一种拼接式燃料电池相变保温箱的制作方法

1.本发明涉及电池保温技术领域，尤其涉及一种拼接式燃料电池相变保温箱。


背景技术：

2.随着煤炭、石油等传统能源过度消费所导致的能源短缺、环境污染等问题在我国日益凸显，发展新能源产业成为解决现阶段我国资源有限供给与需求持续增长之间矛盾的必然选择，也是促进经济结构调整和转变发展方式以实现可持续发展的重要举措。新能源汽车成为了国际趋势，燃料电池汽车是新能源汽车的一大发展方向，尤其是在大型车上燃料电池具有很好的应用优势。打赢这场新能源战役的胜利，对于我国在汽车领域弯道超车至关重要。而燃料电池本身作为一种新型的清洁能源发电装置，它的作用和潜力不容忽视。
3.质子交换膜燃料电池(pemfc)具有低噪音、零排放、高效率等优点，是解决环境污染和能源枯竭问题的首选汽车动力源。然而当环境温度低于0℃时，燃料电池内部膜和多孔电极内的水会凝固成冰，造成以下不利影响：1.扩散层表面形成冰覆盖，导致反应气体难以向电极内部传输；2催化层内部冰覆盖活性表面，阻止反应气到达反应界面；3.催化层和膜内频繁结冰/融冰损伤催化层和膜的结构；4.水结冰体积膨胀在电池内部施加有害压力易对材料造成破坏。以上危害将造成燃料电池低温下启动困难，极大降低燃料电池工作性能和缩短燃料电池寿命。根据调研目前存在的冷启动策略主要为添加辅助热源，利用电阻丝加热，热气体吹扫等，但这些解决办法不可避免地会增加燃料电池系统的体积与重量，同时也会增加成本与操作的复杂性，并且不能避免结冰/融冰过程对材料和结构的破坏，因此，建立更好的燃料电池冷启动策略势在必行。
4.电池热管理和保温技术受到许多科研人员的关注，针对锂电池的电池热管理和保温技术中，有利用保温板或者多层保温板减少电池对外界散热的系统，如专利申请号为“cn201710593251.9”、专利名为“一种保温箱及储能装置”的发明专利，和专利申请号为“cn201922378709.6”、专利名为“一种可改善电池低温性能的电池保温结构”的实用新型专利，虽然利用保温筒、保温箱或者多层保温棉板对锂电池进行保温，箱体可拆卸，但是不能很好地利用锂电池正常工作状态下产生的热量，无法提高系统的能量利用率，保温能力有限。
5.有通过水袋层对锂电池进行保温，如专利申请号为cn201410006447.x的中国发明专利，虽然能利用导热层强化对水袋层传热，利用水袋层进行热量吸收，但本质上还是利用加热设备对锂电池加热，水袋层吸收热量的能力有限，导致水袋层对低温电池的传热效果较差。
6.有通过相变材料进行储热的，如专利申请号为cn201210008481.1的中国发明，对锂电池利用相变材料进行保温，且在石蜡中加入了金属颗粒，加强相变材料的导热性，但是没有对保温装置加上绝热装置，会导致很多工作产生的热量白白散失，且保温装置不便于拆卸。
7.针对燃料电池的电池热管理和保温技术汇总，有通过电阻丝加热进行燃料电池保
温的系统，如专利申请号为cn201010561292.8的中国发明专利：一种燃料电池保温系统，虽然能通过蓄电池给电阻丝供电达到保温效果，但是无疑使热管理系统复杂化，外加蓄电池增加系统的重量不符合轻量化理念，保温过程需要消耗外部能量，增加系统能耗。
8.有通过相变材料进行储热的如专利申请号为cn03145958.7的中国发明专利，利用climsel c58或rubitherm rt50作为相变储热材料对燃料电池进行保温，虽然有利用燃料电池工作余热，但是所用的相变材料导热系数比铜等低出了好几个数量级，作者忽略了所用的相变材料导热系数小的问题，没有对相变吸热层进行强化导热处理，导致不能快速有效的发挥出相变材料的储能能力。燃料电池的热量能有多少热量能传递给相变材料，相变材料又能给电池反哺多少热量，显然是一个很大的问题。
9.综上所述，现有电池保温技术大多致力于使用单一主动热管理方式，利用外部能源加热的方式对电池进行保温，复杂化电池系统，增加系统能耗，浪费了一部分电池功率，而进行储热设计的技术又存在不便于拆卸、储热能力低、保温效果差的问题。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种拼接式燃料电池相变保温箱，可以有效缩短相变材料的放热时间，强化保温储热能力，有效降低电池温度变化区间与温度变化梯度，同时箱体便于拆卸。
11.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
12.一种拼接式燃料电池相变保温箱，包括保温侧板、顶部绝热板和保温底板拼接组成的可拆卸箱体，所述箱体内部形成用于放置燃料电池的保温腔，所述保温侧板由内至外依次包括第一导热层、第一储热层和第一绝热层，所述保温底板由上至下依次包括第二导热层、第二储热层和第二绝热层；所述第一储热层和第二储热层均为强化导热相变结构，所述强化导热相变结构与燃料电池的工作温度范围相匹配，当燃料电池放热时，强化导热相变结构吸热升温相变，当燃料电池温度低时，强化导热相变结构放热降温相变。
13.进一步设置为：所述强化导热相变结构可以采用复合相变储热结构或单一相变材料层和导热支撑体相互固结组成的结构。
14.进一步设置为：所述单一相变材料层可选择石蜡、无机水合盐等适合电池温度工况的单一相变储热材料。
15.进一步设置为：所述导热支撑体可采用导热性能良好的金属材料制成的金属网状体、金属翅片，或者由碳纤维或石墨烯制成的多孔网状体。
16.进一步设置为：所述复合相变储热结构为相变材料掺杂膨胀石墨或金属颗粒制成的复合相变材料层，所述第一绝热层开设有用于安置该复合相变材料层的第一凹槽。
17.进一步设置为：所述第一绝热层为l型板，所述l型板依次首尾相接；所述第一导热层压紧第一储热层，两者贴附于l型板的内侧并与l型板固定连接。
18.进一步设置为：所述第二绝热层的上端面开设有第二凹槽，所述第二储热层嵌设于第二凹槽内，所述第二导热层的底部压紧第二储热层并部分嵌设于第二凹槽内，第二导热层和第二储热层均与第二绝热层固定连接。
19.进一步设置为：相邻两个保温侧板、保温侧板与顶部绝热板、保温侧板与保温底板之间通过锁扣紧固结构、滑扣紧固结构或者螺栓紧固结构，可拆卸地连接在一起。
20.进一步设置为：所述锁扣紧固结构包括锁盖、锁扣、锁钩，所述锁盖与保温侧板的外侧壁铰接连接，所述锁钩固定于保温底板或顶部绝热板上，所述锁扣的一端铰接在锁盖的中部，另一端可卡入锁钩，通过锁扣卡入锁钩，转动锁盖至贴合保温侧板，使锁扣和锁钩可拆卸地卡接在一起。
21.本发明还公开了一种主动热管理装置，包括上述所述的拼接式燃料电池相变保温箱，还包括燃料电池、温度传感器、温控装置、加热装置、供电设备，燃料电池放置于保温箱的箱体内，燃料电池的电堆上安装温度传感器，温度传感器通过温控装置连接供电设备，加热装置设置于箱体的内侧壁，加热装置和供电装置电性连接。
22.综上所述，本发明的有益技术效果为：
23.(1)导热支撑体可以很好的支撑单一相变材料层，提高单一相变材料层与导热层的热交换，很好地吸收保温腔内燃料电池工作释放的热量，从而快速达到单一相变材料层的熔点，缩短热响应时间，同时保证了单一相变材料层的温度分布均匀，最大化地利用单一相变材料层的保温储热能力。
24.(2)在相变材料中添加膨胀石墨或者金属颗粒后，导热系数相比于单一相变材料得到了显著提高，可以有效改善相变材料的导热性能，提高相变材料热导率，从而强化保温储热能力。复合相变材料层与导热支撑体组合在一起使用，可以进一步强化储热层的导热性能。
25.(3)通过第一绝热层、第二绝热层和顶部绝热板构成绝热空间，外部环境的温度对于燃料电池的温度影响小，当燃料电池正常工作时，燃料电池工作散热的热量通过第一导热层和第二导热层传递至第一储热层和第二储热层；当电池低温工作或启动时，第一储热层和第二储热层给燃料电池提供热量供给，第一储热层和第二储热层向外部环境的热量流失小，绝大部分释放的热量由导热层流入保温腔内。相比于现有技术，保温箱的保温储热能力优异，可以有效减小电池温度变化区间与温度变化梯度，降低电池热管理难度。
26.(4)通过相变保温箱与主动热管理策略相结合的方式，可以避免或减少电池冷冻的次数，从而提高电池冷启动能力,减少低温结冰和冷启动对电池造成的损伤。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为实施例1中拼接式燃料电池相变保温箱的整体结构示意图；
29.图2为实施例1中保温侧板的结构爆炸图；
30.图3为实施例1中保温底板的结构爆炸图；
31.图4为实施例2中保温侧板的结构爆炸图；
32.图5为实施例3中拼接式燃料电池相变保温箱的整体结构示意图；
33.图6为实施例4中主动热管理装置的整体结构示意图。
34.附图标记：
35.100、保温侧板
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110、第一导热层
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111、凸台
36.120、第一储热层
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121、单一相变材料层 122、导热支撑体
37.123、复合相变材料层
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130、第一绝热层
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131、第一凹槽
38.200、顶部绝热板
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300、保温底板
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310、第二导热层
39.320、第二储热层
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330、第二绝热层
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331、第二凹槽
40.400、锁扣紧固结构
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401、锁盖
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402、锁扣
41.403、锁钩
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501、第一螺栓
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502、第二螺栓
42.503、第三螺栓
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601、燃料电池
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602、温度传感器
43.603、控制器
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604、蓄电池
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605、加热板
具体实施方式
44.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.实施例1
48.参照图1，为本发明公开的一种拼接式燃料电池相变保温箱，包括保温侧板100、顶部绝热板200和保温底板300拼接组成的可拆卸的箱体，箱体内部形成保温腔，用于放置燃料电池。顶部绝热板200开设气孔和水孔(图中未示出，但是本领域技术人员可以明了)，以便接通燃料电池601所需的外部管路。保温侧板100与顶部绝热板200之间的缝隙，以及保温侧板100与保温底板300之间的缝隙均进行绝热密封，例如在缝隙处设置密封条进行绝热密封。
49.结合图2和图3，保温侧板100由内至外依次包括第一导热层110、第一储热层120和第一绝热层130，保温底板300由上至下依次包括第二导热层310、第二储热层320和第二绝热层330。第一储热层120和第二储热层320均为强化导热相变结构，强化导热相变结构与燃料电池601的工作温度范围相匹配，当燃料电池601放热时，强化导热相变结构吸热升温相变，当燃料电池601温度低时，强化导热相变结构放热降温相变。
50.强化导热相变结构采用单一相变材料层121和导热支撑体122相互固结组成的结构。其中，单一相变材料层121可选择石蜡、无机水合盐等适合电池温度工况的单一相变储热材料，导热支撑体122可采用导热性能良好的金属材料制成的金属网状体、金属翅片，或者由碳纤维或石墨烯制成的多孔网状体。
51.在本实施例中，强化导热相变结构优选采用铜制金属网状体和石蜡制成，具体制作过程包括如下步骤：将金属网状体置于第一绝热层130或第二绝热层330上，向金属网状体上倾倒液态石蜡，降温冷却使石蜡凝固呈固态，最后利用刮板等工具将金属网状体上多余的石蜡刮去，使得第一储热层120和第二储热层320的表面形成平整平面。石蜡作为一种潜热储能材料，具有相变潜热大，固液相变过程容积变化小，热稳定性好，无过冷现象，价格较低廉等优点。而金属网状体利用其多孔结构可以很好的支撑石蜡，提高石蜡与导热层的热交换，很好地吸收保温腔内燃料电池601工作释放的热量，从而快速达到石蜡熔点，缩短热响应时间，同时保证了石蜡的温度分布均匀，最大化地利用石蜡的相变储热能力。
52.第一绝热层130为l型板，l型板依次首尾相接。为了便于描述和理解，将l型板的两个端面分别定义为a侧和b侧，相邻两个第一绝热板中，一个l型板的a侧抵接于另一l型板的b侧。第一导热层110的面积与第一储热层120的面积相同，使第一导热层110能完全覆盖并压紧第一储热层120，两者贴附于l型板的内侧并与l型板固定连接。
53.保温底板300的第二绝热层330大小与保温侧板100所围成方形结构的外部轮廓的尺寸相同，使保温侧板100的第一储热层120与第一导热层110完全被保温底板300的第二绝热层330覆盖，与外界环境没有接触。第二绝热层330的上端面的中心处开设有第二凹槽331，第二凹槽331大小与保温侧板100所围成方形结构的内部轮廓的尺寸相同，第二储热层320嵌设于第二凹槽331内，第二导热层310的底部压紧第二储热层320并部分嵌设于第二凹槽331内，第二导热层310和第二储热层320均与第二绝热层330固定连接。第二导热层310的面积与第二储热层320的面积相同以达到完全覆盖第二储热层320的效果，防止石蜡吸热相变成为液态石蜡时从第二凹槽331内流出。
54.保温侧板100和保温底板300的三层结构均采用螺栓固定连接的方式，第一导热层110、第一储热层120、第一绝热层130上开设有第一螺栓孔，第一螺栓孔上螺纹连接有第一螺栓501，第一螺栓501依次贯穿第一导热层110和第一储热层120并将两者固定于第一绝热层130的内侧。为了保证保温蓄热效果，第一螺栓孔的长度大于第一导热层110和第一储热层120的厚度之和，小于第一导热层110、第一储热层120和第一绝热层130的厚度之和，即第一螺栓孔不穿透第一绝热层130。同时，通过第一螺栓501固定，还能加强导热层和储热层之间的热量传导。同理，第二导热层310、第二储热层320、第二绝热层330上开设有第二螺栓孔，第二螺栓孔上螺纹连接有第二螺栓502，第二螺栓502依次贯穿第二导热层310和第二储热层320并将两者固定于第二绝热层330的上端面，并且第二螺栓孔不穿透第二绝热层330。优选地，第一螺栓501和第二螺栓502设置有5颗且均匀分布，使得保温侧板100和保温底板300的结构稳定性强，受力均匀。
55.在本实施例中，相邻两个保温侧板100、保温侧板100与顶部绝热板200、保温侧板100与保温底板300之间通过锁扣402紧固结构400可拆卸地连接在一起。锁扣402紧固结构400包括锁盖401、锁扣402、锁钩403，锁盖401与保温侧板100的外侧壁铰接连接，锁钩403固定于保温底板300或顶部绝热板200上，锁扣402的一端铰接在锁盖401的中部，另一端可卡入锁钩403，通过锁扣402卡入锁钩403，转动锁盖401至贴合保温侧板100，使锁扣402和锁钩403可拆卸地卡接在一起。通过锁扣402紧固结构400，使得保温箱方便拆卸，同时保证了顶部绝热板200、保温侧板100、保温底板300之间能紧密固定。
56.第一绝热层130和第二绝热层330可以采用绝热板、聚氨酯保温板、发泡陶瓷保温
板等具有良好保温能力的材料。第一导热层110和第二导热层310均为采用导热性能优异的材料制成的导热板，优选采用铝片制成的导热板。
57.本实施例的工作原理及有益效果为：
58.相变保温箱作为被动保温装置替代燃料电池的外壳,单独应用可实现电池保温的功能。通过第一绝热层130、第二绝热层330和顶部绝热板200构成绝热空间，外部环境的温度对于燃料电池601的温度影响小，当燃料电池601正常工作时，燃料电池601工作散热的热量通过第一导热层110和第二导热层310传递至第一储热层120和第二储热层320；当电池温度降低到保温材料相变温度时，第一储热层120和第二储热层320给燃料电池601提供热量供给，第一储热层120和第二储热层320向外部环境的热量流失小，绝大部分释放的热量由导热层流入保温腔内。相比于现有技术，保温储热能力优异，可以有效降低电池温度变化区间与温度变化梯度，在低温环境下有效保温，避免电池内部冷冻结冰或极大延长电池冷冻结冰的时间。保温箱仅替代电池外壳，可与现有燃料电池低温启动策略有效结合。总体实施效果是可在停机时间较短时避免冷启动和减少整体冷启动次数，节约能耗，延长电池使用寿命，并且保温箱替代电池外壳的方案实施方便，不需要任何附加控制策略。
59.实施例2
60.参照图4，本实施例与实施例1的不同之处在于，复合相变储热结构采用相变材料(如石蜡)掺杂膨胀石墨或金属颗粒制成的复合相变材料层123，第一绝热层130开设有用于安置该复合相变材料层123的第一凹槽131，第一导热层110上端面的面积略大于该复合相变材料层123的面积，且第一导热层110的底部一体固设有凸台111，凸台111压紧复合相变材料层123并嵌设于第一凹槽131内。
61.在石蜡中添加金属颗粒或者膨胀石墨后，导热系数相比于纯石蜡得到了显著提高，可以有效改善石蜡的导热性能，提高相变材料热导率，从而强化了保温储热能力。
62.需要说明的是，复合相变材料层123同样可以与导热支撑体122组合在一起使用，利用导热支撑体122优异的导热性能，进一步强化储热层的导热性能。
63.实施例3
64.参照图5，本实施例与实施例1的不同之处在于，相邻两个保温侧板100、保温侧板100与顶部绝热板200、保温侧板100与保温底板300之间通过螺栓紧固结构，可拆卸地连接在一起。
65.螺栓紧固结构包括第三螺栓503，顶部绝热板200、保温底板300和保温侧板100上均开设有第三螺栓503相螺纹适配的第三螺栓孔，从而实现顶部绝热板200、保温底板300和保温侧板100的快速拆卸和安装，并且保证顶部绝热板200、保温侧板100、保温底板300之间能紧密固定。
66.实施例4
67.在本实施例中，燃料电池相变保温箱可以与主动热管理策略相结合，参照图6，为一种主动热管理装置，包括燃料电池相变保温箱，还包括燃料电池601、温度传感器、温控装置、加热装置、供电设备，燃料电池放置于保温箱的箱体内，燃料电池的电堆上安装温度传感器，温度传感器通过温控装置连接供电设备，加热装置设置于箱体的内侧壁，加热装置和供电装置电性连接。
68.具体到本实施例，温控装置采用控制器603，加热装置采用加热板605，供电设备采
用蓄电池604。通过温度传感器602以检测燃料电池601电堆的温度，温度传感器602通过控制器603连接蓄电池604。加热板605设置于箱体的内侧壁，加热板605与蓄电池604电性连接。
69.主动热管理的具体控制策略如下：首先根据车辆实用情况人为判定停机时长是否大于1天(24小时)，如果停机时间小于等于1天(24小时)，当燃料电池601处于停机状态且温度传感器602检测燃料电池601电堆的温度低于正常启动判定阈值(5℃)时，将温度信号传递给控制器603，控制器603释放控制信号，通过蓄电池604控制加热板605升温，对燃料电池601电堆进行加热保温，使电堆的温度维持在0～10℃，从而达到电池正常启动条件；否则，无需主动加热即可保证电池正常启动。如果人为判定停机时长大于1天(24小时)，则不采取主动加热，以避免过多消耗外部能量，增加系统能耗。这种方式虽然不能避免电池冷冻结冰，但由于相变材料放热会减缓电池的冷冻时间和冷冻程度。
70.其中，需要说明的是，电池低于0度以后，虽然可以通过主动加热的方式，加热到适合的温度达到启动的目的，但是结冰的过程会对电池造成损伤，所以将正常启动判定阈值设置为5℃。
71.通过相变保温箱与主动热管理策略相结合的方式，可以避免电池结冰或减少电池结冰的次数，从而提高电池低温启动能力，减少低温结冰和冷启动对电池造成的损伤。
72.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。