本發明屬于燃料電池熱管理和冷啟動技術領域，特別涉及一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統。

背景技術：

當前，傳統化石能源日趨枯竭，且由于化石能源的大規模消耗造成了嚴重的環境污染，從而急需一種環境友好的新能源。氫能是一種潔凈新能源，質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，能夠將氫氣中的化學能直接轉換為電能，在發電過程中只排出水，是一種利用氫能的零排放發電裝置。該燃料電池已經被廣泛應用于固定式電站、便攜式電源、汽車驅動電源等領域。

目前，廣泛應用于質子交換膜燃料電池中的關鍵材料之一是基于全氟磺酸膜的質子交換膜。該膜材料需在水存在的條件下發揮質子傳導的特性，這限制了質子交換膜燃料電池僅能在100℃以下運行，從而使得燃料電池系統需要熱管理。當燃料電池系統在低于0℃條件下啟動時，由于發電過程中生成的水會迅速結冰，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。綜合上述熱管理和冷啟動，在設計燃料電池的輔助系統時，需要一整套較為復雜的熱管理和冷啟動系統。

技術實現要素：

基于上述技術問題，本發明提供了一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統。

一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統，其為，冷卻液箱3分為上部的保溫區31和下部的散熱區32；在冷卻液箱3內裝有懸浮/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，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入保溫區；冷卻液箱3的冷卻液出口經液泵2連接至燃料電池堆1中的冷卻液進口，燃料電池堆1中的冷卻液出口連接至冷卻液箱3的冷卻液進口，形成冷卻液的閉合循環回路；在冷卻液箱3的冷卻液出口設有金屬篩6，所述金屬篩6的孔徑小于懸浮/漂浮相變膠囊的粒徑。

一種實施方式中，本系統還設有散熱風扇5用于對散熱區32中的冷卻液進行散熱。

一種實施方式中，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易揮發的醇類，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，或為不同粒徑的混合。懸浮/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；通過調節醇/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。

一種實施方式中，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)調配醇/水混合液，通過調節醇和水之間的比例，獲得與懸浮/漂浮相變膠囊材料密度相當的醇/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。

一種實施方式中，相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統的應用在于：

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處于工作狀態時，使用液泵2驅動，將冷卻液部分循環于燃料電池堆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生固-液相變和液-氣相變，從而實現冷卻液與燃料電池堆1循環發生熱交換，其中氣液相變材料從液體轉變為氣體使得懸浮/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轉變為漂浮狀態，漂浮的懸浮/漂浮相變膠囊在保溫區31中進行保溫，同時便于冷卻液在散熱區32的良好散熱；

燃料電池堆1處于停止狀態時，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進行保溫；

懸浮/漂浮相變膠囊放熱后發生氣-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工作時繼續吸熱。

本發明所提供的含有懸浮/漂浮相變膠囊的燃料電池熱管理和冷啟動系統，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，通過點膠機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，并通過調配與之密度相同的醇/水混合液作為冷卻液，實現使懸浮/漂浮相變膠囊在其中可以發生懸浮和漂浮狀態循環轉變的冷卻液。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扇的能量消耗，同時在燃料電池堆停止運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行保溫，大大延長燃料電池堆的降溫時間，簡化冷啟動系統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的能量轉化效率。

本發明在已有水作為冷卻液的燃料電池熱管理系統基礎之上，混合懸浮/漂浮相變膠囊材料即可實現貯存大量相變潛熱，同時提高燃料電池的散熱效果，降低了燃料電池輔助系統內部功耗，達到了提高系統能量效率的目的。

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結構示意圖。

標號說明：1-燃料電池堆；2-液泵；3-冷卻液箱；31-保溫區；32-散熱區；4-閥門；5-散熱風扇；6-金屬篩。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。

本發明涉及一種相變膠囊懸浮/漂浮熱管理和冷啟動系統。如圖4所示，冷卻液箱3分為上下兩部分，上部分為保溫區31，下部分為散熱區32；在冷卻液箱3內裝有懸浮/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，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入保溫區31進行保溫；冷卻液箱3的冷卻液出口經液泵2連接至燃料電池堆1中的冷卻液進口，燃料電池堆1中的冷卻液出口連接至冷卻液箱3的冷卻液進口，形成冷卻液的閉合循環回路；在冷卻液箱3的冷卻液出口設有金屬篩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進行熱交換，當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循環降溫，并存儲熱量，當燃料電池停止運行時懸浮/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熱時間，從而同時達到為燃料電池降溫和保溫的作用，優化燃料電池的熱管理系統，提高燃料電池冷啟動的速度。

首先，制備密度可調節的懸浮/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，通過調節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，調配醇/水混合液，通過調節醇和水之間的比例，獲得與懸浮/漂浮相變膠囊的密度相當的醇/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驅動，將冷卻液部分循環于燃料電池堆1中的冷卻液流場中，從而實現該冷卻液與工作中或停止運行中的燃料電池堆1發生熱交換。燃料電池堆1處于工作狀態時，冷卻液部分循環于燃料電池堆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，同時實現冷卻液與燃料電池堆1循環發生熱交換。其中氣液相變材料從液體轉變為氣體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轉變為漂浮狀態，漂浮的懸浮/漂浮相變膠囊在保溫區31中進行保溫，同時便于冷卻液在散熱區32的良好散熱，還可以進一步選用散熱風扇5促進散熱區32中冷卻液的散熱。燃料電池堆1處于停止狀態時，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進行保溫。漂浮的懸浮/漂浮相變膠囊放熱后發生氣-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吸熱，實現懸浮/漂浮相變膠囊和冷卻液的組合體系與燃料電池堆1進行充分熱交換。

本發明通過設計制備密度可調節的懸浮/漂浮相變膠囊，實現懸浮/漂浮相變膠囊在冷卻液中發生懸浮和漂浮的狀態循環轉變。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扇5的功耗，節省了燃料電池輔助系統的內部能量消耗。當燃料電池堆1處于停止狀態時，尤其是在環境溫度低于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，已有技術之一是通過燃料電池微放電產生熱或通過電加熱來維持一定的溫度，而本發明中通過懸浮/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內部功耗。另一方面利用冷卻液箱3上層的保溫區31的設計可實現漂浮狀態的懸浮/漂浮相變膠囊保溫效果的提高。這種設計相對于相變材料靜止或始終浸泡于冷卻液中的熱管系統還能夠進一步提高冷卻液的散熱效率。因為若相變材料始終處于與冷卻液接觸的狀態，吸熱達到飽和的相變材料在冷卻液中相當于熱源，會影響液體的降溫過程，從而影響冷卻液對處于工作狀態的燃料電池堆1的降溫效果。

綜上所述，使用本發明提供的含有懸浮/漂浮相變膠囊的燃料電池熱管理和冷啟動系統，可以同時減少燃料電池運行和停止時的內部熱管理和冷啟動系統消耗，從而提高燃料電池系統的整體能量效率。

以下通過實施例具體說明本發明。

實施例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的相變材料用點膠機逐個點膠注入至步驟5得到的半球形凹形槽內，每個半球形凹形槽中加入石蠟質量為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，即獲得密度可調節的懸浮/漂浮相變膠囊；

9.重復步驟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移到體積為35L的冷卻液箱中；冷卻液箱由上下材質不同的兩部分組成，上半部分冷卻液箱為保溫區，由隔熱保暖材料構成；而下半部分為散熱區，由導熱良好的金屬板材構成以保證良好散熱；

13.采用液泵驅動冷卻液部分循環于質子交換膜燃料電池的冷卻液流場板中，實現熱交換。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/漂浮相變膠囊進入液泵。

實施例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的相變材料用點膠機逐個點膠注入至步驟5得到的半球形凹形槽內，每個半球形凹形槽中石蠟質量為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，即獲得密度可調節的懸浮/漂浮相變膠囊；

9.重復步驟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移到體積為65L的上半部為保溫區下半部為金屬散熱區的冷卻液箱中；

13.采用液泵驅動冷卻液部分循環于質子交換膜燃料電池的冷卻液流場板中，實現熱交換。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/漂浮相變膠囊進入液泵。