CN115882004A - 一种氢燃料电池与热泵联用系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢燃料电池与热泵联用系统，该系统包含与氢燃料电池堆连接的散热系统，该散热系统包含连接冷却液出口和冷却液进口的散热主环路，该散热主环路上设置有节温器；连接冷却液进口和所述节温器的第一支路，该第一支路上设置有第一换热器；热泵系统，可通断的与所述第一换热器连接。热泵系统可以将高温热交换介质通过第一换热器对冷却液进行加热；以及将低温热交换介质通过第一换热器对冷却液进行冷却；本发明热泵联用系统具有更高效的冷却效果；以及利用氢燃料电池产生的热作为热泵系统的热源，减小了制热功耗。

Description

一种氢燃料电池与热泵联用系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及氢燃料电池热管理领域，具体涉及一种氢燃料电池与热泵联用系统使用方法。

背景技术

如图1所示，传统的氢燃料电池发动机散热系统采用散热组件3进行散热，其散热效率不高，在外界温度较高的情况下，散热效果不理想。而且，传氢燃料电池在外界温度较低的情况下，需要采用电子电加热器(PTC)6对冷却液进行加热，才能实现冷启动。

因此，传统的散热系统采用散热组件的冷却方式能耗大、效率低，且需要考虑一定的裕量。同时氢燃料电池堆1产生的热仅仅是散掉，没有进行废热利用，导致总效率低。传统的PTC加热结构简单，能耗大，严重影响氢燃料电池车在冬天的续航。

为解决上述问题，急需提出一种散热更高效且能耗低的氢燃料电池车的热循环系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种可将氢燃料电池堆产生的热利用起来作为热泵系统热源的氢燃料电池与热泵联用系统，该联用系统，其特征在于，包含：

与氢燃料电池堆连接的散热系统，该散热系统包含连接冷却液出口和冷却液进口的散热主环路，该散热主环路上设置有节温器；连接冷却液进口和节温器的第一支路，该第一支路上设置有第一换热器；

热泵系统，可通断的与所述第一换热器连接。

优选地，所述散热系统的散热主环路上且位于节温器与冷却液进口之间还依次设置有散热组件、水泵。

优选地，所述散热系统还包含连接节温器与水泵的第二支路，该第二之路上设置有电加热器。

优选地，所述第一换热器与冷却液进口之间还设置有中冷器。

优选地，所述热泵系统包含：

压缩机，其两个端口分别与四通阀的第一阀口、第二阀口连接，通过四通阀输出换热介质；

第二换热器，与所述四通阀的第三阀口连接；

第三换热器，与所述四通阀第四阀口连接；

所述第二换热器与第三换热器通过膨胀阀连接；

所述膨胀阀与第三换热器之间设置有第三支路，该第三支路与第一换热器连接后与四通阀的第四阀口连接。

优选地，所述第三支路上位于第一换热器与四通阀之间设置有电磁阀。

优选地，在所述第二换热器和第三换热器的对应位置处分别设置有第二风扇、第三风扇。

进一步地，所述第二风扇向车外吹气，所述第三风扇向车内吹气。

进一步地，所述散热系统还包含连接散热组件与水泵的第四支路，第四支路上设置有膨胀水箱。

本发明还提供了一种氢燃料电池与热泵联用系统使用方法，采用上述联用系统实现，包含：

在氢燃料电池冷启动情况下，将热泵系统的高温换热介质输送至第一热交换器，对散热系统中流经第一热交换器的冷却液进行加热；

在氢燃料电池处于工作状态且需要散热时，将热泵系统的低温换热介质输送至第一热交换器，对散热系统中流经第一热交换器的冷却液进行冷却；

在氢燃料电池处于工作状态且不需要散热时，通过电磁阀控制切断热泵系统与散热系统中冷却液的连接。

本发明具有以下有益效果：

1.热泵系统具有更高效的冷却效果；

2.氢燃料电池产生的热可以作为热泵的第二热源，改善了热泵系统在外界环境温度较低的情况下的运行状况，同时减少了该种情况下的制热功耗；

3.热泵可以通过四通阀进行制冷供热的切换，既可以为整车提供冷量，也可以为整车提供热量。

附图说明

图1为传统氢燃料电池堆的散热系统；

图2为本发明氢燃料电池堆的与热泵联用系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种氢燃料电池与热泵联用系统及其使用方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，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。

如图1所示，传统的散热系统主要通过散热组件3’对电池堆1’的冷却液进行散热，在需要冷启动电池堆1’时，通过电加热器6’加热该支路的冷却液进行冷启动加热，满足启动温度后关闭该电加热器6’。

与传统方式不同的是，本发明还加入了热泵系统30，该热泵系统30安装在车体上，与作为车动力源的氢燃料电池堆1耦合使用。如图2所示，为本发明提出的一种氢燃料电池与热泵联用系统，该系统包含：与氢燃料电池堆1连接的散热系统40，用于对氢燃料电池堆1的冷却液进行散热；以及与所述散热系统40连接的热泵系统30，用于对氢燃料电池堆1的冷却液进行热交换。

所述散热系统40的散热主环路上包含节温器2、散热组件3、水泵4，氢燃料电池堆1的冷却液出口依次连接节温器2、散热组件3、水泵4至电池堆1冷却液进口，形成冷却液的散热主环路。其中，散热组件3主要由第一风扇和散热器组成，水泵4为电子水泵，水泵4的出口与氢燃料电池堆1的冷却液进口连接。所述冷却液进口处还设置有第一支路，该第一支路上依次设置有中冷器7、第一换热器8，该第一换热器8的出口与节温器2连接，形成冷却液的第一支路。其中，中冷器7的作用是用于对空压机(图中未示出)压缩后的高压气体进行冷却，冷却后的气体进入电堆进行反应产生电能。经过空压机压缩后的空气温度有200多摄氏度，电堆无法承受这么高的温度。因此，要通过中冷器7对空气进行冷却。

所述热泵系统30可通断的与所述第一换热器8连接，进行热交换。

作为优选例，上述散热系统40还包含电加热器6，其设置在与节温器2连接的第二支路上，该电加热器6的出口与水泵4进口连接，形成冷却液的第二支路；该电加热器6可用于氢燃料电池堆1冷启动时对该第二支路中的冷却液进行加热，以保证电池堆1正常启动。

作为优选例，当氢燃料电池堆1处于冷启动状态，热泵系统30可将高温换热介质输入第一换热器8中，对流经第一换热器8的散热系统40第一支路中的冷却液进行加热，加热后的冷却液用于辅助氢燃料电池堆1冷启动，完成冷启动后热泵系统30收回换热介质，完成一个制热循环。当然也可如上述传统的方式那样采用电子电加热器6对散热系统40第二支路中的冷却液进行加热，进行冷启动。

当氢燃料电池堆1处于正常运行状态，热泵系统30可将低温换热介质输入第一换热器8中，与流经第一换热器8的冷却液进行换热制冷，冷却后的冷却液返回散热系统40参与冷却循环，对氢燃料电池堆1进行冷却。而热泵系统30的换热介质吸收了冷却液的热量后进入热泵系统30的制冷循环。

作为优选例，所述热泵系统30包含：压缩机9，其两个端口分别与四通阀10的第一阀口、第二阀口连接，通过四通阀10输出换热介质；第二换热器13，与所述四通阀10的第三阀口连接；第三换热器11，与所述四通阀10第四阀口连接，所述第二换热器13与第三换热11器通过膨胀阀15连接；所述膨胀阀15与第三换热器11之间设置有第三支路，该第三支路与第一换热器8连接后与四通阀10的第四阀口连接。

在上述低温冷启动工况下，压缩机9启动，通过四通阀10将压缩后的高温高压换热介质直接输入第一换热器8，与低温冷却液进行热交换，被加热的冷却液温度迅速上升，当达到氢燃料电池堆1的理想启动温度后，停止压缩机9运行。正常使用工况下，氢燃料电池堆1在运行过程中会产生大量的热，此时，热泵系统30开启制冷模式，通过四通阀10将压缩机9压缩后的高温高压换热介质输入第二换热器13进行换热冷却，冷却后的换热介质经过膨胀阀15进一步降温变成低温换热介质，一方面进入第三热交换器11，另一方面进入第一换热器8，对氢燃料电池冷却液进行冷却。换热介质最终回到压缩机9，完成一次制冷循环。进入第三换热器11的换热介质通过空气进行热交换，以及进入第一换热器8的换热介质通过高温冷却液进行热交换，从而获得双热源，提高了压缩机9的进气压力，减小了压缩机9电耗，提高了该联用系统整体效率。并且双热源(上述的空气和高温冷却液)热泵系统30能够减少车外的第二换热器13负荷，从而减缓车外第二换热器13的结霜过程。

作为优选例，所述第三支路上位于第一换热器8与四通阀10之间设置有电磁阀16，可以通过电磁阀16切断热泵系统30与散热系统40之间的换热连接，当电池堆1处于正常工况且外界温度较低，特别是冬季，安装在车上的热泵系统30需要对车厢进行供热，可以关闭电磁阀16将热泵系统30与第一换热器8断开连接，热泵系统30进入制热模式为车厢供热。由于此时外界温度低，冷却液散热全部交由散热组件3完成。

进一步地，热泵系统30设置在车体上，所述第二风扇13向车外吹气，所述第三风扇12向车内吹气，制冷状态下，第三风扇12可以向车厢内吹气与第三换热器11进行热交换形成冷风；以及制热状态下，第三风扇12可以向车厢吹气与第三换热器11进行热交换形成热风。。

作为优选例，在所述第二换热器13和第三换热器11对应位置处分别设置有第二风扇14、第三风扇12，用于散热。

作为优选例，所述散热组件3与水泵4之间还包含有第四支路，第四支路上设置有膨胀水箱5，膨胀水箱5的作用是为散热系统40补充冷却液。当冷却液由于各种原因导致了损失减小，可以通过膨胀水箱5将冷却液补充至散热系统40的管路中。同时，膨胀水箱5一般布置在高位，兼具排气的功能。膨胀水箱5入口接散热组件3，出口接电子水泵4入口。

本发明还提供一种氢燃料电池与热泵联用系统使用方法，包含：

在氢燃料电池冷启动情况下，将热泵系统的高温换热介质输送至第一热交换器，对冷却液进行加热；

在氢燃料电池处于工作状态且需要散热时，将热泵系统的低温换热介质输送至第一热交换器，对冷却液进行冷却；

在氢燃料电池处于工作状态且不需要散热时，控制切断热泵系统与散热系统中的冷却液的连接。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.热泵系统具有更高效的冷却效果；

2.氢燃料电池产生的热可以作为热泵的第二热源，改善了热泵系统在外界环境温度较低的情况下的运行状况；同时减少了该种情况下的制热功耗；

3.热泵可以通过四通阀进行制冷供热的切换，既可以为整车提供冷量，也可以为整车提供热量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，包含：

与氢燃料电池堆(1)连接的散热系统(40)，该散热系统(40)包含连接冷却液出口和冷却液进口的散热主环路，该散热主环路上设置有节温器(2)；连接冷却液进口和所述节温器(2)的第一支路，该第一支路上设置有第一换热器(8)；

热泵系统(30)，可通断的与所述散热系统(40)的第一换热器(8)连接。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述散热系统(40)的散热主环路上且位于节温器(2)与冷却液进口之间还依次设置有散热组件(3)、水泵(4)。

3.如权利要求2所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述散热系统(40)还包含连接节温器(2)与水泵(4)的第二支路，该第二之路上设置有电加热器(6)。

4.如权利要求1所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述第一换热器(8)与冷却液进口之间还设置有中冷器(7)。

5.如权利要求1所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述热泵系统(30)包含：

压缩机(9)，其两个端口分别与四通阀(10)的第一阀口、第二阀口连接，通过四通阀(10)输出换热介质；

第二换热器(13)，与所述四通阀(10)的第三阀口连接；

第三换热器(11)，与所述四通阀(10)第四阀口连接；

所述第二换热器(13)与第三换热器(11)通过膨胀阀(15)连接；

所述膨胀阀(15)与第三换热器(11)之间设置有第三支路，该第三支路与第一换热器(8)连接后与四通阀(10)的第四阀口连接。

6.如权利要求5所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述第三支路上位于第一换热器(8)与四通阀(10)之间设置有电磁阀(16)。

7.如权利要求5所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，在所述第二换热器(13)和第三换热器(11)的对应位置处分别设置有第二风扇(14)、第三风扇(12)。

8.如权利要求7所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述第二风扇(13)向车外吹气，所述第三风扇(12)向车内吹气。

9.如权利要求2所述的氢燃料电池与热泵联用系统，其特征在于，所述散热系统(40)还包含连接散热组件(3)与水泵(4)的第四支路，该第四支路上设置有膨胀水箱(5)。

10.一种氢燃料电池与热泵联用系统使用方法，其特征在于，包含：

在氢燃料电池冷启动情况下，将热泵系统(30)的高温换热介质输送至第一热交换器(8)，对散热系统(40)中流经第一热交换器(8)的冷却液进行加热；

在氢燃料电池处于工作状态且需要散热时，将热泵系统(30)的低温换热介质输送至第一热交换器(8)，对散热系统(40)中流经第一热交换器(8)的冷却液进行冷却；

在氢燃料电池处于工作状态且不需要散热时，通过电磁阀(16)控制切断热泵系统(30)与散热系统(40)中冷却液的连接。

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