CN116053535A - 燃料电池热量管理系统与方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池热量管理系统与方法，其中，燃料电池热量管理系统，包括燃料电池电堆、冷却循环回路、储热回路以及换热支路，冷却循环回路与燃料电池电堆连通，换热支路与冷却循环回路可通断连接，在换热支路与冷却循环回路连通的情况下，换热支路与储热回路发生换热，以至少能够使得储热回路储存的热量经换热支路与冷却循环回路加热燃料电池电堆。本申请实施例可以通过储热回路为燃料电池电堆供热，保证燃料电池在低温环境下仍能正常启动，且无需增加复杂的电加热装置，能够有效降低燃料电池热量管理系统的成本。

Description

燃料电池热量管理系统与方法

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池热量管理系统与方法。

背景技术

氢燃料电池可以利用氢气与空气发生电化学反应来输出电能，反应的主要产物为水，因此基本上不会带来环境污染。然而，当氢燃料电池处于低温环境下，反应产生的水可能因低温冻结而阻碍气体进入氢燃料电池电堆，甚至损害电堆中的质子交换膜、催化层等结构。为保证氢燃料电池在低温环境下正常启动，相关技术中通常为电堆配备电加热装置，这样会导致氢燃料电池的成本较高。

发明内容

本申请旨在提供一种燃料电池热量管理系统与方法，至少解决相关技术为电堆配备电加热装置导致氢燃料电池的成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提出了一种燃料电池热量管理系统，包括：

燃料电池电堆；

冷却循环回路，冷却循环回路与燃料电池电堆连通；

储热回路；

换热支路，换热支路与冷却循环回路可通断连接，在换热支路与冷却循环回路连通的情况下，换热支路与储热回路发生换热，以至少能够使得储热回路储存的热量经换热支路与冷却循环回路加热燃料电池电堆。

第二方面，本申请实施例还提供一种燃料电池热量管理方法，包括：

获取燃料电池电堆的工作温度；

在工作温度小于第二温度阈值的情况下，控制换热支路与冷却循环回路连通，控制换热支路与储热回路发生换热，以使储热回路储存的热量经换热支路与冷却循环回路加热燃料电池电堆。

本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统，包括燃料电池电堆、冷却循环回路、储热回路以及换热支路，冷却循环回路与燃料电池电堆连通，换热支路与冷却循环回路可通断连接，在换热支路与冷却循环回路连通的情况下，换热支路与储热回路发生换热，以至少能够使得储热回路储存的热量经换热支路与冷却循环回路加热燃料电池电堆。本申请实施例可以通过储热回路为燃料电池电堆供热，保证燃料电池在低温环境下仍能正常启动，且无需增加复杂的电加热装置，能够有效降低燃料电池热量管理系统的成本。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统在燃料电池冷启动时的工作原理示意图；

图2是本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统在为储热回路加热时的工作原理示意图；

图3是本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统在冷却循环回路与储热回路断开时的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的燃料电池热量管理方法的流程示意图。

附图标记：100-燃料电池电堆、200-冷却循环回路、211-第三管路、212-第四管路、221-散热器、222-第二循环水泵、223-第二阀门、231-第二温度传感器、232-第三温度传感器、300-储热回路、310-储热水箱、311-第一温度传感器、312-液位计、313-温度表、314-排水阀、315-加水阀、320-第一循环水泵、400-换热支路、411-第一管路、412-第二管路、420-第一阀门、500-换热器、610-空气输送管路、611-第四温度传感器、620-中冷器。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，根据本申请一些实施例的燃料电池热量管理系统，包括：

燃料电池电堆100；

冷却循环回路200，冷却循环回路200与燃料电池电堆100连通；

储热回路300；

换热支路400，换热支路400与冷却循环回路200可通断连接，在换热支路400与冷却循环回路200连通的情况下，换热支路400与储热回路300发生换热，以至少能够使得储热回路300储存的热量经换热支路400与冷却循环回路200加热燃料电池电堆100。

众所周知，燃料电池电堆100为燃料电池的核心部件，其负责将化学能转化为电能。燃料电池电堆100中通常设置有例如阳极气体通道、阴极气体通道、质子交换膜、催化层以及气体扩散层等结构。此外，燃料电池电堆100中，化学能仅部分转化为电能，其余的化学能通常转化为热能，因此，为及时排出热量，防止温度过高，在燃料电池电堆100中，往往还设置有冷却通道等冷却结构。以上燃料电池电堆100中各结构的具体连接关系或位置分布关系可以为现有技术，本实施例中不作详细说明。

燃料电池电堆100中一般会存在水，比如，作为阳极气体的氢气与作为阴极气体的空气(或者氧气)在输入至燃料电池电堆100之前，可能需要经过加湿，进而将水带入到燃料电池电堆100中；而阳极气体与阴极气体的直接反应产物也为水。

燃料电池电堆100中水的存在，会相应带来燃料电池冷启动的问题。具体来说，当燃料电池的启动温度低于冰点温度时，燃料电池电堆100中的水因低温冻结，阻碍阴阳极气体到达催化层的通道，同时，冻结的水也可能会对上述的质子交换膜、催化层等等造成物理损坏。本申请实施例结合冷却循环回路200、储热回路300以及换热支路400的设置与应用，可以解决燃料电池冷启动的问题，具体的实现原理将在下文中逐步展开说明。

如上文所示的，在燃料电池正常工作过程中，为防止燃料电池电堆100温度过高，燃料电池电堆100中热量需要及时排出，本实施例中，冷却循环回路200与燃料电池电堆100连接，其主要的功能是及时转移燃料电池电堆100中的热量，实现燃料电池电堆100的冷却。在一些示例中，冷却循环回路200可以与燃料电池电堆100中的冷却通道连接。

在一些实施方式中，冷却循环回路200中可以设有水、油或者气液混合流体等工作介质，通过主动循环或者被动循环的方式，驱动工作介质在冷却循环回路200中循环流动，以将燃料电池电堆100中的热量传输至外部进行散热。容易理解的是，在采用主动循环的情况下，冷却循环回路200中可以包括用于泵送工作介质的泵结构，而为了提高散热效率，冷却循环回路200可以包括散热风扇等。当然，以上是对冷却循环回路200的组成的一些举例说明，并不构成对冷却循环回路200的结构的具体限定。

在本实施例中，冷却循环回路200不仅可以在燃料电池正常工作时对燃料电池电堆100进行冷却，还可以用于在燃料电池冷启动时，对燃料电池电堆100进行加热。而冷却循环回路200加热燃料电池电堆100所使用的热量可以来源于储热回路300，并由换热支路400传递而来。

换热支路400可通断连接于冷却循环回路200，即换热支路400可以与冷却循环回路200进行连通或者断开。当换热支路400与冷却循环回路200连通时，上述的工作介质可以在两者之间流通，相应地，换热支路400中温度较高的工作介质可以流入冷却循环回路200，并用于对燃料电池电堆加热。而当换热支路400与冷却循环回路200相互断开时，冷却循环回路200中的工作介质可以继续循环流动，完成燃料电池电堆100的冷却等功能；而换热支路400中的工作介质可以处于静止流动或者近似静止的状态，或者处于与冷却循环回路200相互隔离的状态，此时换热支路400中的热量不传递或者较少传递到冷却循环回路200中。

至于换热支路400与冷却循环回路200之间的连通或者断开，可以通过设置阀门以及控制阀门的通断来实现，具体的结构和控制方式此处可不作限定。

储热回路300与换热支路400可以发生换热，并且换热支路400可以从储热回路300处获取热量。其中，储热回路300可以储存热量，比如，储热回路300可以包括水箱，水箱中可以装填有热水或者其他类型温度较高的储热流体。

储热回路300的热量可以来自于外部，比如，可以预先将温度较高的热水充入到储热回路300中的水箱。或者，储热回路300中的热量也可以来自于燃料电池历史工作过程中产生的热量，比如，燃料电池工作过程中，冷却循环回路200中的工作介质从燃料电池电堆100中流出时会有较高的温度，该温度大于储热回路300中储热流体的温度时，也可以在冷却循环回路200-换热支路400-储热回路300的热传递路径下，实现对储热流体的加热，从而使得储热回路300能够储存足够的热量，用作下次燃料电池冷启动时对燃料电池电堆100加热。再比如，燃料电池工作过程中，燃料电池电堆100电化学反应生成的水或阳极循环的氢气中的水可以通过管路(未在图中示出)作为储热流体存储至储热水箱310中，由于电化学反应生成的水和阳极循环的氢气中的水均包含大量热量，从而使得储热回路300能够储存足够的热量，用作下次燃料电池冷启动时对燃料电池电堆100加热。

储热回路300用于换热支路400之间的换热，可以通过相关管道的直接接触或者嵌套(即套管结构)连接来实现。或者，也可以配置换热器500，将储热回路300与换热支路400分别连接至换热器500，并在换热器500中进行换热。

基于以上描述可见，在燃料电池冷启动等应用场景下，储热回路300可以提供用于加热燃料电池电堆100的热量，该热量可以先由储热回路300换热至换热支路400，加热换热支路400中的工作介质，而换热支路400在与冷却循环回路200连通的情况下，其中较热的工作介质可以经冷却循环回路200到达燃料电池电堆100，实现对燃料电池电堆100的加热，避免因冷启动对燃料电池电堆100造成损坏。当然，在换热支路400与冷却循环回路200断开的情况下，冷却循环回路200-换热支路400-储热回路300的传热路径相应断开，可以有效避免储热回路300中的热量流失浪费。

本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统，包括燃料电池电堆100、冷却循环回路200、储热回路300以及换热支路400，冷却循环回路200与燃料电池电堆100连通，换热支路400与冷却循环回路200可通断连接，在换热支路400与冷却循环回路200连通的情况下，换热支路400与储热回路300发生换热，以至少能够使得储热回路300储存的热量经换热支路400与冷却循环回路200加热燃料电池电堆100。本申请实施例可以通过储热回路300为燃料电池电堆100供热，保证燃料电池在低温环境下仍能正常启动，且无需增加复杂的电加热装置，能够有效降低燃料电池热量管理系统的成本。

可选地，如图1和图2所示，燃料电池热量管理系统还包括换热器500，储热回路300和换热支路400在换热器500中换热。

在一些实施方式中，换热器500可以是管壳式换热器或者套管式换热器等等，换热器500中至少具有两套流道，分别用于连接储热回路300和换热支路400，储热回路300和换热支路400中的流体进入到换热器500中，可以进行换热。

在另一些实施方式中，换热器500也可以是简单的管道结构，比如，当储热回路300和换热支路400中的工作介质相同(比如均为水)时，可以将储热回路300和换热支路400中的工作介质轮流通入到作为换热器500的管道结构中，利用管道结构与冷热工作介质之间的不断热交换，实现储热回路300与换热支路400之间的换热。

在又一些可行的实施方式中，换热器500也可以是由储热回路300与换热支路400中可用于换热的管段构成，比如，储热回路300与换热支路400中相互接触或者嵌套连接的管段等。

通过换热器500的设置，使得储热回路300与换热支路400之间能够发生有效的热交换，储热回路300中的热量可以经换热支路400与冷却循环回路200高效到达燃料电池电堆100，减少燃料电池的冷启动所需时间。

可选地，如图1和图2所示，储热回路300包括储热水箱310和第一循环水泵320；

储热水箱310、第一循环水泵320以及换热器500连通，第一循环水泵320用于在储热水箱310与换热器500之间泵送流体。

储热水箱310中可以用于储存水或者其他类型的储热介质，在一些实施方式中，储热水箱310用于储存水，其具体可以是例如氢能源汽车、燃料电池叉车等车辆中用于储存反应水的水箱，通过在水箱上覆盖保温层，获得储热水箱310，也可以是水箱本身采用保温材料。

以燃料电池叉车的应用场景为例，燃料电池叉车中通常设置有储存氢燃料电池反应水的水箱，以避免燃料电池工作中产生的水随意排放。在本实施例中，该用于储存反应水的水箱可以复用作储热水箱310，其储存的热量可以用于燃料电池在冷启动时为燃料电池电堆100加热，从而起到一物两用的效果。

当然，在另一些实施方式中，储热水箱310也可以独立用作储存热量，比如，储热水箱310中的储热介质可以是处于近似封闭的环境中的，减少在应用过程中储热介质的消耗与污染，进而也可以避免频繁地对储热介质进行补充或者泄放等操作。

第一循环水泵320可以用于储热水箱310中储热介质的主动循环，也就是说，第一循环水泵320可以通过泵送作用，使得储热回路300中的储热介质沿着泵送方向循环运动，进而有效持续地将储热水箱310中的较热储热介质泵送至换热器500处进行换热，提高储热回路300与换热支路400之间的热交换效率。

当然，如上文所示的，储热水箱310中的热量来源也可以来自于燃料电池正常工作中产生的热量，相应地，当储热水箱310中的储热介质被加热时，基于第一循环水泵320的泵送作用，也可以使得储热水箱310中较冷储热介质持续地泵送至换热器500处吸收热量，加快储热回路300中储热介质的热量补充速率。

可选地，如图2所示，储热水箱310上设置有第一温度传感器311；

在第一温度传感器311检测的温度小于第一温度阈值的情况下，换热支路400与储热回路300发生换热，还能够使得燃料电池电堆100产生的热量经冷却循环回路200与换热支路400加热储热回路300。

上文中提到，在燃料电池的冷启动场景下，换热支路400与冷却循环回路200连通，换热支路400与储热回路300发生换热，以至少能够使得储热回路300储存的热量经换热支路400与冷却循环回路200加热燃料电池电堆100。而在本实施例中，储热水箱310中储热介质的温度较低时，同样也可以利用换热支路400与储热回路300的换热过程，为储热水箱310补充热量。

具体来说，本实施例中，储热水箱310上设置有第一温度传感器311，其可以用于检测储热水箱310中储热介质的温度，当第一温度传感器311检测的温度小于第一温度阈值时，说明储热水箱310中储存的热量已经较低，可能不足以应对下次燃料电池冷启动时所需的加热要求，此处可以对储热水箱310中的储热介质进行加热，以补充储热回路300中的热量。

在一些实施方式中，第一温度阈值可以根据需要进行预先设置，比如，可以设置为40℃或者50℃等，此处不作具体限定。

在一些应用场景中，当前燃料电池可能处于正常工作的状态，其燃料电池电堆100可以通过冷却循环回路200不断向外散热热量，以实现燃料电池电堆100的冷却。此时，燃料电池电堆100的温度通常大于第一温度阈值，用于冷却燃料电池电堆100的冷却循环回路200中的热量可以用于加热储热回路300。本实施例则提供了此处提到的加热功能，具体来说，可以将换热支路400与冷却循环回路200连通，并令换热支路400与储热回路300发生换热，从而使得燃料电池电堆100产生的热量，经过冷却循环回路200-换热支路400-储热回路300的传热路径，对储热回路300中的储热介质加热。

本实施例可以实现对燃料电池电堆100中产生的热量进行利用，将其用于加热储热回路300，从而提高能量的利用效率。

在一些可行的实施方式中，当燃料电池热量管理系统长期处于未工作状态，且第一温度传感器311检测的温度小于第一温度阈值时，也可以采用外部热源，例如，在储热水箱310中加注热水，加注的热水的温度可以高于第一温度阈值。

在一些实施方式中，在换热支路400和储热回路300换热的过程中，第一循环水泵320可以保持开启的状态，提高换热效率。

可选地，如图1和图2所示，储热水箱310上还设置有液位计312和温度表313中的至少一项。

上文实施例中提到，在一些可行的实施方式中，储热水箱310中可以进行储热介质的加注或者泄放。本实施例中，在储热水箱310上设置液位计312，可以方便用户观察储热水箱310中的液位，进而为储热介质的加注或泄放提供参考。

结合一些应用场景的举例，储热水箱310可以复用于储存燃料电池反应水的容器，通过液位计312，用户可以实时观察到储热水箱310中的液位，方便及时对储热水箱310中的反应水进行泄放。

储热水箱310上还可以设置温度表313，该温度表313可以直观地展示储热水箱310中的温度，方便用户进行读取，以便在燃料电池热量管理系统长时间未工作导致储热水箱310中温度过低时，及时使用外部热源(例如加注热水)提高储热水箱310温度，保证燃料电池下次能够正常冷启动。

结合一个燃料电池叉车的应用场景，燃料电池叉车的储热水箱310上可以设置有液位计312、温度表313、排水阀314和加水阀315，燃料电池叉车长时间停运后，储热水箱310中的温度会降至很低，此时可以打开排水阀314排水，之后打开加水阀315，在热水注入口加注适量的温水，通过液位计312和温度表313控制热水加注，从而确保后续有足够的热量供给燃料电池的快速冷启动。

可选地，如图1和图2所示，换热支路400包括第一管路411、第二管路412以及设置于第一管路411上的第一阀门420；冷却循环回路200包括连接燃料电池电堆100的冷却出口的第三管路211以及设置于第三管路211上的第二阀门223；

第一管路411的第一端与第二管路412的第一端均连接第三管路211，且分别位于第二阀门223的两端，第一管路411的第二端与第二管路412的第二端均连接换热器500；

在第一阀门420开启且第二阀门223关闭的情况下，换热支路400与冷却循环回路200连通；在第一阀门420关闭且第二阀门223开启的情况下，换热支路400与冷却循环回路200断开。

换热支路400在一定程度上可以认为起到热量传递中介的作用，比如，在燃料电池冷启动时从储热回路300接收热量，并将热量传递至冷却循环回路200，或者，在储热回路300温度较低时，将热量从冷却循环回路200传递至储热回路300中。而在其他一些工作状态下，例如燃料电池常温启动或者正常运行，且储热回路300无加热需求时，冷却循环回路200与储热回路300之间通常无换热需求。在这些状态下，换热支路400可以暂时退出热量传递的功能。

在本实施例中，对换热支路400即冷却循环回路200的结构进行了改进，以使得换热支路400能够在冷却循环回路200与储热回路300之间进行热量传递，或者退出热量传递的功能。

结合图1和图2，第一阀门420可以认为是设置在换热支路400上，而第二阀门223可以认为是设置在冷却循环回路200的干路管道上。当第一阀门420开启且第二阀门223关闭时，干路管路可以认为被截断(即第三管路211被截断)，冷却循环回路200中的工作介质被强制通过换热支路400才能完成循环，该状态即对应了上述冷却循环回路200与换热支路400连通的状态。此时，从燃料电池电堆100流出的工作介质会经第一管路411流动至换热器500，并与储热回路300发生热交换，然而经第二管路412再次流动到第三管道。

结合图3，而当第一阀门420关闭且第二阀门223开启时，换热支路400中第一管道的流动路径被截断，冷却循环回路200中的工作介质在冷却循环回路200中正常循环，该状态即对应了上述冷却循环回路200与换热支路400断开的状态。此时，燃料电池电堆100流出的工作介质不会向换热器500流动，进而也不与储热回路300发生热交换。

可见，本实施例中，通过第一阀门420和第二阀门223的简单设置，即可以实现换热支路400与冷却循环回路200之间的连通和断开，设置成本较低，控制较为方便。

可选地，如图1和图2所示，冷却循环回路200包括散热器221和第二循环水泵222；

散热器221、第二循环水泵222以及燃料电池电堆100依次连接，第二循环水泵222用于在散热器221与燃料电池电堆100之间泵送流体。

散热器221可以是带有风扇的散热器，或者，也可以是翅片式等具有较大散热面积的散热器等，此处不作具体限定。

第二循环水泵222与第一循环水泵320的功能相似，都可以用于相应工作介质的主动循环，具体实现原理此处不作赘述。

第二循环水泵222可以用于在散热器221与燃料电池电堆100之间泵送流体，例如上述的工作介质。在一些示例中，第二循环水泵222可以设置在散热器221的入口位置，或者，也可以设置在散热器221的出口位置。

通过第二循环水泵222的运行，可以强制驱动冷却循环回路200中的工作介质循环流动，以将燃料电池电堆100中产生的热量传递至散热器221进行散热，提高燃料电池电堆100的冷却效率；或者，在燃料电池的冷启动阶段，第二循环水泵222也可以持续地将来自储热回路的热量泵送至燃料电池电堆100中，提高燃料电池电堆100的升温效率，减少燃料电池的冷启动时间。

可选地，如图1和图2所示，冷却循环回路200还包括连接燃料电池电堆100的冷却出口的第三管路211，以及连接燃料电池电堆100的冷却入口的第四管路212；

第三管路211与散热器221连接，第四管路212与第二循环水泵222连接，第三管路211上设置有第二温度传感器231，和/或，第四管路212上设置有第三温度传感器232。

本实施例中，在冷却循环回路200的管路上可以设置温度传感器，温度传感器的设置位置可以根据需要进行选择。比如，冷却循环回路200可以包括连接燃料电池电堆100的冷却出口的第三管路211，第三管路211上设置温度传感器，对应于上述的第二温度传感器231。

在一些实施方式中，第二温度传感器231可以获取自燃料电池电堆100输出的冷却用工作介质的温度，根据第二温度传感器231检测的温度，可以确定合理的散热策略，比如增大或减小散热器221的散热功率等，以保证燃料电池电堆100的温度保持在合理的水平。

在一些实施方式中，第二温度传感器231可设置在换热支路400的下游位置，在换热支路400与储热回路换热的情况下，第二温度传感器231可以实时检测从换热支路400流出的工作介质的温度。如此，在燃料电池冷启动阶段，根据第二温度传感器231检测的温度，可以判断储热回路的热量是否得到充分的传递利用；或者，在燃料电池的正常运行阶段，且对储热回路进行加热的情况下，通过第二温度传感器231可以获取从燃料电池电堆100流出的工作介质向储热回路传热后的温度，进而可以对散热器221确定比较合理的散热功率，比如，减少散热风扇的运行功率等，从而降低散热器221散热所需的能耗，减小散热风扇运行附带产生的噪音。

本实施例中，冷却循环回路200还可以包括连接燃料电池电堆100的冷却入口的第四管路212，第四管路212上设置温度传感器，对应于上述的第三温度传感器232。

第三温度传感器232可以直接检测冷却循环回路200进入到燃料电池电堆100的工作介质的温度，根据该检测的温度，同样可以对散热器221的散热功率进行调节。由于第三温度传感器232设置在燃料电池电堆100的进口处，基于其检测温度对散热器221的调节，可以使得进入燃料电池电堆100的工作介质的温度处于比较合适的范围，进而有助于使得燃料电池电堆100中保持比较适宜的反应温度。

可选地，燃料电池热量管理系统还包括空气输送管路610与中冷器620；

空气输送管路610与燃料电池电堆100连接，空气输送管路610与第四管路212在中冷器620中换热。

本实施例中，空气输送管路610与燃料电池电堆100连接，用于向燃料电池电堆100提供阴极反应气体。空气输送管路610与冷却循环回路200的第四管路212可以在中冷器620中换热。

在一个应用场景的举例中，当环境温度较低时，空气输送管路610中的空气的温度较低，冷却循环回路200则由于吸收了储热回路中的热量而使得其中的工作介质的温度较高，此时通过在中冷器620中的换热，使得冷却循环回路200中的工作介质能够对空气输送管路610中的空气加热，避免空气中的水分发生冷凝或结冰，同时也可以使得阴极反应气体处于合适的温度，提升燃料电池电堆100中的反应效率。

在又一个应用场景的举例中，环境温度较高，且空气输送管路610中的空气经过空压机加压后产生了较高的温度，此时，通过在中冷器620中的换热，可以降低空气输送管路610中的空气的温度，使得空气进入燃料电池电堆100时具有比较适宜的反应温度。

可选地，如图1与图2所示，空气输送管路610的位于中冷器620的上游的管段上设置有第四温度传感器611；

在第四温度传感器611检测的温度小于第二温度阈值的情况下，换热支路400与储热回路300发生换热，以能够使得储热回路300储存的热量经换热支路400与冷却循环回路200加热燃料电池电堆100。

本实施例中，第四温度传感器611可以检测空气输送管路610中进入中冷器620之间的空气的温度，该温度可以作为判断燃料电池是否处于冷启动状态的依据。

当第四温度传感器611检测的温度小于第二温度阈值时，可以认为燃料电池当前处于冷启动的状态，此时，可以将换热支路400和冷却循环回路200连通，同时换热支路400与储热回路300换热，以能够使得储热回路300储存的热量经换热支路400与冷却循环回路200加热燃料电池电堆100。

第二温度阈值可以根据需要进行设定，比如，可以取0℃、2℃或者5℃等，此处不作具体限定。

一般来说，空气输送管路610中的空气可以直接取自于环境，可以比较准确地反应燃料电池当前是否处于冷启动的工作环境，在空气输送管路610上设置第四温度传感器611的结构实现难度也较低，可以在一定程度降低燃料电池热量管理系统的设计成本。

在其他一些可行的实施方式中，也可以基于安装在其他位置的温度传感器所检测的温度，来确定燃料电池是否处于冷启动的状态，比如，可以是安装在燃料电池电堆100上的温度传感器，或者是安装在车辆上用于监测环境温度的温度传感器等等。

如图4所示，本申请实施例还提供了一种燃料电池热量管理方法，包括：

步骤S401，获取燃料电池电堆100的工作温度；

步骤S402，在工作温度小于第二温度阈值的情况下，控制换热支路400与冷却循环回路200连通，控制换热支路400与储热回路300发生换热，以使储热回路300储存的热量经换热支路400与冷却循环回路200加热燃料电池电堆100。

在一些实施方式中，燃料电池电堆100的工作温度，可以通过设置在燃料电池电堆100上的温度传感器进行获取。

而在另一些可行的实施方式中，燃料电池电堆100的工作温度，也可以是通过反应气进气通道上的温度传感器进行获取。举例来说，在燃料电池热量管理系统中，可以包括空气输送管路610，该空气输送管路610用于为燃料电池电堆100提供阴极反应气体，在空气输送管路610上设置温度传感器(对应于上述的第四温度传感器611)，以间接获取燃料电池电堆100的工作温度。

结合一些应用场景的举例，当燃料电池处于较冷的工作环境时，可能面临冷启动的问题，即燃料电池电堆100内可能存在冻结的水堵塞反应气通道或者损坏质子交换膜等结构。本实施例中，当工作温度小于第二温度阈值时，可以认为燃料电池面对冷启动的问题。第二温度阈值的取值可以根据需要进行设定，比如，可以预先设定为0℃、2℃或者5℃等，此处不作具体限定。

本实施例中，在工作温度小于第二温度阈值的情况下，可以控制换热支路400与冷却循环回路200连通，控制换热支路400与储热回路300发生换热，使得储热回路300中储存的热量可以经换热支路400与冷却循环回路200到达燃料电池电堆，实现对燃料电池电堆的加热，降低因冷启动对燃料电池电堆100的损害。

在一些实施方式中，燃料电池热量管理方法的执行主体可以是燃料电池中的电控单元，储热回路300、换热支路400以及冷却循环回路200上可以设置有例如循环水泵或者阀门等执行器，基于电控单元对执行器的控制，可以实现以上换热支路400与冷却循环回路200连通，以及换热支路400与储热回路300发生换热的控制功能。

比如，结合图1和图2所示的燃料电池热量管理系统，控制换热支路400与冷却循环回路200连通，可以是控制第一阀门420开启及控制第二阀门223关闭；控制换热支路400与储热回路300发生换热，可以是控制第一循环水泵320开启等。

容易理解的是，实际应用中，实现本申请实施例提供的燃料电池热量管理方法的硬件结构，并不限于如图1和图2所示的燃料电池热量管理系统。举例来说，换热支路400上也可以设置有循环水泵，通过控制开启换热支路400上的循环水泵，来实现换热支路400与冷却循环回路200连通等。

可选地，获取储热回路300的储热水箱310的第一温度；

在第一温度小于第一温度阈值，且工作温度大于第三温度阈值的情况下，控制换热支路400与冷却循环回路200连通，控制换热支路400与储热回路300发生换热，以使燃料电池电堆100产生的热量经冷却循环回路200与换热支路400加热储热回路300。

本实施例中，储热回路300中可以设置有储热水箱310，储热水箱310中可以储存有储热介质，例如水或者油等等。在通常情况下，储热水箱310中的储热介质的温度(即第一温度)需高于一温度阈值，以便在燃料电池冷启动时，为燃料电池电堆100提供足够的热量。该温度阈值可以对应于第一温度阈值，并可以进行预先设置，例如设置为40℃或者50℃等，此处不作具体限定。

而在一些应用场景下，例如，储热水箱310长时间静置时，可能导致储热水箱310中的第一温度小于第一温度阈值。若此时燃料电池电堆100的工作温度大于第三温度阈值，则说明燃料电池电堆100当前可以提供为储热回路300加热的热量，或者说明燃料电池电堆100内部气体正在反应，并可以在短时间内获得为储热回路300加热的热量。

第三温度阈值的数值可以根据需要进行选择，在一个示例中，第三温度阈值可以与第二温度阈值相等，在此情况下，若工作温度大于第三温度阈值，则排除了燃料电池冷启动的情况，后续只要燃料电池正常启动，即可提供为储热回路300加热的热量，因此，在第一温度小于第一温度阈值，且工作温度大于第二温度阈值的情况下，即可控制换热支路400与冷却循环回路200连通，控制换热支路400与储热回路300发生换热，使得燃料电池电堆100产生的热量对储热回路300加热，或者做好为储热回路300进行加热的准备。

在另一个示例中，第三温度阈值可以等于第一温度阈值，在此情况下，若第一温度小于第一温度阈值，且燃料电池电堆100的温度大于第一温度阈值，则燃料电池电堆100可以提供为储热回路300加热的热量。

当然，在又一些示例中，第三温度阈值也可以根据需要设置为其他值，此处不作一一举例说明。

本实施例中，在储热回路300中储热水箱310的第一温度小于第一温度阈值时，可以利用燃料电池电堆100产生的热量对储热回路300进行加热，提高燃料电池电堆100中能量的利用率。

可选地，控制换热支路400与冷却循环回路200连通，控制换热支路400与储热回路300发生换热，以使燃料电池电堆100产生的热量经冷却循环回路200与换热支路400加热储热回路300之后，方法还包括：

在第一温度大于第四温度阈值的情况下，控制换热支路400与冷却循环回路200断开，以停止加热储热回路300。

第四温度阈值同样可以根据需要进行设置，比如，可以设置为65℃、62℃等，此处不作具体限定。

在第一温度大于第四温度阈值时，说明储热回路300中储存的热量可以应对燃料电池下次冷启动的加热需求，此时可以控制换热支路400与冷却循环回路200断开，以停止加热储热回路300，如此，可以避免储热回路300中循环水泵等执行器持续运转，进而实现能源的节省。

如图3所示，通过控制图3中第一阀门420关闭，第二阀门223开启，可以实现换热支路400与冷却循环回路200断开，同时可以控制第一循环水泵320关闭，避免第一循环水泵320持续运行。

可选地，获取冷却循环回路200的目标位置的第三温度，目标位置位于燃料电池电堆100的冷却出口和/或冷却入口；

在第三温度满足预设温度条件的情况下，控制冷却循环回路200中的散热器221散热。

结合一些具体实施方式，如图1和图2所示，在燃料电池电堆100的冷却出口可以设置第二温度传感器231，在燃料电池电堆100的冷却入口可以设置第三温度传感器232，这些温度传感器可以检测冷却循环回路200中的冷却介质的温度，即上述的第三温度。

当然，在实际应用中，也可以仅在燃料电池电堆100的冷却出口设置温度传感器，或者仅在燃料电池电堆100的冷却入口设置传感器，以获取上述的第三温度。

通过获取第三温度，可以对燃料电池电堆100的冷却需求进行把握，比如，第三温度较高时，可以控制冷却循环回路200中的散热器221散热，或者提高散热器221的散热效率；当第三温度较低时，可以控制散热器221停止工作，或者降低散热器221的散热效率。

第三温度较高或者较低的判断，均可以通过预设温度条件进行体现，比如，预设温度条件可以是大于60℃，当目标位置的第三温度大于60℃时，可以控制散热器221工作。

当然，如上文所示的，可以同时将冷却出口和冷却入口作为目标位置，预设温度条件可以包括了对两个目标位置的温度的限定，比如，预设温度条件可以是冷却出口的第三温度大于60℃且冷却入口的第三温度大于50℃。

在一些示例中，散热器221配置有散热风扇，通过控制散热风扇的启闭，来控制散热器221的启闭；通过控制散热风扇的工作功率，来控制散热器221的散热效率。

在一个较佳的实施方式中，目标位置可以在燃料电池电堆100的冷却出口，且位于换热支路400的下游，如此，第三温度可以较好地反映经换热支路400与储热回路300换热后，冷却循环回路200中的工作介质的温度，进而可以更好地选择散热器221的散热效率。比如，冷却循环回路200中工作介质从燃料电池电堆100中流出时的温度为70℃，经过换热支路400与储热回路300换热后，温度降低至65℃，基于目标位置检测的第三温度，散热器221需要对65℃的工作介质进行散热，而非对70℃的工作介质进行散热，如此，可以降低散热器221的散热效率需求，降低散热风扇所需工作功率，也能减小散热风扇工作所带来的噪音。

可选地，在工作温度小于第二温度阈值的情况下，控制换热支路400与冷却循环回路200连通，控制换热支路400与储热回路300发生换热之后，方法还包括：

控制冷却循环回路200加热反应气。

本实施例中，在工作温度小于第二温度阈值，即燃料电池处于冷启动的状态时，可以利用储热回路300的热量对反应气进行加热，此处的反应气可以是阳极反应气，例如空气或者氧气等，也可以是阴极反应气，例如氢气。

通过加热反应气，可以进一步提升燃料电池电堆的加热速率，另外，也可以使得反应气处于合适的反应温度，提升电化学反应效率。

以下结合一些具体应用例，来对本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统与方法进行说明。

在现有技术中，燃料电池电堆100水路最高产生70℃的高温，但需确保入口水温不超过60℃，电堆产生的约80％的热量则通过散热风扇散热。当燃料电池需要冷启动时，需要启动PTC加热器来加热循环水以防止电堆内部水路冻结。

而基于本申请实施例提供的燃料电池热量管理系统，在现有技术的结构基础上，删减了一个耗电设备PTC加热器，增加了一个耗电设备循环水泵(对应第一循环水泵320)，增加一个换热器500，作用是把燃料电池电堆100产生的热量优先通过换热器500给储热水箱310加热，当储热水箱310温度达到上限65℃(对应第四温度阈值)后，多余热量再通过散热风扇(对应于散热器221)散热，尽可能减少散热风扇的使用。当需要冷启动时，通过储热水箱310内的热量反向给燃料电池电堆100供热，确保燃料电池电堆100水路不冻结，从而使燃料电池快速启动。

如图1和图2所示，在燃料电池热量管理系统中，T1为空气入口温度传感器(对应第四温度传感器611)，T2为散热器入口温度传感器(对应第二温度传感器231)，T3为散热器出口温度传感器(对应第三温度传感器232)，T4为储热水箱温度传感器(对应第一温度传感器311)，T5为储热水箱310温度表(对应温度表313)。

燃料电池热量管理方法的控制逻辑如下：

步骤1：当T1温度＞2℃(对应第二温度阈值)时，打开电磁阀1(对应第一阀门420)，关闭电磁阀2(对应第二阀门223)，打开循环水泵1(对应第二循环水泵222)和循环水泵2(对应第一循环水泵320)，不断的给储热水箱310加热直至T4温度＝65℃(对应第四温度阈值)。此时散热器221通过检测T2和T3的温度，不开启或者少开启散热风扇，确保T3温度不超过60℃。

步骤2：当T1温度＞2℃，T4温度＝65℃时，关闭电磁阀1，打开电磁阀2，关闭循环水泵2，打开循环水泵1，此时散热器221通过检测T2和T3的温度，开启散热风扇，确保T3温度不超过60℃。

步骤3：当T1温度＞2℃，T4温度降低至50℃(对应于第一温度阈值)时，重复步骤1。T4温度＝65℃时，重复步骤2。

步骤4：当T1温度＜2℃时，启动反加热设定。此时打开电磁阀1，关闭电磁阀2，打开循环水泵1和2，关闭散热风扇，实现燃料电池电堆100冷启动阶段的反向供热。

步骤5：当T1温度＜2℃，T4温度＜25℃或T2温度＞30℃时，关闭反加热设定。此时当散热风扇开启时，重复步骤1。

以燃料电池叉车为例，每次加氢时需要定时排水，在不需要冷启动的季节，储热水箱310中的热水在每次加氢时需要排出2/3，确保循环水泵的正常运行。在需要冷启动的季节，储热水箱310中的热水在每次加氢时需要排出一半，确保在下次加氢之前，车辆运行过程中产生的水不会存满整个水箱。

当燃料电池叉车长时间停运后，储热水箱310中的温度会降至很低，此时可以打开排水阀314排水，之后在热水注入口加注适量的温水，通过液位计312和温度表313控制热水加注。从而确保足够的热量供给燃料电池车辆的快速冷启动。

相关数据计算(以8kw的燃料电池叉车为例)：

燃料电池叉车单次加氢量约为1.2kg，平均氢耗约为0.4kg/h，即每次加氢车辆可运行3小时。1.2kg氢气完全反应约可以产生10.8kg的水，即10.8L水。故储热水箱310可设定为20L。8kw的燃料电池可产生8kWh以上的热量，约80％的热量需要通过散热风扇散热，即浪费的热量约为6.4kWh。

根据热力学公式q＝cm△t计算可得，6.4kWh的热量可以把100L以上的水从15℃升到65℃，完全可以把20L的储热水箱310中的水加热到65℃。参见图2，板式换热器设计热进温度70℃，热出温度60℃，冷进温度45℃，冷出温度65℃，根据热力学公式q＝cm△t计算可得，燃料电池产生的8kWh，在热进热出端需求的水泵流量约为11.5L/min，在冷进冷出端需求的水泵流量约为6L/min，整体符合20L储热水箱310容量。

参见反加热流程图1，根据热力学公式q＝cm△t计算可得，当储热水箱310中水只有20L的一半时，当储热水箱310温度从65℃降低逐渐换热至20℃，相应的当把电堆中的水从0℃加热到10℃时，可加热水量约为45L。而燃料电池电堆100最低要求水流量约为3L/min，即可满足燃料电池电堆100水路在此流速下运行15min，足以满足冷启动条件。

电堆水路最高产生70℃的高温，但需确保入口水温不超过60℃，多余的热量则通过散热风扇散热。现有技术中，一方面浪费了热能又增加了电耗，同时散热风扇的噪音很大。当环境温度达到一定温度时，需要启动PTC加热器。

本申请实施例的优点在于最大程度回收利用了燃料电池电堆100产生的热量并储存到储热水箱310中(燃料电池中本身自带水箱，原来只作为储存电堆运行过程中产生的水)，通过对自带水箱做保温处理后即可成为储热水箱310。当燃料电池正常运行过程中，电堆产生的热量优先通过板式换热器和循环水泵把热量储存到储热水箱310中，使储热水箱310中温度达到最高65℃。多余的热量再通过散热风扇散热，尽可能减少散热风扇的耗电量和附带产生的噪音。

这样在寒冷天气冷启动阶段，通过储热水箱310中的余热反向给电堆加热，确认电堆在冷启动阶段不会低温冻结。当燃料电池正常运行后关闭反向加热功能，当燃料电池有多余热量时再给储热水箱310储热，使储热水箱310中温度达到最高65℃。

以上整个过程除一个小功率循环水泵之外，基本无额外新增耗电设备，也无需新增复杂的加热系统，整体简洁明了，成本低廉，具有较高的应用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种燃料电池热量管理系统，其特征在于，包括：

燃料电池电堆(100)；

冷却循环回路(200)，所述冷却循环回路(200)与所述燃料电池电堆(100)连通；

储热回路(300)；

换热支路(400)，所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)可通断连接，在所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)连通的情况下，所述换热支路(400)与所述储热回路(300)发生换热，以至少能够使得所述储热回路(300)储存的热量经所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)加热所述燃料电池电堆(100)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，还包括换热器(500)，所述储热回路(300)和所述换热支路(400)在所述换热器(500)中换热。

3.根据权利要求2所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述储热回路(300)包括储热水箱(310)和第一循环水泵(320)；

所述储热水箱(310)、所述第一循环水泵(320)以及所述换热器(500)连通，所述第一循环水泵(320)用于在所述储热水箱(310)与所述换热器(500)之间泵送流体。

4.根据权利要求3所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述储热水箱(310)上设置有第一温度传感器(311)；

在所述第一温度传感器(311)检测的温度小于第一温度阈值的情况下，所述换热支路(400)与所述储热回路(300)发生换热，还能够使得所述燃料电池电堆(100)产生的热量经所述冷却循环回路(200)与所述换热支路(400)加热所述储热回路(300)。

5.根据权利要求3所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述储热水箱(310)上还设置有液位计(312)和温度表(313)中的至少一项。

6.根据权利要求2所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述换热支路(400)包括第一管路(411)、第二管路(412)以及设置于所述第一管路(411)上的第一阀门(420)；所述冷却循环回路(200)包括连接所述燃料电池电堆(100)的冷却出口的第三管路(211)以及设置于所述第三管路(211)上的第二阀门(223)；

所述第一管路(411)的第一端与所述第二管路(412)的第一端均连接所述第三管路(211)，且分别位于所述第二阀门(223)的两端，所述第一管路(411)的第二端与所述第二管路(412)的第二端均连接所述换热器(500)；

在所述第一阀门(420)开启且所述第二阀门(223)关闭的情况下，所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)连通；在所述第一阀门(420)关闭且所述第二阀门(223)开启的情况下，所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)断开。

7.根据权利要求1所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述冷却循环回路(200)包括散热器(221)和第二循环水泵(222)；

所述散热器(221)、所述第二循环水泵(222)以及燃料电池电堆(100)依次连接，所述第二循环水泵(222)用于在所述散热器(221)与所述燃料电池电堆(100)之间泵送流体。

8.根据权利要求7所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述冷却循环回路(200)还包括连接所述燃料电池电堆(100)的冷却出口的第三管路(211)，以及连接所述燃料电池电堆(100)的冷却入口的第四管路(212)；

所述第三管路(211)与所述散热器(221)连接，所述第四管路(212)与所述第二循环水泵(222)连接，所述第三管路(211)上设置有第二温度传感器(231)，和/或，所述第四管路(212)上设置有第三温度传感器(232)。

9.根据权利要求8所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，还包括空气输送管路(610)与中冷器(620)；

所述空气输送管路(610)与所述燃料电池电堆(100)连接，所述空气输送管路(610)与所述第四管路(212)在所述中冷器(620)中换热。

10.根据权利要求9所述的燃料电池热量管理系统，其特征在于，所述空气输送管路(610)的位于所述中冷器(620)的上游的管段上设置有第四温度传感器(611)；

在所述第四温度传感器(611)检测的温度小于第二温度阈值的情况下，所述换热支路(400)与所述储热回路(300)发生换热，以能够使得所述储热回路(300)储存的热量经所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)加热所述燃料电池电堆(100)。

11.一种燃料电池热量管理方法，其特征在于，包括：

获取燃料电池电堆(100)的工作温度；

在所述工作温度小于第二温度阈值的情况下，控制换热支路(400)与冷却循环回路(200)连通，控制换热支路(400)与储热回路(300)发生换热，以使储热回路(300)储存的热量经所述换热支路(400)与所述冷却循环回路(200)加热所述燃料电池电堆(100)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述储热回路(300)的储热水箱(310)的第一温度；

在所述第一温度小于第一温度阈值，且所述工作温度大于第三温度阈值的情况下，控制换热支路(400)与冷却循环回路(200)连通，控制换热支路(400)与储热回路(300)发生换热，以使所述燃料电池电堆(100)产生的热量经所述冷却循环回路(200)与所述换热支路(400)加热所述储热回路(300)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述控制换热支路(400)与冷却循环回路(200)连通，控制换热支路(400)与储热回路(300)发生换热，以使所述燃料电池电堆(100)产生的热量经所述冷却循环回路(200)与所述换热支路(400)加热所述储热回路(300)之后，所述方法还包括：

在所述第一温度大于第四温度阈值的情况下，控制换热支路(400)与冷却循环回路(200)断开，以停止加热所述储热回路(300)。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述冷却循环回路(200)的目标位置的第三温度，所述目标位置位于所述燃料电池电堆(100)的冷却出口和/或冷却入口；

在所述第三温度满足预设温度条件的情况下，控制所述冷却循环回路(200)中的散热器(221)散热。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述工作温度小于第二温度阈值的情况下，控制换热支路(400)与冷却循环回路(200)连通，控制换热支路(400)与储热回路(300)发生换热之后，所述方法还包括：

控制冷却循环回路(200)加热反应气。

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