[发明专利]一种基于固态储氢的风冷燃料电池温控系统和控制方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于固态储氢的风冷燃料电池温控系统及控制方法，本发明通过增设空气加热模块，能够对燃料电池模块进行加热，解决了温度过低燃料电池模块无法运行的问题；并综合考虑和控制空气、空气加热模块、燃料电池模块和第二储氢装置相互之间的热传导的平衡，设置带有电动进气格栅、电动出气格栅的保温仓，控制第二储氢装置、燃料电池模块与保温仓外部空气的热交换，利用换热模块提高了第二储氢装置对燃料电池产生的热量的利用率，使整个系统的温度控制更加智能，热量利用率更高，整体集成技术方案突破了风冷燃料电池与固态储氢在低温环境下(‑40℃～0℃)工作的技术瓶颈，适用环境温度范围更大。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于固态储氢的风冷燃料电池温控系统和控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种可以在常温下快速启动的低噪音、环境友好、高效率的零排放发电装置，被誉为终极能源。质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、航空动力电源、车用动力电源、固定式电站等多领域的用电需要，是未来双碳要求下的重要能源技术路线。

燃料电池工作时，除了对外输出电能之外，同时会伴随着40-50％的热量产生。因此，按照冷却方式的不同，燃料电池可以分为液冷(包含水冷)和风冷两种方式。风冷型燃料电池是以氢气为燃料，少量空气中氧作为参与电化学反应的氧化剂，过量的空气用于冷却电堆，使其保持在一定的温度(不宜超过80℃)下工作。相对液冷燃料电池，风冷技术不需要复杂的空气压缩系统、冷却液循环及散热系统(冷却液箱、冷却液循环泵、冷却液管、散热片、风扇、空气增湿器及诸多传感器、电磁阀等)，使整个系统简单、易于操作与控制，具有广泛的应用前景，特别是在中小功率应用场景下具备诸多的优势。

目前，氢气的储运技术是燃料电池应用的主要瓶颈之一，氢能对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。从目前主要储氢材料与技术来看，有高压储氢、液体储氢、金属氢化物固态储氢、有机氢化物储氢及管道运输氢等。衡量储氢技术性能的主要参数是储氢体积密度、质量分数、充/放氢的可逆性、充/放氢速率、可循环使用寿命及安全性等。从技术可行性角度来说，金属氢化物固态储氢配套中小功率燃料电池的应用在未来大有可为。金属氢化物固态储氢是指在一定温度和氢气压力下能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的储氢技术。其工作的机理是氢分子首先吸附在金属表面，再解离成氢原子，然后再进入到金属的晶格中形成氢化物。只要控制一定的温度和压力，金属和氢气一接触就会发生反应。固态储氢的储氢量大、无污染、安全可靠、并且制备技术和工艺相对成熟，是目前应用最具潜力的技术路线。

针对风冷燃料电池与固态储氢的集成应用，目前在国内陆续出现，但是都集中在南方地区，产品的工作环境温度基本都在0℃以上，而在寒冷的北方(-40℃～0℃)没有相应的产品应用和示范推广。

中国专利文献CN113707903A(CN202110779503.3)公开了一种固态储氢为氢源的燃料电池系统，包括：燃料电池、第一储氢装置、第二储氢装置、供热模块以及换热模块。第一储氢装置包括氢气暂存罐和第一供氢管路，第一供氢管路一端与氢气暂存罐的出口连通，另一端与燃料电池的氢气进入口连通；第二储氢装置包括固态储氢罐、第二供氢管路和传热件；第二供氢管路一端与固态储氢罐的出口连通，另一端与第一供氢管路连通；传热件设置在固态储氢罐内；供热模块与燃料电池电性连接，并与传热件连通，供热模块能够向传热件提供热量；换热模块与燃料电池电性连接，设置于燃料电池与固态储氢罐之间，能够将燃料电池工作产生的废热提供给固态储氢罐加热升温供氢。本发明中的系统能够实现在较低温度下启动。

由于上述方案只考虑了系统启动初期燃料电池产生的热量无法满足固态储氢罐的需求，只是通过与燃料电池相连的供热模块实现固态储氢罐快速吸热放氢的需求，即只考虑了燃料电池的稳定供氢问题，并没有考虑如何保证系统启动初期空气温度满足燃料电池的工作温度需求，特别是没有考虑低温对燃料电池启动的影响，导致燃料电池系统只能适用于-20℃～0℃的低温环境，温度适应范围依然太窄。

发明内容