一種具有水熱管理能力的燃料電池模組

《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》是新源動力股份有限公司於2010年11月30日申請的發明專利，該專利申請號為201010566184X，公布號為CN102035002A，公布日為2011年4月27日，發明人是侯中軍、王克勇、王仁芳、燕希強、呂萍。

《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》由燃料電池電堆、分配單元、電源管理單元、降壓加熱子模組、液態水管理子模組、外包裝子模組等部分構成。分配單元將進入模組的氫氣、空氣和冷卻介質分配至各單堆中；電源管理單元對模組進行狀態檢測及管理，控制電力輸出的導通與切斷，降壓加熱模組實現燃料電池堆的溫度調節和輸出電壓控制；液態水管理模組對進入燃料電池堆模組的氫氣和空氣進行液態水分離，將氫氣側的液態水排出；外包裝子模組實現電堆模組的防水防塵、保溫和將包裝模組內部的氫氣和水蒸氣排出。該發明的優點是燃料電池模組可快速進入理想的工作狀態，有利於提高燃料電池模組的性能、穩定性、安全性。

2017年12月，《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種具有水熱管理能力的燃料電池模組
• 公布號：CN102035002A
• 公布日：2011年4月27日
• 申請號：201010566184X
• 申請日：2010年11月30日
• 申請人：新源動力股份有限公司
• 發明人：侯中軍、王克勇、王仁芳、燕希強、呂萍
• 代理人：高永德
• 代理機構：大連東方專利代理有限責任公司
• 類別：發明專利
• Int. Cl.：H01M8/04（2006.01）I
• 地址：遼寧省大連市高新園區黃浦路907號

專利背景

傳統的燃料電池模組通常僅包括燃料電池堆、氫氣分配單元、空氣分配單元、冷卻介質分配單元、單池電壓檢測單元和電力輸出單元。傳統的燃料電池模組的不足是模組內部不具有水熱管理功能，不利於燃料電池使用時儘快進入理想工作狀態。

發明內容

專利目的

《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》提供一種具有水熱自管理能力的燃料電池模組結構，使燃料電池模組能快速進入理想的工作狀態。

技術方案

《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》包括置於外包裝子模組內的燃料電池堆、分配單元、單池電壓檢測單元和電力輸出單元，外包裝子模組包括包裝殼和包裝殼上設定的空氣進口、空氣出口、氫氣進口、氫氣出口、冷卻介質進口、冷卻介質出口、通訊接口、燃料電池堆的負極接口和燃料電池堆的正極接口；冷卻介質入口、冷卻介質出口、空氣入口、空氣出口、氫氣入口和氫氣出口分別與燃料電池堆連線；燃料電池堆的負極接口和燃料電池堆的正極接口與燃料電池堆的輸出端相連，分配單元包括氫氣分配單元、空氣分配單元和冷卻介質分配單元，其特徵在於所述具有水熱管理能力的燃料電池模組還包括置於外包裝子模組內的電源管理單元、降壓加熱子模組和液態水管理子模組；

所述外包裝子模組還包括能量控制器、儲能單元、電加熱單元、氫氣排放口、通風進風管路接口和通風出風管路接口，所述包裝殼內壁敷設保溫材料，所述氫氣排放口、通風進風管路接口和通風出風管路接口設定在包裝殼上，通風進風管路與燃料電池發電系統的空壓機/風機出口連線，通風出風管路和燃料電池系統的排放口相連；所述能量控制器在包裝殼內，能量控制器輸入端分別與燃料電池堆的正負級相連，能量控制器輸出端分別與儲能單元和電加熱單元相連，電加熱單元的電熱元件布置在包裝殼內壁的保溫材料表面；所述通訊接口與電源管理單元的電子控制單元模組相連；所述燃料電池模組的氫氣排放口經過液態水排水器和脈衝電磁閥與燃料電池堆的氫氣出口相連，所述燃料電池堆通過端板固定在包裝殼上；

所述電源管理單元包括電子控制單元模組、空氣溫度感測器、空氣壓力感測器、氫氣溫度感測器、氫氣壓力感測器、冷卻介質溫度感測器、冷卻介質壓力感測器、電壓感測器、電流感測器和連線線束，空氣溫度感測器和空氣壓力感測器連線在燃料電池堆空氣進口通道上，氫氣溫度感測器和氫氣壓力感測器連線在燃料電池堆氫氣進口通道上，冷卻介質溫度感測器和冷卻介質壓力感測器連線在燃料電池堆冷卻介質進口通道上，電壓感測器和電流感測器連線在燃料電池堆電輸出線路上，空氣溫度感測器、空氣壓力感測器、氫氣溫度感測器、氫氣壓力感測器、冷卻介質溫度感測器、冷卻介質壓力感測器、電壓感測器和電流感測器用信號線與電子控制單元模組連線；

所述降壓加熱子模組包括進口單向閥、出口單向閥、加熱水箱、電阻和循環泵，加熱水箱出口與燃料電池堆冷卻介質分配單元的冷卻介質入口相連，加熱水箱入口通過進口單向閥與包裝殼上的燃料電池模組冷卻介質入口相連，出口單向閥入口與燃料電池堆冷卻介質分配單元的冷卻介質出口相連，出口單向閥出口與包裝殼上的燃料電池模組冷卻介質出口相連，循環泵出口與加熱水箱相連，循環泵入口與燃料電池堆冷卻介質分配單元的冷卻介質出口相連，循環泵的控制開關與電子控制單元模組相連，加熱水箱內設有電阻，電阻一端連至燃料電池堆的負極，另一端通過電子控制單元模組連至燃料電池堆的正極；

所述液態水管理子模組由氫氣分水器、空氣分水器、液態水排水器和脈衝電磁閥組成，包裝殼上的燃料電池模組空氣入口通過空氣分水器與燃料電池堆的空氣分配單元的空氣入口相連，包裝殼殼上的燃料電池模組空氣出口與燃料電池堆的空氣分配單元的空氣出口相連，包裝殼上的燃料電池模組氫氣入口通過氫氣分水器與燃料電池堆氫氣分配單元的氫氣入口相連，包裝殼上燃料電池模組氫氣出口與燃料電池堆氫氣分配單元的氫氣出口相連，液態水排水器一端與包裝殼上的燃料電池模組氫氣出口相連，另一端通過脈衝電磁閥與包裝殼上燃料電池模組氫氣排放口相連，液態水排水器置於燃料電池模組的最低點，脈衝電磁閥與電源管理單元的電子控制單元模組相連。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述電子控制單元模組由單電池電壓採集電路、溫度採集電路、壓力採集電路、電流採集電路、總電壓採集電路、電阻開關驅動電路、脈衝電磁閥驅動電路、循環泵開關驅動電路、通訊電路和數字核心組成，所述單電池電壓採集電路、溫度採集電路、壓力採集電路、電流採集電路、總電壓採集電路分別與燃料電池堆單電池、空氣溫度感測器、氫氣溫度感測器、冷卻介質溫度感測器、空氣壓力感測器、氫氣壓力感測器、冷卻介質壓力感測器、電壓感測器、電流感測器用信號線通過接口連線，所述電阻開關驅動電路與降壓加熱子模組電阻電連線，控制降壓加熱子模組電阻的通斷，所述脈衝電磁閥驅動電路與液態水管理子模組的脈衝電磁閥的控制器連線，控制脈衝電磁閥的通斷，所述循環泵開關驅動電路與降壓加熱子模組循環泵電連線，控制降壓加熱子模組循環泵的啟停，所述通訊電路通過通訊接口與燃料電池發電系統控制單元連線。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述液態水排水器由分水器、保溫盒和PTC熱敏電阻組成，分水器置於保溫盒內，PTC熱敏電阻置於保溫盒內分水器集水部分的外部，PTC熱敏電阻與燃料電池的負載線連線。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述外包裝子模組的能量控制器包括能量控制器數字核心、電壓變換器、充電開關、加熱開關、能量控制器電壓採集模組和能量控制器溫度採集模組，電壓變換器是降壓型恆電流輸出電路構成的電壓變換器，能量控制器數字核心與電壓變換器連線，通過信號線分別與能量控制器電壓採集模組和能量控制器溫度採集模組連線，電壓變換器輸入端分別與燃料電池模組的正極和負極相連，電壓變換器輸出端通過充電開關與儲能單元連線，能量控制器電壓採集模組與儲能單元連線，儲能單元通過加熱開關與電加熱單元連線；所述外包裝子模組儲能單元是超級電容器、鋰離子電池或鎳氫電池；所述外包裝子模組電加熱單元的電熱元件是電熱絲、電熱帶或電熱管。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述通風進風管路接口和通風出風管路接口分別置於包裝殼一對相對立的豎立面上，高度位於距包裝殼頂部1/5處。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述管理控制方法包括電源管理控制方法、降壓加熱管理控制方法、燃料電池堆保溫控制方法和液態水管理控制方法，所述電源管理控制方法為：電子控制單元模組根據設定燃料電池堆出廠極化曲線、衰減特性和線上檢測燃料電池模組的輸出電壓和輸出電流，線上分析燃料電池的輸出狀態和當前的最大輸出能力；所述降壓加熱管理控制方法為：電子控制單元模組通過電壓感測器和冷卻介質溫度感測器檢測燃料電池模組總電壓和冷卻介質溫度，控制降壓加熱子模組工作狀態和外包裝子模組的能量管理單元的工作狀態；所述燃料電池堆保溫控制方法為：能量控制器通過冷卻介質溫度感測器檢測燃料電池模組冷卻介質溫度，控制燃料電池模組的加熱保溫；所述液態水管理控制方法為：電子控制單元模組通過內部單電池電壓檢測單元、冷卻介質溫度感測器和電流感測器檢測燃料電池堆單電池電壓、燃料電池堆工作溫度和燃料電池模組輸出電流，控制液態水管理子模組工作狀態。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述降壓加熱子模組工作狀態控制包括電阻通斷狀態控制和循環泵啟停狀態控制：所述電阻通斷狀態控制為：數字核心通過溫度採集電路採集冷卻介質的溫度T，當溫度T低於設定值T1時，通過電阻開關驅動電路控制接通電阻，當溫度T高於設定值T2時，數字核心對電壓採集電路採集燃料電池堆的輸出電壓V進行判斷，當燃料電池堆輸出電壓V超過設定值V1，則通過電阻開關驅動電路控制接通電阻，當燃料電池堆輸出電壓V低壓設定值V2，則通過電阻開關驅動電路控制斷開電阻；所述循環泵啟停狀態控制為：數字核心通過溫度採集電路採集冷卻介質的溫度T，當溫度T低於設定值T1時，通過循環泵開關驅動電路控制接通循環泵，使冷卻介質在燃料電池模組內部循環，便於燃料電池模組升溫和保溫，當溫度T高於設定值T1時，通過循環泵開關驅動電路控制斷開循環泵，使冷卻介質與燃料電池模組外部的燃料電池系統的冷卻介質循環，便於降低電池堆溫度。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述外包裝子模組燃料電池堆保溫控制為：能量控制器數字核心通過控制電壓變換器的輸出電流給儲能單元充電，能量控制器數字核心通過電壓採集模組實時採集儲能單元的電壓Ven，如果Ven超過設定值Venset，則能量控制器數字核心控制斷開充電開關，停止向儲能單元充電，能量控制器數字核心通過溫度採集模組採集燃料電池堆冷卻介質溫度Tmod，當Tmod低於設定值Tmodset時，則能量控制器的數字核心控制接通加熱開關，通過電加熱元件給燃料電池模組加熱保溫。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述液態水管理子模組工作狀態控制為：電子控制單元模組數字核心根據最低單電池電壓、電堆溫度和電流積分通過脈衝電磁閥驅動電路控制脈衝電磁閥開關周期和占空比，當燃料電池堆某單體電池電壓Vcellmin低於設定值Vcellminset時，則連續排放N次，排放周期為Tcell，占空比為50百分比，當燃料電池堆單體電池電壓都高於設定值Vcellminset時，排放占空比為常數DRnorm，排放周期Tdr根據冷卻介質溫度和燃料電池堆輸出電流積分確定。

該發明所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述脈衝電磁閥驅動電路是電子驅動電路，其結構為：電子控制單元模組數字核心的信號與電阻I一端相連，電阻I的另一端與三極體I的基極相連，電阻II的一端與三極體I的集電極連線，另一端與光耦輸入端相連，三極體I的發射極接地，光耦輸出端分別與三極體II基極和集電極相連，三極體II的發射極接地，光耦輸出端與三極體II集電極連線的線路與脈衝電磁閥連通，三極體II集電極通過二極體接地。

該發明的原理是：通過在包裝殼上設定空氣進出管路，使模組內泄漏的氫氣能及時排除，通過建立包裝殼內的冷卻水循環及其與包裝殼外的燃料電池系統的冷卻水連通，使模組內的電池堆能在短時間達到理想是工作溫度，同時，在包裝殼內的冷卻水箱內設定電阻，電阻與電池堆的輸出建立連線關係，使燃料電池堆的平均電壓低於0.85V，通過在包裝殼內電池堆的氫氣側設定液態水排水器，並利用熱敏電阻對液態水排水器中的液態水加熱使之氣化後排入氫氣出口，使得氫氣測排水更完全、便捷，通過在包裝殼內設定保溫材料和加熱單元，使包裝殼內的溫度可控可調，從而使燃料電池模組具有更穩定的性能。

改善效果

《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》可以使燃料電池模組快速進入理想的工作狀態，有利於提高模組的穩定性、安全性等。

附圖說明

附圖1是《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》的燃料電池模組構成示意圖

附圖2是電源管理單元構成示意圖

附圖3是脈衝電磁閥驅動電路構成示意圖

附圖4是脈衝電磁閥控制流程圖

附圖5是氫氣側排水結構示意圖

附圖6是排水器結構示意圖

附圖7是燃料電池模組外包裝結構示意圖

附圖8是能量管理器結構示意圖

附圖9是實施例40千瓦燃料電池模組燃料電池堆連線示意圖

附圖中，100、燃料電池堆，1001、燃料電池堆I，1002、燃料電池堆II，210、包裝殼上的空氣進口，220、包裝殼上的空氣出口，230、空氣分配單元，2301、燃料電池堆I空氣入口，2302、燃料電池堆II空氣路入口，2303、燃料電池堆I空氣出口，2304、燃料電池堆II空氣路出口，240、氫氣分水器，310、包裝殼上的氫氣進口，320、包裝殼上的氫氣出口，330、氫氣分配單元，3301燃料電池堆I氫氣入口，3302、燃料電池堆II氫氣路入口，3303燃料電池堆I氫氣出口，3304、燃料電池堆II氫氣路出口，340、空氣分水器，350、液態水排水器，3501、隔板，3502、液態水排水器分水器，3503、液態水排水器保溫盒，3504、液態水排水器進水口，3505、液態水排水器出水口，3506、PTC熱敏電阻，360、脈衝電磁閥，370氫氣排放口，410、包裝殼上的冷卻介質進口，420、包裝殼上的冷卻介質出口，430、冷卻介質分配單元，4301、燃料電池堆I冷卻介質入口，4302、燃料電池堆II冷卻介質入口，4303、燃料電池堆I冷卻介質出口，4304、燃料電池堆II冷卻介質出口，440、進口單向閥，450、加熱水箱，460、電阻，470、循環泵，480、出口單向閥，510、電子控制單元模組，520、空氣溫度感測器，530、空氣壓力感測器，540氫氣溫度感測器，550、氫氣壓力感測器，560、冷卻介質溫度感測器，570、冷卻介質壓力感測器，580、電壓感測器，590、電流感測器，591、592、包裝殼上的通訊接口，5110、單電池電壓採集電路，5111、溫度採集電路，5112、壓力採集電路，5113、電流採集電路，5114、總電壓採集電路，5115、電阻開關驅動電路，5116、脈衝電磁閥驅動電路，51161、電阻I，51162、三極體I，51163、電阻II，51164、光耦，51165、三極體II，51166、二極體，5117、循環泵開關驅動電路，5118、通訊電路，5119、數字核心，610、包裝殼上的燃料電池堆的正極接口，620、包裝殼上的燃料電池堆的負極接口，6101、燃料電池堆I的正極，6102、燃料電池堆I的負極，6103、燃料電池堆II的正極，6104、燃料電池堆II的負極，710、包裝殼，720、能量控制器，7200、能量控制器數字核心，7201、電壓變換器，7202、充電開關，7203、加熱開關，7204、能量控制器電壓採集模組，7205、能量控制器溫度採集模組，730、儲能單元，740、電加熱單元，750、通風進風管路接口，760、通風出風管路接口，800、燃料電池發電系統的空壓機/風機。

權利要求

1.《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》包括置於外包裝子模組內的燃料電池堆、分配單元、單電池電壓檢測單元和電力輸出單元，外包裝子模組包括包裝殼（710）和包裝殼上設定的空氣進口（210）、空氣出口（220）、氫氣進口（310）、氫氣出口（320）、冷卻介質進口（410）、冷卻介質出口（420）、通訊接口（591、592）、燃料電池堆的負極接口（620）和燃料電池堆的正極接口（610）；冷卻介質入口（410）、冷卻介質出口（420）、空氣入口（210）、空氣出口（220）、氫氣入口（310）和氫氣出口（320）分別與燃料電池堆（100）連線；燃料電池堆的負極接口（620）和燃料電池堆的正極接口（610）與燃料電池堆的輸出端相連，分配單元包括氫氣分配單元（330）、空氣分配單元（230）和冷卻介質分配單元（430），其特徵在於所述具有水熱管理能力的燃料電池模組還包括置於外包裝子模組內的電源管理單元、降壓加熱子模組和液態水管理子模組；

所述外包裝子模組還包括能量控制器（720）、儲能單元（730）、電加熱單元（740）、氫氣排放口（370）、通風進風管路接口（750）和通風出風管路接口（760），所述包裝殼（710）內壁敷設保溫材料，所述氫氣排放口（370）、通風進風管路接口（750）和通風出風管路接口（760）設定在包裝殼（710）上，通風進風管路（750）與燃料電池發電系統的空壓機或風機（800）出口連線，通風出風管路（760）和燃料電池系統的排放口相連；所述能量控制器（720）在包裝殼（710）內能量控制器（720）輸入端分別與燃料電池堆（100）的正負級（610、620）相連，能量控制器（720）輸出端分別與儲能單元（730）和電加熱單元（740）相連，電加熱單元（740）的電熱元件布置在包裝殼（710）內壁的保溫材料表面；所述通訊接口（591、592）與電源管理單元的電子控制單元模組（510）相連；

所述燃料電池模組的氫氣排放口（370）經過液態水排水器（350）和脈衝電磁閥（360）與燃料電池堆的氫氣出口相連，所述燃料電池堆（100）通過端板固定在包裝殼上；所述電源管理單元包括電子控制單元模組（510）、空氣溫度感測器（520）、空氣壓力感測器（530）、氫氣溫度感測器（540）、氫氣壓力感測器（550）、冷卻介質溫度感測器（560）、冷卻介質壓力感測器（570）、電壓感測器（580）、電流感測器（590）和連線線束，空氣溫度感測器（520）和空氣壓力感測器（530）連線在燃料電池堆空氣進口通道上，氫氣溫度感測器（540）和氫氣壓力感測器（550）連線在燃料電池堆氫氣進口通道上，冷卻介質溫度感測器（560）和冷卻介質壓力感測器（570）連線在燃料電池堆冷卻介質進口通道上，電壓感測器（580）和電流感測器（590）連線在燃料電池堆電輸出線路上，空氣溫度感測器（520）、空氣壓力感測器（530）、氫氣溫度感測器（540）、氫氣壓力感測器（550）、冷卻介質溫度感測器（560）、冷卻介質壓力感測器（570）、電壓感測器（580）和電流感測器（590）用信號線與電子控制單元模組（510）連線；

所述降壓加熱子模組包括進口單向閥（440）、出口單向閥（480）、加熱水箱（450）、電阻（460）和循環泵（70），加熱水箱（450）出口與燃料電池堆冷卻介質分配單元（430）的冷卻介質入口相連，加熱水箱（450）入口通過進口單向閥（440）與包裝殼（710）上的燃料電池模組冷卻介質入口（410）相連，出口單向閥（480）入口與燃料電池堆冷卻介質分配單元（430）的冷卻介質出口相連，出口單向閥（480）出口與包裝殼（710）上的燃料電池模組冷卻介質出口（420）相連，循環泵（470）出口與加熱水箱（450）相連，循環泵（470）入口與燃料電池堆冷卻介質分配單元（430）的冷卻介質出口相連，循環泵（470）的控制開關與電子控制單元模組（510）相連，加熱水箱（450）內設有電阻（460），電阻（460）一端連至燃料電池堆的負極（620），另一端通過電子控制單元模組（510）連至燃料電池堆的正極（610）；

所述液態水管理子模組由氫氣分水器（240）、空氣分水器（340）、液態水排水器（350）和脈衝電磁閥（360）組成，包裝殼（710）上的燃料電池模組空氣入口（210）通過空氣分水器（240）與燃料電池堆的空氣分配單元（230）的空氣入口相連，包裝殼（710）上的燃料電池模組空氣出口（220）與燃料電池堆的空氣分配單元（230）的空氣出口相連，包裝殼（710）上的燃料電池模組氫氣入口（310）通過氫氣分水器（340）與燃料電池堆氫氣分配單元（330）的氫氣入口相連，包裝殼（710）上燃料電池模組氫氣出口（320）與燃料電池堆氫氣分配單元（330）的氫氣出口相連，液態水排水器（350）一端與包裝殼（710）上的燃料電池模組氫氣出口（320）相連，另一端通過脈衝電磁閥（360）與包裝殼上燃料電池模組氫氣排放口（370）相連，液態水排水器（350）置於燃料電池模組的最低點，脈衝電磁閥（360）與電源管理單元的電子控制單元模組（510）相連。

2.根據權利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述電子控制單元模組（510）由單電池電壓採集電路（5110）、溫度採集電路（5111）、壓力採集電路（5112）、電流採集電路（5113）、總電壓採集電路（5114）、電阻開關驅動電路（5115）、脈衝電磁閥驅動電路（5116）、循環泵開關驅動電路（5117）、通訊電路（5118）和數字核心（5119）組成，所述單電池電壓採集電路（5110）、溫度採集電路（5111）、壓力採集電路（5112）、電流採集電路（5113）、總電壓採集電路（5114）分別與燃料電池堆（100）單電池、空氣溫度感測器（520）、氫氣溫度感測器（540）、冷卻介質溫度感測器（560）、空氣壓力感測器（530）、氫氣壓力感測器（550）、冷卻介質壓力感測器（570）、電壓感測器（580）、電流感測器（590）用信號線通過接口連線，所述電阻開關驅動電路（5115）與降壓加熱子模組電阻（460）電連線，控制降壓加熱子模組電阻（460）的通斷，所述脈衝電磁閥驅動電路（5116）與液態水管理子模組的脈衝電磁閥（360）的控制器連線，控制脈衝電磁閥（360）的通斷，所述循環泵開關驅動電路（5117）與降壓加熱子模組循環泵（470）電連線，控制降壓加熱子模組循環泵（470）的啟停，所述通訊電路（5118）通過通訊接口（591/592）與燃料電池發電系統控制單元連線。

3.根據權利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述液態水排水器由分水器（3502）、保溫盒（3503）和PTC熱敏電阻（3506）組成，分水器（3502）置於保溫盒（3503）內，PTC熱敏電阻（3506）置於保溫盒（3503）內分水器集水部分的外部，PTC熱敏電阻（3506）與燃料電池的負載線連線。

4.根據權利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述外包裝子模組的能量控制器（720）包括能量控制器數字核心（7200）、電壓變換器（7201）、充電開關（7202）、加熱開關（7203）、能量控制器電壓採集模組（7204）和能量控制器溫度採集模組（7205），電壓變換器（7201）是降壓型恆電流輸出電路構成的電壓變換器，能量控制器數字核心（7200）與電壓變換器（7201）連線，通過信號線分別與能量控制器電壓採集模組（7204）和能量控制器溫度採集模組（7205）連線，電壓變換器（7201）輸入端分別與燃料電池模組的正極（610）和負極（620）相連，電壓變換器（7201）輸出端通過充電開關（7202）與儲能單元（730）連線，能量控制器電壓採集模組（7204）與儲能單元（730）連線，儲能單元（730）通過加熱開關（7203）與電加熱單元（740）連線；所述外包裝子模組儲能單元（730）是超級電容器、鋰離子電池或鎳氫電池；所述外包裝子模組電加熱單元（740）的電熱元件是電熱絲、電熱帶或電熱管。

5.根據權利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組，其特徵在於所述通風進風管路接口（750）和通風出風管路接口（760）分別置於包裝殼一對相對立的豎立面上，高度位於距包裝殼頂部1/5處。

6.權利要求1所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述管理控制方法包括電源管理控制方法、降壓加熱管理控制方法、燃料電池堆保溫控制方法和液態水管理控制方法，所述電源管理控制方法為：電子控制單元模組（510）根據設定燃料電池堆出廠極化曲線、衰減特性和線上檢測燃料電池模組的輸出電壓和輸出電流，線上分析燃料電池的輸出狀態和當前的最大輸出能力；所述降壓加熱管理控制方法為：電子控制單元模組（510）通過電壓感測器（580）和冷卻介質溫度感測器（570）檢測燃料電池模組總電壓和冷卻介質溫度，控制降壓加熱子模組工作狀態；所述燃料電池堆保溫控制方法為：能量控制器（720）通過冷卻介質溫度感測器（570）檢測燃料電池模組冷卻介質溫度，控制燃料電池模組的加熱保溫；所述液態水管理控制方法為：電子控制單元模組（510）通過內部單電池電壓檢測單元、冷卻介質溫度感測器（570）和電流感測器（590）檢測燃料電池堆單電池電壓、燃料電池堆工作溫度和燃料電池模組輸出電流，控制液態水管理子模組工作狀態。

7.根據權利要求6所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述降壓加熱子模組控制的方法包括電阻（460）通斷狀態控制和循環泵（470）啟停控制：所述電阻（460）通斷狀態控制為：數字核心（5119）通過溫度採集電路（5111）採集冷卻介質的溫度T，當溫度T低於設定值T1時，通過電阻開關驅動電路（5115）控制接通電阻（460），當溫度T高於設定值T2時，數字核心（5119）對總電壓採集電路（5114）採集燃料電池堆的輸出電壓V進行判斷，當燃料電池堆輸出電壓V超過設定值V1，則通過電阻開關驅動電路（5115）控制接通電阻（460），當燃料電池堆輸出電壓V低壓設定值V2，則通過電阻開關驅動電路（5115）控制斷開電阻（460）；所述循環泵啟停控制為：數字核心（5119）通過溫度採集電路（5111）採集冷卻介質的溫度T，當溫度T低於設定值T1時，通過開關驅動電路（5115）控制接通循環泵（470），使冷卻介質在燃料電池模組內部循環，便於燃料電池模組升溫和保溫，當溫度T高於設定值T1時，通過開關驅動電路（5115）控制斷開循環泵（470），使冷卻介質與燃料電池模組外部的燃料電池系統的冷卻介質循環，便於降低電池堆溫度。

8.根據權利要求6所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述外包裝子模組內的燃料電池堆保溫控制的方法為：能量控制器數字核心（7200）通過控制電壓變換器（7201）的輸出電流給儲能單元（730）充電，能量控制器數字核心（7200）通過電壓採集模組（7204）實時採集儲能單元的電壓Ven，如果Ven超過設定值Venset，則能量控制器數字核心（7200）控制斷開充電開關（7202），停止向儲能單元（730）充電，能量控制器數字核心（7200）通過溫度採集模組（7205）採集燃料電池堆冷卻介質溫度Tmod，當Tmod低於設定值Tmodset時，則能量控制器（720）的數字核心（7200）控制接通加熱開關（7203），通過電加熱元件（740）給燃料電池模組加熱保溫。

9.根據權利要求6所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述液態水管理子模組控制的方法為：電子控制單元模組（510）數字核心（5119）根據最低單電池電壓、電堆溫度和電流積分通過脈衝電磁閥驅動電路（5116）控制脈衝電磁閥（360）開關周期和占空比，當燃料電池堆某單體電池電壓Vcellmin低於設定值Vcellminset時，則連續排放N次，排放周期為Tcell，占空比為50百分比，當燃料電池堆單體電池電壓都高於設定Vcellminset時，排放占空比為常數DRnorm，排放周期Tdr根據冷卻介質溫度和燃料電池堆輸出電流積分確定。

10.根據權利要求9所述的一種具有水熱管理能力的燃料電池模組的管理控制方法，其特徵在於所述脈衝電磁閥驅動電路（5116）是電子驅動電路，其結構為：電子控制單元模組（510）數字核心（5119）的信號與電阻I（51161）一端相連，電阻I（51161）的另一端與三極體I（51162）的基極相連，電阻II（51163）的一端與三極體I（51162）的集電極連線，另一端與光耦（51164）輸入端相連，三極體I（51162）的發射極接地，光耦（51164）輸出端分別與三極體II（51165）基極和集電極相連，三極體II（51165）的發射極接地，光耦（51164）輸出端與三極體II（51165）集電極連線的線路與脈衝電磁閥（360）連通，三極體II（51165）集電極通過二極體（51166）接地。

實施方式

實施例是具有水熱管理能力的40千瓦燃料電池模組。有兩個20千瓦燃料電池堆，每個電池堆節數為150節，操作壓力低於100千帕，其衰減速率Vt為10毫伏/小時，空氣側阻力指標為20千帕@50標準立方米/小時，氫氣側阻力指標為25千帕@10標準立方米/小時。空氣路、氫氣路和冷卻介質路並聯，電力輸出為並聯，如圖9所示，1001和1002分別為燃料電池堆，燃料電池堆1001空氣入口2301通過空氣分配單元230與燃料電池堆1002空氣路入口2302相連，燃料電池堆1001空氣出口2303通過空氣分配單元230與燃料電池堆1002空氣路出口2304相連，燃料電池堆1001氫氣入口3301通過氫氣分配單元330與燃料電池堆1002氫氣路入口3302相連，燃料電池堆1001氫氣出口3303通過氫氣分配單元330與燃料電池堆1002空氣路出口3304相連，燃料電池堆1001冷卻介質入口4301通過冷卻介質分配單元430與燃料電池堆1002冷卻介質入口4302相連，燃料電池堆1001冷卻介質出口4303通過冷卻介質分配單元430與燃料電池堆1002冷卻介質出口4304相連，6101為燃料電池堆1001的正極，6102為燃料電池堆1001的負極，6103為燃料電池堆1002的正極，6104為燃料電池堆1002的負極。

液態水排水器350如附圖6所示。3501：擋板，3502：分水盒，3503：保溫盒，3504：氫氣進氣接口，3505：氫氣排氣接口，3506：PTC熱敏電阻（工作電壓：150-300伏，加熱溫度：150-250攝氏度，額定功率：300瓦），脈衝電磁閥360口徑為Φ5毫米。加熱水箱450為自制不銹鋼水箱，尺寸為200×300毫米，降壓加熱電阻460為5000瓦/18Ω，循環水泵470流量為6升/分鐘，單向閥440和480口徑為Φ25毫米。

電源管理單元510為以單片機MC9S12DP256為核心的控制器。空氣溫度感測器520、氫氣溫度感測器540和冷卻介質溫度感測器560為PT1000，空氣壓力感測器530、氫氣壓力感測器550和冷卻介質壓力感測器570量程為0～100千帕，輸出信號為1～5伏，電壓感測器580量程為0～500伏，電流感測器590量程為0～300安。能量管理器720中7201為buck型降壓電路，輸出控制通過數字核心7200以恆電流模式輸出，7202和7203為開關繼電器GV50。儲能單元為鎳氫電池24伏/40安培小時，加熱帶功率為200瓦。

榮譽表彰

2017年12月，《一種具有水熱管理能力的燃料電池模組》獲得第十九屆中國專利優秀獎。