CN110739470B - 一种燃料电池辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池辅助系统，包括电堆、循环水泵、散热器、加热器、用于气体预热的热交换器，以及第一管路切换装置和第二管路切换装置。通过上述器件构成低温启动循环管路、中温加热循环管路和高温散热循环管路。第一管路切换装置和第二管路切换装置在不同温度条件下切换低温启动循环管路、中温加热循环管路和高温散热循环管路；以调节燃料电池温度，满足多工况条件下最优的循环方式，提高电池性能，解决了燃料电池在不同环境温度的情况下保持高效率运行的问题。

Description

一种燃料电池辅助系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池辅助系统。
背景技术
燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化为电能及反应产物的装置。由于当今燃料电池技术的系统效率为25％到60％，所以40％到75％的燃料内能需要通过散热器向环境中排放，因此热量的合理分布对整个系统是极其重要的。在一定范围内电堆温度升高，有利于提高电池的性能。但是温度过高时，由于高温下电解质膜容易分解及铂催化剂容易降解，因此一般不会使电堆运行温度达到70摄氏度。在温度较低时，需要升高系统温度以提升燃料电池效率或实现快速冷启动，现有技术中冷却循环路径一般为一路或两路，不能满足多工况条件下最优的循环方式。所以通过路径切换将燃料电池系统维持在高性能工作状态下是非常必要的。
通过检索得到了一篇授权公告号为CN103326048B的专利文献，专利文献公开了一种燃料电池快速升温系统及控制方法，该系统包括小循环加热系统和大循环冷却系统，在低温时节温器开启小循环管路，小循环加热系统工作，当流经节温器的冷却液温度高于等于一定温度值时，节温器开启大循环管路，避免了现有燃料电池发电系统由于燃料电池的温度因仅利用废热而升温较慢不利于燃料电池性能提升的问题，但是，现有技术中，在天气较为寒冷的情况下，在启动车辆上，往往需要较长的时间，影响使用效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池辅助系统，以解决燃料电池如何在不同环境温度的情况下保持高效率运行的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种燃料电池辅助系统，包括电堆、循环水泵、散热器、加热器、用于气体预热的热交换器，以及第一管路切换装置和第二管路切换装置；电堆、循环水泵、散热器和热交换器通过冷却管路构成高温散热循环管路；电堆、循环水泵、加热器和热交换器通过冷却管路构成中温加热循环管路；电堆、循环水泵和加热器通过冷却管路构成低温启动循环管路；第一管路切换装置、第二管路切换装置用于切换低温启动循环管路、中温加热循环管路、高温散热循环管路。
有益效果：
本燃料电池辅助系统在不同温度条件下对循环管路进行切换，以保证电池系统高效率安全运行；在温度较高的情况下，高温散热循环管路对系统进行降温；在温度适中且需要提高电池效率时，利用中温加热循环管路将电堆的温度通过热交换升高，以达到提高电池性能的目的；在温度较低时，因为低温启动循环管路所利用的器件较少、结构简单，所以可以通过低温启动循环管路实现系统的快速启动；以保证电池系统安全运行。
进一步的，低温启动循环管路包括一段用于旁路热交换器的支路，该支路与热交换器并联；第一管路切换装置连接热交换器和支路，用于将主管路连接到热交换器或者支路。
进一步的，第一管路切换装置、第二管路切换装置为电子节温器或石蜡节温器。
进一步的，电堆尾排接有水气分离装置，分离出的废水通入废水管路。
进一步的，空气/氧气端的进气管路还连接膜增湿器，废水管路连接膜增湿器。
进一步的，废水管路还连接散热器。
附图说明
图1是实施例中燃料电池辅助系统原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的基本方案是：电堆、循环水泵、散热器和热交换器通过冷却管路构成高温散热循环管路；电堆、循环水泵、加热器和热交换器通过冷却管路构成中温加热循环管路；电堆、循环水泵和加热器通过冷却管路构成低温启动循环管路；第一管路切换装置、第二管路切换装置用于切换低温启动循环管路、中温加热循环管路、高温散热循环管路。
具体的，如图1所示，其中粗黑线代表冷却管路、细黑线代表进气管路、虚线代表废水管路。
由图1中粗黑线所示，图中电堆的冷却管路出口连接节温器B，节温器B的两个冷却管路输出端分别连接PTC加热器和散热器，PTC加热器和散热器冷却管路出口接入循环水泵，循环水泵的冷却管路的出口接入节温器A，节温器A的两个冷却管路出口，其中一个出口连接热交换器后通过冷却管路与电堆连接，另一出口直接连接电堆。电堆、散热器、循环水泵、热交换器通过冷却管路构成高温散热循环管路，电堆、PTC加热器、循环水泵、热交换器通过冷却管路构成中温加热循环管路，电堆、PTC加热器、循环水泵通过冷却管路构成低温启动循环管路。通过节温器A和节温器B对低温启动循环管路、中温加热循环管路和高温散热循环管路进行切换。
节温器属于管路切换装置，节温器A为电子节温器，节温器B为石蜡节温器。作为其他实施方式，也可以将节温器替代为三通阀加相应的控制阀来实现。
由图1中细黑线所示，在高温散热循环管路和中温加热循环管路中热交换器均接入气体端，氢气端和空气/氧气端通过气体管路接入热交换器，其中空气/氧气端经压缩机压缩气体后接入热交换器后通过膜增湿器后接入电堆。
为了节约水资源，可以将废水通过废水管路回收利用，具体的，如图1虚线所示，电堆尾排还设置有水汽分离装置，电堆反应后产生的废气经气体管路接入水汽分离装置。其中冷却管路内为冷却水，冷却水的动力源为循环水泵。将废水通入膜增湿器和散热器，通入膜增湿器的废水用来为空气/氧气端压缩后的气体进行加湿处理；通入散热器的废水经喷射装置喷出，用来为散热器散热。
本实施例的工作原理如下：
当环境温度在0摄氏度以下时，电子节温器和石蜡节温器均关闭，在循环水泵的作用下开启低温启动循环管路，低温启动循环管路内的器件为电堆、PTC加热、水泵，在冷启动时候能够实现最小路径下快速加热，热量能够集中到电堆，达到快速启动的目的。
当环境温度在大于20摄氏度时，燃料电池控制器向电子节温器发送开启命令，中温加热循环管路开启，在中温加热循环管路中增加了空气端和氢气端进行换热；氢气从氢气端通入经过热交换器进入电堆，空气经过空压机压缩后从空气端经过热交换器和膜增湿器进入电堆，出堆混合后经过水汽分离器，废气直接排出，电堆尾排后设置有水气分离装置，能够将气液进行分离，废水经过收集分别流向增湿器和散热器，多余的水则跟随废气一起排出。让压缩空气降温及氢气升温，配合PTC加热器以达到提升电堆温度，提高电池效率的目的。
当环境温度达到50摄氏度时，燃料电池控制器向电子节温器发送开启命令，由于石蜡节温器的物理特性，开启高温散热循环管路，氢气从氢气端通入经过热交换器进入电堆，空气经过空压机压缩后从空气端经过热交换器和膜增湿器进入电堆，出堆混合后经过水汽分离器，废气直接排出，电堆尾排后设置有水气分离装置，能够将气液进行分离，废水经过收集分别流向增湿器和散热器，多余的水则跟随废气一起排出。高温散热循环管路通过散热器防止温度过高，利用散热风扇和废水管路中的废水对散热器进行降温。以将燃料电池的温度保持在高效率工作的区间。
本燃料电池辅助系统在不同温度条件下对循环管路进行切换，以保证电池系统高效率安全运行；在温度较低时，通过低温启动循环管路实现系统的快速启动；在温度适中且需要提高电池效率时，利用中温加热循环管路将电堆的温度通过热交换升高，以达到提高电池性能的目的；在温度较高的情况下，高温散热循环管路对系统进行降温，以保证电池系统安全运行。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种燃料电池辅助系统，包括电堆、循环水泵、散热器、加热器、用于气体预热的热交换器，以及第一管路切换装置和第二管路切换装置；所述电堆、循环水泵、散热器和热交换器通过冷却管路构成高温散热循环管路；所述电堆、循环水泵、加热器和热交换器通过冷却管路构成中温加热循环管路；其特征在于，所述电堆、循环水泵和加热器通过冷却管路构成低温启动循环管路；所述第一管路切换装置、第二管路切换装置用于切换所述低温启动循环管路、中温加热循环管路、高温散热循环管路；
所述低温启动循环管路包括一段用于旁路所述热交换器的支路，该支路与所述热交换器并联；所述第一管路切换装置连接所述热交换器和所述支路，用于将主管路连接到所述热交换器或者所述支路。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池辅助系统，其特征在于，所述第一管路切换装置、第二管路切换装置为电子节温器或石蜡节温器。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池辅助系统，其特征在于，所述电堆尾排接有水气分离装置，分离出的废水通入废水管路。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池辅助系统，其特征在于，空气/氧气端的进气管路还连接膜增湿器，所述废水管路连接所述膜增湿器。
5.根据权利要求3或4所述的一种燃料电池辅助系统，其特征在于，所述废水管路还连接所述散热器。
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