一种质子交换膜燃料电池热管理装置

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1.本发明涉及电池热管理技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池热管理装置。

背景技术：

2.随着燃料电池的发展，其中质子交换膜燃料电池具有高效、清洁、零排放等优点，具有广泛的应用前景。但质子交换膜燃料电池对温度要求较高。最佳工作温度通常在60-80℃；温度过高，容易导致膜脱水，影响电池寿命；温度过低，燃料电池的性能下降，因此需对燃料电池进行热管理。
3.在进行热管理过程中，散热均匀性一直是目前需要解决的问题，若散热不均，发电效率存在局部差异，将影响电池效率和寿命。目前的散热主要为空冷散热和水冷散热，其中空冷散热的效果不稳定，无法将燃料电池的温度准确控制在最佳温度区间；而目前的水冷散热，相比于空冷散热，具有高热转移能力，但目前采用的流道，流程过长，工质的进出口温差大，导致散热效果不均，使燃料电池的效率和耐久性劣化；
4.例如中国专利cn201910371186.4公开了一种电池散热装置，包括由多个单体电池构成的电池组本体，相邻单体电池之间设置有相变材料制备的相变冷却层；电池组本体下表面设置有连通冷却液入口的下冷却板，上表面设置有连通冷却液出口的上冷却板；下冷却板为中空结构，用于冷却液流动；冷液管上端连通上冷却板，下端连通下冷却板，本装置着重于对电池的整体温度降低，减少温差，提升温度的均匀性，但是无法针对电池温度进行一定范围的控制；
5.现有技术中也有用于质子交换膜燃料电池的热管理系统，例如中国专利cn201611130241.3公开了一种质子交换膜燃料电池热管理系统，包括：散热装置，燃料电池堆，所述单体电池与所述散热装置间隔叠设；连通所有所述散热装置的进液口的冷却液分配管；连通所有所述散热装置的出液口的冷却液集液管；用于供应冷却液并控制冷却液在所述散热装置中流动的控制系统，连接于所述散热装置；该装置通过对每个单体电池对应设置散热装置，可以快速将单体电池内部的热量导出，能够保证质子交换膜燃料电池在运行过程中处于合适的温度范围内，但是该装置需要控制系统对整个装置温度的感应和控制，而且散热装置需要在每个单体电池之间设置，整个装置结构复杂，成本高。
6.综上，现有质子交换膜燃料电池热管理的装置结构复杂，需要温度传感器等控制系统针对冷却液的温度、燃料电池的工作温度进行控制，导致结构复杂，管理成本增加。

技术实现要素：

7.本发明为克服以上技术问题，提供一种质子交换膜燃料电池热管理装置。
8.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种质子交换膜燃料电池热管理装置，包括冷却板和封闭板，所述冷却板开设有若干个冷却液流道，所述封闭板一侧与冷却板连接用于封闭冷却液流道，所述封闭板另一侧用于放置电池包；
9.所述冷却液流道包括冷却液入口和冷却液出口，所述冷却液入口外接冷却液源的出液端，所述冷却液出口安装有磁性温控阀门，所述磁性温控阀门的开闭程度随冷却液的温度改变。
10.燃料电池一般需要控制工作温度，度过高，容易导致膜脱水，影响电池寿命；温度过低，燃料电池的性能下降，其中质子交换膜燃料电池的最佳工作温度通常在60-80℃之间，也有会达到60-95℃的温度区间，对电池包进行热管理的装置需要对其冷却温度进行控制，根据工作温度的变化进行降温处理；本发明采用冷却板内布置冷却液流道，冷却液流道的冷却液入口用来连接冷却液源的出液端，冷却液源采用现有技术能够提供冷却后的冷却液的设备即可，冷却液进入冷却液流道进行对电池包的降温，封闭板防止冷却液外溢，对电池包造成污染，本发明在冷却液出口设置磁性温控阀门，磁性温控阀门则根据冷却液出口的冷却液温度调整其内部的开闭程度，从而控制冷却液的流量，控制冷却液对电池包的降温能力，防止工作温度降低太多，也能够有效的减少冷却液的浪费，从而起到自动控制的作用。
11.优选的，所述磁性温控阀门内固定设置有固定磁铁，所述磁性温控阀门内活动设置有活动磁铁，所述固定磁铁和活动磁铁的磁性均与温度成反比，所述固定磁铁和活动磁铁配合用于控制磁性温控阀门的开闭程度。固定磁铁和活动磁铁的磁性与冷却液温度成负反馈。
12.优选的，所述磁性温控阀门包括外壳，所述外壳两端分别连通冷却液出口和外部，所述外壳内中空形成冷却液通路；
13.所述固定磁铁固定在冷却液通路下方的外壳内，所述外壳上部设有装配壳，所述装配壳内设置有与冷却液通路适配的封堵板，所述封堵板通过第一弹簧与装配壳内壁活动连接，所述活动磁铁安装在封堵板内。外壳、装配壳和封堵板采用铝或者铜等对磁铁之间吸引力无影响的材料。
14.优选的，所述封堵板包括互相连接的方形板和圆弧板，所述活动磁铁位于方形板和圆弧板之间，所述固定磁铁呈圆弧型安装在外壳内。
15.优选的，所述固定磁铁和活动磁铁材质均为烧结钕铁硼。
16.优选的，所述冷却液流道之间并联布置，所述冷却液流道呈s型布置。所述冷却液流道沿冷却液入口至冷却液出口的方向上排布由疏到密；若出口处温度较高，入口处温度低，流道均衡排布会导致出口处的散热量减少，散热不均衡；因此，将冷却液流道越靠近冷却液出口的位置排布的越密集，即冷却液流道可以根据流程增加而布置的更加密集，从而减少温差对各部位冷却量的影响。
17.优选的，所述冷却液入口和冷却液出口分别设置在冷却板的两端；也可以设置在同一端。
18.优选的，所述冷却板和封闭板均设置有两个，两个封闭板相对布置用于放置电池包，所述冷却板之间通过连接部连接用于将封闭板贴紧电池包；根据需要可以采用相对设置的冷却板形成一个框架，结合连接部使得电池包被紧密贴合，提高散热的接触面积，有利于散热效率的提升，也方便固定电池包的位置。
19.优选的，所述连接部包括固定角和连接杆，所述固定角安装在连接杆的两端，所述固定角内部开设有凹槽，所述冷却板和封闭板的角部均卡接在凹槽内；方便放置连接，不影
响冷却板的结构，维修拆卸也不会损伤冷却板。
20.优选的，所述连接杆中部安装有弹性部，所述弹性部包括内套筒和外套筒，所述外套筒活动套设在内套筒外部，所述内套筒内部设置有第二弹簧，所述第二弹簧一端与内套筒内壁连接、另一端与外套筒内壁连接。起到固定作用，一定外力碰撞下，也能够进行减震。
21.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
22.(1)通过采用随温度上升磁性下降的磁性材料，作为磁性温控阀门的开闭程度的控制结构，能够根据冷却液流出温度来进行冷却液流量的控制，从而形成电池包工作温度、冷却液出口温度、阀门开启程度的联动关系，从而能够自动控制进行电池热管理，减少了冷却液的浪费并使电池能够稳定在最佳温度区间内运行；
23.(2)通过设置并联冷却液流道和从冷却液入口至出口方向由疏到密的流道，削弱进出口温差对燃料电池散热效果的影响，平衡电池各处散热量，防止因散热效果不均而导致局部发电效率存在差异，影响电池寿命。
24.(3)设置连接部结合两个冷却板贴合电池包，更加高效；有利于固定电池包位置，弹性部受到外力时起到减震作用。
附图说明
25.图1为本发明结构示意图；
26.图2为本发明冷却板结构示意图；
27.图3为本发明磁性温控阀门结构示意图；
28.图4为本发明磁性温控阀门剖面结构示意图；
29.图5为本发明磁性温控阀门去除装配壳结构示意图；
30.图6为本发明连接部结构示意图；
31.图7为本发明连接部剖面结构示意图；
32.图8为本发明另一方向结构示意图；
33.其中：1、冷却板；2、冷却液流道；3、磁性温控阀门；4、连接部；5、弹性部；101、封闭板；201、冷却液入口；202、冷却液出口；301、固定磁铁；302、活动磁铁；303、外壳；304、冷却液通路；305、装配壳；306、封堵板；3061、方形板；3062、圆弧板；307、第一弹簧；401、固定角；4011、凹槽；402、连接杆；501、内套筒；502、外套筒；503、第二弹簧。
具体实施方式
34.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通
过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
35.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
36.实施例1：
37.如图1-8所示，一种质子交换膜燃料电池热管理装置，参考图1和图2，一种质子交换膜燃料电池热管理装置，包括冷却板1和封闭板101，冷却板1开设有若干个冷却液流道2，封闭板101一侧与冷却板1连接用于封闭冷却液流道2，封闭板101另一侧用于放置电池包；
38.冷却液流道2包括冷却液入口201和冷却液出口202，冷却液入口201外接冷却液源的出液端，冷却液出口202安装有磁性温控阀门3，磁性温控阀门3的开闭程度随冷却液的温度改变。
39.燃料电池一般需要控制工作温度，度过高，容易导致膜脱水，影响电池寿命；温度过低，燃料电池的性能下降，其中质子交换膜燃料电池的最佳工作温度通常在60-80℃之间，也有会达到60-95℃的温度区间，对电池包进行热管理的装置需要对其冷却温度进行控制，根据工作温度的变化进行降温处理；本发明采用冷却板1内布置冷却液流道2，冷却液流道2的冷却液入口201用来连接冷却液源的出液端，冷却液源采用现有技术能够提供冷却后的冷却液的设备即可，冷却液进入冷却液流道2进行对电池包的降温，封闭板101防止冷却液外溢，对电池包造成污染，本发明在冷却液出口202设置磁性温控阀门3，磁性温控阀门3则根据冷却液出口202的冷却液温度调整其内部的开闭程度，从而控制冷却液的流量，控制冷却液对电池包的降温能力，防止工作温度降低太多，也能够有效的减少冷却液的浪费，从而起到自动控制的作用。
40.在具体实施过程中，将冷却液源的出液端接入冷却液入口201，电池包放置在封闭板101上，冷却液会在冷却液流道2内流动，从而对电池包进行降温；当电池包刚启动时温度较低，此时冷却液从冷却液出口202流出时，温度较低，此时磁性温控阀门3的闭合程度提高，减少冷却液出口202的流量，使得冷却液流道2内流动的冷却液流量降低，减少冷却液的浪费，防止电池包的温度降至工作温度以下，当电池包工作一定时间后，散热量提高，冷却液吸收电池包散发的热量后会升温，此时冷却液出口202的温度会升高，此时磁性温控阀门3的闭合程度降低，使得磁性温控阀门3开大，增加冷却液出口202的水流量，使得冷却液流道2内流动的冷却液流量提高，从而增大散热量，防止燃料电池温度过高影响发电效率和电池寿命。
41.实施例2：
42.在实施例1的基础上，参考图3-5，磁性温控阀门3内固定设置有固定磁铁301，磁性温控阀门3内活动设置有活动磁铁302，固定磁铁301和活动磁铁302的磁性均与温度成反比，固定磁铁301和活动磁铁302配合用于控制磁性温控阀门3的开闭程度。
43.在具体实施过程中，常态下，固定磁铁301和活动磁铁302相互吸引，使得之间的距离较近，使磁性温控阀门3处于闭合程度较高的状态，将冷却液源的出液端接入冷却液入口201，电池包放置在封闭板101上，冷却液会在冷却液流道2内流动，从而对电池包进行降温；当电池包刚启动时温度较低，此时冷却液流至冷却液出口202时，温度较低，此时固定磁铁301和活动磁铁302的磁性较强，此时磁性温控阀门3的闭合程度高，冷却液出口202的流量
小，使得冷却液流道2内流动的冷却液流量降低，减少冷却液的浪费，防止电池包的温度降至工作温度以下；当电池包工作一定时间后，散热量提高，冷却液吸收电池包散发的热量后会升温，此时冷却液出口202的温度会升高，固定磁铁301和活动磁铁302的磁性较低，此时磁性温控阀门3的开启程度高，冷却液出口202的流量增大，使得冷却液流道2内流动的冷却液流量提高，从而增大散热量，防止燃料电池温度过高影响发电效率和电池寿命。
44.更进一步地实施例中，磁性温控阀门3包括外壳303，外壳303两端分别连通冷却液出口202和外部，外壳303内中空形成冷却液通路304；固定磁铁301固定在冷却液通路304下方的外壳303内，外壳303上部设有装配壳305，装配壳305内设置有与冷却液通路304适配的封堵板306，封堵板306通过第一弹簧307与装配壳305内壁活动连接，活动磁铁302安装在封堵板306内。
45.固定磁铁301固定在冷却液通路304下方的外壳303内，位置固定；活动磁铁302安装在封堵板306内，封堵板306通过第一弹簧307与装配壳306活动连接，固定磁铁301和活动磁铁302位于冷却液通路304的上下方，通过之间的吸引力调节封堵板306距离外壳303内底部的距离，从而控制冷却液通路304的开启程度；
46.当电池包刚启动时温度较低，此时冷却液流至冷却液出口202时，温度较低，此时固定磁铁301和活动磁铁302的磁性较强，活动磁铁302和固定磁铁301之间的吸引力较大，会带动封堵板306克服第一弹簧307的弹力向固定磁铁301的方向移动，第一弹簧307被拉伸，使得冷却液通路304横截面积减小，此时磁性温控阀门3的闭合程度高，冷却液出口202的流量小，使得冷却液流道2内流动的冷却液流量降低；
47.当电池包工作一定时间后，散热量提高，冷却液吸收电池包散发的热量后会升温，此时冷却液出口202的温度会升高，固定磁铁301和活动磁铁302的磁性较低，之间的吸引力减小，封堵板306在第一弹簧307的回弹力作用下远离固定磁铁301的方向，使得冷却液通路304横截面积增大，此时磁性温控阀门3的开启程度高，冷却液出口202的流量增大，使得冷却液流道2内流动的冷却液流量提高。
48.更进一步地实施例中，封堵板306包括互相连接的方形板3061和圆弧板3062，活动磁铁302位于方形板3061和圆弧板3062之间，固定磁铁301呈圆弧型安装在外壳303内。
49.封堵板306的圆弧板3062更匹配冷却液通路304的通常布置，方形板3061方便控制移动方向，防止出现偏差，活动磁铁302设置在方形板3061和圆弧板3062之间，避免直接接触，防止出现难以分开的情况；而且可以根据磁铁的磁性材料来调整活动磁铁302距离固定磁铁301的距离，保证其开闭程度随温度变化准确，达到调控效果。
50.更进一步地实施例中，固定磁铁301和活动磁铁302材质均为烧结钕铁硼；磁性材料的工作温度不低于80℃；
51.也可以采用其他磁性材料，不同尺寸磁性材料的变化率不同，即当磁性材料的温度变化量不大时，尺寸越小的磁性材料变化率越大，对温度的变化较为敏感，因此可根据具体所需温度范围来调整磁性材料的尺寸。
52.实施例3：
53.在实施例1的基础上，参考图2，冷却液流道2之间并联布置，冷却液流道2呈s型布置。
54.冷却液流道2采用并联设置，可以有效减小流程，使进出口温差减小，使冷却板1散
热效果更平均；
55.冷却液流道2采用s型布局，随流程增加而逐渐密集，从而进一步削弱进出口温差对电池包散热效果的影响；
56.更进一步地实施例中，冷却液入口201和冷却液出口202分别设置在冷却板1的两端，方便连接不同的设备，冷却液出口202可以连接储液池，方便收集冷却液；冷却液入口201也可以连接一个管道，方便对接冷却液源的出液端设备接口。
57.实施例4：
58.在前述实施例的基础上，冷却板1和封闭板101均设置有两个，两个封闭板101相对布置用于放置电池包，冷却板1之间通过连接部4连接用于将封闭板101贴紧电池包。
59.电池包两侧均设置冷却板1和封闭板101可以更高效的对电池包进行热管理，通过连接部可以使得与电池包的接触更充分，防止位置活动。
60.更进一步地实施例中，参考图6-7，连接部4包括固定角401和连接杆402，固定角401安装在连接杆402的两端，固定角401内部开设有凹槽4011，冷却板1和封闭板101的角部均卡接在凹槽4011内。
61.将冷却板1和封闭板101卡接进凹槽4011内，通过对冷却板1和封闭板101的角部进行连接，更加稳固，而且需要拆卸时也方便。
62.更进一步地实施例中，连接杆402中部安装有弹性部5，弹性部5包括内套筒501和外套筒502，外套筒502活动套设在内套筒501外部，内套筒501内部设置有第二弹簧503，第二弹簧503一端与内套筒5 01内壁连接、另一端与外套筒502内壁连接。
63.第二弹簧503设置在内部进行保护，防止弹簧受外力作用而变形失效；外套筒502和内套筒501通过第二弹簧503滑动连接，不仅使得对燃料包的夹紧效果更好，还可以在外力接触的时候，起到一定的减震效果，更好地保护电池包。
64.实施例5：
65.在前述实施例的基础上，固定磁铁301和活动磁铁302的磁性材料选用烧结钕铁硼n30，封闭板102采用铜板，外壳303、装配壳305、封堵板306采用铝制成；
66.其工作温度就是80℃以下；冷却液通路304的内径为20mm，冷却液源的冷却液出液温度为25℃，即从冷却液入口201流入的冷却液温度为25℃；
67.冷却液出口202的冷却液温度为25℃时，封堵板306与固定磁铁301处的外壳303内壁接触，此时冷却液通路304关闭，冷却液停留在冷却液流道2内对电池包进行降温；
68.当冷却液吸收电池包散发的热量后，冷却液出口202的冷却液温度上升至35℃时，固定磁铁301和活动磁铁302的磁性随温度上升而下降，封堵板306在弹力的作用下远离固定磁铁301移动，冷却液通路304的一半路径被打开，冷却液开始流出至外部，冷却液入口201不断流入冷却液流道2；
69.当冷却液出口202的冷却液温度上升至40℃时，固定磁铁301和活动磁铁302的磁性进一步下降，封堵板306在弹力的作用下进一步远离固定磁铁301移动，冷却液通路304路径被完全打开，冷却液流量增大，冷却液入口201流入冷却液流道2的流量更大，提高吸热能力，为电池包降温。
70.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可
以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：

1.一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：包括冷却板(1)和封闭板(101)，所述冷却板(1)开设有若干个冷却液流道(2)，所述封闭板(101)一侧与冷却板(1)连接用于封闭冷却液流道(2)，所述封闭板(101)另一侧用于放置电池包；所述冷却液流道(2)包括冷却液入口(201)和冷却液出口(202)，所述冷却液入口(201)外接冷却液源的出液端，所述冷却液出口(202)安装有磁性温控阀门(3)，所述磁性温控阀门(3)的开闭程度随冷却液的温度改变。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述磁性温控阀门(3)内固定设置有固定磁铁(301)，所述磁性温控阀门(3)内活动设置有活动磁铁(302)，所述固定磁铁(301)和活动磁铁(302)的磁性均与温度成反比，所述固定磁铁(301)和活动磁铁(302)配合用于控制磁性温控阀门(3)的开闭程度。3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述磁性温控阀门(3)包括外壳(303)，所述外壳(303)两端分别连通冷却液出口(202)和外部，所述外壳(303)内中空形成冷却液通路(304)；所述固定磁铁(301)固定在冷却液通路(304)下方的外壳(303)内，所述外壳(303)上部设有装配壳(305)，所述装配壳(305)内设置有与冷却液通路(304)适配的封堵板(306)，所述封堵板(306)通过第一弹簧(307)与装配壳(305)内壁活动连接，所述活动磁铁(302)安装在封堵板(306)内。4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述封堵板(306)包括互相连接的方形板(3061)和圆弧板(3062)，所述活动磁铁(302)位于方形板(3061)和圆弧板(3062)之间，所述固定磁铁(301)呈圆弧型安装在外壳(303)内。5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述固定磁铁(301)和活动磁铁(302)材质均为烧结钕铁硼。6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述冷却液流道(2)之间并联布置，所述冷却液流道(2)呈s型布置，所述冷却液流道(2)沿冷却液入口(201)至冷却液出口(202)的方向上排布由疏到密。7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述冷却液入口(201)和冷却液出口(202)分别设置在冷却板(1)的两端。8.根据权利要求1-7任一所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述冷却板(1)和封闭板(101)均设置有两个，两个封闭板(101)相对布置用于放置电池包，所述冷却板(1)之间通过连接部(4)连接用于将封闭板(101)贴紧电池包。9.根据权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述连接部(4)包括固定角(401)和连接杆(402)，所述固定角(401)安装在连接杆(402)的两端，所述固定角(401)内部开设有凹槽(4011)，所述冷却板(1)和封闭板(101)的角部均卡接在凹槽(4011)内。10.根据权利要求9所述的一种质子交换膜燃料电池热管理装置，其特征在于：所述连接杆(402)中部安装有弹性部(5)，所述弹性部(5)包括内套筒(501)和外套筒(502)，所述外套筒(502)活动套设在内套筒(501)外部，所述内套筒(501)内部设置有第二弹簧(503)，所述第二弹簧(503)一端与内套筒(501)内壁连接、另一端与外套筒(502)内壁连接。

技术总结

本发明提供一种质子交换膜燃料电池热管理装置，属于电池热管理技术领域，包括冷却板和封闭板，冷却板开设有若干个冷却液流道，封闭板一侧与冷却板连接用于封闭冷却液流道，封闭板另一侧用于放置电池包；冷却液入口外接冷却液源的出液端，冷却液出口安装有磁性温控阀门，磁性温控阀门的开闭程度随冷却液的温度改变；通过采用随温度上升磁性下降的磁性材料，作为磁性温控阀门的开闭程度的控制结构，能够根据冷却液流出温度来进行冷却液流量的控制，从而形成电池包工作温度、冷却液出口温度、阀门开启程度的联动关系，从而能够自动控制进行电池热管理，减少了冷却液的浪费并使电池能够稳定在最佳温度区间内运行。稳定在最佳温度区间内运行。稳定在最佳温度区间内运行。