CN112397741A - 燃料电池系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种燃料电池系统及运行方法，该系统包括：燃料电池和散热器，所述燃料电池设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出；冷却液通过所述冷却液进口端流入，经过所述冷却液出口端流出；从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。本申请实施例提供的方法能够实现燃料电池的实用化。

Description

燃料电池系统及运行方法

技术领域

本申请实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及运行方法。

背景技术

燃料电池能够使氢气与空气中的氧气反应产生电力，反应产物是水。不受卡诺循环的限制，效率可以达到50％以上。因此不仅环保而且节能。

液冷燃料电池，由于冷却液的热容量高，便于实现较大的单体功率，因此较为常见。为了使得燃料电池内部的质子交换膜保持湿润状态，具有较高的质子传导能力，现有技术通常会在反应空气流进入燃料电池之前，加一个增湿器。常用的增湿器可以是膜增湿器，其由从燃料电池流出的反应空气流回收水分，因此可以不必额外加水。

增湿器的设置虽然解决了质子交换膜保湿的问题，但是也带来了额外了体积、重量及成本的增加，甚至有可能需要为了满足增湿器的压差而增大空气泵的功率，这又进一步增加了系统运行的成本、重量和体积，尤其对于对成本、布置空间和轻量化有着严格要求的汽车领域而言，这极大的限制了燃料电池系统的实用化。因此，需要进一步减小燃料电池及其周边系统的体积/重量/成本/功耗，来促进燃料电池的实用。

发明内容

本申请实施例提供一种燃料电池系统及运行方法，以克服现有技术中无法实现燃料电池的实用化的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种燃料电池系统，包括燃料电池和散热器，所述燃料电池设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；

所述反应空气流进口端和所述冷却液进口端设置在所述燃料电池的第一侧且相邻，所述反应空气流出口端和所述冷却液出口端设置在所述燃料电池的第二侧且相邻；

反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场；

冷却液通过所述冷却液进口端流入，经过所述冷却液出口端流出，形成冷却液流场；

从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；

所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

在一种可能的设计中，所述系统还包括：液泵；

所述液泵的输入端与所述散热器的流出端连接，所述液泵的输出端与所述冷却液进口端连接，所述液泵用于驱动从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。

在一种可能的设计中，从所述冷却液出口端流出的冷却液的通过所述散热器进行散热，形成散热空气流场；

其中，所述散热空气流场与所述冷却液流场平行且逆向。

在一种可能的设计中，所述系统还包括：电磁阀；

所述电磁阀的一端与所述冷却液出口端连接，所述电磁阀的另一端与所述液泵的输入端连接，从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分经过所述散热器流向所述液泵的输入端，从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分经过所述电磁阀流向所述液泵的输入端；

所述电磁阀用于控制从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分的流速。

在一种可能的设计中，所述燃料电池还设置氢气流进口端和氢气流出口端，所述氢气流进口端设置在靠近所述反应空气流场且背离所述冷却液流场的位置处，所述氢气流出口端设置在靠近所述冷却液流场且背离所述反应空气流场的位置处；

氢气通过所述氢气流进口端进入，经过所述氢气流出口端流出，形成氢气流场；其中，所述氢气流场与所述反应空气流场垂直。

第二方面，本申请实施例提供一种燃料电池系统的运行方法，应用于燃料电池系统，包括：

反应空气流通过所述燃料电池系统的反应空气流进口端流入，经过所述燃料电池的反应空气流出口端流出，形成反应空气流场；

冷却液通过所述燃料电池的冷却液进口端流入，经过所述燃料电池的冷却液出口端流出，形成冷却液流场；

从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述燃料电池系统的散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；

其中，所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

在一种可能的设计中，所述从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端，包括：

通过所述燃料电池系统的液泵驱动从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。

在一种可能的设计中，所述从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，包括：

从所述冷却液出口端流出的冷却液的通过所述散热器进行散热，形成散热空气流场；

其中，所述散热空气流场与所述冷却液流场平行且逆向。

在一种可能的设计中，在所述经过所述燃料电池的冷却液出口端流出之后，所述方法还包括：

从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分经过所述散热器流向所述液泵的输入端，从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分经过所述燃料电池系统的电磁阀流向所述液泵的输入端；

通过所述燃料电池系统的电磁阀控制所述从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分的流速。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，使得所述温差在预设温度阈值范围内；

所述控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，包括：

控制所述液泵的转速和/或控制所述电磁阀周期性开闭的占空比。

本实施例提供的燃料电池系统及运行方法，所述燃料电池设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；所述反应空气流进口端和冷却液进口端设置在所述燃料电池的第一侧且相邻，所述反应空气流出口端和冷却液出口端设置在所述燃料电池的第二侧且相邻；反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场，所述反应空气流场与所述燃料电池的氢气流场反应，产生电能；冷却液通过冷却液进口端流入，经过冷却液出口端流出，形成冷却液流场；从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向，能够实现自增湿效果，无需增添增湿器，进而减少燃料电池系统的重量、体积以及成本。本方案通过设置的各个端口以及形成的冷却液流场与反应空气流场的结合，使冷却液能够得到充分的冷却，因此散热器冷却液出口温度可以低到很接近环境温度。从而，冷却液在进入燃料电池时，能够将靠近冷却液进口的区域，控制在较低的温度，由于冷却液进口的区域靠近反应空气流的进口区域，因此反应空气流的温度不会立即升得太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水，而沿着冷却液及反应空气流的流动方向，冷却液逐步吸收反应热，区域温度逐步升高，反应空气流的饱和蒸汽压逐步升高，因此逐步吸收反应中逐步产生的水分，从而达成了边反应、边产水、边产热、边升温、边吸水的平稳运行状态，进而解决了燃料电池的实用化问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的燃料电池系统的示意图；

图2为本申请另一实施例提供的燃料电池系统的示意图；

图3为本申请又一实施例提供的燃料电池系统的示意图；

图4为本申请实施例提供的燃料电池系统的运行方法的流程示意图；

图5为本申请另一实施例提供的燃料电池系统的运行方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现有技术为了使得燃料电池内部能够达到类似实验室的等温恒温的理想环境，维持燃料电池冷却液的进出口温差较小，通常将冷却液的进出口温差控制在5℃左右，例如冷却液进口75℃，冷却液出口80℃；又例如冷却液进口65℃，冷却液出口70℃。现有技术常用的燃料电池内部的催化剂，在室温时就已经具有较高的活性，与典型的运行温度65～80℃相比，差别不大。工作人员在测试燃料电池时，启动时有个从室温开始缓缓升高到目标运行温度的过程，在室温20～25℃时，通常已能得到大约70％的性能，在40～45℃时，通常已能得到大约90％的性能。

为了使得燃料电池内部的质子交换膜保持湿润状态，具有较高的质子传导能力，现有技术通常会在反应空气流进入燃料电池之前，加一个增湿器。常用的增湿器可以是膜增湿器，其由从燃料电池流出的反应空气流回收水分，因此可以不必额外加水。增湿器除了具有体积/重量/成本之外，其两段进出口的压差也会消耗额外的空气泵功率，甚至有可能为了满足增湿器的压差而增大空气泵的体积/重量/成本，因此无法实现燃料电池的实用化。

为了使燃料电池具有较高的性能，同时去除增湿器的情况下，依然可以产生增湿效果，用以保证质子交换膜保持湿润状态，从而具有较高的质子传导能力，本申请实施例提供一种燃料电池系统，图1为本申请实施例提供的燃料电池系统的流程示意图。

参见图1，所述燃料电池系统，包括：燃料电池和散热器，所述燃料电池设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；所述反应空气流进口端和所述冷却液进口端设置在所述燃料电池的第一侧且相邻，所述反应空气流出口端和所述冷却液出口端设置在所述燃料电池的第二侧且相邻；反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场；冷却液通过所述冷却液进口端流入，经过所述冷却液出口端流出，形成冷却液流场；从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

本实施例中，由于在没有增湿器的情况下，质子交换膜失水的较严重区域是在靠近反应空气流进口的区域，此区域的反应空气流没有得到预先增湿，一旦进入燃料电池后，温度迅速上升，其饱和蒸汽压迅速提高，因此会大量吸收水分；在采用增湿器的情况下，质子交换膜寿命损耗的较快区域是在靠近反应空气流进口的区域，该区域的反应空气流得到了预先增湿、温度与其它区域也基本相同，而且氧浓度最高(尚未反应耗氧)，反应空气流的压力也最高(尚未受到流道压降损耗)，因此，该区域的电流密度最大，质子交换膜内部的质子流密度最大，因此质子交换膜寿命损耗较快。

具体地，本实施例中，燃料电池101可以为液冷燃料电池，散热器可以为逆流散热器102，其中，逆流散热器形状窄而厚，因此在实际应用中，便于将车头改为子弹头等具有较低空气阻力的形状，这既能节约能源，又能获得类似飞行器外观的现代高科技美感。由于逆流散热器102具有很高的热交换效率，冷却液能够得到充分的冷却，因此散热器冷却液出口温度可以低到很接近环境温度，从而，冷却液在进入燃料电池时，能够将靠近冷却液进口的区域，控制在较低的温度。

其中，在所述燃料电池内将反应空气流进口端与冷却液进口端相邻设置，即燃料电池设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；所述反应空气流进口端和冷却液进口端设置在所述燃料电池的同一侧且相邻，所述反应空气流出口端和冷却液出口端设置在所述燃料电池的同一侧且相邻。

由空气泵提供的反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场，所述反应空气流场与所述燃料电池的氢气流场反应，产生电能，冷却液通过冷却液进口端流入，经过冷却液出口端流出，形成冷却液流场，其中，从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端，形成循环过程，同时，使得形成的反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向，能够更好地控制靠近冷却液进口的区域在较低的温度，且反应空气流与氢气流反应后的温度不会立即升的太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水。

其中，反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向，能够保证沿着冷却液及反应空气流的流动方向，冷却液可以逐步吸收反应空气流场与所述氢气流场反应的反应热，区域温度逐步升高，反应空气流的饱和蒸汽压逐步升高，因此逐步吸收反应中逐步产生的水分，实现自增湿效果，保证了质子交换膜的质子交换能力，可以免除或至少是显著减小增湿器，从而节约增湿器的体积/重量/成本/压降损耗，并进而减小空气泵的体积/重量/成本/功耗。由于冷却液可以逐步吸收反应空气流场与所述氢气流场反应的反应热，区域温度逐步升高，进而燃料电池的冷却液进出口温差显著增大，因此带走同样多的废热所需的冷却液流量显著减小，从而显著减小液泵的体积/重量/成本/功耗，且冷却液管路的直径也可以减小，从而显著减小冷却液管路及冷却液的体积/重量。由于燃料电池内部的冷却液流量显著减小，还可以在不增大燃料电池内部冷却液流场压降的前提下，显著减小冷却液流道的截面积及体积，从而减小燃料电池的体积/重量，提高其功率密度。同时，还由于减小了滞留在燃料电池内部的冷却液的容量，而减小了燃料电池的热容量，提高了冷启动速度。

在靠近反应空气流进口端的区域，由于温度较低，催化剂的活性稍低，从而全部或至少是部分抵消了氧浓度及空气压力最高而导致的质子交换膜寿命损耗较快的问题，从而延长燃料电池的寿命同时控制了燃料电池内部的温度的变化，减少质子交换膜的损耗，从而达成了边反应、边产水、边产热、边升温、边吸水的平稳运行状态，实现燃料电池的实用化。

本实施例中，所述燃料电池101设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；所述反应空气流进口端和冷却液进口端设置在所述燃料电池的第一侧且相邻，所述反应空气流出口端和冷却液出口端设置在所述燃料电池的第二侧且相邻；反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场，所述反应空气流场与所述燃料电池的氢气流场反应，产生电能；冷却液通过冷却液进口端流入，经过冷却液出口端流出，形成冷却液流场；从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向，能够实现自增湿效果，无需增添增湿器，进而减少燃料电池系统的重量、体积以及成本。本方案通过设置的各个端口以及形成的冷却液流场与反应空气流场的结合，使冷却液能够得到充分的冷却，因此散热器冷却液出口温度可以低到很接近环境温度。从而，冷却液在进入燃料电池时，能够将靠近冷却液进口的区域，控制在较低的温度，由于冷却液进口的区域靠近反应空气流的进口区域，因此反应空气流的温度不会立即升得太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水，而沿着冷却液及反应空气流的流动方向，冷却液逐步吸收反应热，区域温度逐步升高，反应空气流的饱和蒸汽压逐步升高，因此逐步吸收反应中逐步产生的水分，从而达成了边反应、边产水、边产热、边升温、边吸水的平稳运行状态，进而解决了燃料电池的实用化问题。

为了将降温下来的冷却液有效地流回至冷却液进口端，实现循环利用，参见图2所示，图2为本申请另一实施例提供的燃料电池系统的示意图，本实施例在图1所述实施例的基础上，本实施例对所述燃料电池系统进行了详细说明。所述系统还包括：液泵103；所述液泵的输入端与所述散热器的流出端连接，所述液泵的输出端与所述冷却液进口端连接，所述液泵用于驱动从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。

本实施例中，通过在散热器和冷却液进口端之间设置有液泵103，即将液泵的输入端与所述散热器的流出端连接，所述液泵的输出端与所述冷却液进口端连接，因此，从散热器的流出端流出的冷却液已经是经过降温散热的冷却液即很接近环境温度，直接将冷却液通过液泵103传送至冷却液进口端，形成循环操作，且能够保证冷却液进口端对应的冷却液进口区域温度较低，由于该区域紧邻所述反应空气流进口端，因此，反应空气流的温度不会立即升得太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水。

其中，控制所述液泵的转速能够控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，使得所述温差在预设温度阈值范围内。

在一种可能的设计中，所述从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器进行散热，形成散热空气流场；其中，所述散热空气流场与所述冷却液流场平行且逆向。

本实施例中，从所述冷却液出口端流出的冷却液一部分进入散热器中进行散热，形成散热空气流场，由于该散热器是逆流散热器，因此，散热空气流场与冷却液进入散热器的流入端的流入方向是逆向的，由于散热器的流入端与冷却液出口端连接，使得冷却液流出冷却液出口端的方向即为冷却液进入散热器的流入端的流入方向，由于冷却液流场是冷却液通过冷却液进口端流入，经过冷却液出口端流出，所以冷却液流场的方向与散热空气流场的方向逆向，由于设置逆流散热器与冷却液出口端平行，因此，所以冷却液流场的方向与散热空气流场的方向平行且逆向。

其中，流场的平行，并不要求精确到具体的流道的各个点都平行，在具体的各个点，往往并不平行，但这并不影响总体上对流场平行的界定。

为了能够有效率实现循环且节约资源，参见图3所示，图3为本申请又一实施例提供的燃料电池系统的示意图，本实施例在图2所述实施例的基础上，本实施例对所述燃料电池系统进行了详细说明。所述系统还包括：电磁阀104；所述电磁阀的一端与所述冷却液出口端连接，所述电磁阀的另一端与所述液泵的输入端连接，所述从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分经过所述散热器流向所述液泵的输入端，从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分经过所述电磁阀流向所述液泵的输入端；所述电磁阀用于控制从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分的流速。

本实施例中，在冷却液出口端与液泵之间设置了电磁阀，从冷却液出口端流出的冷却液温度较高，从冷却液出口端流出的一部分冷却液(即从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分)直接流入散热器进散热，将从散热器的流出端流出的冷却液直接通过液泵回流至冷却液进口端，此时进入冷却液进口的冷却液已经是降温的冷却液；同时，为了提高循环效率且节约资源，并没有将所有的冷却液全部进入散热器进行散热，而是将从冷却液出口端流出的另一部分冷却液(即从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分)通过电磁阀控制另一部分冷却液进入液泵的流量或是流速，尽可能的保证另一部分冷却液在回流过程中可以自然降温，进而使得进入冷却液进口的冷却液已经是降温的冷却液。

在实际应用中，通过控制所述液泵的转速和/或控制所述电磁阀周期性开闭的占空比，能够控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，使得所述温差在预设温度阈值范围内，预设温度阈值范围可以为大于等于20℃。

在一种可能的设计中，为了明确氢气流场是如何形成的，参见图1-3任意图所示，本实施例在上述所述实施例的基础上，本实施例对所述燃料电池系统进行了详细说明。所述燃料电池还设置氢气流进口端和氢气流出口端，所述氢气流进口端设置在靠近所述反应空气流场且背离所述冷却液流场的位置处，所述氢气流出口端设置在靠近所述冷却液流场且背离所述反应空气流场的位置处；氢气通过所述氢气流进口端进入，经过所述氢气流出口端流出，形成氢气流场；其中，所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

本实施例中，燃料电池还设置氢气流进口端和氢气流出口端，所述氢气流进口端设置在靠近所述反应空气流场且背离所述冷却液流场的位置处，所述氢气流出口端设置在靠近所述冷却液流场且背离所述反应空气流场的位置处，通过氢气泵为燃料电池提供氢气，氢气通过所述氢气流进口端进入，经过所述氢气流出口端流出，形成氢气流场，而氢气流场能够有效地与反应空气流场进行反应，产生电能和反应热，由于冷却液进口端靠近反应流场进口端，使得靠近反应空气流进口的区域温度较低，由于温度较低，催化剂的活性稍低，从而全部或至少是部分抵消了氧浓度及空气压力最高而导致的质子交换膜寿命损耗较快的问题，从而延长燃料电池的寿命。

在一种可能的设计中，所述氢气流场与所述反应空气流场垂直。

本实施例中，为了反应空气流与氢气流有效地接触反应，设置氢气流进口端与氢气流出口端形成的氢气流场与反应空气流场垂直。

为了实现所述燃料电池系统的运行，本实施例提供了一种燃料电池系统的运行方法。参见图4，图4为本申请实施例提供的燃料电池系统的运行方法的流程示意图；所述方法包括：

S401、反应空气流通过所述燃料电池系统的反应空气流进口端流入，经过所述燃料电池的反应空气流出口端流出，形成反应空气流场；

S402、冷却液通过所述燃料电池的冷却液进口端流入，经过所述燃料电池的冷却液出口端流出，形成冷却液流场；

S403、从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述燃料电池系统的散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；其中，所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

本实施例中，应用于燃料电池系统，由空气泵提供的反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场，所述反应空气流场与所述燃料电池的氢气流场反应，产生电能，冷却液通过冷却液进口端流入，经过冷却液出口端流出，形成冷却液流场，其中，所述冷却液用于在所述反应空气流场与所述燃料电池的氢气流场反应前对所述反应空气流的降温以及吸收产生电能时的反应热，从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端，形成循环过程，同时，使得形成的反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向，能够更好地控制靠近冷却液进口的区域在较低的温度，且反应空气流与氢气流反应后的温度不会立即升的太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水。

其中，反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向，能够保证沿着冷却液及反应空气流的流动方向，冷却液可以逐步吸收反应空气流场与所述氢气流场反应的反应热，区域温度逐步升高，反应空气流的饱和蒸汽压逐步升高，因此逐步吸收反应中逐步产生的水分，实现自增湿效果，保证了质子交换膜的质子交换能力，可以免除或至少是显著减小增湿器，从而节约增湿器的体积/重量/成本/压降损耗，并进而减小空气泵的体积/重量/成本/功耗。由于冷却液可以逐步吸收反应空气流场与所述氢气流场反应的反应热，区域温度逐步升高，进而燃料电池的冷却液进出口温差显著增大，因此带走同样多的废热所需的冷却液流量显著减小，从而显著减小液泵的体积/重量/成本/功耗，且冷却液管路的直径也可以减小，从而显著减小冷却液管路及冷却液的体积/重量。由于燃料电池内部的冷却液流量显著减小，还可以在不增大燃料电池内部冷却液流场压降的前提下，显著减小冷却液流道的截面积及体积，从而减小燃料电池的体积/重量，提高其功率密度。同时，还由于减小了滞留在燃料电池内部的冷却液的容量，而减小了燃料电池的热容量，提高了冷启动速度。

在靠近反应空气流进口端的区域，由于温度较低，催化剂的活性稍低，从而全部或至少是部分抵消了氧浓度及空气压力最高而导致的质子交换膜寿命损耗较快的问题，从而延长燃料电池的寿命同时控制了燃料电池内部的温度的变化，减少质子交换膜的损耗，从而达成了边反应、边产水、边产热、边升温、边吸水的平稳运行状态。

本实施例中，通过设置的各个端口以及形成的冷却液流场与反应空气流场的结合，使冷却液能够得到充分的冷却，因此散热器冷却液出口温度可以低到很接近环境温度。从而，冷却液在进入燃料电池时，能够将靠近冷却液进口的区域，控制在较低的温度，由于冷却液进口的区域靠近反应空气流的进口区域，因此反应空气流的温度不会立即升得太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水，而沿着冷却液及反应空气流的流动方向，冷却液逐步吸收反应热，区域温度逐步升高，反应空气流的饱和蒸汽压逐步升高，因此逐步吸收反应中逐步产生的水分，从而达成了边反应、边产水、边产热、边升温、边吸水的平稳运行状态，进而解决了燃料电池的实用化问题。

本实施例提供的运行方法，可用于执行上述系统实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。

在一种可能的设计中，所述从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端，包括：通过所述燃料电池系统的液泵驱动从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。

本实施例中，由于从散热器的流出端流出的冷却液已经是经过降温散热的冷却液即很接近环境温度，直接将冷却液通过液泵103传送至冷却液进口端，形成循环操作，且能够保证冷却液进口端对应的冷却液进口区域温度较低，由于该区域紧邻所述反应空气流进口端，因此，反应空气流的温度不会立即升得太高，其饱和蒸汽压不会立即升得太高，不会严重吸收水分，避免了质子交换膜失水。

在一种可能的设计中，所述从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，包括：从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器进行散热，形成散热空气流场；其中，所述散热空气流场与所述冷却液流场平行且逆向。

本实施例中，从所述冷却液出口端流出的冷却液一部分进入散热器中进行散热，形成散热空气流场，由于该散热器是逆流散热器，因此，散热空气流场与冷却液进入散热器的流入端的流入方向是逆向的，由于散热器的流入端与冷却液出口端连接，使得冷却液流出冷却液出口端的方向即为冷却液进入散热器的流入端的流入方向，由于冷却液流场是冷却液通过冷却液进口端流入，经过冷却液出口端流出，所以冷却液流场的方向与散热空气流场的方向逆向，由于设置逆流散热器与冷却液出口端平行，因此，所以冷却液流场的方向与散热空气流场的方向平行且逆向。

图5为本申请另一实施例提供的燃料电池系统的运行方法的流程示意图；在上述实施例基础上，对燃料电池系统的运行方法进行了详细介绍。在所述经过所述燃料电池的冷却液出口端流出之后，所述方法还包括：

S501、从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分经过所述散热器流向所述液泵的输入端，从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分经过所述燃料电池系统的电磁阀流向所述液泵的输入端；

S502、通过所述燃料电池系统的电磁阀控制所述从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分的流速。

本实施例中，从冷却液出口端流出的冷却液温度较高，从冷却液出口端流出的一部分冷却液(即从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分)直接流入散热器进散热，将从散热器的流出端流出的冷却液直接通过液泵回流至冷却液进口端，此时进入冷却液进口的冷却液已经是降温的冷却液；同时，为了提高循环效率且节约资源，并没有将所有的冷却液全部进入散热器进行散热，而是将从冷却液出口端流出的另一部分冷却液(即从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分)通过电磁阀控制另一部分冷却液进入液泵的流量或是流速，尽可能的保证另一部分冷却液在回流过程中可以自然降温，进而使得进入冷却液进口的冷却液已经是降温的冷却液。

在一种可能的设计中，为了有效地控制燃料电池的冷却液进出口温差，所述方法还包括：控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，使得所述温差在预设温度阈值范围内；所述控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，包括：控制所述液泵的转速和/或控制所述电磁阀周期性开闭的占空比。

本实施例中，现有技术常用的燃料电池内部的催化剂，在室温时就已经具有较高的活性，与典型的运行温度65～80℃相比，差别不大。现有技术人员在测试燃料电池时，启动时有个从室温开始缓缓升高到目标运行温度的过程，在室温20～25℃时，通常已能得到大约70％的性能，在40～45℃时，通常已能得到大约90％的性能。因此，本实施例可以将燃料电池的冷却液进出口温差控制在大于等于10℃，和/或，将燃料电池的冷却液进口温度控制在小于等于45℃。具体地，本实施例中通过设置或控制所述液泵的转速，和/或，设置或控制所述电磁阀周期性开闭的占空比，控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，使得所述温差在预设温度阈值范围内，即大于等于20℃。

在一种可能的设计中，详细介绍了如何形成氢气流场。所述方法还包括：氢气通过所述燃料电池系统的氢气流进口端进入，经过所述氢气流出口端流出，形成氢气流场；所述氢气流场与所述反应空气流场垂直。

本实施例中，由于所述氢气流进口端设置在靠近所述反应空气流场且背离所述冷却液流场的位置处，所述氢气流出口端设置在靠近所述冷却液流场且背离所述反应空气流场的位置处，通过氢气泵为燃料电池提供氢气，氢气通过所述氢气流进口端进入，经过所述氢气流出口端流出，形成氢气流场，而氢气流场能够有效地与反应空气流场进行反应，产生电能和反应热，由于冷却液进口端靠近反应流场进口端，使得靠近反应空气流进口的区域温度较低，由于温度较低，催化剂的活性稍低，从而全部或至少是部分抵消了氧浓度及空气压力最高而导致的质子交换膜寿命损耗较快的问题，从而延长燃料电池的寿命。

在一种可能的设计中，所述氢气流场与所述反应空气流场垂直。

本实施例中，为了反应空气流与氢气流有效地接触反应，设置氢气流进口端与氢气流出口端形成的氢气流场与反应空气流场垂直。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池和散热器，其特征在于，包括：

所述燃料电池设置有反应空气流进口端、反应空气流出口端、冷却液进口端和冷却液出口端，所述散热器的流入端与所述冷却液出口端连接，所述散热器的流出端与所述冷却液进口端连接；

所述反应空气流进口端和所述冷却液进口端设置在所述燃料电池的第一侧且相邻，所述反应空气流出口端和所述冷却液出口端设置在所述燃料电池的第二侧且相邻；

反应空气流通过所述反应空气流进口端流入，经过所述反应空气流出口端流出，形成反应空气流场；

冷却液通过所述冷却液进口端流入，经过所述冷却液出口端流出，形成冷却液流场；

从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；

所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：液泵；

所述液泵的输入端与所述散热器的流出端连接，所述液泵的输出端与所述冷却液进口端连接，所述液泵用于驱动从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器进行散热，形成散热空气流场；

其中，所述散热空气流场与所述冷却液流场平行且逆向。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电磁阀；

所述电磁阀的一端与所述冷却液出口端连接，所述电磁阀的另一端与所述液泵的输入端连接，所述从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分经过所述散热器流向所述液泵的输入端，从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分经过所述电磁阀流向所述液泵的输入端；

所述电磁阀用于控制从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分的流速。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述燃料电池还设置氢气流进口端和氢气流出口端，所述氢气流进口端设置在靠近所述反应空气流场且背离所述冷却液流场的位置处，所述氢气流出口端设置在靠近所述冷却液流场且背离所述反应空气流场的位置处；

氢气通过所述氢气流进口端进入，经过所述氢气流出口端流出，形成氢气流场；

其中，所述氢气流场与所述反应空气流场垂直。

6.一种燃料电池系统的运行方法，应用于燃料电池系统，其特征在于，包括：

反应空气流通过所述燃料电池系统的反应空气流进口端流入，经过所述燃料电池的反应空气流出口端流出，形成反应空气流场；

冷却液通过所述燃料电池的冷却液进口端流入，经过所述燃料电池的冷却液出口端流出，形成冷却液流场；

从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述燃料电池系统的散热器的流入端流入，经过所述散热器的流出端流出，从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端；

其中，所述反应空气流场与所述冷却液流场平行且同向。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端，包括：

通过所述燃料电池系统的液泵驱动从所述散热器的流出端流出的冷却液回流至所述冷却液进口端。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器的流入端流入，包括：

从所述冷却液出口端流出的冷却液通过所述散热器进行散热，形成散热空气流场；

其中，所述散热空气流场与所述冷却液流场平行且逆向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述经过所述燃料电池的冷却液出口端流出之后，所述方法还包括：

从所述冷却液出口端流出的冷却液的一部分经过所述散热器流向所述液泵的输入端，从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分经过所述燃料电池系统的电磁阀流向所述液泵的输入端；

通过所述燃料电池系统的电磁阀控制所述从所述冷却液出口端流出的冷却液的另一部分的流速。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，使得所述温差在预设温度阈值范围内；

所述控制所述冷却液进口端和所述冷却液出口端的温差，包括：

控制所述液泵的转速和/或控制所述电磁阀周期性开闭的占空比。

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