CN114725427A - 燃料电池温控装置、燃料电池系统以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池温控装置、燃料电池系统以及车辆，所述燃料电池温控装置包括去离子器、泵、散热器以及溢水罐；所述泵的泵出口与燃料电池堆的入口通过第一管路连通；所述散热器的散热器入口与燃料电池堆的出口与通过第二管路连通；所述散热器的散热器出口与所述泵的泵入口通过第三管路连通；所述第一管路与所述去离子器的去离子器入口通过第四管路连通；所述去离子器的去离子器出口与所述溢水罐的溢水罐入口通过第五管路连通；所述溢水罐的溢水罐出口与所述第三管路通过第六管路连通。本发明的燃料电池温控装置能够有效地降低冷却介质的电导率值，并能够实现快速冷启动。

Description

燃料电池温控装置、燃料电池系统以及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体地涉及一种燃料电池温控装置、燃料电池系统以及车辆。
背景技术
燃料电池温控装置是用来调节和控制燃料电池堆的运行温度的，其目的是保证燃料电池堆在全功率范围内以合适的工作温度运行，从而确保燃料电池系统具有良好的输出特性。
在现有技术中，通常将去离子器布置在溢水罐内或布置在散热器回路内，这回导致去离子器效率低下，电导率降低速度慢的问题。另外，当燃料电池系统冷启动时，通常需要独立的加热器对大量的冷却介质进行加热，使得燃料电池堆升温至能够启动的温度，这就需要配置大功率的加热器，从而导致冷启动时间过长的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种燃料电池温控装置，该燃料电池温控装置能够有效地降低冷却介质的电导率值，并能够实现快速冷启动。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池温控装置，所述燃料电池温控装置包括去离子器、泵、散热器以及溢水罐；所述泵的泵出口与燃料电池堆的入口通过第一管路连通；所述散热器的散热器入口与燃料电池堆的出口与通过第二管路连通；所述散热器的散热器出口与所述泵的泵入口通过第三管路连通；所述第一管路与所述去离子器的去离子器入口通过第四管路连通；所述去离子器的去离子器出口与所述溢水罐的溢水罐入口通过第五管路连通；所述溢水罐的溢水罐出口与所述第三管路通过第六管路连通。
可选的，所述燃料电池温控装置包括泄压电阻，所述泄压电阻的泄压电阻入口与所述第一管路通过第七管路连通，所述泄压电阻的泄压电阻出口与所述第三管路通过第八管路连通。
可选的，所述燃料电池温控装置包括第一阀门，所述第四管路与所述第一管路连接于第一连通处，所述第一阀门设置在所述第一管路上并位于燃料电池堆的入口与所述第一连通处之间；所述第七管路通过所述第一阀门与所述第一管路连通。
可选的，所述燃料电池温控装置包括用于监测电导率值的监测单元，所述泵、所述第一管路、所述第七管路、所述泄压电阻、所述第八管路以及所述第三管路构成第一循环回路a，所述监测单元设置在所述第一循环回路a上。
可选的，所述监测单元设置在所述第七管路上。
可选的，所述第二管路与所述第三管路通过第九管路连通。
可选的，所述燃料电池温控装置包括第二阀门，所述第二阀门设置在所述第二管路上，所述第九管路通过所述第二阀门与所述第二管路连通。
可选的，所述燃料电池温控装置包括流体换热器，所述流体换热器设置在所述第四管路上，所述流体换热器配置为能够向燃料电池堆提供反应流体并使所述反应流体在流经所述流体换热器时与所述第四管路发生热交换。
通过上述技术方案，由于所述散热器的散热器入口与燃料电池堆的出口与通过第二管路连通，所述散热器的散热器出口与所述泵的泵入口通过第三管路连通，而所述第一管路与所述去离子器的去离子器入口通过第四管路连通，所述去离子器的去离子器出口与所述溢水罐的溢水罐入口通过第五管路连通，这使得所述去离子器布置在主散热回路之外，从而避免了去离子器所带来的较大压降。另一方面，由于所述去离子器设置在所述溢水罐外部管路上，这使得在所述泵运行的过程中，都强制有部分冷却介质流过所述去离子器，从而提高了流经所述去离子器的冷却介质的流量，使得电导率降低速度提升。
本发明还提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆以及上述的燃料电池温控装置。
本发明还提供一种车辆，所述车辆包括上述的燃料电池系统。
所述燃料电池系统、所述车辆与上述燃料电池温控装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明的燃料电池系统的一种实施方式的示意图。
附图标记说明
110-去离子器，120-泵，130-散热器，140-溢水罐，150-泄压电阻，160-流体换热器，201-第一管路，202-第二管路，203-第三管路，204-第四管路，205-第五管路，206-第六管路，207-第七管路，208-第八管路，209-第九管路，210-第十管路，310-第一阀门，320-第二阀门，400-燃料电池堆，a-第一循环回路，b-第二循环回路，c-第三循环回路，d-第四循环回路
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的燃料电池系统包括燃料电池堆400以及燃料电池温控装置，上述的燃料电池温控装置包括去离子器110、泵120、散热器130以及溢水罐140；泵120的泵出口与燃料电池堆400的入口通过第一管路201连通；散热器130的散热器入口与燃料电池堆400的出口与通过第二管路202连通；散热器130的散热器出口与泵120的泵入口通过第三管路203连通；第一管路201与去离子器110的去离子器入口通过第四管路204连通；去离子器110的去离子器出口与溢水罐140的溢水罐入口通过第五管路205连通；溢水罐140的溢水罐出口与第三管路203通过第六管路206连通。
在本发明中，由于散热器130的散热器入口与燃料电池堆400的出口与通过第二管路202连通，散热器130的散热器出口与泵120的泵入口通过第三管路203连通，而第一管路201与去离子器110的去离子器入口通过第四管路204连通，去离子器110的去离子器出口与溢水罐140的溢水罐入口通过第五管路205连通，这使得去离子器110布置在主散热回路之外，从而避免了去离子器110所带来的较大压降。另一方面，由于去离子器110设置在溢水罐140的外部管路上，这使得在泵120运行的过程中，都强制有部分冷却介质流过去离子器120，从而提高了流经去离子器110的冷却介质的流量，使得电导率降低速度提升。
在上述实施方式中，泵120用于驱动冷却介质流动；去离子器110用于降低冷却介质的电导率，使冷却介质的电导率保持在某特定值以下；散热器130和风扇配合用于将燃料电池系统内部的热量散发到外部；溢水罐140用于保证本发明的燃料电池温控装置有合适的冷却介质液量，同时还能够接纳燃料电池温控装置产生的气泡。
为了使燃料电池堆400在低温时实现快速冷启动，在本发明的一种实施方式中，燃料电池温控装置包括泄压电阻150，泄压电阻150的泄压电阻入口与第一管路201通过第七管路207连通，泄压电阻150的泄压电阻出口与第三管路203通过第八管路208连通。该实施方式有别于现有技术中将加热器布置在空调回路内的技术方案，本发明的燃料电池温控装置能够利用泄压电阻150的加热功能将冷却介质迅速加热，并使加热后的冷却介质直接进入燃料电池堆400，从而实现燃料电池堆400的低温快速冷启动。
应当理解的是，第七管路207可以直接连通于第一管路201，此时，可以通过开启或关闭泄压电阻150来控制冷却介质是否流入第七管路207。为了更加方便地控制冷却介质的流动，在本发明的一种实施方式中，燃料电池温控装置包括第一阀门310，第四管路204与第一管路201连接于第一连通处，第一阀门310设置在第一管路201上并位于燃料电池堆400的入口与第一连通处之间；第七管路207通过第一阀门310与第一管路201连通。在该实施方式中，第一阀门310为三通阀门，第七管路207通过第一阀门310与第一管路201连接，当不需要冷却介质流入第七管路207时，只需要控制第一阀门310关闭其与第七管路207的阀门接口即可，从而无需频繁地开启或关闭泄压电阻150，保证了泄压电阻150的使用寿命。
进一步的，燃料电池温控装置包括用于监测电导率值的监测单元，泵120、第一管路201、第七管路207、泄压电阻150、第八管路208以及第三管路203构成第一循环回路a，监测单元设置在第一循环回路a上。本发明的燃料电池温控装置可以在燃料电池堆400启动前，利用监测单元监测第一循环回路a内的电导率值，从而能够在燃料电池堆400启动前，有效地降低冷却介质的电导率值，使得进入燃料电池堆400的冷却介质具有较低的电导率值。
为了更加有效地监测第一循环回路a内的电导率值，在本发明的一种实施方式中，监测单元设置在第七管路207上，也就是说，监测单元设置在泄压电阻150的上游，从而更好地监测第一循环回路a内的电导率值。
另外，在上述实施方式中，泵120、第四管路204、第五管路205、去离子器110、溢水罐140、第六管路206以及第三管路203构成第二循环回路b。由于第一阀门310设置在第一管路201上并位于燃料电池堆400的入口与第一连通处之间，因此，泄压电阻150能够对第一循环回路a以及第二循环回路b进行加热，从而避免因为只有第一循环回路a的冷却介质被加热，导致进入燃料电池堆400的加热的冷却介质过少，不能达到预期温度的问题。
本发明的燃料电池温控装置通过第一阀门310控制加热的冷却介质直接进入燃料电池堆400，从而有效地减少流道热量散失，降低燃料电池堆400的进出口温差，提高燃料电池堆400的单电池电压均一性。
在一些情况下，例如燃料电池堆400进行冷启动时，当冷却介质流入燃料电池堆400，此时，第一循环回路a仍然可以对冷却介质进行加热，从而使冷启动的时间缩短。但是，如果泵120、第一管路201、燃料电池堆400、第二管路202、散热器130以及第三管路203组成的第四循环回路d一直处于工作状态，那么将会降低冷却介质的升温效率，使得冷启动的时间延长。为了解决这一问题，在本发明的一种实施方式中，第二管路202与第三管路203通过第九管路209连通，也就是说，泵120、第一管路201、燃料电池堆400、第二管路202、第九管路209以及第三管路203组成了第三循环回路c，当燃料电池堆400冷启动时，关闭散热器130，使得冷却介质在第一循环回路a、第二循环回路b以及第三循环回路c中循环流动，而不会流入第四循环回路d，从而大大提高了冷却介质的加热效率。
为了更加方便地控制冷却介质的流动，在本发明的一种实施方式中，燃料电池温控装置包括第二阀门320，第二阀门320设置在第二管路202上，第九管路209通过第二阀门320与第二管路202连通。在该实施方式中，第二阀门320为三通阀门，第九管路209通过第二阀门320与第二管路202连接，当不需要冷却介质流入散热器130时，只需要控制第二阀门320关闭其与第九管路209的阀门接口即可，从而无需频繁地开启或关闭散热器130，保证了散热器130的使用寿命。
现有技术中，燃料电池系统低温运行状态下，循环回路氢气与气瓶通入的氢气温差大，汇合后产生液态水，容易导致燃料电池堆单体电池电压不稳。为了解决这一问题，在本发明的一种实施方式中，燃料电池温控装置包括流体换热器160(流体换热器160在本实施方式中具体采用氢气换热器，应当理解的是，流体换热器160也可以采用其他气体或液体的换热器)，流体换热器160设置在第四管路204上，流体换热器160配置为能够向燃料电池堆400提供反应流体并使反应流体在流经流体换热器160时与第四管路204发生热交换。也就是说，通过将氢气换热器布置在第二循环回路b，低温启动时可以先对第一循环回路a和第二循环回路b的冷却介质进行加热，在系统冷启动过程中，对进入燃料电池堆400的氢气进行加热，可以在系统低温启动以及运行的过程中，解决氢气进口处由于冷热氢气汇流导致液态水生成，单电池水淹的问题，并且，将流体换热器160和去离子器110布置在此第二循环回路b可以避免由于流动阻力过大导致散热器回路流量低的问题。将氢气换热器布置在第二循环回路b，可以保证在低温冷启动时的进入电堆氢气的温度，避免燃料电池堆水淹，提高冷启动速率。
进一步的，散热器130的散热器出口与第五管路205通过第十管路210连通，从而使得流过散热器130的冷却介质的一部分能够流至溢水罐140中，经过溢水罐140的排气再进入循环回路。
如图1所示，箭头表示冷却介质的流动方向。
在冷却介质的加热过程中，控制第一阀门310，使得第三循环回路c和第四循环回路d关闭，同时第一循环回路a和第二循环回路b开启，冷却介质持续流经去离子器110和泄压电阻150，实现冷却介质的加热和去离子功能。
在燃料电池系统的冷启动过程中，当冷却介质的温度达到能够实现冷启动的温度时，控制第一阀门310和第二阀门320的操作，使得第一循环回路a逐渐关闭而同时第三循环回路c逐渐开启，直至第一循环回路a完全关闭，第三循环回路c完全开启，加热的冷却介质持续地在第二循环回路b和第三循环回路c中流动，从而实现冷启动。
在燃料电池系统的散热过程中，控制第一阀门310和第二阀门320的操作，使得第一循环回路a和第三循环回路c完全关闭，第二循环回路b和第四循环回路d均开启，冷却介质持续流经散热器130和去离子器110，从而实现散热功能。
本发明还提供了一种车辆，该车辆包括上述的燃料电池系统。
本发明的车辆与上述的燃料电池系统、上述燃料电池温控装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池温控装置，其特征在于，所述燃料电池温控装置包括去离子器(110)、泵(120)、散热器(130)以及溢水罐(140)；
所述泵(120)的泵出口与燃料电池堆(400)的入口通过第一管路(201)连通；
所述散热器(130)的散热器入口与燃料电池堆(400)的出口与通过第二管路(202)连通；
所述散热器(130)的散热器出口与所述泵(120)的泵入口通过第三管路(203)连通；
所述第一管路(201)与所述去离子器(110)的去离子器入口通过第四管路(204)连通；
所述去离子器(110)的去离子器出口与所述溢水罐(140)的溢水罐入口通过第五管路(205)连通；
所述溢水罐(140)的溢水罐出口与所述第三管路(203)通过第六管路(206)连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述燃料电池温控装置包括泄压电阻(150)，所述泄压电阻(150)的泄压电阻入口与所述第一管路(201)通过第七管路(207)连通，所述泄压电阻(150)的泄压电阻出口与所述第三管路(203)通过第八管路(208)连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述燃料电池温控装置包括第一阀门(310)，所述第四管路(204)与所述第一管路(201)连接于第一连通处，所述第一阀门(310)设置在所述第一管路(201)上并位于燃料电池堆(400)的入口与所述第一连通处之间；所述第七管路(207)通过所述第一阀门(310)与所述第一管路(201)连通。
4.根据权利要求2所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述燃料电池温控装置包括用于监测电导率值的监测单元，所述泵(120)、所述第一管路(201)、所述第七管路(207)、所述泄压电阻(150)、所述第八管路(208)以及所述第三管路(203)构成第一循环回路a，所述监测单元设置在所述第一循环回路a上。
5.根据权利要求4所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述监测单元设置在所述第七管路(207)上。
6.根据权利要求2所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述第二管路(202)与所述第三管路(203)通过第九管路(209)连通。
7.根据权利要求6所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述燃料电池温控装置包括第二阀门(320)，所述第二阀门(320)设置在所述第二管路(202)上，所述第九管路(209)通过所述第二阀门(320)与所述第二管路(202)连通。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的燃料电池温控装置，其特征在于，所述燃料电池温控装置包括流体换热器(160)，所述流体换热器(160)设置在所述第四管路(204)上，所述流体换热器(160)配置为能够向燃料电池堆(400)提供反应流体并使所述反应流体在流经所述流体换热器(160)时与所述第四管路(204)发生热交换。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括燃料电池堆(400)以及权利要求1-8中任意一项所述的燃料电池温控装置。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求9所述的燃料电池系统。
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