制pem电解槽启动制氢。
11.进一步，所述数据获取单元包括：第一温度传感器，设于pem电解槽的入水端处，用于获取pem电解槽入口水温；第二温度传感器，设于pem电池的冷却液出口处，用于获取pem燃料电池的冷却液出口水温。
12.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s1.启动后获取第一温度传感器的水温，识别该水温是否低于目标温度；如果是，执行步骤s2，否则，执行步骤s5；s2.根据上述水温识别pem燃料电池是否冷启动，如果是，启动加热器，否则，不启动加热器；s3.启动第一水泵、第二水泵，启动pem燃料电池，控制pem燃料电池以与所述水温匹配的运行功率运行；s4.在pem燃料电池运行过程中，根据第二温度传感器的水温实时调整加热器的加热温度，并实时监测pem电解槽入口水温是否超过目标温度；如果超过目标温度，关闭加热器，并执行步骤s5；否则，继续监测pem电解槽入口水温；s5.启动直流电源为pem电解槽上电，启动pem电解槽制氢。
13.进一步，其该热管理系统还包括散热风扇；其中，所述散热风扇设于pem燃料电池的壳体外部，其控制端与控制器的输出端连接。
14.进一步，在pem燃料电池运行过程中，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：实时监测pem燃料电池的冷却液出口水温是否超过上限温度，如果是，关闭加热器，启动散热风扇。
15.进一步，所述数据获取单元还包括环境温度传感器；其中，所述环境温度传感器，设于热管理系统的工作环境中，用于获取该热管理系统内pem电池、pem电解槽所处的环境温度。
16.进一步，所述加热器采用电磁加热器、红外线加热器、ptc加热器中的一种；并且，所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示环境温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器的温度示数，以及pem燃料电池、pem电解槽各自的启动状态。
17.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、在现有pem电解槽和pem燃料电池的设计基础上，有序结合了低温自启动和换热技术，从而产生了一种集成换热系统，通过pem燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用pem燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了pem电解槽的常温及低温的启动能力。
18.2、结构简单，能量转换效率高，制备成本低。
19.3、可以同时保证pem电池和pem电解槽同时高效运行。提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
20.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
21.图1示出了实施例1集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统组成示意图；图2示出了实施例2集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统的线路连接示意图；图3示出了实施例2集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统的控制原理示意图。
22.附图标记：1
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pem燃料电池；2
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pem电解槽；3
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第一水泵；4
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加热器；5
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换热器；6
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第二水泵；7
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水箱；8
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分水器；9
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直流电源。
具体实施方式
23.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
24.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
25.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统，如图1所示，包括pem燃料电池、pem电解槽、换热器、第一水泵、第二水泵、加热器、水箱和控制器。
26.其中，pem燃料电池的冷却液出口依次经第一水泵、加热器、换热器的支路一接其冷却液入口，构成pem燃料电池的冷却液循环支路。
27.pem电解槽的出水端依次经水箱、第二水泵、换热器的支路二接其入水端，构成pem电解槽的电解水加热回路。
28.控制器的输出端分别与第一水泵、第二水泵、加热器、pem燃料电池、pem电解槽的控制端连接。控制器通过相应控制信号，控制第一水泵、第二水泵、加热器、pem燃料电池、pem电解槽启动。
29.控制器，用于启动后识别pem电解槽入口水温是否低于目标温度（60~80摄氏度，可根据电解水的类型进行实验室标定获得）；如果是，控制pem燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行（启动pem燃料电池、加热器、第一水泵、第二水泵，并向pem燃料电池通入该运行功率对应的燃料气），以使pem燃料电池的产热通过换热器对pem电解槽内的电解水加热；以及，在pem燃料电池的运行过程中，一旦识别到pem电解槽入口水温超过目标温度，控制pem电解槽启动以制氢。
30.需说明的是，pem电解槽的出水端可以是其自身的入水口，也可以是实施例2中与pem电解槽的阳极出气口连接的分水器的分水口，即可以实现电解水循环的出水端。pem燃料电池可以氢燃料电池，但不限于氢燃料电池。
31.图1只画出了跟本实施例方案相关的水路关键部分，其他气体供应路等并未画出，本领域技术人员可以根据实际需求查阅相关文献增加设备。
32.实施时，先启动pem燃料电池，通过pem燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，直到pem电解槽内的电解水达到目标温度（例如70℃），再启动pem电解槽制备氢气，以提高电解效率。
33.与现有技术相比，本实施例提出了一种基于pem制氢及pem燃料电池的热管理系统，通过pem燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用pem燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了pem电解槽的常温及低温的启动能力。pem燃料电池和pem电解槽的工作温度接近，上述设置有效降低了硬件数量和成本。
34.实施例2在实施例1的基础上进行改进，控制器还分别与水箱的入水控制端、出水控制端，pem电解槽的入水控制器、出水控制端连接，以控制相应进出口端的开闭。
35.优选地，该热管理系统还包括分水器，如图2所示。
36.其中，分水器设于pem电解槽的阳极出气口处，入口与pem电解槽的阳极出气口连接，其出水口与水箱的进口连接，其出气口与外设氧气瓶连接或与大气连通。
37.优选地，该热管理系统还包括直流电源。
38.其中，该直流电源的输出端与pem电解槽的供电端连接，用于为电解槽电解过程供电，供电控制端与控制器的输出端连接。
39.优选地，pem燃料电池的供电端也与pem电解槽的供电端连接，也用于为电解槽电解过程供电，供电控制端与控制器的输出端连接。
40.优选地，控制器进一步包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元。
41.数据获取单元，用于获取pem电解槽入口水温、pem燃料电池的冷却液出口水温，发送至数据处理与控制单元。
42.数据处理与控制单元，用于启动后识别pem电解槽入口水温是否低于目标温度；如果是，控制pem燃料电池以与所述水温匹配的启动方式和运行功率运行，以使pem燃料电池的产热通过换热器对pem电解槽内的电解水加热，并在pem燃料电池运行过程中，根据pem燃料电池的冷却液出口水温实时调整加热器的加热温度，并监测pem电解槽入口水温直到其
超过目标温度，控制pem电解槽启动制氢；如果否，直接控制pem电解槽启动制氢。
43.优选地，数据获取单元进一步包括两个测试水温的温度传感器和一个测试环境温度的环境温度传感器。
44.第一温度传感器，设于pem电解槽的入水端处，用于获取pem电解槽入口水温。
45.第二温度传感器，设于pem电池的冷却液出口处，用于获取pem燃料电池的冷却液出口水温。
46.环境温度传感器，设于热管理系统的工作环境中，用于获取该热管理装置内pem电池、pem电解槽所处的环境温度。
47.优选地，数据处理与控制单元具有显示模块。其中该显示模块的显示屏上显示环境温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器的温度示数，以及pem燃料电池、pem电解槽各自的启动状态。
48.优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s1.启动后获取第一温度传感器的水温，识别该水温是否低于目标温度；如果是，执行步骤s2，否则，执行步骤s5；s2.根据上述水温识别pem燃料电池是否冷启动，如果是，启动加热器，否则，不启动加热器；s3.启动第一水泵、第二水泵，启动pem燃料电池，控制pem燃料电池以与所述水温匹配的运行功率运行；s4.在pem燃料电池运行过程中，根据第二温度传感器的水温实时调整加热器的加热温度，并实时监测pem电解槽入口水温是否超过目标温度；如果超过目标温度，关闭加热器，并执行步骤s5；否则，继续监测pem电解槽入口水温；s5.启动直流电源为pem电解槽上电，启动pem电解槽制氢。
49.控制原理可参见图3，但不限于图3描述的内容。
50.优选地，在pem燃料电池运行过程中，数据处理与控制单元还执行如下程序：s41.实时监测pem燃料电池的冷却液出口水温是否超过上限温度，如果是，关闭加热器，启动散热风扇。
51.优选地，该热管理系统还包括散热风扇。其中，散热风扇设于pem燃料电池的壳体外部，其控制端与控制器的输出端连接，用于防止pem燃料电池超温，在第二温度传感器采集的温度高于设定值时启动，以维持pem燃料电池的运行状态。
52.优选地，加热器可采用电磁加热器、红外线加热器、ptc加热器中的一种。一般采用ptc加热器，其具有恒温发热特性，原理是ptc 加热片加电后自热升温使阻值升高进入跃变区，ptc 加热片表面温度将保持恒定值，该温度只与ptc 加热片的居里温度和外加电压有关，而与环境温度基本无关。即使在非正常工作的情况下，由于ptc元件自身的调节作用，输入功率可降得很低，仍不至于产生意外情况。
53.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、在现有pem电解槽和pem燃料电池的设计基础上，有序结合了低温自启动和换热技术，从而产生了一种集成换热系统，通过pem燃料电池工作产生的热量作为电解水加热的来源，尤其是低温时利用pem燃料电池低温启动能力强、产热量大的特点保证了pem电解槽的常温及低温的启动能力。
54.2、结构简单，能量转换效率高，制备成本低。
55.3、可以同时保证pem电池和pem电解槽同时高效运行。
56.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。