CN114023993A - 燃料电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池热管理系统，包括：调节阀，具有第一阀出口和三个阀入口，第一阀出口连接电堆的冷却液入口；水泵，水泵的进水口连接电堆的冷却液出口，水泵的出水口通过并联的大循环支路、小循环支路和电加热支路分别连接调节阀的三个阀入口；散热器，设于大循环支路上；以及电加热器，设于电加热支路上。增设了电加热回路，电加热器布置在电加热回路中，在燃料电池冷启动、常温启动(零度以上)以及启动后的暖机过程中，均可以视冷却液加热需求灵活选择电加热回路是否投入使用，在不需要加热冷却液的情况下，可使得冷却液不经过电加热器而直接走小循环回路，从而有效降低小循环回路流阻、提升效率。

Description

燃料电池热管理系统

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热管理系统。

背景技术

随着技术的提升，燃料电池功率密度越做越高，在正常运行功率密度条件下，燃料电池的效率一般在40％-60％之间(甚至更低)，没有转化为电能的能量以热量的形式散发。为了防止堆内过温和过高的温度梯度带来的负面影响，燃料电池需要充分有效的冷却能力，使其能够工作在设计的操作温度条件下。与此同时，还需要考虑冷却水路的流阻和水泵的能力。

参见图1，现有的燃料电池热管理系统采用三通电动调温阀01，三通电动调温阀01具有两个阀入口和一个阀出口，由水泵2、去离子器5、散热器3、三通电动调温阀01的一个阀入口和阀出口与电堆7依次串联形成大循环回路，由水泵2、去离子器5、电加热器4、三通电动调温阀01的另一个阀入口和阀出口与电堆7依次串联形成小循环回路，中冷器6与去离子器5并联。通过调节三通电动调温阀01改变其连通状态，可以选择冷却液是否需要走大循环回路经过散热器3，或者在没有太大散热需求的情况下只需要走小循环回路，从而降低水泵2的功率且达到更高的冷却液流速。由于燃料电池应用中还有电加热器4(用于冷启动)、去离子器5、中冷器6等其它部件的需求，而有些部件仅在特定工况中使用(比如电加热器4)，有些部件需求流量不大(比如去离子器5、中冷器6)，因此，使用现有的燃料电池热管理系统势必带来流阻的问题，从而带来寄生损耗。特别是，现有的燃料电池热管理系统将电加热器4布置在小循环回路中，该设计会带来每次暖机过程使用小循环回路的阶段，电加热器4都作为阻力件存在，导致小循环回路流量下降和水泵2功耗增加。此外，在水泵2高流量工作时，去离子器5和中冷器6上将承载过高的压力损耗，从而增加大循环回路流阻。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够降低流阻、提升效率的燃料电池热管理系统，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池热管理系统，包括：调节阀，具有第一阀出口和三个阀入口，第一阀出口连接电堆的冷却液入口；水泵，水泵的进水口连接电堆的冷却液出口，水泵的出水口通过并联的大循环支路、小循环支路和电加热支路分别连接调节阀的三个阀入口；散热器，设于大循环支路上；以及电加热器，设于电加热支路上。

优选地，还包括小流量散热部件，调节阀还具有第二阀出口，第二阀出口通过中冷支路连接水泵的进水口，小流量散热部件设于中冷支路上。

优选地，小流量散热部件包括去离子器和中冷器。

优选地，去离子器和中冷器串联。

优选地，调节阀为五通电动调温阀。

与现有技术相比，本发明具有显著的进步：

本发明的燃料电池热管理系统采用的调节阀增加了一个阀入口，并通过该阀入口增设了电加热支路形成电加热回路，电加热器不再布置在小循环回路中，而是布置在电加热回路中并与小循环回路并联，使得电加热器独立于小循环回路，因此小循环回路投入使用时不会受到电加热器的影响，在燃料电池冷启动、常温启动(零度以上)以及启动后的暖机过程中，均可以视冷却液加热需求灵活选择电加热回路是否投入使用，在不需要加热冷却液的情况下，电加热器不需要工作，可以通过调节调节阀实现小循环回路投入使用且电加热回路不投入使用，使得冷却液不经过电加热器而直接走小循环回路，从而有效降低小循环回路流阻、提高流量、提升冷却效率，并能更快完成暖机；在需要加热冷却液的情况下，通过调节调节阀使电加热回路投入使用即可；同时，本发明的燃料电池热管理系统也为燃料电池无加热自启动功能的实现提供可能。

附图说明

图1是现有的燃料电池热管理系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的燃料电池热管理系统的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

01 三通电动调温阀

1 调节阀

1a、1b、1c 阀入口

1e 第一阀出口

1f 第二阀出口

2 水泵

2a 进水口

2b 出水口

3 散热器

4 电加热器

5 去离子器

6 中冷器

7 电堆

7a 冷却液入口

7b 冷却液出口

11 大循环支路

12 小循环支路

13 电加热支路

14 中冷支路

15 输入管路

16 输出管路

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明的燃料电池热管理系统的一种实施例。本实施例的燃料电池热管理系统包括调节阀1、水泵2、散热器3和电加热器4。

其中，调节阀1具有第一阀出口1e和三个阀入口1a、1b、1c，通过调节调节阀1的阀位以及开度大小可以实现调节三个阀入口1a、1b、1c与第一阀出口1e之间的连通或断开状态并控制连通状态下的流量大小。调节阀1的第一阀出口1e连接电堆7的冷却液入口7a，第一阀出口1e与电堆7的冷却液入口7a之间可以通过输入管路15相连接。

水泵2的进水口2a连接电堆7的冷却液出口7b，水泵2的进水口2a与电堆7的冷却液出口7b之间可以通过输出管路16相连接。水泵2的出水口2b通过大循环支路11连接调节阀1的第一个阀入口1a，水泵2的出水口2b通过小循环支路12连接调节阀1的第二个阀入口1b，水泵2的出水口2b通过电加热支路13连接调节阀1的第三个阀入口1c，大循环支路11、小循环支路12和电加热支路13并联。

散热器3设于大循环支路11上。由电堆7的冷却液出口7b、水泵2、散热器3、调节阀1的第一个阀入口1a、调节阀1的第一阀出口1e和电堆7的冷却液入口7a依次串联形成大循环回路。当燃料电池的电堆7散热需求较大时，大循环回路投入使用。

由电堆7的冷却液出口7b、水泵2、调节阀1的第二个阀入口1b、调节阀1的第一阀出口1e和电堆7的冷却液入口7a依次串联形成小循环回路。当燃料电池的电堆7散热需求较小时，小循环回路投入使用。

电加热器4设于电加热支路13上。由电堆7的冷却液出口7b、水泵2、电加热器4、调节阀1的第三个阀入口1c、调节阀1的第一阀出口1e和电堆7的冷却液入口7a依次串联形成电加热回路。电加热回路用于通过电加热器4对冷却液加热，当需要对冷却液加热时，电加热回路投入使用，实现主动加热辅助启动功能。

通过调节调节阀1的阀位以及开度大小，调节三个阀入口1a、1b、1c与第一阀出口1e之间的连通或断开状态并控制连通状态下的流量大小，可以实现选择大循环回路、小循环回路和电加热回路中的一个或多个投入使用并控制流量。

本实施例的燃料电池热管理系统采用的调节阀1增加了一个阀入口1c，并通过该阀入口1c增设了电加热支路13形成电加热回路，电加热器4不再布置在小循环回路中，而是布置在电加热回路中并与小循环回路并联，使得电加热器4独立于小循环回路，因此小循环回路投入使用时不会受到电加热器4的影响，在燃料电池冷启动、常温启动(零度以上)以及启动后的暖机过程中，均可以视冷却液加热需求(亦即主动加热辅助启动功能需求)灵活选择电加热回路是否投入使用，在不需要加热冷却液的情况下，电加热器4不需要工作，可以通过调节调节阀1实现小循环回路投入使用且电加热回路不投入使用，使得冷却液不经过电加热器4而直接走小循环回路，从而有效降低小循环回路流阻、提高流量、提升冷却效率，并能更快完成暖机；在需要加热冷却液的情况下，通过调节调节阀1使电加热回路投入使用即可；同时，本实施例的燃料电池热管理系统也为燃料电池无加热自启动(通过燃料电池自身发热升温)功能的实现提供可能。

优选地，本实施例的燃料电池热管理系统还包括小流量散热部件，调节阀1还具有第二阀出口1f，通过调节调节阀1的阀位以及开度大小还可以分流部分流量至第二阀出口1f，从而保证该路流量用于冷却。调节阀1的第二阀出口1f通过中冷支路14连接水泵2的进水口2a，中冷支路14可以与输出管路16相连接，而水泵2的出水口2b通过并联的大循环支路11、小循环支路12和电加热支路13分别连接调节阀1的三个阀入口1a、1b、1c，由此构成中冷回路。小流量散热部件设于中冷支路14上。小流量散热部件是指燃料电池应用中存在的本身对流量需要不大的部件，例如，小流量散热部件优选可以包括去离子器5和中冷器6。优选地，去离子器5和中冷器6串联。中冷回路用于为小流量散热部件提供需要的流量，实现中冷冷却功能。

由此，本实施例的燃料电池热管理系统采用的调节阀1还增加了一个第二阀出口1f，并通过该第二阀出口1f增设了中冷回路，小流量散热部件如去离子器5和中冷器6不再布置在大循环回路中，而是布置在中冷回路中并与大循环回路并联，使得小流量散热部件独立于大循环回路，因此不会对投入使用的大循环回路造成影响，在燃料电池启动后，可以调节调节阀1并控制开度实现中冷回路投入使用并为小流量散热部件提供稳定的满足小流量散热部件散热要求的小流量，从而解决了现有技术中水泵2高流量工作时小流量散热部件上承载过高的压力损耗而增加大循环回路流阻的问题，能够有效降低大循环回路流阻。

优选地，本实施例的燃料电池热管理系统采用的调节阀1可以为具有三个阀入口和两个阀出口的五通电动调温阀。

本实施例的燃料电池热管理系统，通过调节调节阀1的阀位以及开度大小，对三个阀入口1a、1b、1c与第一阀出口1e、第二阀出口1f之间的连通或断开状态并控制连通状态下的流量大小进行调节，可以实现选择大循环回路、小循环回路、电加热回路和中冷回路中的一个或多个投入使用并控制流量，因而可以根据燃料电池实际应用工况灵活实现多种工作模式。

本实施例的燃料电池热管理系统可以在现有的采用三通电动调温阀01的燃料电池热管理系统的基础上，不改变原有部件，仅调整和增加部分管路即可实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，包括：

调节阀(1)，具有第一阀出口(1e)和三个阀入口(1a、1b、1c)，所述第一阀出口(1e)连接电堆(7)的冷却液入口(7a)；

水泵(2)，所述水泵(2)的进水口(2a)连接所述电堆(7)的冷却液出口(7b)，所述水泵(2)的出水口(2b)通过并联的大循环支路(11)、小循环支路(12)和电加热支路(13)分别连接所述调节阀(1)的三个阀入口(1a、1b、1c)；

散热器(3)，设于所述大循环支路(11)上；以及

电加热器(4)，设于所述电加热支路(13)上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括小流量散热部件，所述调节阀(1)还具有第二阀出口(1f)，所述第二阀出口(1f)通过中冷支路(14)连接所述水泵(2)的进水口(2a)，所述小流量散热部件设于所述中冷支路(14)上。

3.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述小流量散热部件包括去离子器(5)和中冷器(6)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述去离子器(5)和所述中冷器(6)串联。

5.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述调节阀(1)为五通电动调温阀。

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