燃料电池热管理系统及关键部件研究

燃料电池作为清洁能源重点发展方向之一,近年得到了国家大力的政策支持,在车辆、船舶、便携设备、电气等领域应用前景广阔。实验表明,温度对燃料电池的性能及使用寿命具有重要影响。因此,配备控制精确且响应迅速的热管理系统对燃料电池十分重要。本文研究针对于国内某高温甲醇重整燃料电池5kW单电池模块。为提升其性能,缩短开机预热时间与关机冷却时间,尽可能减少系统本身能源损耗,并减少热管理系统重量和体积,进行了适用于高温甲醇燃料电池模块的智能热管理系统研发制造及测试,论文主要内容及创新成果如下:分析了温度对于高温甲醇燃料电池性能的影响以及电池温度控制要求,针对此电池模块进行了智能热管理系统的整体方案设计,包括:热管理控制策略设计、冷却系统循环回路设计、冷却系统换热器结构设计、焊接工艺设计等,并进行了样件的试制和装机实测。提出了一种基于简化拟合方程的控制算法,将复杂的热管理系统数学模型简化,将冷却系统中电子风扇、循环水泵等部件的控制函数基于经验数据采用简化函数进行拟合,并利用搭建的MATLAB/Simulink燃料电池热管理系统模型进行仿真验证,经循环修正后输出的控制函数计算简单,控制温度精度达到系统设计要求,可应用于工程实际。对该燃料电池冷却系统进行了改进设计,将原肋板式换热器替换为紧凑板翅式换热器并集成PTC电加热功能。对换热器结构、尺寸参数、翅片参数等进行了设计选型,并进行了传热设计计算、校核计算和阻力计算。对所设计换热器的焊接工艺进行了设计分析,基于SYSWELD对换热器上薄壁铝合金管的焊接工艺问题进行了焊接仿真和工艺参数优化,确定了较优的焊接参数范围,为今后大批量生产的工艺制定问题提供了理论依据。为验证本文所设计的热管理系统的实用性,进行了热管理系统样件试制和电池单模块装机试验。试验结果表明,此系统成功将电池预热时间缩短20%,稳定工况下冷却介质温度误差保持在±2℃以内,介质进出口温差±10℃左右,达到了系统设计要求,证明了所设计的热管理系统的可行性。