CN108511775A - 氢燃料电池系统的冷启动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池系统的冷启动装置。氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；副循环回路包括：冷却液循环管路；以及设置于冷却液循环管路上并为冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；补水路包括：为冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱；以及设置于膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充冷却液进行加热的补水路加热装置；冷启动装置中，补水路加热装置为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，副循环加热装置为冷却液循环管路中的冷却液进行加热。本发明中，两个加热装置共同作用，可加速燃料电池电堆内部副循环回路的升温过程，降低冷启动的时间。

Description

氢燃料电池系统的冷启动装置

技术领域

本发明涉及清洁能源技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池系统的冷启动装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)，因其零污染，高效率，常温下反应稳定可控等优点被广泛应用于汽车、轨道交通领域。

质子交换膜燃料电池在工作中会产生大量热量，热量集中会导致质子交换膜燃料电池系统内部的迅速温升，这将影响燃料电池的工作效率，故通常使用风冷或液冷的方式，对燃料电池内部进行冷却。一般大功率质子交换膜燃料电池系统(输出功率：5kW以上)使用液冷方式，控制冷却液的温度波动范围：55～70℃。故质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)除了自身的质子交换膜燃料电池电堆(PEMFC Stack)以外，还需要一套配合的冷却散热系统。

目前，对质子交换膜燃料电池的环境温度适应性或耐候性的应用与标准中，对低温冷启动在加热功率、时间方面均有要求。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动装置，目前有如下几种：

(1)燃料电池小功率输出、迅速大量产热的方式；

(2)燃料电池循环冷却回路循环加热保温方式；

(3)燃料电池副循环内部加热的方式。

上述方案中，低温冷启动方式(1)主要针对特定的燃料电池电堆类型，其对电堆自身的低温冷启动、冷却循环、电堆的加载特性有极高的要求，不适用于普通燃料电池电堆。

低温冷启动方式(2)是一种比较原始的、有效的燃料电池电堆在低温状态下的性能维护与保存方式。其主要依赖外界提供电加热或热源，维持燃料电池电堆整体温度在零上4℃以上。这种方式受外界条件的限制比较多，近年来逐渐被其他两种方式所取代。

低温冷启动方式(3)是目前应用较为广泛的方式。图1为采用低温冷启动方式(3)的理想燃料电池冷却系统回路的示意图。在图1中，实线对应的管路为冷却液管路，虚线对应的管路为排气管路。排气管路的功能是将冷却液中的气体排出至膨胀水箱42。该排气管路一般用于系统第一次加水排气，以及后期点检维护用，正常工况下，该排气管路是关闭的。

请参考图1，其主要利用了冷却循环回路中，随着副循环回路内部的副循环加热装置21的加热作用、副循环回路中的冷却液逐步升温，当副循环冷却液温度达到5.5℃，燃料电池控制系统判断冷启动完成，开启燃料电池电堆，随着燃料电池电池输出功率的升高，副循环回路中的冷却液温度逐步攀升。当经过节温器23的感温结构的冷却液温度到达节温器的开启温度后，冷却回路由“副循环状态”切换至“主循环状态”，冷却回路的温度进一步升高。当散热单元的出水口温度到达目标值60℃时，散热单元中的冷却风扇开启，大量引入周围环境的冷态空气，通过散热单元的“管带-翅片”结构与散热单元中的冷却液迅速换热，维持散热单元的出水口温度低于目标值60℃，保证燃料电池电堆的正常工作状态。

低温冷启动方式(3)的冷启动过程中有两个关键点：1、节温器23的感温开启温度；2、冷启动阶段以及起堆阶段的副循环回路的有效封闭性。第1点比较好理解，因为这个开启温度是副循环阶段与主循环阶段的临界温度点。第2点的“有效封闭”这一概念需要被正确认识。

请参考图1，在存在大副循环切换的燃料电池冷却循环系统中，理想状态是在燃料电池回水路与副循环回路交汇点之前，即远离燃料电池电堆一侧，设置一单向阀A，其作用是，当冷却循环系统处于副循环状态时，单向阀A可以阻止来自副循环回路的高压流体逆流通过燃料电池电堆回水路，进入到燃料电池散热单元中；当主循环正常工作时，来自散热单元的冷却液可以正常进入燃料电池电堆回水口。然而，单向阀A的设置也会带来其他问题，例如单向阀自身的压损、开启压力等。另，在某些情况下，需要无论在大副循环何种状态下，系统始终有一小股冷却液经过外部去离子罐，以便维持冷却循环系统中电导率足够低，保证燃料电池系统以及整车高压系统的整体绝缘阻值特性维持在高水平。故上述单向阀A往往会被取消，或用实时可控的电磁阀替代。

图2为燃料电池冷却系统回路的示意图。请参照图2，现行的燃料电池系统中取消了单向阀A。

图3为燃料电池冷却系统回路中副循环状态的示意图。如图3所示，在冷启动阶段的副循环状态下，冷却回路中存在2个分支回路：

(1)副循环回路20，即冷却液由抽吸泵22吸入后，被压缩成高压液流后，进入节温器23中。由于冷却液温度低，节温器23处于副循环回路导通的状态，冷却液经过节温器23的副循环出口进入副循环加热装置21。冷却液经过副循环加热装置21的加热，然后进入燃料电池电堆10对其进行加热，之后流出燃料电池电堆10，与从来自膨胀水箱42的补充冷却液汇集后，又被抽吸泵22吸入，形成内部加热的副循环过程。

(2)出副循环加热装置21的冷却液，除了进入副循环回路的一部分，另一部分逆向分流，经过Y型过滤器32，反向经过散热单元33，后经维护开关阀34与去离子罐35，进入膨胀水箱42。后经补水路与燃料电池电堆出水汇集后，进入抽吸泵22前端，形成了副循环状态下的外部循环回路。

很明显，在冷启动状态下，副循环加热装置21同时为副循环回路20和外部循环回路中的冷却液进行加热。由于外部循环回路的热容大，且散热单元的散热能力强，经过外部循环回路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，显著低于经过副循环回路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，这一现象最终导致2个结果：1、冷启动时间显著增加，以实验为例，即对比图1与图2或图3，图1的冷启动时间(起始低温：-10℃，加热终止温度：5.5℃)为理论设计的300秒，而图2或图3的实测冷启动时间为855秒，加热持续时间变为近三倍。这个现象的根源在于，经过外部循环回路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，显著低于经过副循环回路20最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度。

在实现本发明的过程中，申请人发现：目前的质子交换膜燃料电池的低温冷启动时间过长，增加了系统能耗，严重限制了质子交换膜燃料电池的环境温度适应性与应用范围。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种氢燃料电池系统的冷启动装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开氢燃料电池系统的冷启动装置中，氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；副循环回路包括：连接至燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却液循环管路；以及设置于冷却液循环管路上并为冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；补水路包括：为冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱；以及设置于膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置；其中，冷启动装置中，补水路加热装置为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，副循环加热装置为冷却液循环管路中的冷却液进行加热。

在本公开的一些实施例中，副循环回路的上游端连接至燃料电池电堆的冷却液出口，下游端连接至燃料电池电堆的冷却液进口，在上游端和下游端之间通过管路依次连接有第一三通管件、抽吸泵、节温器、第二三通管件；副循环加热装置设置于节温器和第二三通管件的第一口之间的管路中；第一三通管件的第一口连接至燃料电池电堆的冷却液出口，第二口连接至抽吸泵的冷却液进口；抽吸泵的冷却液出口连接至节温器的冷却液进口；第二三通管件的第一口连接至节温器的冷却液出口，第二口连接至燃料电池电堆的冷却液进口；补水路中的膨胀水箱的上游端连接至第二三通管件的第三口，其下游端连接至第一三通管件的第三口；冷启动装置中，在抽吸泵的抽吸作用下，冷却液从燃料电池电堆的冷却液出口导出，经过第一三通管件的第一口和第二口、抽吸泵、节温器后，在第二三通管件处分为两股：第一股流入燃料电池的冷却液进口，第二股进入膨胀水箱，由膨胀水箱提供的补充冷却液在第一三通管件的第三口与燃料电池电堆的冷却液出口导出的冷却液汇合，进入抽吸泵的冷却液进口。

在本公开的一些实施例中，在第二三通管件的第三口和膨胀水箱之间，氢燃料电池系统还依次包括：Y型过滤器、散热单元、维护开关阀、去离子罐；其中，冷启动装置中，在第二三通管件处分为两股的冷却液中，第二股冷却液依次经过Y型过滤器、散热单元、维护开关阀、去离子罐，而后流入膨胀水箱，Y型过滤器滤除冷却液中的固态颗粒；去离子罐去除流经其冷却液中的导电离子。

在本公开的一些实施例中，补水路加热装置包括：加热芯组件、加热管壳体、加热水套、防护组件、压片法兰、固定件、第一连接件和第二连接件；其中，冷启动装置中，加热芯组件通过压片法兰和固定件固定在加热管壳体内，加热管壳体与防护组件通过第一连接件密封连接，加热管壳体插入加热水套内并与加热水套通过第二连接件密封连接，在工作过程中加热芯组件发热，热量通过自身的辐射以及加热芯体组件与加热管壳体内壁之间的空气对流，将热量传导至加热管壳体，再由加热管壳体对流经其表面的冷却液加热。

在本公开的一些实施例中，补水路加热装置中，加热芯组件包括：头部、芯体和拉杆；冷启动装置中，芯体内部设有孔，头部的直径大于芯体的直径且设置有第一接线柱、第二接线柱、第一安装孔和第二安装孔，头部连接在芯体上，拉杆穿过头部的第一安装孔安装在芯体内。

在本公开的一些实施例中，补水路加热装置中，加热管壳体呈筒状且一侧开口，开口端设置有间隔排列的第一卡盘法兰接口和第二卡盘法兰接口，加热管壳体表面的中部和与开口端相对的一端分别设有第一支撑环和第二支撑环。

在本公开的一些实施例中，补水路加热装置中，加热芯组件插入加热管壳体内部，固定件穿过压片法兰和加热芯组件头部的第二安装孔，将加热芯组件的头部固定在第一卡盘法兰接口上，进而将加热芯组件固定在加热管壳体的内部。

在本公开的一些实施例中，补水路加热装置的加热芯组件中，芯体为电加热棒，其由直流电压驱动，驱动电压介于400V～700V之间，其功率介于8～16千瓦之间。

在本公开的一些实施例中，副循环加热装置为PTC加热装置，其由直流电压驱动，驱动电压介于10V～30V之间，其功率介于2.4～3.2千瓦之间。

在本公开的一些实施例中，氢燃料电池系统还包括：温度传感器，设置于燃料电池电堆的冷却液出口或冷却液进口的位置，用于获得燃料电池电堆的当前温度；冷启动装置包括：在燃料电池电堆的当前温度小于设定的启动温度时，控制副循环加热装置和补水路加热装置工作，加热副循环回路和补水路中的冷却液。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明氢燃料电池系统的冷启动装置至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

(1)副循环回路和补水路中均设置加热装置，分别对副循环回路和补水路中的冷却液进行加热。补水路中的加热装置额外对补充冷却液作温度补偿，可以防止补水路的冷却液由于低温(例如零下30度)对燃料电池电堆内部副循环回路温度的拉低作用。两个加热装置共同作用，可以加速燃料电池电堆内部副循环回路的升温过程，降低冷启动的时间。

(2)提出了一种新型的补水路加热装置，能够稳定可靠且高效地对补充冷却液进行加热，迅速提升冷却液温度。

(3)补水路加热装置的连接方式结构简单、稳定且便于反复拆装，利于检测与维修；同时整体的连接及支撑刚度大大提高，使补水路加热装置满足车载要求的振动与冲击需求。

(4)增加去离子罐，去除冷却液中的导电离子，以便维持冷却液的电导率足够低，保证燃料电池系统以及整车高压系统的整体绝缘阻值特性维持在高水平，防止由于冷却液中导电离子的存在而拉低整车绝缘值。

(5)在氢燃料电池系统冷态启动前的预加热阶段，由于包括副循环加热装置和补水路加热装置在内的外加热功能的存在，既保证了冷却液的连续加热，又能保证去离子罐对冷却液中导电离子的持续吸附。

本发明可以在相同或更短的冷启动时间内基于现有的冷启动条件之上，例如零下10℃，降低冷启动温度，例如降到零下30℃，降低了系统能耗，增强了质子交换膜燃料电池的环境温度适应性与应用范围，提升新能源汽车的竞争力，具有较好的推广应用价值。

附图说明

图1为采用低温冷启动方式(3)的理想质子交换膜燃料电池冷却系统回路的示意图。

图2为质子交换膜燃料电池冷却系统回路的示意图。

图3为质子交换膜燃料电池冷却系统回路中副循环状态的示意图。

图4为根据本发明实施例氢燃料电池系统的冷启动装置中氢燃料电池系统的结构示意图。

图5为图4所示氢燃料电池系统中补水路加热装置的结构示意图。

【附图中主要元件符号说明】

A-单向阀；

10-燃料电池电堆；

11-温度传感器；

20-副循环回路；

21-副循环加热装置；22-抽吸泵；23-节温器；

24-第一三通管件；25-第二三通管件；

30-主循环回路组件；

32-Y型过滤器；33-散热单元；34-维护开关阀；

35-去离子罐；

40-补水路；

41-补水路加热装置；42-膨胀水箱；

1-加热水套；

1a-进水口；1b-出水口；1c-第四卡盘法兰接口；1d-内孔；

2-第二连接件；

2a-第二环卡；2b-第二卡盘密封垫；

3-加热管壳体；

3a-第一支撑环；3b-第二支撑环；

3c-第二卡盘法兰接口；3d-第一卡盘法兰接口；

4-加热芯组件；

4a-拉杆；4b-第一接线柱；4c-第二接线柱；

4d-头部；4e-芯体4f-第二安装孔；

4g-第一安装孔；

5-压片法兰；

6-固定件；

7-第一连接件；

7a-第一环卡；7b-第一卡盘密封垫；

8-防护组件；

8a-防水PG接头；8b-电缆护套8c-第四卡盘法兰接口。

具体实施方式

针对上述背景技术中所提到的技术问题，其解决思路为：若可实现经过补水路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，不低于经过副循环回路最终汇集到抽吸泵前端的冷却液温度，则可获得不大于图1的冷启动时间，甚至更短。

由此，可考虑在抽吸泵22前端的补水管段上增加一个加热装置，其作用是对来自膨胀水箱的补充冷却液进行加热，确保来自膨胀水箱的补充冷却液温度高于来自副循环回路的燃料电池电堆10的出水冷却液温度，两者混合后，经过抽吸泵22的泵送，进入副循环加热装置21做进一步加热，而后加热的冷却液经过副循环回路与补水路的反复循环迭代，燃料电池电堆10及其副循环回路的冷却液温度最终满足起堆温度条件(一般为5℃以上)，燃料电池电堆10即可顺利起堆。

综上所述，针对低温冷启动方式(3)，在冷启动阶段时，在副循环回路加热环节之外，有必要在补水路中增加一个额外的加热环节，此为本案提出的宗旨。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种氢燃料电池系统的冷启动装置。

图4为根据本发明实施例氢燃料电池系统的冷启动装置中氢燃料电池系统的结构示意图。如图4所示，本实施例中，氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆10、副循环回路20、补水路40、控制系统。其中，燃料电池电堆10的内部设置温度传感器11。副循环回路20包括：连接至所述燃料电池电堆10的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却液循环管路；以及设置于冷却液循环管路上并为冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置21。补水路40包括：为所述冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱42；以及设置于所述膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置41。控制系统，用于根据燃料电池电堆内部的温度，控制副循环管路中副循环加热装置21和补水路中补水路加热装置41的工作状态。

本实施例氢燃料电池系统的冷启动装置中，在质子交换膜燃料电池自身的冷却液循环管路增加了副循环加热装置21；同时在补水路40中增加了补水路加热装置41；在控制系统的控制下，在燃料电池的启动阶段，副循环加热装置21和补水路加热装置41共同对冷却液进行加热，使得燃料电池电堆10尽快满足起堆温度(一般为5℃以上)，从而使得燃料电池电堆即使在低温情况下(例如零下30度)也可以快速启动。

以下结合附图，分别对本实施例氢燃料电池系统的冷启动装置的各个方面进行详细描述。

关于燃料电池电堆，本实施例为氢燃料电池电堆。

如上所述，对于大功率燃料电池电堆而言，其在工作中会产生大量热量，热量集中会导致质子交换膜燃料电池系统内部的迅速温升，这将影响燃料电池的工作效率，故其需要配置副循环回路。

在燃料电池电堆10的内部，设置有温度传感器11。通过该温度传感器11可以获得燃料电池电堆内部的实时温度。该温度传感器11可以设置于燃料电池电堆的冷却液出口的位置，也可以设置于燃料电池电堆的冷却液入口的位置，还可以设置于燃料电池电堆的其他位置，只要能够获得燃料电池电堆的实时温度即可。

请参照图4，本实施例中，副循环回路的上游端连接至燃料电池电堆的冷却液出口，下游端连接至燃料电池电堆的冷却液进口，包括：在上游端和下游端通过管路依次连接的第一三通管件24、抽吸泵22、节温器23、第二三通管件25。

其中，第一三通管件24的第一口连接至燃料电池电堆的冷却液出口，第二口连接至抽吸泵22的冷却液进口；抽吸泵22的冷却液出口连接至节温器的冷却液进口；第二三通管件25的第一口连接至节温器的冷却液出口，第二口连接至燃料电池电堆的冷却液进口。副循环加热装置21设置于副循环回路中，节温器23和第二三通管件25的第二口之间。

其中，在抽吸泵22的抽取作用下，冷却液从燃料电池电堆的冷却液出口导出，依次经过第一三通管件24、抽吸泵22、节温器23、第二三通管件25，而再次从氢燃料电池电堆的冷却液进口进入。而在氢燃料电池电堆启动的过程中，副循环加热装置21对流经副循环回路20的冷却液进行加热。

本实施例中，该副循环加热装置为低电压驱动的PTC电加热装置，其驱动电压为24V，功率为3千瓦之间。当然，在其他的应用场景下，本领域技术人员也可以采用其他类型和功率的加热装置，同样可以实现本发明。优选地，副循环加热装置的驱动电压介于10V～30V之间，功率介于2.4～3.2千瓦之间。

需要说明的是，虽然本实施例中采用抽吸泵实现副循环回路20中冷却液的循环流动，但在本发明其他实施例中，还可以采用其他形式的泵来代替本实施例中的抽吸泵，只要能够实现副循环回路20中冷却液的循环流动即可。

节温器23为在控制系统控制下的三通接头，其第一接头通过管道连通至抽吸泵的冷却液出口，其第二接头通过管道连通至燃料电池电堆的冷却液进口。

本实施例中，节温器23是由其感温包中的感温石蜡随温度变化而改变其密度，引起石蜡体积的变化，由于石蜡的热胀冷缩，感温包控制三通阀门的大副循环开度变化，最终实现三通阀门的大副循环的冷却液流量分配。当然，本领域技术人员也可以根据需要选择其他类型的节温器。

请继续参照图4，本实施例中，补水路40包括：为冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱42；以及设置于所述膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置41。

膨胀水箱42的上游端直接或间接地连接至所述第二三通管件的第三口，其下游端连接至所述第一三通管件的第三口。在膨胀水箱42中储存了较多的冷却液，该膨胀水箱为副循环回路20中冷却液由于热胀冷缩而产生的冷却液的损失或多余提供补偿作用，同时提供冷却液的更新。本实施例中采用的冷却液为乙二醇与去离子水的混合液，混合比例：50:50。

图5为图4所示氢燃料电池中补水路加热装置的结构示意图。如图5所示，补水路加热装置41包括：加热水套1、第二连接件2、加热管壳体3、加热芯组件4、压片法兰5、固定件6、第一连接件7和防护组件8。其中，加热芯组件4通过压片法兰5和固定件6固定在加热管壳体3内，加热管壳体3与防护组件8通过第一连接件7密封连接，加热管壳体3与加热水套1通过第二连接件2密封连接，在工作过程中加热芯组件4发热，热量通过自身的辐射以及加热芯体组件4与加热管壳体3内壁之间的空气对流，将热量传导至加热管壳体3，再由加热管壳体3对流经其表面的冷却液加热。防护组件8包括：防水PG接头8a和设置在其外部的电缆护套8b，防水PG接头8a的一侧设置有第四卡盘法兰接口8c。

具体而言，所述加热芯组件4包括：拉杆4a、头部4d和芯体4e，芯体4e内部设有孔(未示出)，头部4d连接在芯体4e上，头部4d的直径大于芯体4e的直径且右侧设置有第一接线柱4b、第二接线柱4c、第一安装孔4g和第二安装孔4f，拉杆4a穿过头部4d的第一安装孔4g安装在芯体4e内部的孔内，起到固定的作用。加热管壳体3呈一端开口的筒状，开口端设置有第一卡盘法兰接口3d和第二卡盘法兰接口3c，表面的中部以及与开口端相对的另一端设置有齿轮缺口型结构的第一支撑环3a和第二支撑环3b。加热水套1为内部设有内孔1d的柱体，加热水套1的一端设有第四卡盘法兰接口1c，另一端设有出水口1b，侧面设有进水口1a。防护组件8包括防水PG接头8a和设置在电缆护套8b，防水PG接头8a的一侧设置有第三卡盘法兰接口8c，另一侧设置有环绕防水PG接头的环状电缆护套8b，防止其与金属外壳搭接。第一连接组件7包括：第一环卡7a和第一卡盘密封垫7b。第二连接件2包括：第二环卡2a和第二卡盘密封垫2b。加热芯组件4的芯体4e插入加热管壳体3内部，固定件6穿过压片法兰5和加热芯组件4头部的第二安装孔4f，将加热芯组件4的头部4d固定在第三卡盘法兰接口3d上，进而将加热芯组件4固定在加热管壳体3的内部。加热芯组件4头部4d右端设置的第一接线柱4b、第二接线柱4c和穿过头部4d的拉杆4a放置在防水PG接头8a的内部，第一环卡7a将第一卡盘法兰接口3d和第三卡盘法兰接口8c连接在一起，第一卡盘密封垫7b设置在第一卡盘法兰接口3d和第三卡盘法兰接口8c之间，达到密封连接的效果。加热管壳体3插入加热水套1的内孔1d内，第二环卡2a将第四卡盘法兰接口1c和第二卡盘法兰接口3c连接在一起，第二卡盘密封垫2b设置在第二卡盘法兰接口3c和第四卡盘法兰接口1c之间，达到密封连接的效果。其中加热管壳体3表面设置的第一支撑环3a和第二支撑环3b与加热水套1内孔1d尺寸配合，与第二卡盘法兰接口3c一起对加热水套1起到支撑作用，在加热水套1和加热管壳体3中间形成一个用于加热冷却液等流体的腔体。

在工作状态下，冷却液等液体通过加热水套1的进水口1a进入加热水套1和加热管壳体3之间的腔体，加热管壳体3的第一支撑环3a和第二支撑环3b为齿轮缺口结构，在此过程中保证了液体顺利流动，不发生限流和节流的情况。加热芯体组件4发热，热量通过自身的辐射以及加热芯体组件4与加热管壳体3内壁之间的空气对流，将热量传导至加热管壳体3，再由加热管壳体3对流经其表面的冷却液加热。随后加热后的冷却液由加热水套1的出水口1b流出。

在本申请的一个实施方式中，加热芯组件的芯体4e可以为电加热棒，其由直流电压驱动，驱动电压介于400V～700V之间，其功率介于8～16千瓦之间。当然，在其他的应用场景下，本领域技术人员也可以采用其他类型和功率的加热装置，同样可以实现本发明。

本实施例提供了一种加热管壳体3与加热芯组件4利用压盘法兰5与固定件6连接的连接方式，此连接方式结构简单、稳定且便于反复拆装，利于检测与维修。同时本申请上述实施例提供的第一支撑环3a、第二支撑环3b和第二卡盘法兰接口3c三点支撑结构避免了由于第二卡盘法兰接口3c单点支撑造成的悬臂简支梁结构，提高了整体的连接及支撑刚度，使所述补水路加热装置满足车载要求的振动与冲击需求。

关于上述补水路加热装置更为详细的说明，可参照本案申请人递交的在先专利申请(专利申请号：201711398739.2；201721813759.7)，此处不再赘述。

本实施例中，在第二三通管件的第三口和膨胀水箱42之间，借用质子交换膜燃料电池中主循环回路中的一些部件进行连通。为描述方便，将借用的这些部件统称为主循环回路组件30。

请参照图1～图4，主循环回路组件30包括用管路依次连接的：Y型过滤器32、散热单元33、维护开关阀34、去离子罐35。以下分别对其进行详细说明。

散热单元33用于在燃料电池正常工作时，对主循环回路中的冷却液进行冷却。该散热单元33的控制端信号连接至控制系统，在控制系统的控制下开启或关闭。

Y型过滤器32的作用是过滤冷却液中的大粒径的固态颗粒。当然，除了Y型过滤器之外，还可以在主循环回路中设置其他类型的过滤器以滤除冷却液中的各类杂质。

去离子罐35可以去除冷却液中的导电离子，以便维持冷却循环系统中电导率足够低，保证燃料电池系统以及整车高压系统的整体绝缘阻值特性维持在高水平，防止由于冷却液中导电离子的存在而拉低整车绝缘值。

关于上述Y型过滤器和去离子罐更为详细的说明，可参照本案申请人递交的在先专利申请(专利申请号：201711099803.7；201721496834.1)，此处不再赘述。

维护开关阀34为方便后期对主循环回路的维护而设置，正常工况下一直是导通的。维护开关阀34可以是球阀、针阀或其他合适的阀门，此处不再详述。

以下对本实施例氢燃料电池的低温冷启动阶段中，冷却液的循环过程进行说明。

在抽吸泵22的抽吸作用下，冷却液在经过节温器23和副循环加热装置之后，在第二三通管件25处分为两路：第一路进入氢燃料电池电堆的冷却液进口，另一路通过管路依次流经Y型过滤器32、散热单元33、维护开关阀34、去离子罐35，进入膨胀水箱42，膨胀水箱42提供的补充冷却液经过补水路加热装置41加热后在第一三通管件24处和由进入氢燃料电池电堆的冷却液进口的冷却液一起进入抽吸泵22的入口。

具体而言，在燃料电池冷启动阶段的状态下，氢燃料电池中存在2个分支回路：

(1)副循环回路20，即冷却液由抽吸泵22吸入后，被压缩成高压液流后，进入节温器23中。由于冷却液温度低，节温器23处于副循环回路导通的状态，冷却液经过节温器23的副循环出口进入副循环加热装置21。冷却液经过副循环加热装置21的加热，然后进入燃料电池电堆10对其进行加热，之后流出燃料电池电堆10，与从来自补水路的补充的冷态冷却液汇集后，又被抽吸泵22吸入，形成内部加热的副循环过程。

(2)另一条分支回路，即出副循环加热装置21的冷却液，除了进入副循环回路20的一部分，另一路剩余的冷却液逆流经过Y型过滤器32、散热单元33、维护开关阀34、去离子罐35，进入膨胀水箱42。膨胀水箱42提供的补充冷却液经过补水路加热装置41加热后在第一三通管件24处和由进入氢燃料电池电堆的冷却液进口的冷却液汇合，一起进入抽吸泵22的冷却液入口，这形成了另一条分支回路。

需要注意的是，抽吸泵22为上述两条的分支回路中冷却液的循环提供动力。

本实施例氢燃料电池的冷启动装置中，在补水路中增加了补水路加热装置41，其作用是对来自膨胀水箱的补充冷却液进行加热，确保补充冷却液温度等于或者高于来自副循环回路20的燃料电池电堆10的出水冷却液温度，两者混合后，经过抽吸泵22的泵送，进入副循环回路加热装置21做进一步加热，而后加热的冷却液经过副循环回路20与补水路40的反复循环迭代，燃料电池电堆10及其副循环回路的冷却液温度最终满足起堆温度条件(一般为5℃以上)，燃料电池电堆10即可顺利起堆，从而可以获得较短的冷却时间。

如上所述，本实施例中，控制系统与温度传感器11信号耦接，并与副循环加热装置21、补水路加热装置41信号耦接，用于在燃料电池电堆的当前温度小于设定的启动温度时，控制所述副循环加热装置21和补水路加热装置41工作，加热所述副循环回路和补水路中的冷却液。

至此，本发明实施例氢燃料电池系统的冷启动装置介绍完毕。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)除了PTC加热装置之外，还可以采用其他类型的加热装置作为副循环加热装置；

(2)除了加热棒之外，还可以采用其他类型的加热装置作为补水路加热装置的加热芯组件的芯体。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的氢燃料电池系统的冷启动装置有了清楚的认识。

综上所述，本发明在现有燃料电池副循环回路的基础上，增加了另外的一组补水路，并在两组管路中均增加加热装置，降低冷启动温度和系统能耗，增强了质子交换膜燃料电池的环境温度适应性与应用范围，提升新能源汽车的竞争力，具有较好的推广应用价值。

还需要说明的是，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：

所述氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；

所述副循环回路包括：连接至所述燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却液循环管路；以及设置于所述冷却液循环管路上并为所述冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；

所述补水路包括：为所述冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱；以及设置于所述膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置；

其中，所述冷启动装置中，所述补水路加热装置为补充至所述冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，所述副循环加热装置为所述冷却液循环管路中的冷却液进行加热。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：

所述副循环回路的上游端连接至燃料电池电堆的冷却液出口，下游端连接至燃料电池电堆的冷却液进口，在上游端和下游端之间通过管路依次连接有第一三通管件、抽吸泵、节温器、第二三通管件；所述副循环加热装置设置于所述节温器和第二三通管件的第一口之间的管路中；

所述第一三通管件的第一口连接至燃料电池电堆的冷却液出口，第二口连接至抽吸泵的冷却液进口；所述抽吸泵的冷却液出口连接至节温器的冷却液进口；第二三通管件的第一口连接至节温器的冷却液出口，第二口连接至燃料电池电堆的冷却液进口；

所述补水路中的膨胀水箱的上游端连接至所述第二三通管件的第三口，其下游端连接至所述第一三通管件的第三口；

所述冷启动装置中，在抽吸泵的抽吸作用下，冷却液从燃料电池电堆的冷却液出口导出，经过第一三通管件的第一口和第二口、抽吸泵、节温器后，在第二三通管件处分为两股：第一股流入燃料电池的冷却液进口，第二股进入膨胀水箱，由膨胀水箱提供的补充冷却液在第一三通管件的第三口与燃料电池电堆的冷却液出口导出的冷却液汇合，进入抽吸泵的冷却液进口。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：

在所述第二三通管件的第三口和膨胀水箱之间，所述氢燃料电池系统还依次包括：Y型过滤器、散热单元、维护开关阀、去离子罐；

其中，所述冷启动装置中，在第二三通管件处分为两股的冷却液中，第二股冷却液依次经过Y型过滤器、散热单元、维护开关阀、去离子罐，而后流入膨胀水箱，所述Y型过滤器滤除冷却液中的固态颗粒；所述去离子罐去除流经其冷却液中的导电离子。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：

所述补水路加热装置包括：加热芯组件、加热管壳体、加热水套、防护组件、压片法兰、固定件、第一连接件和第二连接件；

其中，所述冷启动装置中，加热芯组件通过压片法兰和固定件固定在加热管壳体内，加热管壳体与防护组件通过第一连接件密封连接，加热管壳体插入加热水套内并与加热水套通过第二连接件密封连接，在工作过程中加热芯组件发热，热量通过自身的辐射以及加热芯体组件与加热管壳体内壁之间的空气对流，将热量传导至加热管壳体，再由加热管壳体对流经其表面的冷却液加热。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：

所述补水路加热装置中，所述加热芯组件包括：头部、芯体和拉杆；

所述冷启动装置中，芯体内部设有孔，头部的直径大于芯体的直径且设置有第一接线柱、第二接线柱、第一安装孔和第二安装孔，头部连接在芯体上，拉杆穿过头部的第一安装孔安装在芯体内。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述补水路加热装置中，所述加热管壳体呈筒状且一侧开口，开口端设置有间隔排列的第一卡盘法兰接口和第二卡盘法兰接口，加热管壳体表面的中部和与开口端相对的一端分别设有第一支撑环和第二支撑环。

7.根据权利要求6所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述补水路加热装置中，加热芯组件插入加热管壳体内部，固定件穿过压片法兰和加热芯组件头部的第二安装孔，将加热芯组件的头部固定在第一卡盘法兰接口上，进而将加热芯组件固定在加热管壳体的内部。

8.根据权利要求5所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述补水路加热装置的加热芯组件中，芯体为电加热棒，其由直流电压驱动，驱动电压介于400V～700V之间，其功率介于8～16千瓦之间。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述副循环加热装置为PTC加热装置，其由直流电压驱动，驱动电压介于10V～30V之间，其功率介于2.4～3.2千瓦之间。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：

所述氢燃料电池系统还包括：温度传感器，设置于所述燃料电池电堆的冷却液出口或冷却液进口的位置，用于获得燃料电池电堆的当前温度；

所述冷启动装置包括：在燃料电池电堆的当前温度小于设定的启动温度时，控制所述副循环加热装置和补水路加热装置工作，加热所述副循环回路和补水路中的冷却液。