CN114335604A - 一种低温环境的水冷燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种低温环境的水冷燃料电池系统，包括，空间，其内部温度至少保持高于水的冰点，其外部环境温度低于水的冰点，电堆，其提供电化学反应区域，大循环管路经过电堆以通过水与电堆非接触地热交换的方式对电堆降温，大循环管路至少一段区域设置在空间外部，向电堆阴极提供空气的管路分出支路连通至大循环管路以在电堆停机时至少将大循环管路设置在空间外部内的水分吹扫进入空间内。

Description

一种低温环境的水冷燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种低温环境的水冷燃料电池系统。

背景技术

燃料电池通过消耗氢气等燃料发电，具有效率高、环保等特点，用途广泛。燃料电池的基本原理为氢气与氧气发生电化学反应，产生电，同时生成物为水。当处于零度以下的低温环境时，水结冰将导致无法正常工作，甚至导致管道破裂，电堆损坏等严重后果。

为了解决水结冰的问题，常用的技术包括了以下几个方面：

1)对电堆和系统进行干燥吹扫，也就是等燃料电池停止工作后，先将电堆和系统中生成的水分吹干，再断电保存。

2)启动时先进行加热或进行逐步加载的低温启动控制，大幅度增加了启动的时间。

3)冷却系统采用耐低温的防冻液。

以上措施必须同时采用，造成的负面影响包括：

1)需要增加吹扫和加热的结构，并通过控制予以实现，增加了系统复杂性和成本；

2)启动和停机的过程增长，造成用户体验差，且启停期间所需要的辅助电源容量较大；

3)与利用水来冷却相比，采用防冻液冷却给电堆和系统结构设计增加了复杂性，且防冻液的流阻大，比热容小，散热效果比水差。另外，燃料电池专用的防冻液要求导电率低，因此成本较高，维护和补充也较困难。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请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，本发明提供了一种低温环境的水冷燃料电池系统，包括，空间，其内部温度至少保持高于水的冰点，其外部环境温度低于水的冰点，电堆，其提供电化学反应区域，大循环管路经过电堆以通过水与电堆非接触地热交换的方式对电堆降温，大循环管路至少一段区域设置在空间外部，向电堆阴极提供空气的管路分出支路连通至大循环管路以在电堆准备停机时至少将大循环管路设置在空间外部内的水分吹扫进入空间内。

优选地，大循环管道包括容器、泵、散热器，泵分别连通容器和电堆以将容器中的水送入电堆，电堆与散热器连通以将热交换后的水送入散热器降温，散热器回连至容器，其中，散热器设置在空间外部。

优选地，电堆通过电堆出水管道连通至三通阀在连通至散热器进水管道的方式连通至散热器，三通阀具有第一口和第二口，分别连通至电堆出水管道和散热器进水管道。

优选地，三通阀还具有第三口，其连接至小循环管道，小循环管道连通至容器。

优选地，空气压缩机通过电堆进气管道连通至电堆，在电堆进气管道上分离出的支路上设置有吹扫阀门。

优选地，支路连通至散热器进水管道，在电堆正常工作时，三通阀第一口与第二口被控连通，第三口被控关闭。

优选地，散热器通过散热器出水管道回连至容器，在电堆准备停机时，泵被控关闭，吹扫阀门被控打开以将散热器进水管道、散热器和散热器出水管道中的水分吹入容器。

优选地，在电堆开机时，泵被控打开，吹扫阀门被控关闭，三通阀的第一口和第三口被控连通，第二口被控关闭以使得容器的水进入电堆热交换后进入小循环管道回流至容器。

优选地，电堆阴极通过阴极排气管道连通至容器以将阴极产生的气态水分与空气的混合气体通入容器，容器通过对外排气管道连通至空间外部。

优选地，容器中设置有温度检测器，当容器中水温度达到预设温度值时，三通阀第一口和第二口被控连通，第三口被控关闭。

本发明优势在于：

1)不需要使用防冻液作为散热介质，对于散热流道与反应流道的密封要求降低，电堆设计难度减小。

2)采用水作为散热介质，流阻小，比热容大，散热能力强。

3)停机时不需要对电堆进行吹扫，虽然本发明需要将散热器和管道的水吹进水箱，但是与吹扫电堆相比较，对吹扫流量和吹扫时间要求都低很多，也不存在任何安全隐患。

4)电堆一直处于良好的湿度和温度条件，寿命较长。

5)停机时电堆温湿度高，启动时间短，响应迅速。

6)通过反应水对冷却液进行自动补充，可以实现长时间无人值守和维护，如果采用防冻液作为冷却介质，无法通过此方法进行自动补充，需要人工补充，维护成本高。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的系统结构示意图；

图中：1、空间；2、电堆；3、泵；4、散热器；5、容器；6、三通阀；7、电堆出水管道；8、散热器进水管道；9、散热器出水管道；10、小循环管道；11、空气压缩机；12、空气进气管道；13、电堆进气管道；14、阴极排气管道；15、排气阀门；16、对外排气管道；17、吹扫阀门。

具体实施方式

下面结合附图1进行详细说明。

本发明所针对的燃料电池，由于电池反应产生大量的热量，通常情况下需要利用水循环来对电池系统进行控温，而水在低温环境中容易结冰，造成燃料电池使用受阻。尤其是对于氢燃料电池，其主要原料为氢和氧气，进行反应产电之后产生的产物为水，产生的水需要在电池管路中进行循环转移，在低温环境，一般情况下为低于0℃的情况下，水就有可能结冰，此时会导致氢燃料电池无法使用，还有可能会产生管道破裂或者电堆2损坏等严重后果。现有技术中，一般采用确保电池使用环境为一个冰点以上的合适的恒温的方式进行电池的使用，当燃料电池正常启动之后，反应产生的热量会使得液体保持在冰点以上，因此常常需要解决的是电池停机后启动之前液体被冻住的问题。常规的做法大致有以下几个方案。一是对电堆2和系统进行干燥吹扫，也即是在电池停机之后，快速地向将残留在电堆2和系统中的水分吹干，然后在彻底断点存放电池。二是在启动之前对电池系统进行加热或者进行逐步加载的低温启动控制。三是在冷却系统中采用耐低温的防冻液，常见的防冻冷却液常常应用于车辆领域，其大致可以由水、防冻剂和添加剂三个组成部分，其中防冻剂可以选择酒精类、甘油类或者乙二醇类等等有机类化学助剂。然而现有技术在实际使用时，上述几种方案必须同时采用才能够达到一个能够正常使用的标准，但是仍然存在以下几种问题，一是需要增加吹扫和加热的结构，并且需要增加较为复杂且多套的控制逻辑，增加了系统的复杂性和使用成本；二是增加了启动或者停机的时间，造成用户不能够做到即停即用，使用体验变差，并且启停时所消耗的辅助能源较多；三是与利用水来进行冷却相比，采用防冻液的方案给电堆2和系统结构的设计和制造带来了一些额外的难度和复杂性，并且市面上大部分成本交底的防冻液因为组分较多、流阻较大、比热容小，散热效果比水差，而使用性能较好的防冻液无疑是提升了使用成本。另外，燃料电池专用的防冻液相较于其它一些一般领域使用的防冻液还额外具有低导电率的要求，因此使用成本进一步升高，维护和补充也较为困难。

因此本发明提供了一种低温环境的水冷燃料电池系统，其应用于较为寒冷的环境。如图1所示，本发明的燃料电池主体设置在一个封闭或者半封闭的空间1内，在该空间1可以大致视为一个较为恒温的空间1，例如室内或者机动车内部，在房间或者车辆完全封闭物质流通通道，包括空气流通通道后，例如房间或车辆关窗并且关闭通风设备的情况下，空间1可以大致视为一种封闭系统，即与外界没有物质交换但是具有能量交换，这里的能量交换之一为高温环境(例如室温较高的空间1)直发的向低温环境散发热量的方式，这个过程可以不利用任何实际物质作为介质，而是仅通过热辐射就能够实现。在房间或者车辆开窗或者打开通风设备的情况下，空间1可以大致视为一种开放系统，即既有物质交换也有能量交换。上述无论那种情况，空间1内均能够通过利用设备额外做功的方式提升或者维持空间1内的温度，使之能够持续高于外界的温度。一种常见的情况是，空间1内设置有加热装置或者能够加热的通风装置，例如空调、制热机等，此种情况下，无论外界温度低于室内温度多少，通过增加或者减小加热装置的功率，可以保证空间1内的温度始终高于一个预设的温度值，例如0℃、5℃、25℃等。

本实施例中空间1可以是建筑物或者一个较为封闭的壳体，本燃料电池系统的其它部件基本是设置在空间1中的，空间1作为一个区域，其内部除了设置有本燃料电池系统之外，还可以设置多种其它设备，例如通信基站。空间11可以是空间11可以是传统的机房，由砖瓦结构形成外壁，也可以是近年广泛采用的一体式机柜，以钣金等材料制作柜体机壳，其内部包括了通信设备、通信电源和电池等，内部温度常年保持恒定或在较高温度，因此处于内部的部件不存在结冰的问题。也即是说，空间1的内部被一些温度调控设备维持在一个至少高于当地水分冰点之上的温度。

本发明燃料电池发生产电反应的主体部分为电堆2，电堆2主要作用是通过并构成正负极反应原料进行电化学反应的场所。

在电堆2之外，本发明还具有用于散热的部件，至少包括泵3、散热器4、容器5和三通阀6。用于供给电池反应原料之一的氧气的部分至少包括空气压缩机11。本实施例中，电池供氢的部分结构可以为本领域中的常规技术设置，例如利用高压氢气储备进行供氢，或者利用一些化学手段从其它含氢类原料中进行重整制氢的技术路线，在本实施例中不进行展开说明。

容器5被设置为能够储存一定体积的水的结构，例如以空心棱柱体、圆柱体、球体等方式构件的箱型或罐形。优选地，容器5可以设置为封闭或者半封闭结构，以防止水分非期望地损失。优选地，容器5可以独立在电堆2之外安装，实际上，燃料电池系统除了核心的电堆2之外，其它部件大部分可以进行分体式设计，例如本实施例中容器5可以单独设置在空间1中的某一位置，只要能够保证容器5储存的水能够通过一定长度的管道进入相应的其它部件即可。优选地，容器5上可以设置注水口，若如上所述容器5是单独设置在空间1中或者至少有一个部分是处于外界人员能够接触到的状态时，可以直接在容器5壁上开设注水口；若容器5被放置在电池系统内部，则可以使用加长管的方式进行水分的添加，在某些实施例中可以复用已存在的一些管道进行加水工作。

在本实施例中，容器5中的水分因至少保证不会充满整个容器5，可以通过设定添加水分体积或者控制容器5容积的方式实现，在此情况下，容器5中至少具有一个液位面，在液位面上方被空气占据，气体可以在这个空间1流通或者暂时留存。

容器5通过管道连通至泵3的入口端，泵3的出口端连通至电堆2。泵3的作用是将容器5中的水分运送至电堆2位置以形成对电堆2的降温。由上所述，燃料电池在进行反应时，除了期望地产生电能之外，还会产生大量的热量，继而导致电堆2温度过高，而温度过高会导致电池反应效率低下、电路传输受阻、产生副反应等问题，因此需要对电堆2进行冷却。常见的也是本实施使用的是热交换散热的方案，即利用水流经电堆2内部的极板表面等方式，利用非物质交换的热传递过程将电堆2中产生的热量带出。水流经电堆2而不与电堆2产生物质交换的方式可以是在电堆2上或者电堆2附近设置冷却通道的方式。

水通过冷却通道在电堆2中获得热量而升温，相应地，电堆2散失热量被降温。产生的较为高温的水由电堆2出水管道流出电堆2并到达三通阀6，三通阀6具有三个口，其分别连接至不同走向的管道，可以分别称为第一口、第二口和第三口，上述连通至电堆2出水管道的为第一口。三通阀6被配置为能够切换其内部的三个口的开闭情况以导通不同的管道回路。可以选择的实现方式有内部配置有电子阀门的三通阀6。

第二口连接至散热器进水管道8，第三口连接至小循环管道10，上述两种管道分别连通至不同的部件，具体地，散热器进水管道8连通至散热器4，小循环管道10回连至容器5。在此，冷却水由容器5进入电堆2后进入三通阀6并且由小循坏管道10回到容器5的流体回路称为小循环流程，简称为小循环。

散热器4至少构成为能够将流经其内的带有一定温度的水降温的结构，可选的结构有散热鳍片、风扇散热等方式，散热鳍片的方案是利用增大热交换面积的方式，使得流经散热器4中的水分能够与环境进行热交换，此种方案是被动散热的方式，即属于一个自然发生过程，无需引入额外的做功。另一种方案利用气流辅助散热的方案，其引入了外界额外做功，例如使用了电风扇、电气吹等设备对流经其内的水进行强制吹气散热，快速流经管壁的气流可以加速管内的高温水与外界进行热交换。优选地，散热器4可以同时采用散热鳍片以及对流散热两种方案以增加散热速度。流经散热器4的水流与散热器4本身没有物质交换，即水分不会从散热器4中向外泄露，上述所有的散热方式均是利用了非接触式的热交换散热。

用于排出经过散热器4散热后的水分的管道为散热器4排水管道，散热器4排水管道的另一端连通至容器5，将冷却后的水回收至容器5中。

电堆2的阴极通过阴极排气管道14将阴极产生的含有水分的气体排出至容器5，根据氢燃料电池的反应，在酸性环境下，在其阴极(也即是电池的正极)中产生如下反应：

O₂+4H⁺+4e^-＝2H₂O

即在电堆2正极产生了水，由于氢燃料电池的原料均为气体，并且反应产生较大热量，一般在正极产生的水分是以气态形式存在的，其随着多余的氧气被排出电堆2负极，故一般在向电堆2负极通入氧气时，采用较大的气流进行氢气循环的方式将负极中的气态水带出。

在不同的反应介质环境中，电堆2正负极会交换产生水分的位置，例如上述在酸性的环境下，正极反应步骤中产生的中间产物O^2－不能够在酸性环境中单独存在，故而结合H⁺离子生成水。

在碱性环境下，负极反应步骤中产生的H⁺会与环境中OH^-反应生成水，则此条件下，水在负极产生。

考虑到使用成本以及使用方便性，向正极通入的燃料电池原料往往并不采用纯氧，而是直接使用空气或者压缩空气。若将水分产生的位置控制在阳极，则水分会在氢气中产生，但是处于环境安全以及重复利用氢资源的考虑，阳极产生的氢水混合的尾气不能直接向外界排放而是需要将氢气脱水处理后输入阳极重复利用。因此为方便反应后的产生的尾气处理，一般将电堆2中产生水分的位置控制在阴极，即电堆2正极，这样水分会在空气中产生，并且能够随着空气一起向外界排放，这对外界是无害的。

随着阴极排放的空气中夹杂的水分被排入容器5中，在容器5中，混和气体中的水分凝结成为水滴落入容器5中储存的水中，剩余的空气由容器5在液位线上方设置的对外排气管道16排出。在一种实施例中阴极排气管道14连通至容器5的出口设置在液位线上方，此时从管道中排出的混合气体直接进入液位线上方的空气部分，另一种实施例中，阴极排气管道14连通至容器5的出口设置在液位线下方，此时从管道中排出的混合气体进入容器5中储存的水中。上述两种实施例，前者无需对阴极排气管道14设置额外的防逆流措施，但是混合气体中的水分相对难以被容器5所保留，大部分直接随着空气藉由对外排气管道16排出；后者需要对阴极排气管道14设置防逆流措施，相应地，由于容器5中存在的水的冷却作用，混合气体中的水分将大部分被保留在容器5当中，实现了反应产生水分的再利用，减少人工向容器5添加水的频次，冷却系统自持性有所提升。若容器5中的水量过高以至于接近或者完全占满容器5的全部容积，则在阴极排出的混合气体的推动下，多余的水可以从对外排气管道16中排出。对外排气管道16上设置有排气阀门15。

向电堆2阴极提供空气的是空气压缩机11，其将外部的空气进行压缩并通过电堆进气管道13提供给电堆2的阴极，向空气压缩机11提供空气来源的是空气进气管道，其一端连通至空间外侧，以使得空气压缩机能够将空间外侧的空气送入电堆。电堆进气管道13还连出一条支路连通至散热器进水管道8，该支路上设置有吹扫阀门17，该阀门可以采用电子阀门，用于在被控的情况下决定该支路的通断。

本实施例中，仅散热器4被配置在空间1的外部，即其所在的环境温度与空间1内的温度不同，当空间1外的温度高于冰点，本实施例的工作机制与常规的散热器一致，即将燃料电池发电过程中产生的热量通过散热器转移到空气中。当空间1外的温度显著低于空间1内的温度时，具体的，空间1外温度低于水的冰点时，执行大小循环的切换等控制策略。空气进气管道12和对外排气管道16分别连通到空间1外的大气环境中。

在上述吹扫阀门17以及三通阀6被设置为可控制通断的情况下，本发明能够实现以下控制方案。

电池系统在正常工作模式下，三通阀6连通电堆2出水管道和散热器进水管道8，即连通第一口和第二口，关闭第三口，吹扫阀门17被控关闭，此时电堆2进行一个正常的产电流程，空气压缩机11将空气压缩后提供给电堆2阴极，同时向电堆2阳极通入氢气，电堆2开始发生电化学反应，产生电能并产生热量，阴极中开始产生气态的水分，气态水分随着阴极的空气从阴极排气管道14进入容器5，在容器5中部分气态水分转化为容器5中的液态水分以补充容器5中损失的水分，剩余的空气以及部分气态水分随着对外排出管排出至空间1外的大气中。在电堆2放电的产热的同时，冷却作用的水从容器5中被泵3送入电堆2内的热交换机构，利用温度较低的水和温度较高的电堆2之间的热交换实现对电堆2温度的降低，同时温度升高的冷却水由电堆2出水管道流入三通阀6，继而在此时三通阀6的导通模式下进入散热器进水管道8并进入位于空间1外的散热器4，由于空间1外的温度低于空间1内温度，甚至低于水的冰点，因此设置在空间1外的散热器4能够将水更加快速的降温，并且由于此时水在散热器4部分留存的时间较短且为流动状态，水不容易在管道中冻结。最终冷却后的水通过散热器进水管道9回流至容器5中，由此形成一个冷却水循环，能够进行重复使用。利用了较低温度的空间1外温度对换热后的水进行降温，能够有效降低散热器4的输出功率，甚至在某些低温的情况下，通过适当延长水在空间1外的滞留时间，可以不需要散热器4的主动输出，可以实现零损耗冷却，尤其是对于一些极端环境中的功率配给非常苛刻的情况下具有优势。上述冷却水从容器5到电堆2到三通阀6到散热器4再最终回到容器5的流程可以称为大循环流程，所涉及的管路可以称为大循环管路，简称为大循环。

在电池需要进行停机工作时，进行吹扫流程。吹扫流程为，首先关闭氢气的供给通道(图中未示出)，此时电堆2由于缺乏原料而自动停止工作。控制泵3停止工作，容器5中的水不能够进入电堆2。但是，此时维持向阴极供给空气的空气压缩机11继续工作，并且吹扫阀门17被打开。空气从空气压缩机11中进入支路管道并通过吹扫阀门17进入散热器进水管道8，并且将其中存留的水分经由散热器进水管道9吹扫进入容器5。此步骤使得留存在散热器4部分的管路，特别是存在属于空间1之外的管路以及散热器4中的水分能够被送入容器5中，继而防止存在于空间1外的水分被低于冰点的温度所冻结，造成电池后续启动时使用受到阻碍的问题，在此种情况下存在于空间1外的部分即是在低温情况下也不会被冻裂。并且，吹扫流程中提供的空气量或者空气压力并非需要很大，仅仅需要将大部分的水分吹扫进入容器5即可，剩余的微量水分即使在空间1外结冰也不会影响下一次使用的散热管道畅通性，这些微量水分产生的冰会在下一次使用电池时随着流动的冷凝水而融化。吹扫时间可以进行一个预设，按照至少能够保证大部分水分能够被吹扫进入容器5的时间来设定预设时间。在预设时间之后，可以认为燃料电池进入完全停机的状态，可以长期保存。

在电池在上一次停机之后恢复启动时，吹扫阀门17被控关闭，控制三通阀6连通电堆2出水管道以及小循环管道10并关闭散热器进水管道8，即连通第一口和第三口，关闭第二口，此时冷却水先进行小循环流程，小循环流程为，冷却水从容器5中被泵3入电堆2中，经过与电堆2换热后由电堆2出水管道进入三通阀6，然后由三通阀6的第三口进入小循环管道10直接回到容器5中。基于对小循环流程中水的温度判断来决定连通第一口和第二口并关闭第三口的时机。上述温度判断可以按照一定预设时间来决定，即预先根据实验或者计算，得出在电池进行小循环流程多少时长之后，水的温度能够达到预设温度值，那么这个时间就可以作为预设时间；或者可以在小循环流程中涉及到的结构中任意位置设置温度检测器的方式来检测小循环中水的温度值，当检测值达到预设温度值时，就可以决定按照上述方式切换三通阀6的通断模式。其中，预设温度为一个至少能够保证电堆2与水进行热交换之后能够被降温至合理温度的温度设定值，其可以由人工经验或者实验获得。在电池启动的使用初期，电池产热量不高，相应地，冷却水升温也不高，开启小循环的目的在于使得温度尚且不高的水暂时在温度高于冰点的空间1内进行循环，既可以起到对电堆2的冷却效果，又不至于使得温度不高的水进入散热器4被外界的低温环境所快速冻结，当电堆2的热量逐渐升高，以至于靠小循环不能够把电堆2的温度维持在合理范围时，切换到正常的散热循环，维持电池的正常工作，保证系统有足够的散热能力。

根据一种优选实施例，本实施例关注空间1外环境温度、燃料电池发热量、小循环的温度以及大循环的温度。燃料电池发热量与其功率存在正相关性，功率越大，发热量越大。

系统启动工作后，由于小循环本身不对系统外部释放热量，因此仅依靠小循环的流动，温度会逐步升高。当小循环温度升高到设定的限制值后，比如50度，三通阀6开始动作，向大循环支路进行切换。三通阀6是一个受控的器件，通过控制调节开度可改变流向大循环和小循环的流量大小，流向大循环和小循环的流量之和为进入三通阀6的流量，也就是电堆出口的流量。

部分冷却水通过大循环支路流经散热器4，热量被散热器4转移到外界，因此温度降低。大循环的冷却水温度降低后与小循环的冷却水混合后进入容器5，从而降低电堆的冷却水入口温度。如果电堆出口的温度继续上升，说明散热量小于发热量，则调节三通阀6增加外循环的流量。增加外循环的流量使得外循环冷却液携带的热量增加，散热器4的温度比之前提升，散热器与外界环境温度相比温差增加，温差增加散热量将增加，促使散热量与发热量趋向一致，温度稳定在设定范围内，对质子交换膜燃料电池来说，电堆的出口温度一般控制在65～85度范围内。如果三通阀6已经全部切换到外部大循环，温度依然没有平衡到设定范围，则运行散热器的风扇增加散热量，增大风扇的转速将进一步增大散热量，通过调节风扇转速将温度稳定在设定范围内。

以上过程是温度升高时的调节方向，这个过程是可逆的，温度降低时向相反的方向调节。在整个运行过程中随时进行调节或切换，使得电堆冷却水达到设定的稳定温度。

如果电堆的功率特别小而外界的温度特别低，电堆的发热量不足以维持散热器本体一直在冰点以上，则执行以下控制方案。开启后依然以小循环冷却，直至温度升高到设定温度，如50度，三通阀6动作，向大循环支路进行切换。这个过程中检测到电堆入口温度降低到较低温度，如20度；或者检测到大循环支路出口的温度有接近冰点的趋势，比如低于10度，则三通阀6完全切换到小循环，同时，吹扫阀门17短时间吹扫，如5～10秒，将散热器以及相邻管路内的冷却水吹回到容器5，避免外部管路和散热器内的冷却水结冰。这样回到了小循环冷却的状态，重新开始了新一轮的上述控制过程。

上述控制方案是基于对电池温度的上下限的控制来进行的，因为燃料电池温度控制并非仅仅是温度越低越好，温度低于下限可能会导致电池反应活性降低，电池输出功率较低的问题。如上所述电堆出口温度控制在65-85度即可。则当外界环境温度较低的情况下，不能将大量循环水开放进入大循环，因为这样可能会导致电堆温度被降低至优选的下限以下。

本方案通过设置三通阀以及分别与三通阀连通的用于提供从电堆中流出的冷却水回流管路的两套循环管路，即大循环和小循环的方式实现了在考虑外部低温环境的恶劣情况下对电堆温度进行基于温度上下限的速度更快、效率更高的控制效果。具体地，本方案通过调整三通阀的至少连通大循环和小循环的流量首先向电堆系统提供了一个不与外界环境产生热交换关系的小循环，并且在控制冷却水在三通阀中的流向时，同时考虑到了外界低温环境的恶劣情况与当前电池的产热情况，在电池产热较低(判断方式可以是基于电池的低功率模式)且外部低温环境较为恶劣时(例如低于-30度)，可以直接控制三通阀将所有或者大部分冷凝水送入小循环，此种情况下，冷凝水不会被冻结，同时电堆在产热较低的情况下也能够接受一定的水冷降温，相较于一般的现有技术，在此情况下并不会中断对电堆的水冷散热，使得本系统对于电堆的温控保护是持续的、不间断的，有利于电堆的正常工作。另外，实现了对小循环和大循环的流量调节，基于对控温的需求，在不同的外界环境下，基于对混合后的水的温度进行监控来反馈调整三通阀的两个循环的流量使得进入大循环在外界被散失的热量加上进入小循环被累积的热量进行热量均衡之后的总的热量散失与电池产生的热量能够趋于一致，此种方案既防止了仅使用外部散热导致的热量被大量散失而可能造成的水被冷冻或者是回流了大量过冷的水再次进入电堆而造成的电堆温度被降低至低于最优温度范围下限的情况，也防止了由于散热不足而造成的电堆温度超出最优温度范围上限的情况；并且通过上述方案实现的产热与散热的平衡能够使得除了必要的能量交换之外的其余无用的能量交换被降至最低或较低，提升了整体控温系统的使用效率，优化控温速度以及效果，相较于常规手段能够实现对电堆温度更快、效果更好的控制管理。

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，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)

1.一种低温环境的水冷燃料电池系统，包括，

空间(1)，其内部温度至少保持高于水的冰点，其外部环境温度低于水的冰点，

电堆(2)，其提供电化学反应区域，

其特征在于，

大循环管路经过所述电堆(2)以通过水与所述电堆(2)热交换的方式对所述电堆(2)降温，所述大循环管路至少一段区域设置在所述空间(1)外部，向所述电堆(2)阴极提供空气的管路分出支路连通至所述大循环管路以在所述电堆(2)停机时至少将所述大循环管路设置在所述空间(1)外部内的水分吹扫进入所述空间(1)内。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述大循环管道包括容器(5)、泵(3)、散热器(4)，所述泵(3)分别连通所述容器(5)和所述电堆(2)以将所述容器(5)中的水送入所述电堆(2)，所述电堆(2)与所述散热器(4)连通以将热交换后的水送入所述散热器(4)降温，所述散热器(4)回连至所述容器(5)，其中，所述散热器(4)设置在所述空间(1)外部。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电堆(2)通过电堆(2)出水管道连通至三通阀(6)在连通至散热器进水管道(8)的方式连通至所述散热器(4)，所述三通阀(6)具有第一口和第二口，分别连通至所述电堆(2)出水管道和散热器进水管道(8)。

4.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述三通阀(6)还具有第三口，其连接至小循环管道(10)，所述小循环管道(10)连通至所述容器(5)。

5.根据权利要求1～4任一项所述的系统，其特征在于，所述空气压缩机(11)通过电堆进气管道(13)连通至所述电堆(2)，在所述电堆进气管道(13)上分离出的支路上设置有吹扫阀门(17)。

6.根据权利要求1～5任一项所述的系统，其特征在于，所述支路连通至所述散热器进水管道(8)，在所述电堆(2)正常工作时，所述三通阀(6)第一口与第二口被控连通，第三口被控关闭。

7.根据权利要求1～6任一项所述的系统，其特征在于，所述散热器(4)通过散热器进水管道(9)回连至所述容器(5)，在所述电堆(2)准备停机时，所述泵(3)被控关闭，所述吹扫阀门(17)被控打开以将所述散热器进水管道(8)、散热器(4)和散热器进水管道(9)中的水分吹入所述容器(5)。

8.根据权利要求1～7任一项所述的系统，其特征在于，在所述电堆(2)开机时，所述泵(3)被控打开，所述吹扫阀门(17)被控关闭，所述三通阀(6)的第一口和第三口被控连通，第二口被控关闭以使得所述容器(5)的水进入所述电堆(2)热交换后进入小循环管道(10)回流至所述容器(5)。

9.根据权利要求1～8任一项所述的系统，其特征在于，所述电堆(2)阴极通过阴极排气管道(14)连通至所述容器(5)以将阴极产生的气态水分与空气的混合气体通入所述容器(5)，所述容器(5)通过对外排气管道(16)连通至所述空间(1)外部。

10.根据权利要求1～9任一项所述的系统，其特征在于，所述容器(5)、所述电堆(2)的冷却水出口、所述散热器(4)的出水管道中分别设置有温度检测器，根据温度检测器的检测温度，所述三通阀(6)的开度被控调节，冷却水在大小循环中进行流量分配，同时，所述散热器(4)的风扇转速被控制，调节流经散热器的冷却水的温度，通过三通阀(6)和散热器(4)的风扇的控制，使得电堆的出入口温度在设定范围内，且散热器(4)及处于空间(1)外部的管路中的冷却水不结冰。

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