本發(fā)明屬于燃料電池?zé)峁芾砗屠鋯蛹夹g(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，傳統(tǒng)化石能源日趨枯竭，且由于化石能源的大規(guī)模消耗造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，從而急需一種環(huán)境友好的新能源。氫能是一種潔凈新能源，質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，能夠?qū)錃庵械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，在發(fā)電過程中只排出水，是一種利用氫能的零排放發(fā)電裝置。該燃料電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于固定式電站、便攜式電源、汽車驅(qū)動電源等領(lǐng)域。

目前，廣泛應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池中的關(guān)鍵材料之一是基于全氟磺酸膜的質(zhì)子交換膜。該膜材料需在水存在的條件下發(fā)揮質(zhì)子傳導(dǎo)的特性，這限制了質(zhì)子交換膜燃料電池僅能在100℃以下運(yùn)行，從而使得燃料電池系統(tǒng)需要熱管理。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)在低于0℃條件下啟動時，由于發(fā)電過程中生成的水會迅速結(jié)冰，造成膜電極被不同程度破壞，從而較大程度上縮短燃料電池的使用壽命，這就需要燃料電池在停止工作期間保持一定的溫度，也就是需要冷啟動系統(tǒng)。綜合上述熱管理和冷啟動，在設(shè)計(jì)燃料電池的輔助系統(tǒng)時，需要一整套較為復(fù)雜的熱管理和冷啟動系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統(tǒng)。

一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統(tǒng)，其為，冷卻液箱3分為上部的保溫區(qū)31和下部的散熱區(qū)32；在冷卻液箱3內(nèi)裝有懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系，所述懸浮/漂浮相變膠囊的密度與冷卻液的密度相當(dāng)，使其能夠懸浮于冷卻液中，吸熱后密度降低，使其能夠漂浮于冷卻液表面而進(jìn)入保溫區(qū)；冷卻液箱3的冷卻液出口經(jīng)液泵2連接至燃料電池堆1中的冷卻液進(jìn)口，燃料電池堆1中的冷卻液出口連接至冷卻液箱3的冷卻液進(jìn)口，形成冷卻液的閉合循環(huán)回路；在冷卻液箱3的冷卻液出口設(shè)有金屬篩6，所述金屬篩6的孔徑小于懸浮/漂浮相變膠囊的粒徑。

一種實(shí)施方式中，本系統(tǒng)還設(shè)有散熱風(fēng)扇5用于對散熱區(qū)32中的冷卻液進(jìn)行散熱。

一種實(shí)施方式中，所述懸浮/漂浮相變膠囊以固液相變材料和氣液相變材料作為膠囊的芯材。

一種實(shí)施方式中，所述固液相變材料采用石蠟；所述氣液相變材料采用低沸點(diǎn)易揮發(fā)的醇類，包括甲醇和/或乙醇；所述懸浮/漂浮相變膠囊的囊壁膜采用彈性膜，包括聚乙烯膜或聚丙烯膜。

一種實(shí)施方式中，所述懸浮/漂浮相變膠囊的平均密度為0.8～1.1g/cm³。

一種實(shí)施方式中，所述懸浮/漂浮相變膠囊的粒徑為1～10mm；選用的懸浮/漂浮相變膠囊粒徑相當(dāng)，或?yàn)椴煌降幕旌稀腋?漂浮相變膠囊形狀可以為半球形、球形，但不限于某種特定外形。

一種實(shí)施方式中，所述冷卻液采用醇/水混合液，所述醇選自甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇、丙三醇中的一種或幾種；通過調(diào)節(jié)醇/水比例，使得醇/水混合液的密度與所述懸浮/漂浮相變膠囊的密度相當(dāng)。

一種實(shí)施方式中，所述懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系的制備方法包括如下步驟：

1)分別制備固液相變材料、氣液相變材料和囊壁膜；

2)囊壁膜包覆固液相變材料和氣液相變材料，制備懸浮/漂浮相變膠囊；

3)調(diào)配醇/水混合液，通過調(diào)節(jié)醇和水之間的比例，獲得與懸浮/漂浮相變膠囊材料密度相當(dāng)?shù)拇?水混合液體作為冷卻液；

4)將步驟2)制得的懸浮/漂浮相變膠囊和步驟3)制得的冷卻液混合，使懸浮/漂浮相變膠囊材料懸浮分散在冷卻液中。

一種實(shí)施方式中，相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統(tǒng)的應(yīng)用在于：

懸浮/漂浮相變膠囊材料吸熱前懸浮分散在冷卻液中；

燃料電池堆1處于工作狀態(tài)時，使用液泵2驅(qū)動，將冷卻液部分循環(huán)于燃料電池堆1中的冷卻液流場中，在冷卻液箱3中的懸浮/漂浮相變膠囊吸收冷卻液的熱量分別發(fā)生固-液相變和液-氣相變，從而實(shí)現(xiàn)冷卻液與燃料電池堆1循環(huán)發(fā)生熱交換，其中氣液相變材料從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w使得懸浮/漂浮相變膠囊膨脹而密度降低，從而使冷卻液中的懸浮/漂浮相變膠囊從懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠顟B(tài)，漂浮的懸浮/漂浮相變膠囊在保溫區(qū)31中進(jìn)行保溫，同時便于冷卻液在散熱區(qū)32的良好散熱；

燃料電池堆1處于停止?fàn)顟B(tài)時，懸浮/漂浮相變膠囊貯存的相變潛熱緩慢釋放，加熱冷卻液，使冷卻液對燃料電池堆1進(jìn)行保溫；

懸浮/漂浮相變膠囊放熱后發(fā)生氣-液相變而密度增大，從而使得懸浮/漂浮相變膠囊重新回到冷卻液中，在燃料電池堆1工作時繼續(xù)吸熱。

本發(fā)明所提供的含有懸浮/漂浮相變膠囊的燃料電池?zé)峁芾砗屠鋯酉到y(tǒng)，是利用固液相變材料和氣液相變材料能夠貯存大量相變潛熱的特點(diǎn)，通過點(diǎn)膠機(jī)注入法將固液相變材料和氣液相變材料注入具有彈性的囊壁膜中制備成膠囊，并通過調(diào)配與之密度相同的醇/水混合液作為冷卻液，實(shí)現(xiàn)使懸浮/漂浮相變膠囊在其中可以發(fā)生懸浮和漂浮狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)變的冷卻液。在冷卻液中的懸浮/漂浮相變膠囊貯存燃料電池堆工作時產(chǎn)生的大量的熱量，這樣一方面存儲了熱量，另一方面也減小了散熱風(fēng)扇的能量消耗，同時在燃料電池堆停止運(yùn)行期間也可緩慢釋放所貯存的相變潛熱而給燃料電池堆進(jìn)行保溫，大大延長燃料電池堆的降溫時間，簡化冷啟動系統(tǒng)或減少維持燃料電池堆溫度所消耗的能量，從而提高燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

本發(fā)明在已有水作為冷卻液的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)基礎(chǔ)之上，混合懸浮/漂浮相變膠囊材料即可實(shí)現(xiàn)貯存大量相變潛熱，同時提高燃料電池的散熱效果，降低了燃料電池輔助系統(tǒng)內(nèi)部功耗，達(dá)到了提高系統(tǒng)能量效率的目的。

附圖說明

圖1為凹面模具示意圖。

圖2為凸面模具示意圖。

圖3為熱封模具示意圖。

圖4為實(shí)施方式中用于燃料電池的相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

標(biāo)號說明：1-燃料電池堆；2-液泵；3-冷卻液箱；31-保溫區(qū)；32-散熱區(qū)；4-閥門；5-散熱風(fēng)扇；6-金屬篩。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

本發(fā)明涉及一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統(tǒng)。如圖4所示，冷卻液箱3分為上下兩部分，上部分為保溫區(qū)31，下部分為散熱區(qū)32；在冷卻液箱3內(nèi)裝有懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系，所述懸浮/漂浮相變膠囊的密度與冷卻液的密度相當(dāng)，使其能夠懸浮于冷卻液中，吸熱后密度降低，使其能夠漂浮于冷卻液表面而進(jìn)入保溫區(qū)31進(jìn)行保溫；冷卻液箱3的冷卻液出口經(jīng)液泵2連接至燃料電池堆1中的冷卻液進(jìn)口，燃料電池堆1中的冷卻液出口連接至冷卻液箱3的冷卻液進(jìn)口，形成冷卻液的閉合循環(huán)回路；在冷卻液箱3的冷卻液出口設(shè)有金屬篩6，所述金屬篩6的孔徑小于懸浮/漂浮相變膠囊的粒徑。本系統(tǒng)旨在通過使用懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系與燃料電池堆1進(jìn)行熱交換，當(dāng)燃料電池工作時通過懸浮/漂浮相變膠囊吸收大量的熱量使冷卻液為燃料電池堆1循環(huán)降溫，并存儲熱量，當(dāng)燃料電池停止運(yùn)行時懸浮/漂浮相變膠囊釋放相變潛熱為燃料電池堆1保溫，縮短燃料電池冷啟動時的預(yù)熱時間，從而同時達(dá)到為燃料電池降溫和保溫的作用，優(yōu)化燃料電池的熱管理系統(tǒng)，提高燃料電池冷啟動的速度。

首先，制備密度可調(diào)節(jié)的懸浮/漂浮相變膠囊，使用固液相變材料和氣液相變材料作為膠囊的芯材，通過調(diào)節(jié)膠囊材料和相變材料的選型及其含量得到具有特定密度的懸浮/漂浮相變膠囊；其次，調(diào)配醇/水混合液，通過調(diào)節(jié)醇和水之間的比例，獲得與懸浮/漂浮相變膠囊的密度相當(dāng)?shù)拇?水混合液體作為冷卻液；第三，將一定量的上述懸浮/漂浮相變膠囊分散在醇/水冷卻液中，使懸浮/漂浮相變膠囊材料懸浮分散在冷卻液中，得到懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系；第四，將一定量上述懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系置于一定體積的冷卻液箱3中；最后，使用液泵2驅(qū)動，將冷卻液部分循環(huán)于燃料電池堆1中的冷卻液流場中，從而實(shí)現(xiàn)該冷卻液與工作中或停止運(yùn)行中的燃料電池堆1發(fā)生熱交換。燃料電池堆1處于工作狀態(tài)時，冷卻液部分循環(huán)于燃料電池堆1和冷卻液箱3中，在冷卻液箱3中的懸浮/漂浮相變膠囊吸收冷卻液的熱量分別發(fā)生固-液相變和液-氣相變，利用相變材料的相變潛熱，吸收并貯存大量的熱量，同時實(shí)現(xiàn)冷卻液與燃料電池堆1循環(huán)發(fā)生熱交換。其中氣液相變材料從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w使得膠囊膨脹而密度降低，從而使冷卻液中的懸浮/漂浮相變膠囊從懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠顟B(tài)，漂浮的懸浮/漂浮相變膠囊在保溫區(qū)31中進(jìn)行保溫，同時便于冷卻液在散熱區(qū)32的良好散熱，還可以進(jìn)一步選用散熱風(fēng)扇5促進(jìn)散熱區(qū)32中冷卻液的散熱。燃料電池堆1處于停止?fàn)顟B(tài)時，懸浮/漂浮相變膠囊貯存的相變潛熱緩慢釋放，加熱冷卻液，使冷卻液對燃料電池堆1進(jìn)行保溫。漂浮的懸浮/漂浮相變膠囊放熱后發(fā)生氣-液相變而密度增大，從而使得懸浮/漂浮相變膠囊重新回到冷卻液中繼續(xù)吸熱，實(shí)現(xiàn)懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系與燃料電池堆1進(jìn)行充分熱交換。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)制備密度可調(diào)節(jié)的懸浮/漂浮相變膠囊，實(shí)現(xiàn)懸浮/漂浮相變膠囊在冷卻液中發(fā)生懸浮和漂浮的狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)變。一方面貯存大量熱量并提高散熱效果，懸浮/漂浮相變膠囊吸收了大量的熱量，從而減少了用于給冷卻液降溫的散熱風(fēng)扇5的功耗，節(jié)省了燃料電池輔助系統(tǒng)的內(nèi)部能量消耗。當(dāng)燃料電池堆1處于停止?fàn)顟B(tài)時，尤其是在環(huán)境溫度低于0℃(甚至-30℃)時，需要燃料電池堆1在冷啟動時的溫度維持在0℃以上，已有技術(shù)之一是通過燃料電池微放電產(chǎn)生熱或通過電加熱來維持一定的溫度，而本發(fā)明中通過懸浮/漂浮相變膠囊貯存了大量的相變潛熱，在燃料電池堆1停止工作期間，可以緩慢釋放貯存的熱量，對燃料電池堆1進(jìn)行保溫，大大延長燃料電池堆1降溫的時間，從而減少維持燃料電池溫度的冷啟動系統(tǒng)內(nèi)部功耗。另一方面利用冷卻液箱3上層的保溫區(qū)31的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)漂浮狀態(tài)的懸浮/漂浮相變膠囊保溫效果的提高。這種設(shè)計(jì)相對于相變材料靜止或始終浸泡于冷卻液中的熱管系統(tǒng)還能夠進(jìn)一步提高冷卻液的散熱效率。因?yàn)槿粝嘧儾牧鲜冀K處于與冷卻液接觸的狀態(tài)，吸熱達(dá)到飽和的相變材料在冷卻液中相當(dāng)于熱源，會影響液體的降溫過程，從而影響冷卻液對處于工作狀態(tài)的燃料電池堆1的降溫效果。

綜上所述，使用本發(fā)明提供的含有懸浮/漂浮相變膠囊的燃料電池?zé)峁芾砗屠鋯酉到y(tǒng)，可以同時減少燃料電池運(yùn)行和停止時的內(nèi)部熱管理和冷啟動系統(tǒng)消耗，從而提高燃料電池系統(tǒng)的整體能量效率。

以下通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明。

實(shí)施例1：

1.將1000g石蠟加熱熔融后得到石蠟固液相變材料，待用；

2.取500ml乙醇作為氣液相變材料，待用；

3.以聚乙烯為材料，使用制膜機(jī)制備聚乙烯膜材料若干，聚乙烯膜厚度為120μm，備用；

4.將步驟3制得的聚乙烯膜放在凹面模具表面，半球形凹面直徑2.1mm，如圖1所示；

5.將凸面模具倒置在置有聚乙烯膜的凹面模具表面，半球形凸面直徑2mm，如圖2所示，將聚乙烯膜壓出半球形凹形槽；

6.將步驟1和步驟2的相變材料用點(diǎn)膠機(jī)逐個點(diǎn)膠注入至步驟5得到的半球形凹形槽內(nèi)，每個半球形凹形槽中加入石蠟質(zhì)量為1.2mg，乙醇0.3μL；

7.將步驟3制得的另一平整的聚乙烯膜放置在步驟6含有相變材料的聚乙烯膜表面，使用熱封模具(如圖3所示)在100℃下熱封；

8.將完成熱封的含有相變材料的聚乙烯膜裁剪，即獲得密度可調(diào)節(jié)的懸浮/漂浮相變膠囊；

9.重復(fù)步驟4至步驟8，制備1Kg該懸浮/漂浮相變膠囊；

10.配備乙醇:水＝2:3體積比的醇/水混合液，作為冷卻液；

11.將1Kg步驟9得到的懸浮/漂浮相變膠囊與20L步驟10所配備的冷卻液攪拌混合，使懸浮/漂浮相變膠囊材料懸浮分散在冷卻液中，制備成懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系；

12.將步驟11中的懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系轉(zhuǎn)移到體積為35L的冷卻液箱中；冷卻液箱由上下材質(zhì)不同的兩部分組成，上半部分冷卻液箱為保溫區(qū)，由隔熱保暖材料構(gòu)成；而下半部分為散熱區(qū)，由導(dǎo)熱良好的金屬板材構(gòu)成以保證良好散熱；

13.采用液泵驅(qū)動冷卻液部分循環(huán)于質(zhì)子交換膜燃料電池的冷卻液流場板中，實(shí)現(xiàn)熱交換。在冷卻液箱的冷卻液出口端放置小于懸浮/漂浮相變膠囊直徑的金屬篩，防止懸浮/漂浮相變膠囊進(jìn)入液泵。

實(shí)施例2：

1.將2Kg石蠟加熱熔融后得到石蠟固液相變材料，待用；

2.取1L甲醇作為氣液相變材料，待用；

3.以聚丙烯為材料，使用制膜機(jī)制備聚丙烯膜材料若干，聚丙烯膜厚度100μm，備用；

4.將步驟3制得的聚丙烯膜放在凹面模具表面，半球形凹面直徑4.1mm，如圖1所示；

5.將凸面模具倒置在置有聚丙烯膜的凹面模具表面，半球形凸面直徑4mm，如圖2所示，將聚丙烯膜壓出半球形凹形槽；

6.將步驟1和步驟2的相變材料用點(diǎn)膠機(jī)逐個點(diǎn)膠注入至步驟5得到的半球形凹形槽內(nèi)，每個半球形凹形槽中石蠟質(zhì)量為10mg，甲醇3μL；

7.將步驟3制得的另一平整的聚丙烯膜放置在步驟6含有相變材料的聚丙烯膜表面，使用熱封模具(如圖3所示)在110℃下熱封；

8.將完成熱封的含有相變材料的聚丙烯膜裁剪，即獲得密度可調(diào)節(jié)的懸浮/漂浮相變膠囊；

9.重復(fù)步驟4至步驟8，制備2Kg該懸浮/漂浮相變膠囊；

10.配備丙三醇:水＝1:1體積比的醇/水混合液，作為冷卻液；

11.將2Kg的步驟9所制備的懸浮/漂浮相變膠囊與50L步驟10所配備的冷卻液攪拌混合，使懸浮/漂浮相變膠囊材料懸浮分散在冷卻液中，制備成懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系；

12.將步驟11中的懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系轉(zhuǎn)移到體積為65L的上半部為保溫區(qū)下半部為金屬散熱區(qū)的冷卻液箱中；

13.采用液泵驅(qū)動冷卻液部分循環(huán)于質(zhì)子交換膜燃料電池的冷卻液流場板中，實(shí)現(xiàn)熱交換。在冷卻液箱的冷卻液出口端放置小于懸浮/漂浮相變膠囊直徑的金屬篩，防止懸浮/漂浮相變膠囊進(jìn)入液泵。