一種燃料電池系統的熱管理方法和系統技術方案

本發明專利技術提供一種燃料電池系統熱管理方法，該燃料電池系統包括燃料電池堆，該方法包括：向所述燃料電池堆通入助燃氣體并調節所述助燃氣體的溫度；通過所述調節了溫度的助燃氣體和燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預設的溫度范圍內。該燃料電池系統熱管理方法能很好的利用廢熱能、廢燃料氣體，并且能很好的對燃料電池進行熱管理。

Thermal management method and system for fuel cell system

The present invention provides a fuel cell system thermal management method, the fuel cell system includes a fuel cell stack, the method comprises: a reactor into the combustion gas to the fuel cell and to adjust the combustion gas temperature; through the adjustment of the temperature of the combustion gas and fuel cell reactor for heat exchange, the fuel the stack temperature in different stages in the desired range of temperature. The fuel cell system thermal management method can make good use of waste heat energy, waste fuel gas, and can well heat management of fuel cells.

【技術實現步驟摘要】
一種燃料電池系統的熱管理方法和系統
本專利技術涉及燃料電池領域，尤其涉及一種燃料電池系統熱管理方法和系統。
技術介紹
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。常見的兩種燃料電池為質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。質子交換膜燃料電池通常使用氫氣之類的氣體作為燃料，其在較低的溫度下就可以將化學能轉化為電能。固體氧化物燃料電池則基于高溫反應過程進行能量轉化，它通?？梢允褂酶鞣N不同高濃度的氣體燃料，比如說一氧化碳、氫氣。SOFCs很大的一個優勢在于：產生電能的氣體燃料可以從酒精、汽油、柴油、天然氣、甚至生物質或煤等各種物質中獲得。這些物質可以在一個燃料重整反應裝置中進行氣化，從而可以產生豐富的一氧化碳和氫氣。該燃料重整反應裝置中包含催化劑，該催化劑使得燃料氣體反應產生一氧化碳和氫氣。大多SOFCs在陶瓷基片上進行制造，為兩維的平板式結構。平板式SOFCs的多個平板堆疊在一起成為一個電池堆。平板式SOFCs的最大的缺陷在于陶瓷基片單元容易破裂。雖然，在一定程度上，可以通過減緩加熱或者冷卻陶瓷基片的時間來減少這種破裂的可能；但是如果這樣的話，產生電能的過程將花費很長的時間，比如若干小時或者若干天。為了克服上述熱膨脹導致的破裂問題，管式燃料電池逐漸發展起來。這種管式燃料電池的管子比較小，比如長度為50mm或60mm、外徑為4mm至6mm、內徑為3mm至4mm。管子的基本材料可以是純陶瓷，或者含有較多鎳的類金屬。這種含有較多鎳的類金屬使得氣體或者氣體離子擴散更方便。在管子的內壁和外壁涂有涂層，這些涂層形成了燃料電池的陽極和陰極。請參圖1所示的一種管式燃料電池。該管式燃料電池由陽極層、陰極層以及兩極之間的電解質層組成。在陽極層一側通入H2或者其他燃料氣體，在陰極層一側通進O2或者包含O2的空氣。SOFCs工作的時候，需要燃料氣體保持一定的濃度；同樣的，氧氣或者包含氧氣的空氣也需要保持一定的濃度。所以，持續均勻濃度的燃料氣體和氧氣/空氣對于SOFCs的正常工作來講，是非常重要的。另外，SOFCs啟動工作需要較高的溫度；通常，該溫度需要超過600攝氏度。一個典型的工作溫度區間為600～850攝氏度。如果低于600攝氏度，該固體氧化物燃料電池將無法正常工作。但是，隨著SOFCs輸出的電能增大，其產生的廢熱能也越多，電池本身的溫度也升高的越多，此時又需要通過某種方式對其進行降溫處理以防止電池過熱。所以，如何對燃料電池系統進行熱管理是當前需要解決的問題。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供一種燃料電池系統熱管理方法，該燃料電池系統包括燃料電池堆，該方法包括：向所述燃料電池堆通入助燃氣體并調節所述助燃氣體的溫度；所述調節了溫度的助燃氣體和燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預設的溫度范圍內。優選地，在燃料電池系統啟動階段，所述調節助燃氣體的溫度包括：將通入燃料電池堆的燃料氣體進行燃燒，該燃燒產生的熱量用來加熱通入燃料電池堆的助燃氣體；和/或者，開啟該燃料電池系統的加熱元件，使其加熱通入燃料電池堆的助燃氣體。優選地，本專利技術方法還包括控制通入該燃料電池堆的燃料氣體的流速，使得燃燒產生的熱量逐漸增加；和/或者，控制該燃料電池系統的加熱元件，使得該加熱元件的加熱功率逐漸升高。優選地，在燃料電池系統工作階段，所述調節助燃氣體溫度包括：燃料電池堆進行化學反應放出的熱量和通入燃料電池堆的助燃氣體進行熱交換，使得通入的助燃氣體溫度升高，且降低燃料電池堆的溫度；檢測所述通入的助燃氣體的溫度，如果檢測到的溫度小于等于第一預設的溫度，則控制該燃料電池系統的加熱元件開啟或者加大對所述助燃氣體的加熱；如果檢測到的溫度大于第二預設溫度，則控制所述加熱元件關閉或者減少對所述助燃氣體的加熱。優選地，在燃料電池系統工作階段，所述調節助燃氣體溫度包括：燃料電池堆進行化學反應放出的熱量和通入燃料電池堆的助燃氣體進行熱交換，使得通入的助燃氣體溫度升高，且降低燃料電池堆的溫度；檢測所述通入的助燃氣體的溫度，如果檢測到的溫度小于等于第一預設的溫度，則增加通入該燃料電池系統的燃料氣體的流速，使得更多的燃料氣體能被燃燒而產生更多的熱量加熱通入燃料電池堆的助燃氣體；如果檢測到的溫度大于第二預設溫度，則減小通入該燃料電池系統的燃料氣體的流速，使得少的燃料氣體被燃燒而產生少的熱量加熱通入燃料電池堆的助燃氣體。優選地，本專利技術方法進一步包括：根據當前燃料電池堆所需提供的電功率，持續通入所述電功率對應流速的助燃氣體。優選地，在燃料電池系統停止工作階段，所述方法還包括降低通入該燃料電池堆的助燃氣體的溫度。優選地，所述降低通入該燃料電池堆的助燃氣體的溫度包括：降低該燃料電池系統加熱元件對助燃氣體的加熱，直到加熱元件停止對助燃氣體的加熱；和/或者，減少通入的燃料氣體直到停止通入燃料氣體，使得燃燒燃料氣體產生熱量對通入助燃氣體的加熱逐漸降低。優選地，所述方法還包括，對該燃料電池堆通入惰性氣體。優選地，所述方法還包括，所述助燃氣體為空氣或氧氣。本專利技術燃料電池系統具有很好的熱管理能力，能很好的利用廢熱能、廢燃料氣體，并且能很好的對燃料電池進行熱管理。附圖說明圖1是現有的一種管式燃料電池示意圖。圖2是本專利技術實施例流程圖。圖3是本專利技術一種燃料電池系統結構示意圖。具體實施方式本專利技術提供一種燃料電池系統熱管理方法：向所述燃料電池堆通入助燃氣體并調節所述助燃氣體的溫度；通過所述調節了的助燃氣體和燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預設的溫度范圍內，請參圖2。該燃料電池系統熱管理方法能很好的利用廢熱能、廢燃料氣體。其中，調節助燃氣體的溫度由助燃氣體溫度調節裝置執行。以下通過燃料電池系統啟動階段、工作階段和停止工作階段三個方面來詳細說明。(一)、燃料電池系統啟動階段初始，燃料電池堆的溫度達不到啟動工作所需要的高溫條件。為了使其溫度能上升到啟動工作所需的最低溫度，本專利技術實施例采用高溫度的助燃氣體流與燃料電池堆充分進行熱交換，從而加熱該燃料電池堆，使其達到啟動工作所需要的最低溫度。具有較高溫度的助燃氣體可以通過以下兩種方式得到：A、燃燒燃料氣體產生的熱量加熱通入燃料電池堆的助燃氣體初始時，燃料氣體通入燃料電池堆后，由于燃料電池堆的溫度較低，這些燃料氣體將流入到廢氣腔中。通過設置的廢氣補燃器對該廢氣腔中的燃料氣體進行燃燒。燃燒產生的巨大熱量加熱進氣腔中的助燃氣體使其溫度升高。廢氣腔、廢氣補燃器請參圖3的一個例子。廢氣腔中燃料氣體的燃燒由控制模塊控制廢氣補燃器實現。B、使用加熱元件加熱助燃氣體加熱元件可以設置在燃料電池系統的不同位置。比如說，可以設置在進氣腔中；更優的，可以設置在進氣腔的第三腔體中。還可以設置在燃料電池堆收容部中，尤其是其第一側壁中。加熱元件的開啟或者關閉由燃料電池系統的控制模塊進行控制。另外，加熱元件可以多檔調節，不同檔，具有不同的加熱功率。在使用加熱元件加熱助燃氣體流時，需要由溫感器件檢測當前助燃氣體的溫度。系統的控制模塊獲取到溫感器件檢測到的溫度后，控制加熱元件加熱與否。加熱元件、進氣腔、第三腔體、收容部、第一側壁參見圖3的一個例子。需要說明的是，為了防止熱應力產生而損壞燃料電池堆，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池系統熱管理方法，該燃料電池系統包括燃料電池堆，其特征在于，該方法包括：向所述燃料電池堆通入助燃氣體并調節所述助燃氣體的溫度；所述調節了溫度的助燃氣體和燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預設的溫度范圍內。

【技術特征摘要】
1.一種燃料電池系統熱管理方法，該燃料電池系統包括燃料電池堆，其特征在于，該方法包括：向所述燃料電池堆通入助燃氣體并調節所述助燃氣體的溫度；所述調節了溫度的助燃氣體和燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預設的溫度范圍內。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作階段包括燃料電池系統啟動階段，所述調節助燃氣體的溫度包括：將通入燃料電池堆的燃料氣體進行燃燒，該燃燒產生的熱量用來加熱通入燃料電池堆的助燃氣體；和/或者，開啟該燃料電池系統的加熱元件，使其加熱通入燃料電池堆的助燃氣體。3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，控制通入該燃料電池堆的燃料氣體的流速，使得燃燒產生的熱量逐漸增加；和/或者，控制該燃料電池系統的加熱元件，使得該加熱元件的加熱功率逐漸升高。4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作階段包括燃料電池系統工作階段，所述調節助燃氣體溫度包括：燃料電池堆進行化學反應放出的熱量和通入燃料電池堆的助燃氣體進行熱交換，使得通入的助燃氣體溫度升高，且降低燃料電池堆的溫度；檢測所述通入的助燃氣體的溫度，如果檢測到的溫度小于等于第一預設的溫度，則控制該燃料電池系統的加熱元件開啟或者加大對所述助燃氣體的加熱；如果檢測到的溫度大于第二預設溫度，則控制所述加熱元件關閉或者減少對所述助燃氣體的加熱。5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作階段包括燃料電池系統工作階段，所述調節助燃氣體溫度包括：燃料電池堆進行化學反應放出的熱量和通入燃料電池堆的助燃氣體進行熱交換，使得通入的助燃氣體溫度升高，且降低燃料電池堆的溫度；檢測所述通入的助燃氣體的溫度，如果檢測到的溫度小于等于第一預設的溫度，則增加通入該燃料電池系統的燃料氣體的流速，使得更多的燃料氣體能被燃燒而產生更多的熱量加熱通入燃料電池堆的助燃氣體；如果檢測到的溫度大于第二預設溫度，則減小通入該燃料電池系統的燃料氣體的流速，使得少的燃料氣體被燃燒而產生少的熱量加熱通入燃料電池堆的助燃氣體。6.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括：根據當前燃料電池堆所需提供的電功率，持續通入所述電功率對應流速的助燃氣體。7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作階段包括燃料電池系統停止工作階段，所述方法還包括降低通入該燃料電池堆的助燃氣體的溫度。8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述降低通入該燃料電池堆的助燃氣體的溫度包括：降低該燃料電池系統加熱元件對助燃氣體的加熱，直到加熱元件停止對助燃氣體的加熱；和/或者，減少通入的燃料氣體直到停止通入燃料氣體，使得燃燒燃料氣體產生熱量對通入助燃氣體的加熱逐漸降低。9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括，對該燃料電池堆通入惰性氣體。10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括，所述助燃氣體為空氣或氧氣。11.一種燃料電池系統的熱管理系統，該燃料電池系統包括燃料電池堆，其特征在于，該燃料電池堆系統還包括收容燃料電池堆的收容部，助燃氣體溫度調節裝置；該助燃氣體溫度調節裝置對通入燃料電池堆的助燃氣體的溫度進行調節；所述調節了溫度的助燃氣體...

【專利技術屬性】
技術研發人員：狄彼德，彥斯·貝肯，丁力·羅伯特，
申請(專利權)人：觀致汽車有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32