基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法及系统
专利汇可以提供基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了基于 半导体 材料和 相变 材料 的 燃料 电池 热管 理方法及系统，该方法包括：利用 电解 液配置过程中产生的热量进行发电，以及对其储存，发电产生的 电能 为 循环 泵 供电，以使 循环泵 启动；利用启动后的循环泵将电解液箱中的电解液压入 燃料电池 、使燃料电池开始工作，并利用半导体材料和 相变材料 对燃料电池进行热管理；该系统包括通过管路相连通的电解液箱、循环泵及燃料电池，在电解液箱外设置有半导体材料层和相变材料层，半导体材料层热端朝向电解液箱；本发明能够回收和利用电解液配置过程中产生的热量，不仅解决了电解液配置过程中的 散热 问题，而且为循环泵提供了启动电源，所以本发明具有 能量 利用率高等突出优点。，下面是基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法及系统专利的具体信息内容。
1.基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法，其特征在于：该燃料电池热管理方法包括如下步骤；
利用电解液箱中的电解液配置过程中产生的热量使半导体材料两侧具有温度差，从而依据半导体材料的热电效应将电解液释放的热能转换为电能，并利用相变材料储存电解液释放的热能；
通过电解液释放的热能转换的电能为循环泵供电，以使循环泵启动；利用启动后的循环泵将电解液箱中的电解液压入燃料电池，以使燃料电池开始工作；
在燃料电池的温度小于第一阈值时通过燃料电池为半导体材料供电，以通过半导体材料放热方式加热电解液箱中的电解液，进而使燃料电池的温度大于第一阈值，第一阈值为燃料电池的最佳工作温度范围的下限值。
2.根据权利要求1所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法，其特征在于：
在电解液配置过程中，实时监测半导体材料的热端温度和冷端温度，通过将相变材料设于半导体材料冷端的方式令相变材料间接吸收电解液释放的热能，以使半导体材料热端和冷端的温度差处于预设温差范围内。
3.根据权利要求2所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法，其特征在于：
通过交替设置的半导体材料和相变材料的方式对电解液释放的热能进行分级处理，以将电解液释放的热能转换为电能或者储存；并通过相邻两层的相变材料直接进行热交换的方式令各层相变材料恒温。
4.根据权利要求3所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法，其特征在于：
在正在工作的燃料电池的温度高于第二阈值时利用各层半导体材料将电解液释放的热能转换为电能且利用各层相变材料储存电解液释放的热能；其中，所述第二阈值为燃料电池的最佳工作温度范围的上限值。
5.根据权利要求1所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法，其特征在于：
在正在工作的燃料电池的温度低于第一阈值时，还包括利用各层相变材料储存的热能为电解液箱中的电解液加热的步骤，以使正在工作的燃料电池的温度大于第一阈值。
6.基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理系统，其特征在于：该燃料电池热管理系统包括通过电解液管路相连通的电解液箱、循环泵及燃料电池，在所述电解液箱外设置有半导体材料层和相变材料层，半导体材料层热端朝向所述电解液箱，并在所述燃料电池内设置有第一温度传感器；该燃料电池热管理系统还包括温差发电电路和控制器，温差发电电路的输入端与半导体材料层连接、输出端与循环泵连接，所述控制器与所述第一温度传感器通信连接；所述控制器用于获取所述第一温度传感器检测的第一温度值，并用于在判断出所述第一温度值小于第一阈值时控制燃料电池为半导体材料层供电，以通过半导体材料层放热的方式加热电解液箱中的电解液；其中，所述第一阈值为燃料电池的最佳工作温度范围的下限值。
7.根据权利要求6所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理系统，其特征在于：在所述电解液箱外设置有多个半导体材料层，且相邻的半导体材料层之间设置有相变材料层，各半导体材料层热端均设置有第二温度传感器、冷端均设置有第三温度传感器，各第二温度传感器、各第三温度传感器分别与所述控制器通信连接；相邻的相变材料层之间通过相变材料管路连通，各相变材料管路上分别设置有电磁阀，所述控制器还用于根据第二温度传感器检测的第二温度值和第三温度传感器检测的第三温度值控制电磁阀的开启或关闭。
8.根据权利要求7所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理系统，其特征在于：电解液箱外的半导体材料层的个数为n；
其中，T1表示电解液最高温度，T2表示环境温度，T3表示半导体材料层处于最高发电效率时半导体材料层热端温度与冷端温度的差值。
9.根据权利要求6或8所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理系统，其特征在于：该燃料电池热管理系统还包括储能电池，且温差发电电路的输出端还与所述储能电池连接。
10.根据权利要求9所述的基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理系统，其特征在于：燃料电池的输出端与直流-直流转换器的输入端连接，直流-直流转换器的第一输出端与半导体材料层之间串联有继电器，所述控制器与PID温控器通信连接，所述PID温控器与所述继电器连接，直流-直流转换器的第二输出端与所述储能电池连接。
基于半导体材料和相变材料的燃料电池热管理方法及系统
技术领域
背景技术
题，现有技术往往通过强制冷却或自然冷却的方式令电解液降温，在电解液温度降低到合
适值后，才将其加入燃料电池系统的电解液箱；但传统方式又产生了新的问题，即强制冷却
过程会消耗大量能源、自然冷却过程会明显延迟燃料电池系统发电时间。
为燃料电池进行加热，从而使燃料电池工作在合适的温度范围内；但是，无论是散热过程还
是加热过程，都需要使用额外的能源；所以，现有技术不仅存在能源浪费严重的问题，而且
还存在加热或散热不及时、温控处理过程速度慢等问题。
发明内容
统，同时利用半导体材料和相变材料对热量进行回收、利用以及对燃料电池进行热管理，从
而极大地提高了能源的利用率，彻底解决现有技术存在的诸多问题。
值为燃料电池的最佳工作温度范围的下限值。
燃料电池的循环泵、缩短燃料电池启动时间，从而极大节约了能源；本发明还能够利用上述
半导体材料对燃料电池进行较好的热管理，在燃料电池的温度处于最佳工作温度范围以下
时本发明还能够利用半导体材料对电解液进行加热，具有加热速度快、效果好等突出优点。
导体材料热端和冷端的温度差处于预设温差范围内。
接进行热交换的方式令各层相变材料恒温。
间。
二阈值为燃料电池的最佳工作温度范围的上限值。
第一阈值。
电池，在所述电解液箱外设置有半导体材料层和相变材料层，半导体材料层热端朝向所述
电解液箱，并在所述燃料电池内设置有第一温度传感器；该燃料电池热管理系统还包括温
差发电电路和控制器，温差发电电路的输入端与半导体材料层连接、输出端与循环泵连接，
所述控制器与所述第一温度传感器通信连接；所述控制器用于获取所述第一温度传感器检
测的第一温度值，并用于在判断出所述第一温度值小于第一阈值时控制燃料电池为半导体
材料层供电，以通过半导体材料层放热的方式加热电解液箱中的电解液；其中，所述第一阈
值为燃料电池的最佳工作温度范围的下限值。
燃料电池的循环泵、缩短燃料电池启动时间，从而极大节约了能源；本发明还能够利用上述
半导体材料对燃料电池进行较好的热管理，在燃料电池的温度处于最佳工作温度范围以下
时本发明还能够利用半导体材料对电解液进行加热，具有加热速度快、效果好等突出优点。
三温度传感器，各第二温度传感器、各第三温度传感器分别与所述控制器通信连接；相邻的
相变材料层之间通过相变材料管路连通，各相变材料管路上分别设置有电磁阀，所述控制
器还用于根据第二温度传感器检测的第二温度值和第三温度传感器检测的第三温度值控
制电磁阀的开启或关闭。
间。
述PID温控器与所述继电器连接，直流-直流转换器的第二输出端与所述储能电池连接。
料电池为储能电池充电。
且为循环泵提供了启动电源，并且还能够对工作过程中的燃料电池进行热管理，所以本发
明具有能量利用率高等突出优点。
附图说明
具体实施方式
外部电场作用下，通过电子的定向运动能够实现热能的定向传递，当外加电场的电流反向
时，还能够实现热量的反向传递，即本实施例还通过半导体材料将电能转换为热能；而且本
实施例还充分利用了相变材料储放能特点，以实现利用半导体材料进行发电的同时利用相
变材料对热量进行存储，为燃料电池系统提供初始动力和温度控制的能量，具体地，该燃料
电池热管理方法包括如下步骤。
半导体材料两侧具有温度差，半导体材料两端导向会输出电流，从而依据半导体材料的热
电效应将电解液释放的热能转换为电能，本实施例在电解液配置过程中，实时地监测半导
体材料的热端温度和冷端温度，通过将相变材料设于半导体材料冷端的方式令相变材料间
接吸收电解液释放的热能，从而使半导体材料热端和冷端的温度差处于预设温差范围内；
在进行发电的同时本实施例还利用相变材料储存电解液释放的热能，更为具体来说，本实
施例通过交替设置的半导体材料和相变材料的方式对电解液释放的热能进行分级处理，从
而将电解液释放的热能转换为电能或者储存；并通过相邻两层的相变材料直接进行热交换
的方式令各层相变材料恒温。另外，本实施例中的预设温差范围为20℃～70℃，最佳温差为
50℃。
式；利用启动后的循环泵将电解液箱中的电解液压入燃料电池，燃料电池内部发生化学反
应、放出电能，以使燃料电池开始工作；燃料电池启动后，可通过燃料电池为负载提供电源，
燃料电池还可为储能电池充电。
温度值对燃料电池中的电解液加热或散热。
在工作的燃料电池的温度大于第一阈值，该方式温控响应速度较快且能源利用率高，与此
同时，在正在工作的燃料电池的温度低于第一阈值时，还包括利用各层相变材料储存的热
能为电解液箱中的电解液加热的步骤，该方式能够进一步提高温控响应速度且能源利用率
更高，以使正在工作的燃料电池的温度大于第一阈值，第一阈值为燃料电池的最佳工作温
度范围的下限值，用Tmin表示；T燃表示燃料电池温度。
能可以对储能电池进行充电或者与燃料电池一起为负载供电，直至燃料电池达到热平衡状
态；其中，第二阈值为燃料电池的最佳工作温度范围的上限值，用Tmax表示。
热管理系统，该燃料电池热管理系统包括通过电解液管路相连通的电解液箱、循环泵及燃
料电池(发电单元)，在电解液箱外设置有半导体材料层(即半导体组件)和相变材料层，半
导体材料层热端朝向电解液箱，并在燃料电池内设置有第一温度传感器；具体的半导体材
料可根据实际需求进行选择，比如碲铋合金材料，每个半导体层(即半导体组件)可包含上
百对温差发电片。其中，图4中的“粗线”表示液路，“细线”表示动力线，“虚线”表示弱电检测
线，“点划线”表示热力线。
施例的温差发电电路可包括变压电路(如升压电路)，通过引线连接半导体材料层与变压电
路(BUCK电路或BOOST电路)，以进行电压调整，实现对循环泵或负载的驱动；控制器与第一
温度传感器通信连接；控制器用于获取第一温度传感器检测的第一温度值，并用于在判断
出第一温度值小于第一阈值时控制燃料电池为半导体材料层供电，以通过半导体材料层放
热的方式加热电解液箱中的电解液；其中，第一阈值为燃料电池的最佳工作温度范围的下
限值。本实施例中，半导体组件、温差发电电路及控制器等组成热控发电装置。
料发电量功率不足的情况下，本实施例还能通过储能电池补充不足的功率，从而提高了本
发明的可靠性。燃料电池的输出端与直流-直流转换器的输入端连接，直流-直流转换器的
第一输出端与半导体材料层之间串联有继电器，控制器与PID温控器之间可通过CAN总线、
485总线等方式进行通信连接，PID温控器与继电器连接，在判断出第一温度值小于第一阈
值时控制继电器闭合、使燃料电池为半导体材料层供电，提高燃料电池系统温度；直流-直
流转换器的第二输出端与储能电池连接，可在燃料电池输出端设置电压传感器和电流传感
器，以将燃料电池的电流数据和电压数据传送至控制器。
际情况进行并联或串联，以将总温差进行分级处理，从而更有效地提高发电效率和发电量，
本实施例中的各相变材料层为恒温层，如下表所示。
过相变材料管路连通，各相变材料管路上分别设置有电磁阀，控制器还用于根据第二温度
传感器检测的第二温度值和第三温度传感器检测的第三温度值控制电磁阀的开启或者关
闭，具体地，在某一相变材料层达到设定温度值时，通过控制器控制打开该相变材料层(即
恒温层)与下一级的相变材料层之间的管路上的阀门，以将多余热量传递到下一级相变材
料层，下表示例了各恒温层的温度值和热量值情况，其中T差表示半导体材料的热端和冷端
之间的最佳温差值，比如为50℃。
1组半导体热端温度为300℃、冷端温度为250℃，第2组半导体热端温度为250℃、冷端温度
为200℃，第3组半导体热端温度200℃、冷端温度为150℃，第4组半导体热端温度为150℃、
冷端温度为100℃，第4组半导体热端温度为100℃、冷端温度为50℃，第5组半导体热端温度
为50℃，冷端温度为环境温度。
料层的个数可为n向上取整结果。
度180℃，则最大温差T差max为150℃，最佳温差T差取30℃，则需有4级恒温层，5组半导体组件，
每组半导体输出平均电压取2V，输出电流取0.8A。
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。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。
材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示
意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，
本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的
特征进行结合和组合。
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
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