【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池热管理系统及控制方法。
技术介绍
1、氢燃料电池是一种清洁高效的能源转换技术，它通过将氢气与氧气反应产生电能和水，实现能量转换。适宜的运行温度对于燃料电池反应活性和传输速率至关重要。同时，在燃料电池的运行过程中，氢气与氧气在阳极和阴极催化剂的作用下发生电化学反应，产生热量。这些热量会导致温度升高，如果不能有效地排放或控制，可能会导致过热和热损失。此外，燃料电池内部的温度分布不均匀可能会导致局部热点和液态水积聚，进而影响电池的性能和寿命。因此，燃料电池的热管理是确保电池在适宜的温度范围内运行，并有效地控制热量的产生和分布，以确保电池性能和寿命的重要因素。
2、当前的燃料电池系统工作效率大多在45-50％之间，远低于其理论最大效率。有效利用燃料电池工作中产生的热量可以大大提高燃料电池系统的综合效率，这就需要合理设计余热利用功能。
3、随着燃料电池技术的发展，燃料电池电堆功率密度的不断提高，其运行温度和产热量也不断升高，这对热管理系统的散热性能提出了更高的要求。同时，对于燃料电池热管理系统来说，散热能力和尺寸结构是衡量燃料电池热管理系统的优劣的关键所在。一般来说，更好的散热能力意味着燃料电池系统能使用更高的功率，也同时意味着需要更大的散热器，系统结构也就更加臃肿，还会增加水泵功耗，这不利于系统结构的紧凑，这将降低能量利用率，使得燃料电池工作效率大大下降，且更大的散热器会增加更多成本。此外，传统的热管理系统利用余热时，只单向控制温度，且不精确控制流量，不利于热负载的工作
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池热管理系统及控制方法，旨在增强燃料电池电堆散热能力，紧凑系统结构和解决余热利用温度不稳定的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现：
3、一种燃料电池热管理系统，所述燃料电池热管理系统包括燃料电池电堆、强力散热回路、余热回路，所述燃料电池电堆上的冷却流道出口与所述强力散热回路相连，冷却流道入口与所述余热回路相连；所述强力散热回路包括并联设置的冷启动回路与散热回路，所述冷启动回路与所述余热回路串联设置，所述散热回路与所述余热回路并联设置。
4、优选地，所述冷启动回路包括依次串联的工质泵、第一三通阀和半导体制冷器，所述半导体制冷器和电源串联形成电路。
5、优选地，所述电源为能够正反方向供电的直流电源，在所述电源正向供电时，所述半导体制冷器处于制热工况，在所述电源反向供电时，所述半导体制冷器处于制冷工况。
6、优选地，所述半导体制冷器为制热制冷一体式结构，其多个单片tec堆叠构成，所述单片tec为方形tec、圆形tec、异形tec中的一种。
7、优选地，所述散热回路包括工质泵、第一三通阀、散热器和散热风扇，所述散热器和散热风扇并联于所述半导体制冷器。
8、优选地，所述冷启动回路和所述散热回路之间通过第一三通阀进行切换。
9、优选地，所述余热回路包括第二三通阀、换热温度传感器、换热工质泵、热交换器和冷却液储罐，所述第二三通阀、换热温度传感器、换热工质泵和热交换器依次串联设置，所述冷却液储罐通过电磁阀分别与所述冷启动回路和所述散热回路相连。
10、优选地，所述冷却流道出口的回路上设置有堆出温度传感器，其入口的回路上设置有堆入温度传感器。
11、优选地，所述冷却液储罐内储存有纳米流体，所述纳米流体中的纳米粒子为至少由金属、氧化物、碳纳米管和氮化物中的任意一种或多种材料制成的微小颗粒，所述纳米流体的基础流体为乙二醇水溶液。
12、一种燃料电池热管理系统的控制方法，燃料电池热管理系统具有四种模式，其控制方法步骤分别如下：
13、在冷启动模式下，第一三通阀开启冷启动回路，电源正向通电，半导体制冷器开始制热，快速加热纳米流体工质，升温后的纳米流体进入燃料电池电堆的冷却流道中，当堆出温度传感器监测到纳米流体的温度t1大于t0时，停止加热，冷启动结束，t0为系统中预设的定值；
14、在散热模式下，当堆出温度传感器监测到纳米流体的温度t1大于ta且小于tb时，且tb＞ta＞t0，第一三通阀开启散热回路，纳米流体工质由工质泵驱动进入散热器使得热量能被散出系统，冷却后返回燃料电池电堆，当堆入温度传感器监测的温度t2＜ta时，关闭散热回路，ta和tb均为系统中预设的定值；
15、在强力散热模式下，当堆出温度传感器监测到纳米流体的温度t1大于tb时，第一三通阀同时开启冷启动回路和散热回路，此时电源反向供电，半导体制冷器开始制冷，当堆入温度传感器监测的温度t2＜tb时，关闭冷启动回路，进入散热模式散热；工质泵的驱动流量、散热风扇的转速和半导体制冷器的制冷功率均由燃料电池的发热功率决定；冷启动回路和散热回路的流量分配由半导体制冷器和散热器的制冷效率决定；
16、在余热模式下，当堆出温度传感器监测到纳米流体的温度t1大于t01且小于t02时，第二三通阀开启余热回路，纳米流体工质由工质泵的一次驱动和换热工质泵的二次调控驱动进入热交换器进行余热交换，热交换后纳米流体返回燃料电池电堆，同时开启半导体制冷器，调控余热回路中纳米流体的温度t3；当换热温度传感器监测的温度t3＞(t01+t02)/2时，电源反向供电，半导体制冷器制冷；当t3＜(t01+t02)/2时，电源正向供电，半导体制冷器制热；当堆入温度传感器监测温度t2＞ta时，开启散热回路；t01和t02为系统中预设的定值，且ta＞t01＞t02＞t0。
17、其中，纳米流体将燃料电池电堆的热量带出后，经过热交换器，在余热回路进行热交换，在换热工质泵的驱动下，对热交换器进行流量调节，冷却液储罐通过电磁阀与余热回路进行连通，调节回路中的压力与流量。在一定温度范围内，根据换热温度传感器监测的纳米流体工质的温度，决定半导体制冷器是处于关闭、制热或制冷工况，从而更好地控制余热回路中热交换器的供热量以提高能量效率，余热回路中换热工质泵的流量由纳米流体工质的温度与热交换器的供热需求决定。
18、本专利技术提供一种燃料电池热管理系统及控制方法，能保证燃料电池电堆的顺利冷启动，提高系统的散热能力，有效紧凑燃料电池热管理系统组件结构，节约成本。在电堆工作时，能维持适宜的温度，确保其处于最佳的工作状态。同时更好的控制余热交换的温度，有效利用电池余热，提高系统的能量综合利用率。
19、本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
20、1.本申请提供的燃料电池热管理系统及控制方法，通过使用纳米流体取代传统乙二醇水溶液，同时利用半导体制冷器的一体式制冷制热，使得系统的散热能力大大提高，燃料电池电堆能在更高功率下稳定运行，提升了系统的工作效率。
21、2.本申请提供的燃料电池热管理系统及控制方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述燃料电池热管理系统包括燃料电池电堆(1)、强力散热回路、余热回路，所述燃料电池电堆(1)上的冷却流道出口与所述强力散热回路相连，冷却流道入口与所述余热回路相连；所述强力散热回路包括并联设置的冷启动回路与散热回路，所述冷启动回路与所述余热回路串联设置，所述散热回路与所述余热回路并联设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述冷启动回路包括依次串联的工质泵(2)、第一三通阀(3)和半导体制冷器(4)，所述半导体制冷器(4)和电源(14)串联形成电路。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述电源(14)为能够正反方向供电的直流电源(14)，在所述电源(14)正向供电时，所述半导体制冷器(4)处于制热工况，在所述电源(14)反向供电时，所述半导体制冷器(4)处于制冷工况。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述半导体制冷器(4)为制热制冷一体式结构，其多个单片TEC堆叠构成，所述单片TEC为方形TEC、圆形TEC、异形TEC中的一种。
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述燃料电池热管理系统包括燃料电池电堆(1)、强力散热回路、余热回路，所述燃料电池电堆(1)上的冷却流道出口与所述强力散热回路相连，冷却流道入口与所述余热回路相连；所述强力散热回路包括并联设置的冷启动回路与散热回路，所述冷启动回路与所述余热回路串联设置，所述散热回路与所述余热回路并联设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述冷启动回路包括依次串联的工质泵(2)、第一三通阀(3)和半导体制冷器(4)，所述半导体制冷器(4)和电源(14)串联形成电路。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述电源(14)为能够正反方向供电的直流电源(14)，在所述电源(14)正向供电时，所述半导体制冷器(4)处于制热工况，在所述电源(14)反向供电时，所述半导体制冷器(4)处于制冷工况。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述半导体制冷器(4)为制热制冷一体式结构，其多个单片tec堆叠构成，所述单片tec为方形tec、圆形tec、异形tec中的一种。
5.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述散热回路包括工质泵(2)、第一三通阀(3)、散热器(5)和散热风扇(6)...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈奔，王禧乐，张博韬，袁嘉城，林仕豪，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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