一种应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统及控制方法

本发明涉及燃料电池设备，具体涉及一种应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统及其控制方法。

背景技术：

1、当今世界能源短缺与环境污染问题日益严重，因此可再生能源的开发利用日益受到各国重视。快速增长的能源需求，以及对传统能源枯竭及环境污染的担忧，使汽车行业面临着前所未有的挑战。其中质子交换膜燃料电池作为传统化石能源的替代，因其具有功率密度高、启动速度快、原料绿色环保、能量转换效率高、不受卡诺循环限制等优点而受到广泛关注。

2、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)的工作温度在60℃到80℃之间，温度过低或过高都会对质子交换膜燃料电池的性能造成不利影响，甚至损坏燃料电池的内部构件。此外燃料电池的能量转换效率虽然高达55％，但仍有一半的能量转化为热量，这些热量必须通过有效的散热方式从燃料电池内部移除以防止其对燃料电池的运行造成影响。且由于燃料电池内部反应并不均匀，这会导致其产热区域也不均匀，这给燃料电池的精准控温增加了难度。然而，现有的燃料电池所采用的传统风冷或者液冷结构除了有散热量较小、热管控精准度差等缺点，还有大量余热无法利用、未考虑辐射冷却等缺陷。而且现有的液冷技术通常要满足燃料电池快速暖机和散热的需求，这就需要设置多个循环回路，这会导致现在的冷却系统复杂，设备繁多，可靠性差。有研究表明流动沸腾相较于风冷及水冷散热量更大，能够达到较高的热管控精准度。但是为了让冷却剂能够在散热部位达到沸腾状态以获得较好的散热效果及保持电池良好的冷启动性能需要预先对流体进行加热，这会耗费额外的能源。且有研究根据流动沸腾的机理发现，流动沸腾在干度高时传热系数会急剧下降，其传热性能恶化，在冷却流道后端容易出现热积聚现象。

3、申请公布号为cn 114864997a的中国发明专利申请公开一种燃料电池的冷却系统及控制方法，系统包括：燃料电池控制器、第一循环冷却模块、第二循环冷却模块和换热器模块；燃料电池控制器用于控制各模块的工作；第一循环冷却模块用于低温工作模式下的循环冷却；第二循环冷却模块用于高温工作模式下的循环冷却；换热器模块用于高温工作模式下的第一循环冷却模块和第二循环冷却模块之间的热交换。该技术方案可以实现在不同的工作环境温度下，采用不同的工作模式，通过大小循环系统和内外循环系统相结合的方式来实现对电堆的温度控制，可根据环境温度的变化设定不同的电堆冷却系统工作模式，降低冷却系统整体运行功率。但其可靠性和冷却效果不理想，无法满足现有燃料电池的冷却需求。

4、现有的燃料电池热管理技术中，通常采用液冷方式对pemfc进行散热，这种散热方式通常需要复杂的冷却回路及设备，还有上述提到的热管控精准度差等问题。而采用流动沸腾的方式对燃料电池进行散热则是能够实现精准控温的效果，但是流动沸腾却存在干度较高的通道后半部分传热系数小，传热性能差的问题，且在操作工况(冷却剂流量、pemfc功率)变化时，高干度区域也会随之发生前移、后移或增大的现象，这为解决高干度区域传热性能差的问题增加了新的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对以上所述现有技术存在的不足，提供一种可以交替式自调节抽汽流动沸腾的应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统。

2、本发明的第二目的是提供所述应用于质子交换膜燃料电池的冷却控制方法。

3、本发明所采取的技术手段是：一种应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统，包括燃料电池控制模块、外部温控循环模块和燃料电池模块；所述外部温控循环模块与燃料电池模块中的散热流道连接，用于通过控制循环中冷却剂温度，并驱动制冷剂对所述燃料电池模块进行冷却降温；在燃料电池控制模块的调控下能够实现电堆内部冷却剂交替式流动所述燃料电池控制模块分别与外部温控循环模块和燃料电池模块连接，用于控制外部温控循环模块和燃料电池模块中的各个部件工作，实现对燃料电池模块冷却降温。

4、所述外部温控循环模块包括储液罐、循环水泵、预热器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感、第五温度传感器、第三电控转向阀门、第四电控转向阀门和风冷散热器；所述储液罐与循环水泵连接，所述循环水泵与预热器连接，所述预热器与燃料电池模块连接，所述燃料电池模块与风冷散热器连接，所述风冷散热器与储液罐连接，形成外部温控循环管路，在所述燃料电池模块的第一冷却剂出口与风冷散热器之间设置有安装了所述第三电控转向阀门的第一分支循环管路，在所述燃料电池模块的第二冷却剂出口与风冷散热器之间设置有安装了第四电控转向阀门的第二分支循环管路。

5、所述燃料电池模块包括上端板、电池体和下端板；所述上端板和下端板分别位于所述电池体两侧，并堆叠密封连接，在所述上端板上设置包括第一电控转向阀门、第二电控转向阀门以及连接第一电控转向阀门和第二电控转向阀门的管段；所述第一电控转向阀门和第二电控转向阀门安装于所述上端板内部，所述第一电控转向阀门连接于冷却剂进口处。

6、所述上端板和下端板与电池体之间连接有绝缘板和导流板，所述上端板通过绝缘板和导流板上预留的冷却剂通孔与所述电池体上的自调节抽汽流动沸腾冷却流道连接相通。

7、所述电池体包括单电池及其集合体。所述第三电控转向阀门安装于所述燃料电池模块的上端板左侧第一冷却剂出口的连接管上，并与下端板上的第三冷却剂进出口连接；所述第四电控转向阀门安装于所述燃料电池模块上端板右侧第二冷却剂出口的连接管上，并与下端板上的第四冷却剂进出口连接。

8、所述电池体上设置有自调节抽汽流动沸腾冷却流道。所述自调节抽汽流动沸腾冷却流道包括上流道、下流道和设置于上流道与下流道之间的活动空腔，所述活动空腔左右堆成布置，通过设置可活动的自调节抽汽滑板连接。

9、所述自调节抽汽滑板的左端在所述左侧活动空腔内与测压弹簧连接，所述测压弹簧另一端部安装于所述左侧活动空腔内侧壁上。

10、所述自调节抽汽滑板中间布置有抽汽孔。

11、所述抽汽孔周围设置矩形挡板，且所述矩形挡板伸入所述下流道中。

12、所述上流道，活动空腔与下流道之间的壁厚为0.1mm。

13、所述下端板为板式换热器，分为上中下三层，上层为氢气层，中间层为冷却剂层，下层为氧气层，氢气层和氧气层可与冷却剂层进行换热，从而对反应气体进行预热。

14、一种应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统控制方法，基于上述应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统的结构基础上，包括正向循环工作模式、逆向循环工作模式，包括以下步骤：

15、s1.设置第一预设温度ta，ta的温度依据冷却剂的沸点决定，保证预设温度略低于冷却剂沸点，在本发明中，以冷却剂hfe-7100为例，第一预设温度ta＝60℃；

16、s2.设置第二预设温度tb，tb的温度设定依据燃料电池的工作温度和环境温度所决定，在本发明中，第二预设温度tb＝70℃。

17、进入正循环工作模式包括以下步骤：

18、获取第一温度t1，当第一温度t1等于第一预设温度ta时，预热器保持关闭状态，第一转向控制阀门保持状态1，第二转向控制阀门保持闭合，此时冷却剂能够从上端板向下进入燃料电池而不能从上端板向右流动进入燃料电池，冷却剂在所述单电池冷却流动中自左向右流动；同时第三转向控制阀门保持状态3，第四转向控制阀门保持状态5，获得第三温度t3，当第三温度t3小于第二预设温度tb时，此时冷却剂能够从第三转向控制阀门向下流动进入下端板进行气体预热而不能向上流动；获取第五温度t5，当第五温度t5大于第一预设温度ta时，风冷散热器保持开启状态，预热器保持关闭状态；当第五温度t5小于第一预设温度ta时，风冷散热器保持关闭状态，预热器保持开启状态，完成正向循环工作模式；

19、进入逆循环工作模式包括以下步骤：

20、获取第一温度t1，当第一温度t1等于第一预设温度ta时，预热器保持关闭状态，第一转向控制阀门保持状态1，第二转向控制阀门保持闭合，此时冷却剂能够从上端板向下进入燃料电池而不能从上端板向右流动进入燃料电池，冷却剂在所述单电池冷却流道中自左向右流动；同时第三转向控制阀门保持状态3，第四转向控制阀门保持状态5，获得第三温度t3，当第三温度t3大于第二预设温度tb时，第一转向控制阀门保持状态2，第二转向控制阀门保持开启，此时冷却剂能够从上端板向右流动进入燃料电池而不能从上端板向下进入燃料电池，冷却剂在所述单电池冷却流动中自右向左流动；同时第三转向控制阀门保持状态4，第四转向控制阀门保持状态6，获得第二温度t2，当第二温度t2小于第二预设温度tb时，冷却剂能够通过第四转向控制阀门向下进入下端板进行气体预热而不能向上流动；获取第四温度t4，当第四温度t4大于第一预设温度ta时，风冷散热器保持开启状态，预热器保持关闭状态；当第四温度t4小于第一预设温度ta时，风冷散热器保持关闭状态，预热器保持开启状态，完成逆向循环工作模式；

21、能够根据温度的不同自动切换正向工作模式和逆向工作模式交替运行，最大程度利用预热，达到精准控温效果。

22、本发明的目的是针对燃料电池液冷散热系统复杂，设备繁多，可靠性差，散热量较小，热管控精准度差的问题，提供交替式流动沸腾的冷却系统及操作方法对燃料电池进行热管理，能够降低50％的应用于质子交换膜燃料电池的冷却系统运行成本，提高可靠性。针对燃料电池现有的冷却系统较少考虑其辐射冷却且未能有效利用其余热的问题，本技术技术方案使高温冷却剂能够在完成预热进口反应气体的同时，预热其端板，降低辐射冷却所带来的不利影响。针对燃料电池现有的流动沸腾技术中尚未考虑在干度较高的后半部分流道传热系数较低，且在操作工况变化时，高干度区域也会随之变化，容易出现热积聚等问题，本技术技术方案通过设置抽汽孔结构，抽出干度较高的后半部分通道中的蒸汽，以提升后半部分冷却通道的传热系数，增强高干度区域传热性能；通过设置可自动识别流量大小和流向变化的抽汽孔及流道结构，能够使抽汽孔位置随着高干度区域的移动而移动，从而保证工况变化时的抽汽效果。针对采用流动沸腾方式对燃料电池散热需要对冷却剂进行预热，以确保燃料电池的冷启动性能和较好的散热效果，但这会带来额外的能源消耗，本技术的技术方案能够使冷却剂周期性交替流经燃料电池的冷却通道，从而达到让流程后端温度较高的冷却通道壁面为每一次交替换向后的冷却剂进行预热，增强低干度区域的换热效果，解决后半部分通道热积聚问题，从而达到整流道、全区域强化换热的目的。

23、综上所述，本发明的有益效果是：

24、(1)通过设计了交替式流动沸腾的冷却系统，使燃料电池的冷却系统成本减少50％以上，提高可靠性和热管控精准度；

25、(2)通过设计了一种交替式流动沸腾的冷却系统结构，能够实现根据流量和流速自动调节抽汽沸腾的抽汽孔位置，在不同工况下均能保持良好的抽汽效果，提高了高干度的流道区域传热性能，增大传热系数；

26、(3)通过设计了一种交替式流动沸腾的冷却系统的控制方法，能够有效利用燃料电池本身产生的热量，精准控制燃料电池温度，增强低干度区域的传热效果，从而达到整流道、全区域的强化换热效果。