CN113097529A - 一种燃料电池及其内循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池的内循环系统，至少包括与燃料电堆连通的用于在燃料电堆启动时进行预热的内循环管路，所述内循环管路至少包括以并联的方式设置的循环分流管路和汇流管路，所述循环分流管路以将所述汇流管路中的冷却液循环分流的方式将燃料电堆排出的冷却液循环加热至燃料电堆的设定预热温度。本发明通过设置能够循环分流的加热装置来对燃料电堆内循环的冷却液进行循环加热，既减少了内循环的压力，也能够使得膨胀水箱能够灵活设置，不会产生冷却液溢出的现象。

Description

一种燃料电池及其内循环系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池及其内循环系统。

背景技术

为实现低温环境应用，需要燃料电池系统具备低温启动的能力。低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一。燃料电池在无特殊处理或辅助工具的情况中，在低于O℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。因此，提高系统整体温度，尤其是电堆及其内部的温度是解决燃料电池系统低温启动的主要途径。目前解决燃料电池汽车低温冷启动主要有外部加热、气体吹扫加热、氢氧反应加热以及冷却水循环加热等多种方法。其中冷却水循环加热方式作为一种常规解决方法，简单有效且可靠性高。

中国专利CN 108615916 A提供了一种燃料电池，包括利用空气和氢气的电化学反应而发电的电池反应堆，对电池反应堆进行降温的冷却回路、以及控制电池反应堆和冷却回路工作的燃料电池系统控制器，所述冷却回路包括穿过电池反应堆的冷却管道、水泵、散热器、加热器以及恒温三通阀，其特征在于：冷却管道的第一出水口与冷却管道的第一进水口之间连接有冷却剂补充回路，冷却管道的第一进水口处设有第一温度传感器、冷却管道的第一出水口处设有第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器将检测到的冷却剂温度数据传送给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器控制恒温三通阀、水泵及加热器工作。

中国专利CN 109473697 A公开了一种燃料电池冷却循环系统，所述冷却系统包括利用空气和氢气的电化学反应而发电的电池反应堆、水泵、散热器、恒温三通阀和管道，所述电池反应堆、水泵、散热器、恒温三通阀之间通过管道连接，所述管道至少部分是发热管道，直接利用发热管道对燃料电池的冷却液进行加热，不仅可以优化对冷却液加热与流通性能，从而提高燃料电池的工作效率；而且结构简单、紧凑，不会增加燃料电池的体积，从而节约燃料电池的空间和成本。

但上述现有技术存在如下应用问题：

(1)水泵进口连接电堆冷却液出口，膨胀水箱出口位于水泵和电堆冷却液出口之间，尽管可以保证电堆冷却液入口压力相对较低，但在某些应用情况下存在不足。如散热器布置于车辆顶部或其他较高位置的情况下，其与膨胀水箱之间存在压差，冷却液会从膨胀水箱溢出，造成无法正常补充冷却液；

(2)其包含加热器的内循环在低温情况下工作时，因冷却液粘度原因，常规水泵即使保持最低工作转速，也会引起电堆冷却液进口压力过高，超过电堆密封能力，造成冷却液泄露。因此，该方式对电堆在低温下的密封性要求较高。

现有技术缺乏一种能够解决上述缺陷的燃料电池内循环系统。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种燃料电池的内循环系统，至少包括与燃料电堆连通的用于在燃料电堆启动时进行预热的内循环管路，所述内循环管路至少包括以并联的方式设置的循环分流管路和汇流管路，所述循环分流管路以将所述汇流管路中的冷却液循环分流的方式将燃料电堆排出的冷却液循环加热至燃料电堆的设定预热温度。

循环分流管路与汇流管路并联，能够将燃料电堆排出的冷却液进行循环分流和循环加热，同时降低燃料电堆的冷却液入口的压力，降低对电堆冷却系统密封性的要求，避免了冷却液泄露的风险。

优选地，所述循环分流管路至少设置加热装置，所述加热装置与所述燃料电堆和/或所述汇流管路以流向趋势相反的方式并联，从而所述加热装置对汇流管路输出的冷却液进行分流加热，并且加热后的分流与所述燃料电堆输出的冷却液汇合后循环至汇流管路。本发明通过增加分流的内循环管路，提高燃料电堆低温启动的加热效率，汇流管路中的水泵能够在最低转速状态将冷却液输送至循环分流管路。

优选地，所述内循环系统还包括外循环管路，所述外循环管路的入口与所述燃料电堆的出口连通，所述外循环管路输出的冷却液通过汇流管路循环至所述燃料电堆。

优选地，所述外循环管路至少包括中冷装置和散热装置，所述中冷装置设置在燃料电堆与所述散热装置之间，所述散热装置以将冷却的冷却液输送至所述汇流管路的方式与所述汇流管路连通。

优选地，所述外循环管路还包括至少一个膨胀水箱，所述膨胀水箱以与外循环管路并联的方式设置在所述散热装置与所述汇流管路之间。

与现有技术相比，本发明的外循环管路电耗较低，散热效率较高。中冷装置设置在外循环管路能够减少燃料电堆在低温启动预热的加热功耗。

优选地，所述外循环管路和所述内循环管路通过节温器与所述燃料电堆的出口连通，所述节温器以保持燃料电堆冷却液入口温度在设定范围内的方式调节阀门打开程度从而将燃料电池的内循环模式逐渐切换至外循环模式。本发明能够通过内循环管路与外循环管路的逐渐切换，使得燃料电堆在受影响较小或者免受温度影响的情况下进入正常运行状态。

优选地，所述内循环管路还包括至少一个电磁阀，所述电磁阀以能够控制所述循环分流管路启闭的方式设置。电磁阀的数量不限，可以是一个，也可以是更多个。电磁阀的位置可以只设置在循环分流管路，也可以有更多的电磁阀设置在内循环管路的其他任意位置。

优选地，所述内循环管路的出口通过至少一个过滤装置与所述燃料电堆连通，既可以过滤杂质，也有利于降低冷却液电堆入口的压力。

优选地，所述汇流管路包括将冷却液输送至燃料电堆的至少一个水泵。

本发明还提供一种燃料电池，至少包括燃料电堆和本发明内循环系统。

附图说明

图1是本发明的燃料电池的内循环系统的结构示意图。

图2是本发明的燃料电池的内循环系统的运行状态的结构示意图；

图3是本发明发燃料电池的外循环系统的运行状态的结构示意图。

附图标记列表

1：外循环管路；2：第一内循环管路；3：第二内循环管路；10：燃料电堆；20：中冷装置；30：散热装置；40：膨胀水箱；50：水泵；60：加热装置；70：过滤装置；21：输入的空气；22：排出空气；81：节温器；82：电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

现有技术中的燃料电池系统，一般通过加热装置与燃料电堆的入口连接，使得内循环的冷却液加热并进入燃料电堆。同时，膨胀水箱出口位于水泵和电堆冷却液出口之间。在散热器布置于车辆顶部等较高位置时，散热器与膨胀水箱之间存在的压差或使得冷却液从膨胀水箱溢出，使得冷却液无法正常补充。

针对现有技术的不足，本发明提供一种燃料电池及其内循环系统。本发明还可以称为一种燃料电池的冷却控制方法及冷却控制系统。

实施例1

本发明的一种燃料电池内循环系统，如图1所示，至少包括与燃料电堆分别连通的外循环管路1和内循环管路。

燃料电堆10的冷却液出口设置有节温器81。节温器81优选为电动三通球阀。外循环管路的一端与节温器的第一端口连通。外循环管路的另一端通过汇流管路与燃料电池的冷却液入口连通。

电动三通球阀是由CWR系列智能式执行机构和三通球阀组成，是一种旋转类切断调节阀门，具有关闭严密，结构紧凑，重量轻，维修方便等优点。电动三通球阀不仅可实现介质流向的切换，也可使三个通道相互连通，也可关闭任一通道，使另外两个通道连通，灵活地控制管路中介质的合流或分流。

优选地，燃料电堆的入口还可以设置至少一个过滤装置70。过滤装置70用于对冷却液进行过滤。过滤装置优选为过滤器。

外循环管路1包括至少一个中冷装置20和至少一个散热装置30。中冷装置20的一端与节温器81的第一端口连通，中冷装置20的另一端与散热装置30的一端连通。散热装置30的另一端与汇流管路的入口连通。中冷装置优选为中冷器。散热装置优选为散热器。

优选地，膨胀水箱40以与外循环管路并联的方式设置在散热装置与水泵入口之间的任何位置。优选地，汇流管路中设置有至少一个水泵50。节温器81的第二端口与水泵50的入口连通。

本发明将汇流管路中的水泵50设置在燃料电堆的入口端，并且在燃料电堆入口设置过滤器，既可以避免冷却管道内可能的杂质或异物进入电堆引发故障，也可以一定程度上降低电堆冷却液进口的压力。同时，膨胀水箱的布置更为灵活，可以在散热装置和水泵入口之间的任何位置，不会引起冷却液从膨胀水箱溢出的现象，适用于各种车辆的应用需求。

内循环管路包括并联设置的循环分流管路和汇流管路。循环分流管路的流向趋势与汇流管路的流向趋势反向。循环分流管路包括至少一个加热装置60。汇流管路包括至少一个水泵50。即至少一个加热装置60以与水泵50并联的方式设置在节温器与燃料电堆之间。具体地，加热装置60的出口与节温器81的第二端口和水泵入口分别连通。加热装置60的入口与燃料电堆的冷却液入口和水泵出口分别连通。这使得所述加热装置对汇流管路输出的冷却液进行分流加热，并且加热后的冷却液分流与燃料电堆1O输出的冷却液汇合后循环至汇流管路，使得进入燃料电堆的冷却液逐渐升温，直至达到设定的预热温度。加热装置优选为加热丝或者加热器。

本发明的内循环系统中，通过加热装置与水泵的并联设置形成了内循环系统。其中，节温器81、水泵50和燃料电堆1O形成了第一内循环管路2。加热装置60、电磁阀82和水泵50构成第二内循环管路3。第二内循环管路3用于对第一内循环管路总的冷却液进行循环地分流加热。相比于现有技术的单管路内循环系统，本发明的内循环系统对燃料电堆产生的压力更小，加热效率更高。

优选地，燃料电堆10、中冷装置20、散热装置30、水泵50、加热装置60、过滤装置70、节温器81和电磁阀82均与控制系统连接，根据控制系统的控制指令进行启闭和调节。控制系统可以是服务器、专用集成芯片、处理器、服务器、服务器群组中的一种或几种。

如图2所示，灰色线条表示高温冷却液，黑色线条表示低温冷却液，虚线表示不流动冷却液。

在燃料电堆需要低温启动时，节温器81第二端开启，第一端关闭，使得燃料电堆开启到内循环通道。与加热装置60连通电磁阀82打开，加热装置60开始供电加热。加热后的冷却液和燃料电堆出口的冷却液混合，混合形成的混合冷却液通过水泵50一部分运送回燃料电堆入口并用于加热电堆。另一部分混合冷却液重新进入加热装置加热。在燃料电堆达到设定预热温度时，加热装置60及电磁阀82基于控制指令关闭，燃料电堆可以启动运行。

燃料电池系统在低温情况下进行内循环时，由加热装置60与电磁阀82构成的循环分流管路与燃料电堆10、水泵50分别并联，水泵50能够在最低转速下提供冷却液流量通过循环分流管路分流，从而有效降低燃料电堆冷却液进口的压力，降低对燃料电堆冷却系统密封性的要求，避免了冷却液可能泄露的风险。

本发明中，循环分流管路中包括至少一个电磁阀82。电磁阀82不仅设置在循环分流管路中，还可以设置在循环分流管路与汇流管路之间的连通管路上，只要能够控制循环分流管路的启闭即可。电磁阀82为常闭式工作方式。电磁阀82在低温加热模式结束后关闭，可以减少电耗，也可以保证水泵50提供的全部冷却液都通过燃料电堆，提高整个冷却循环系统的散热效率。

如图3所示，灰色线条表示高温冷却液，黑色线条表示低温冷却液，虚线表示不流动冷却液。在燃料电堆通过内循环管路运行一段时间后，冷却液达到设定工作温度上限。此时，根据采样燃料电堆入口冷却液的温度变化，由控制系统调节节温器的打开程度，保持电堆冷却液入口温度在设定范围内，逐渐切换到外循环模式，使得燃料电池系统进入正常运行状态。此时，中冷装置用于冷却经过高温压缩的空气，以达到燃料电堆入口空气温度的要求。中冷装置将输入的空气21进行冷却，并且将冷却后的空气排出形成排出空气22。

本发明的电动三通球阀是按照角度调控的。在低温启动过程中，本发明的控制系统根据燃料电池电堆入水口或出水口温度及其变化来控制节温器与中冷装置连接的第一端的开通角度。

例如，在燃料电池电堆水的温度低于预设温度时，第一端的开通角度为零。在水的温度达到或略高于额定水温后，第一端的角度开启20％；使得少量的低温水与高温水混合。当水的温度第二次接近额定水温后，第一端的角度开启至40％，使得少量的低温水与高温水第二次混合。当水的温度第三次接近额定水温后，第一端的角度开启至70％，使得少量的低温水与高温水第三次混合。当水的温度第四次接近额定水温后，第一端的角度开启至100％，使得少量的低温水与高温水第四次混合，直至全部水升温至额定温度。

本发明通过对节温器的第一端的角度的控制，使得在不影响燃料电池电堆启动和运行的情况下，能够逐渐混合低温水，减少低温水对燃料电池电堆启动的影响。

优选的，本发明的节温器的第一端开通的一定角度的变化可以不按照示例的角度分阶段变化，也可以按照预设的与水温相关的线性函数进行持续的角度变化，使得低温水与高温水混合更科学合理，使得燃料电池电堆在启动时受到的低温影响最小，启动时间最短。

本发明的中冷装置设置在外循环管路1上，可以减少低温启动预热的加热功耗。

优选地，本发明的散热装置内设置有至少一个去离子过滤器或过滤器，一方面能够降低其所带来的流阻，另一方面也能够节省燃料电池系统的布局空间需求。

实施例2

本发明是对实施例1的进一步说明，重复的内容不再赘述。

本发明还能够提供一种燃料电池系统。本发明的燃料电池系统包括燃料电堆、外循环管路和内循环管路。其中，内循环管路包括与燃料电堆并联的循环分流管路和水泵。循环分流管路包括至少一个加热装置和至少一个电磁阀。并联循环分流管路的设置，能够分流水泵在最低转速下提供的冷却液流量，从而有效降低电堆冷却液进口的压力，降低对电堆冷却系统密封性的要求，避免了冷却液可能泄露的风险。

内循环管路和外循环管路分别通过节温器81与燃料电堆的冷却液出口连通。外循环管路的另一端与水泵50的入口连通。外循环管路中，膨胀水箱40设置在散热装置与水泵入口之间的任何位置。

外循环管路包括串联设置的中冷装置和散热装置。其中，中冷装置与节温器连通，散热装置与水泵连通。

现有技术中将中冷装置设置在内循环管路上，不仅增加了内循环管路的水阻，燃料电堆排出的热的水会将一部分热量传递给中冷装置从而形成热能损失。在燃料电堆启动预热的过程中，水每循环一次就损失一部分热能至中冷装置，这无疑会延长水达到预热温度的时间，降低燃料电堆的启动速度。

相比于现有技术将中冷装置设置在内循环管路的缺陷，本发明的中冷装置设置于外循环管路上。在燃料电堆预热的过程中，燃料电堆排出的水不经过任何设备就到达水泵50，减少了水传输过程中的水阻以提高水的循环速度，减少了水的热能损耗从而缩短了水达到预热温度的时间。不仅如此，由于加热装置60中的水循环至水泵50之间的路程只有电磁阀82，再没有其它设备，则循环分流部分的水的水阻较小，循环周期短，预热时间快，能够快速提高燃料电堆的启动温度。因此，本发明将中冷装置设置于外循环管路上，能够减少低温启动预热的加热功耗。

优选地，燃料电堆的入口设置有至少一个过滤装置70。过滤装置70与燃料电堆串联，与循环分流管路和水泵分别并联。在燃料电堆入口的过滤装置，既可以避免冷却管道内可能的杂质或异物进入电堆引发故障，也可以一定程度上降低电堆冷却液进口的压力。

本发明的燃料电池系统，能够满足膨胀水箱灵活设置的需求。膨胀水箱设置在散热器和水泵入口之间的任何位置都不会使得冷却液从膨胀水箱溢出，适用于各种车辆的应用需求。

不仅如此，本发明的燃料电池系统中，循环分流管路的电磁阀为常闭工作方式，在低温加热模式结束后关闭。如此设置可以减少电耗，也可以保证水泵提供的全部冷却液都通过燃料电堆，提高整个冷却循环系统的散热效率。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种燃料电池内循环系统，至少包括与燃料电堆(1O)连通的用于在燃料电堆启动时进行预热的内循环管路，其特征在于，

所述内循环管路至少包括以并联的方式设置的循环分流管路和汇流管路，所述循环分流管路以将所述汇流管路中的冷却液循环分流的方式将燃料电堆排出的冷却液循环加热至燃料电堆的设定预热温度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述循环分流管路至少设置加热装置(60)，

所述加热装置(60)与所述燃料电堆(10)和/或所述汇流管路以流向趋势相反的方式并联，从而

所述加热装置(60)对汇流管路输出的冷却液进行分流加热，并且加热后的分流与所述燃料电堆(1O)输出的冷却液汇合后循环至汇流管路。

3.根据权利要求2所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述内循环系统还包括外循环管路(1)，

所述外循环管路(1)的入口与所述燃料电堆(10)的出口连通，

所述外循环管路(1)输出的冷却液通过汇流管路循环至所述燃料电堆(10)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述外循环管路(1)至少包括中冷装置(20)和散热装置(30)，

所述中冷装置(20)设置在燃料电堆(1O)与所述散热装置(30)之间，

所述散热装置(30)以将冷却后的冷却液输送至所述汇流管路的方式与所述汇流管路连通。

5.根据权利要求4所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述外循环管路还包括至少一个膨胀水箱(40)，

所述膨胀水箱(40)以与外循环管路并联的方式设置在所述散热装置(30)与所述汇流管路之间。

6.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述外循环管路和所述内循环管路通过节温器(81)与所述燃料电堆的出口连通，

所述节温器(81)以保持燃料电堆冷却液入口温度在设定范围内的方式调节阀门打开程度从而将燃料电池的内循环模式逐渐切换至外循环模式。

7.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述内循环管路还包括至少一个电磁阀(82)，

所述电磁阀(82)以能够控制所述循环分流管路启闭的方式设置。

8.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述内循环管路的出口通过至少一个过滤装置(70)与所述燃料电堆(10)连通。

9.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池内循环系统，其特征在于，所述汇流管路包括至少一个水泵(50)。

10.一种燃料电池，其特征在于，至少包括燃料电堆和如权利要求1～9任一项所述的燃料电池内循环系统。

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