CN114824361A - 一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车 - Google Patents

一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车，其包括：燃料电池，燃料电池连接第一循环回路；第二循环回路，第二循环回路与第一循环回路通过第一热交换器连接，第二循环回路用于对第一循环回路散热且所述第二循环回路用于对所述第二循环回路内的介质升温；以及第三循环回路，其通过第二热交换器与所述第二循环回路连接，第三循环回路连接散热水箱，且所述散热水箱的邻侧设有风扇。本发明涉及的一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车，燃料电池迅速降温的同时，第二循环回路升温后将热量通过第三循环回路转换到散热水箱通过风冷散热，经过两轮转换后，散热水箱温度非常高，与环境温度的温差大，这样能够大大提升散热效率。

Description

一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车
技术领域
本发明涉及燃料电池散热技术领域，特别涉及一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此发电效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术，被广泛应用于汽车领域。
与传统动力源相比，燃料电池最佳工作温度区间较小，温度对其性能、寿命等有着十分显著的影响。当燃料电池电堆温度过低时，燃料电池存在明显的活化极化，燃料电池的质子交换膜的阻抗变大。当燃料电池电堆温度过高时，水的蒸发速度加快，会使反应气体带走过量的水而使质子交换膜脱水，使质子交换膜的性能变差引起燃料电池性能下降。
相关技术中，商用车燃料电池主要采用液冷方式进行散热，将高温液态水泵入散热器内，采用风冷方式进行散热。但是，夏季环境温度较高，高至35℃以上后，燃料电池出水温度约65℃，散热器与环境温度温差小(低于30℃)，该温度差下采用风冷进行散热，散热效率非常低。为保证燃料电池足够散热量，整车设计时需布置巨大的散热器箱体与大功率风扇，造成车辆布置困难且整车成本与重量大幅增加。
因此，有必要设计一种新的燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车，以解决上述问题。
发明内容
本发明实施例提供一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车，以解决相关技术中采用风冷进行散热，散热效率非常低，且为保证燃料电池足够散热量，整车设计时需布置巨大的散热器箱体与大功率风扇，造成车辆布置困难且整车成本与重量大幅增加的问题。
第一方面，提供了一种燃料电池散热系统，其包括：燃料电池，所述燃料电池连接第一循环回路；第二循环回路，所述第二循环回路与所述第一循环回路通过第一热交换器连接，所述第二循环回路用于对所述第一循环回路散热且所述第二循环回路用于对所述第二循环回路内的介质升温；以及第三循环回路，其通过第二热交换器与所述第二循环回路连接，所述第三循环回路连接散热水箱，且所述散热水箱的邻侧设有风扇。
一些实施例中，所述第二循环回路包括：第一管路，所述第一管路连接所述第一热交换器的第一出口与所述第二热交换器的第一进口，所述第一管路上设有电动压缩机；以及第二管路，所述第二管路连接所述第二热交换器的第一出口与所述第一热交换器的第一进口，所述第二管路上设有电子膨胀阀。设置的电动压缩机以及电子膨胀阀均为空调系统的结构，可以利用车辆已有的空调系统制冷剂吸热与放热的原理，将燃料电池的水温进行能量转移至第三循环回路，节省了单独布置第二循环回路的空间，同时，使用制冷剂直冷方式，大大提升了燃料电池的冷却速率。
一些实施例中，所述第一循环回路包括：第三管路，所述第三管路连接所述第一热交换器的第二进口与所述燃料电池，所述第三管路上设有第一水泵；以及第四管路，所述第四管路连接所述第一热交换器的第二出口与所述燃料电池。
一些实施例中，所述第三管路还连通有副水箱。副水箱可以起到存储气体的作用，当第一循环回路中有气体存在时，气体可以进入副水箱内，并将副水箱内的水排出，使气体存储在副水箱内，避免气体的第一循环回路中流动。
一些实施例中，所述第三循环回路包括第五管路和第六管路，所述第五管路连接所述第二热交换器的第二出口与所述散热水箱，且所述第五管路上设有第二三通阀，所述第六管路连接所述散热水箱与所述第二热交换器的第二进口；所述第三管路上设有第一三通阀，所述第一三通阀通过第七管路与所述第二三通阀连接。通过在第三管路上设置第一三通阀，可以控制第三管路中燃料电池的高温水是流向第一热交换器还是流向第七管路，通过在第五管路上设置第二三通阀，可以控制第五管路内的水是否流向散热水箱，且第二三通阀与第七管路连接，当第三管路中的水进入第七管路时，第二三通阀还可以控制第七管路中的水是否流向散热水箱，通过控制第一三通阀和第二三通阀可以实现燃料电池中的高温水至少两种流动路径。
一些实施例中，所述第六管路上设有第三三通阀，所述第四管路上设有第四三通阀，所述第四三通阀通过第八管路与所述第三三通阀连接。
一些实施例中，所述第三管路上设有温度传感器，所述温度传感器位于所述第一水泵与所述燃料电池之间。
第二方面，提供了一种上述的燃料电池散热系统的控制方法，其包括以下步骤：判断燃料电池的出水温度与环境温度之差是否小于预设温度值；若是，则控制第一循环回路与第一热交换器接通，控制第三循环回路与散热水箱接通；否则控制第一循环回路与所述散热水箱接通。
一些实施例中，所述第一循环回路上设有第一三通阀和第四三通阀，所述第三循环回路上设有第二三通阀和第三三通阀，所述控制第一循环回路与所述散热水箱接通，包括：控制所述第一三通阀与所述第二三通阀接通，并控制所述第三三通阀与所述第四三通阀接通。
第三方面，提供了一种燃料电池汽车，其包括上述的燃料电池散热系统。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车，由于增加了第二循环回路，第二循环回路可以对第一循环回路也即对燃料电池进行散热，使燃料电池迅速降温，同时，第二循环回路升温后将热量通过第三循环回路转换到散热水箱通过风冷散热，经过两轮转换后，散热水箱温度非常高，高于燃料电池的水温，与环境温度的温差大，这样能够大大提升散热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池散热系统的散热路径1的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池散热系统的散热路径2的结构示意图。
图中：
1、燃料电池；
2、第一循环回路；21、第三管路；22、第四管路；23、第一水泵；24、副水箱；25、第一三通阀；26、第四三通阀；27、温度传感器；
3、第二循环回路；31、第一管路；32、第二管路；33、电动压缩机；34、电子膨胀阀；
4、第三循环回路；41、第五管路；42、第六管路；43、第二三通阀；44、第三三通阀；45、第二水泵；
51、第一热交换器；52、第二热交换器；61、散热水箱；62、风扇；7、第七管路；8、第八管路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种燃料电池散热系统、控制方法及燃料电池汽车，其能解决相关技术中采用风冷进行散热，散热效率非常低，且为保证燃料电池足够散热量，整车设计时需布置巨大的散热器箱体与大功率风扇，造成车辆布置困难且整车成本与重量大幅增加的问题。
本发明实施例提供了一种燃料电池散热系统，其可以包括：燃料电池1，所述燃料电池1连接第一循环回路2，使得燃料电池1中的高温水可以进入第一循环回路2，并在第一循环回路2中循环流动；第二循环回路3，所述第二循环回路3与所述第一循环回路2通过第一热交换器51连接，所述第二循环回路3用于对所述第一循环回路2散热且所述第二循环回路3用于对所述第二循环回路3内的介质升温，也即，当把所述第一循环回路2与所述第一热交换器51接通后，所述燃料电池1中的高温水在所述第一循环回路2中循环流动的过程中可以经过所述第一热交换器51，并且在所述第一热交换器51中与所述第二循环回路3中的介质实现换热，使得所述第一循环回路2中的水经过所述第一热交换器51后降温，所述第二循环回路3中的介质经过所述第一热交换器51后升温，同时，所述第二循环回路3还具有对其内部的介质进一步升温的功能，使得所述第二循环回路3在经过所述第一热交换器51后二次升温，温度可高于所述第一循环回路2中在进行换热之前的水温；以及第三循环回路4，其通过所述第二热交换器52与所述第二循环回路3连接，所述第三循环回路4连接散热水箱61，且所述散热水箱61的邻侧设有风扇62；也即所述第二循环回路3中的介质在二次升温后可以在所述第二热交换器52中与所述第三循环回路4中的水发生热交换，然后进入所述散热水箱61中进行风冷散热。
本实施例中，由于增加了所述第二循环回路3，所述第二循环回路3可以对所述第一循环回路2也即对所述燃料电池1进行散热，使所述燃料电池1的高温水经过所述第一热交换器51后迅速降温，同时，所述第二循环回路3中的介质在经过所述第一热交换器51换热后继续升温，并在升温后将热量通过所述第三循环回路4转换到散热水箱61通过风冷散热，经过两轮转换后，所述散热水箱61温度非常高，高于所述燃料电池1的水温，与环境温度的温差大，这样能够大大提升散热效率。本实施例中，所述燃料电池1中的高温水的温度为65℃左右，经过两轮换热后散热水箱61的温度可提升到85℃以上，在该温度下对所述散热水箱61进行散热，温差达到40℃(若环境温度为35℃)，由于温差增加一倍，相应冷却效率提升100％，冷却相同电量的所述燃料电池1，所述散热水箱61的体积与所述风扇62功率可以减小到原来的50％。
在一些实施例中，参见图1所示，所述第二循环回路3可以包括：第一管路31，所述第一管路31连接所述第一热交换器51的第一出口与所述第二热交换器52的第一进口，所述第一管路31上设有电动压缩机33，所述电动压缩机33可以对所述第一管路31内的介质进行压缩，使第一管路31内的介质升温，其中第一管路31内的介质可以为气态，第二循环回路3内的介质经过电动压缩机33升温后可以进入所述第二热交换器52；以及第二管路32，所述第二管路32连接所述第二热交换器52的第一出口与所述第一热交换器51的第一进口，所述第二管路32上设有电子膨胀阀34。第二循环回路3内的介质在第二热交换器52内与第三循环回路4内的水进行热交换后进入第二管路32，并讲过电子膨胀阀34后进入第一热交换器51变成液态的制冷剂(本实施例中温度约为10℃左右)，制冷剂在所述第一热交换器51中可以对所述燃料电池1的水极快的进行散热。本实施例中，设置的所述电动压缩机33以及所述电子膨胀阀34均为空调系统的结构，可以利用车辆已有的空调系统制冷剂吸热与放热的原理，将所述燃料电池1的水温进行能量转移至所述第三循环回路4，节省了单独布置所述第二循环回路3的空间，同时，使用制冷剂直冷方式，大大提升了所述燃料电池1的冷却速率。
在一些实施例中，参见图1所示，所述第一循环回路2可以包括：第三管路21，所述第三管路21连接所述第一热交换器51的第二进口与所述燃料电池1，所述第三管路21上设有第一水泵23，燃料电池1中的高温水可以进入所述第三管路21，并通过所述第一水泵23泵入所述第一热交换器51；以及第四管路22，所述第四管路22连接所述第一热交换器51的第二出口与所述燃料电池1，使得燃料电池1中的高温水经过所述第一热交换器51的换热后，通过所述第四管路22回到所述燃料电池1，对所述燃料电池1进行散热。
优选的，所述第三管路21上还连通有副水箱24，其中，所述副水箱24内可以存储有水，且所述副水箱24可以起到存储气体的作用，当所述第一循环回路2中有气体存在时，气体可以进入所述副水箱24内，并将所述副水箱24内的水排出，使气体存储在所述副水箱24内，避免气体的所述第一循环回路2中流动。
在一些实施例中，所述第三循环回路4可以包括第五管路41和第六管路42，所述第五管路41连接所述第二热交换器52的第二出口与所述散热水箱61，使得所述第五管路41中的水可以进入所述散热水箱61，且所述第五管路41上设有第二三通阀43，所述第六管路42连接所述散热水箱61与所述第二热交换器52的第二进口，使得所述散热水箱61中经过风冷的水可以通过所述第六管路42进入第二热交换器52进行热交换；所述第三管路21上可以设有第一三通阀25，所述第一三通阀25通过第七管路7与所述第二三通阀43连接。通过在第三管路21上设置第一三通阀25，可以控制所述第三管路21中所述燃料电池1的高温水是流向所述第一热交换器51还是流向所述第七管路7，通过在所述第五管路41上设置所述第二三通阀43，可以控制所述第五管路41内的水是否流向所述散热水箱61，且所述第二三通阀43与所述第七管路7连接，当所述第三管路21中的水进入所述第七管路7时，所述第二三通阀43还可以控制所述第七管路7中的水是否流向所述散热水箱61，通过控制第一三通阀25和第二三通阀43可以实现燃料电池1中的高温水至少两种流动路径，其中，路径1为沿着第三管路21流向第一热交换器51然后进入第四管路22再回到燃料电池1，路径2为沿着第三管路21流向第七管路7然后经过第二三通阀43流向散热水箱61直接进行风冷后再回到燃料电池1。当燃料电池1的水温与环境温度之差大于或等于40℃时，可以采用路径2进行正常风冷散热，该模式适用于散热需求不大的工况，由于电动压缩机33不工作，减少了电动压缩机33工作带来的功率损耗；当燃料电池1的水温与环境温度之差小于40℃时，可以采用路径1开启空调压缩机进行散热。其中，第五管路41上可以设有第二水泵45。
进一步，参见图1所示，所述第六管路42上可以设有第三三通阀44，所述第四管路22上可以设有第四三通阀26，所述第四三通阀26通过第八管路8与所述第三三通阀44连接。通过在第六管路42上设置第三三通阀44，可以控制散热水箱61中的水是流向第二热交换器52还是流向第八管路8，通过在第四管路22上设置第四三通阀26，可以控制是第一热交换器51还是第八管路8中的水流入燃料电池1，本实施例中，通过设置第三三通阀44和第四三通阀26，通过四个三通阀联动控制实现水路变化。
在上述技术方案的基础上，所述第三管路21上可以设有温度传感器27，所述温度传感器27位于所述第一水泵23与所述燃料电池1之间。通过设置温度传感器27可以实时采集燃料电池1出水口处的温度，进而与环境温度进行比较判断，获得最佳的散热路径。
本发明实施例还提供了一种上述的燃料电池散热系统的控制方法，其可以包括以下步骤：
步骤1：判断燃料电池1的出水温度与环境温度之差是否小于预设温度值。本实施例中，预设温度值设为40℃，当然在其他实施例中，也可以根据实际情况来设置该预设温度值的数值，比如也可以设为35℃或者45℃。
步骤2：若是，则控制第一循环回路2与第一热交换器51接通，控制第三循环回路4与散热水箱61接通；否则控制第一循环回路2与所述散热水箱61接通。其中，燃料电池1的出水温度与环境温度之差小于预设温度值时，此时温差较小，控制第一循环回路2与第一热交换器51接通，并且控制第三循环回路4与散热水箱61接通，可以实现第一循环回路2中的高温水与第二循环回路3进行换热，第二循环回路3中的介质再与第三循环回路4中的水进行换热，经过两轮换热后再进行风冷散热，可以极大的提升散热效率；当燃料电池1的出水温度大于或者等于预设温度值时，此时温差较大，可以直接使第一循环回路2与散热水箱61接通实现风冷散热。
进一步，所述第一循环回路2上可以设有第一三通阀25和第四三通阀26，所述第三循环回路4上可以设有第二三通阀43和第三三通阀44，所述控制第一循环回路2与所述散热水箱61接通，可以包括：控制所述第一三通阀25与所述第二三通阀43接通，并控制所述第三三通阀44与所述第四三通阀26接通。本实施例中，第一三通阀25与第二三通阀43通过第七管路7连接，使得控制第一三通阀25，可以使第三管路21中的水进入第七管路7进而通过第二三通阀43进入散热水箱61，第三三通阀44与第四三通阀26通过第八管路8连接，使得控制第三三通阀44，可以使散热水箱61中的水进入第八管路8进而通过第四三通阀26进入第一循环回路2回到燃料电池1中。
本发明实施例还提供了一种燃料电池汽车，其可以包括上述的燃料电池散热系统。由于在燃料电池汽车上安装了本实施例提供的燃料电池散热系统，汽车上的燃料电池1能够利用汽车本身的空调系统对燃料电池1进行散热，并将换热后的水温升高至高于燃料电池1出水口处的水温，在该温度下再进行风冷散热，能够大大提升散热效率，同步减少散热水箱61与风扇62一半的体积与功率。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。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。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池散热系统，其特征在于，其包括：
燃料电池(1)，所述燃料电池(1)连接第一循环回路(2)；
第二循环回路(3)，所述第二循环回路(3)与所述第一循环回路(2)通过第一热交换器(51)连接，所述第二循环回路(3)用于对所述第一循环回路(2)散热且所述第二循环回路(3)用于对所述第二循环回路(3)内的介质升温；
以及第三循环回路(4)，其通过第二热交换器(52)与所述第二循环回路(3)连接，所述第三循环回路(4)连接散热水箱(61)，且所述散热水箱(61)的邻侧设有风扇(62)。
2.如权利要求1所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述第二循环回路(3)包括：
第一管路(31)，所述第一管路(31)连接所述第一热交换器(51)的第一出口与所述第二热交换器(52)的第一进口，所述第一管路(31)上设有电动压缩机(33)；
以及第二管路(32)，所述第二管路(32)连接所述第二热交换器(52)的第一出口与所述第一热交换器(51)的第一进口，所述第二管路(32)上设有电子膨胀阀(34)。
3.如权利要求1所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述第一循环回路(2)包括：
第三管路(21)，所述第三管路(21)连接所述第一热交换器(51)的第二进口与所述燃料电池(1)，所述第三管路(21)上设有第一水泵(23)；
以及第四管路(22)，所述第四管路(22)连接所述第一热交换器(51)的第二出口与所述燃料电池(1)。
4.如权利要求3所述的燃料电池散热系统，其特征在于：所述第三管路(21)还连通有副水箱(24)。
5.如权利要求3所述的燃料电池散热系统，其特征在于：
所述第三循环回路(4)包括第五管路(41)和第六管路(42)，所述第五管路(41)连接所述第二热交换器(52)的第二出口与所述散热水箱(61)，且所述第五管路(41)上设有第二三通阀(43)，所述第六管路(42)连接所述散热水箱(61)与所述第二热交换器(52)的第二进口；
所述第三管路(21)上设有第一三通阀(25)，所述第一三通阀(25)通过第七管路(7)与所述第二三通阀(43)连接。
6.如权利要求5所述的燃料电池散热系统，其特征在于：
所述第六管路(42)上设有第三三通阀(44)，所述第四管路(22)上设有第四三通阀(26)，所述第四三通阀(26)通过第八管路(8)与所述第三三通阀(44)连接。
7.如权利要求5或6所述的燃料电池散热系统，其特征在于：
所述第三管路(21)上设有温度传感器(27)，所述温度传感器(27)位于所述第一水泵(23)与所述燃料电池(1)之间。
8.一种如权利要求1所述的燃料电池散热系统的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
判断燃料电池(1)的出水温度与环境温度之差是否小于预设温度值；
若是，则控制第一循环回路(2)与第一热交换器(51)接通，控制第三循环回路(4)与散热水箱(61)接通；否则控制第一循环回路(2)与所述散热水箱(61)接通。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一循环回路(2)上设有第一三通阀(25)和第四三通阀(26)，所述第三循环回路(4)上设有第二三通阀(43)和第三三通阀(44)，所述控制第一循环回路(2)与所述散热水箱(61)接通，包括：
控制所述第一三通阀(25)与所述第二三通阀(43)接通，并控制所述第三三通阀(44)与所述第四三通阀(26)接通。
10.一种燃料电池汽车，其特征在于，其包括如权利要求1所述的燃料电池散热系统。
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