CN117080485B - 一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置及加热回路 - Google Patents

一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置及加热回路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置及加热回路，该装置包括：加热器、四通阀及控制器；加热器用于对流经加热器的冷却液进行加热；四通阀与加热器并联连接，四通阀上设置有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，四通阀的第二端口与加热器的进液口连，四通阀的第三端口与加热器的出液口连；控制器与加热器及四通阀电连接。加热回路包括：电堆、冷却液加热装置、第一泵体、换热器、第二泵体及客舱和/或燃料电池；电堆的出口与四通阀的第一端口连；四通阀的第三端口通过第一泵体与电堆的进口连；四通阀的第四端口通过第二泵体与换热器的第一端口连，换热器的第二端口与四通阀的第三端口连；换热器与客舱和/或燃料电池并联连接。

Description

一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置及加热回路
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置及加热回路。
背景技术
现有技术中，如图1所示，燃料电池热管理系统通常会使用节温器来切换大小循环。当燃料电池热管理系统处在低温的环境时，为维持进电堆水温在较高的温度，节温器会切换至小循环以减少散热器的冷却液流量和散热量。但是，小循环中冷却液加热器的流阻很大，导致水泵需要较大的输出功率；和/或电堆的冷却液流量变小从而不能够满足电堆进出口冷却液的温差要求。并且，目前燃料电池发动机上的冷却液加热器通常仅用于低温时的燃料电池发动机冷却液加热，却无法单独参与整车客舱或者燃料电池加热，导致整车客舱或者燃料电池需要装配额外的加热器进行加热，成本高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置及加热回路。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于燃料电池发动机的冷却液加热装置，包括：加热器、四通阀以及控制器；其中，所述加热器用于对流经所述加热器的冷却液进行加热；所述四通阀与所述加热器并联连接，所述四通阀上设置有第一端口、第二端口、第三端口以及第四端口，所述四通阀的所述第二端口与所述加热器的进液口连接，所述四通阀的所述第三端口与所述加热器的出液口连接；所述控制器与所述加热器电连接，所述控制器用于控制所述加热器对流经所述加热器的所述冷却液进行加热；所述控制器与所述四通阀电连接，所述控制器用于控制所述四通阀的所述第一端口与所述第二端口、所述四通阀的所述第一端口与所述第三端口和/或所述四通阀的所述第一端口与所述第四端口的连通；和/或，所述控制器用于控制所述四通阀的所述第四端口与所述第二端口的连通。
在一个具体实施例中，所述加热器包括：加热电阻和介质通道；其中，所述加热电阻设置在所述介质通道的外壁上，所述加热电阻用于对流经所述介质通道的所述冷却液进行加热；所述介质通道用于供流经所述加热器的所述冷却液通过，所述介质通道的进液口与所述四通阀的所述第二端口连接，所述介质通道的出液口与所述四通阀的所述第三端口连接。
在一个具体实施例中，所述加热电阻为正温度系数电阻。
在一个具体实施例中，所述介质通道为水箱。
在一个具体实施例中，所述冷却液加热装置还包括壳体，所述加热器、所述四通阀以及所述控制器均设置在所述壳体内，所述四通阀的所述第一端口、所述第三端口以及所述第四端口均伸出所述壳体并设置在所述壳体的外部。
一种用于燃料电池发动机的加热回路，包括：电堆、所述的冷却液加热装置、第一泵体、换热器、第二泵体以及客舱和/或燃料电池；其中，所述电堆的出口与所述冷却液加热装置的四通阀的第一端口连接；所述四通阀的第三端口通过所述第一泵体与所述电堆的进口连接；所述四通阀的第四端口通过所述第二泵体与所述换热器的第一端口连接，所述换热器的第二端口与所述四通阀的所述第三端口连接；所述换热器与所述客舱和/或所述燃料电池并联连接，所述换热器用于对所述客舱和/或所述燃料电池进行加热。
在一个具体实施例中，所述四通阀的所述第一端口与所述四通阀的所述第三端口导通时，所述电堆的所述出口与所述四通阀的所述第一端口、所述四通阀的所述第一端口与所述四通阀的所述第三端口、所述四通阀的所述第三端口与所述第一泵体的第一端口以及所述第一泵体的第二端口与所述电堆的所述进口之间形成连通回路。
在一个具体实施例中，所述四通阀的所述第一端口与所述四通阀的所述第二端口导通时，所述电堆的所述出口与所述四通阀的所述第一端口、所述四通阀的所述第一端口与所述四通阀的所述第二端口、所述四通阀的所述第二端口与所述冷却液加热装置的加热器的进液口、所述加热器的出液口与所述第一泵体的所述第一端口以及所述第一泵体的所述第二端口与所述电堆的所述进口之间形成连通回路。
在一个具体实施例中，所述四通阀的所述第一端口与所述四通阀的所述第四端口导通时，所述电堆的所述出口与所述四通阀的所述第一端口、所述四通阀的所述第一端口与所述四通阀的所述第四端口、所述四通阀的所述第四端口与所述第二泵体的第一端口、所述第二泵体的第二端口与所述换热器的所述第一端口、所述换热器的所述第二端口与所述第一泵体的所述第一端口以及所述第一泵体的所述第二端口与所述电堆的所述进口之间形成连通回路。
在一个具体实施例中，所述四通阀的所述第四端口与所述四通阀的所述第二端口导通时，所述加热器的所述出液口与所述换热器的所述第二端口、所述换热器的所述第一端口与所述第二泵体的所述第二端口、所述第二泵体的所述第一端口与所述四通阀的所述第四端口、所述四通阀的所述第四端口与所述四通阀的所述第二端口、所述四通阀的所述第二端口与所述加热器的所述进液口之间形成连通回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的用于燃料电池发动机的冷却液加热装置设置了加热器、四通阀以及控制器，能够降低小循环的流阻，使得第一泵体的输出功率降低，同时能够使得电堆的冷却液流量保持不变从而能够满足电堆进出口冷却液的温差要求，并且能够独立地为客舱和/或燃料电池的加热提供热源，使得整车客舱或者燃料电池不需要装配额外的加热器进行加热，经济性好。
2、本发明的用于燃料电池发动机的冷却液加热装置的加热器包括加热电阻和介质通道，将加热电阻设置在介质通道的外壁上，能够快速、准确地对流经介质通道的冷却液进行加热，简捷高效，且稳定性好，可靠性好。
3、本发明的用于燃料电池发动机的冷却液加热装置设置了壳体，能够起到保护加热器、四通阀以及控制器的作用，并且能够使得冷却液加热装置使用起来更加方便。
4、本发明的用于燃料电池发动机的冷却液加热装置结构简单，使用方便，应用范围广，且经济性好。
5、本发明的用于燃料电池发动机的加热回路不仅能够利用燃料电池发动机的废热，而且当燃料电池发动机不工作时能够将冷却液加热装置作为供热来源，独立地为客舱和/或燃料电池供热，使得整车客舱或者燃料电池不需要装配额外的加热器进行加热，便捷高效，且稳定性好，可靠性好，同时利用冷却液加热装置能够降低流阻。
附图说明
图1示出了现有技术中燃料电池热管理系统的一个具体实施例的结构示意图；
图2示出了本发明的用于燃料电池发动机的冷却液加热装置的一个具体实施例的结构示意图；
图3示出了本发明的用于燃料电池发动机的加热回路的一个具体实施例的结构示意图。
其中，1-加热器；11-进液口；12-出液口；13-加热电阻；14-介质通道；2-四通阀；21-四通阀4的第一端口；22-四通阀4的第二端口；23-四通阀4的第三端口；24-四通阀4的第四端口；3-壳体；4-电堆；5-第一泵体；6-换热器；7-第二泵体；8-客舱和/或燃料电池。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。
本发明所提到的方向用语例如“内”、“外”等，仅是参考附加图式的方式。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
如图2、图3所示，本发明提出的用于燃料电池发动机的冷却液加热装置，包括：加热器1、四通阀2以及控制器。其中，
加热器1用于对流经加热器1的冷却液进行加热。
四通阀2与加热器1并联连接。四通阀2上设置有第一端口21、第二端口22、第三端口23以及第四端口24。四通阀2的第二端口22与加热器1的进液口11连接。四通阀2的第三端口23与加热器1的出液口12连接。
控制器与加热器1电连接。控制器用于控制加热器1对流经加热器1的冷却液进行加热。其中，利用控制器能够使得加热器1的加热温度保持在合适的加热温度范围内，且灵敏度高，准确性好，可靠性好。
控制器与四通阀2电连接。控制器用于控制四通阀2的第一端口21（A）与第二端口22（B）、四通阀2的第一端口21与第三端口23（C）和/或四通阀2的第一端口21与第四端口24（D）的连通；和/或，控制器用于控制四通阀2的第四端口24与第二端口22的连通。其中，利用控制器能够根据需要打开四通阀2的相应端口，且灵敏度高，准确性好，可靠性好。
其中，由于四通阀2的流阻很小，因此四通阀2与加热器1并联连接，能够使得冷却液加热装置的流阻降低。同时，该冷却液加热装置不仅能够应用于燃料电池热管理系统的小循环中，而且能够独立为客舱和/或燃料电池8的加热提供热源。例如，当四通阀2的第一端口21与第三端口23连通时，冷却液能够直接通过流经四通阀2的第一端口21与第三端口23而流出冷却液加热装置，能够有效降低冷却液加热装置的流阻，从而能够降低小循环中的流阻。而当燃料电池发动机没有运行时，但是客舱和/或燃料电池8有加热需求，打开四通阀2的第二端口22和第四端口24，使得四通阀2的第二端口22和第四端口24连通，运行冷却液加热装置，能够加热客舱和/或燃料电池8。
在一个具体的实施例中，如图2所示，加热器1包括：加热电阻13和介质通道14，其中，
加热电阻13设置在介质通道14的外壁上，加热电阻13用于对流经介质通道14的冷却液进行加热。
介质通道14用于供流经加热器1的冷却液通过，介质通道14的进液口与四通阀2的第二端口22连接，介质通道14的出液口与四通阀2的第三端口23连接。
其中，将加热电阻13设置在介质通道14的外壁上，能够快速、准确地对流经介质通道14的冷却液进行加热，简捷高效，且稳定性好，可靠性好。
在一个具体的实施例中，如图2所示，加热电阻13为正温度系数电阻，灵敏度高、工作温度范围宽且体积小。
在一个具体的实施例中，如图2所示，介质通道14为水箱，结构简单，使用方便。其中，水箱为换热水箱或储热水箱。
在一个具体的实施例中，如图2所示，冷却液加热装置还包括壳体3。加热器1、四通阀2以及控制器均设置在壳体3内。四通阀2的第一端口21、第三端口23以及第四端口24均伸出壳体3并设置在壳体3的外部。其中，利用壳体3能够起到保护加热器1、四通阀2以及控制器的作用，并且能够使得冷却液加热装置使用起来更加方便。
本发明的冷却液加热装置使用时，不仅流阻降低，而且能够独立为客舱和/或燃料电池8的加热提供热源。
在上述各实施例的基础上，如图2、图3所示，本发明还提出了一种用于燃料电池发动机的加热回路，包括：电堆4、所述的冷却液加热装置、第一泵体5、换热器6、第二泵体7以及客舱和/或燃料电池8。其中，
电堆4的出口与冷却液加热装置的四通阀2的第一端口21连接。四通阀2的第三端口23通过第一泵体5与电堆4的进口连接。四通阀2的第四端口24通过第二泵体7与换热器6的第一端口连接。换热器6的第二端口与四通阀2的第三端口23连接。换热器6与客舱和/或燃料电池8并联连接。换热器6用于对客舱和/或燃料电池8进行加热。
其中，该加热回路能够便于利用燃料电池发动机的废热，并且当燃料电池发动机不工作时能够将冷却液加热装置作为供热来源，独立地为客舱和/或燃料电池8供热，便捷高效，且稳定性好，可靠性好。同时利用冷却液加热装置，能够降低流阻。
在一个具体的实施例中，如图2、图3所示，四通阀2的第一端口21与四通阀2的第三端口23导通时，电堆4的出口与四通阀2的第一端口21、四通阀2的第一端口21与四通阀2的第三端口23、四通阀2的第三端口23与第一泵体5的第一端口以及第一泵体5的第二端口与电堆4的进口之间形成连通回路。其中，当环境温度低，散热器散热功率太大时，增大小循环开度，并打开四通阀2的第一端口21与四通阀2的第三端口23的通道，能够减少甚至切断流经散热器的冷却液，减少散热器散热，提高冷却液进入电堆4的进口温度。
在一个具体的实施例中，如图2、图3所示，四通阀2的第一端口21与四通阀2的第二端口22导通时，电堆4的出口与四通阀2的第一端口21、四通阀2的第一端口21与四通阀2的第二端口22、四通阀2的第二端口22与冷却液加热装置的加热器1的进液口11、加热器1的出液口12与第一泵体5的第一端口以及第一泵体5的第二端口与电堆4的进口之间形成连通回路。其中，当燃料电池发动机冷冻启动时，小循环开度为100%，并打开四通阀2的第一端口21与四通阀2的第二端口22的通道，冷却液全部流经冷却液加热装置，经冷却液加热装置，加热，冷却液温度快速升高。
在一个具体的实施例中，如图2、图3所示，四通阀2的第一端口21与四通阀2的第四端口24导通时，电堆4的出口与四通阀2的第一端口21、四通阀2的第一端口21与四通阀2的第四端口24、四通阀2的第四端口24与第二泵体7的第一端口、第二泵体7的第二端口与换热器6的第一端口、换热器6的第二端口与第一泵体5的第一端口以及第一泵体5的第二端口与电堆4的进口之间形成连通回路。其中，当整车需要利用燃料电池发动机的热时，增大小循环的开度，并打开四通阀2的第一端口21与四通阀2的第四端口24的通道，冷却液流经整车废热利用的换热器6，从而能够将燃料电池发动机多余的热量传递给客舱和/或燃料电池8。
在一个具体的实施例中，如图2、图3所示，四通阀2的第四端口24与四通阀2的第二端口22导通时，加热器1的出液口12与换热器6的第二端口、换热器6的第一端口与第二泵体7的第二端口、第二泵体7的第一端口与四通阀2的第四端口24、四通阀2的第四端口24与四通阀2的第二端口22、四通阀2的第二端口22与加热器1的进液口11之间形成连通回路。其中，当料电池发动机没有运行时，但是客舱和/或燃料电池8有加热需求，打开四通阀2的第四端口24与四通阀2的第二端口22的通道，运行第二泵体7和冷却液加热装置，能够单独地使用料电池发动机上的冷却液加热装置加热客舱和/或燃料电池8。
本发明的加热回路使用时，能够利用燃料电池发动机的废热，并且当燃料电池发动机不工作时能够将冷却液加热装置作为供热来源，独立地为客舱和/或燃料电池8供热。同时利用冷却液加热装置能够降低流阻。
本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，包括：电堆（4）、冷却液加热装置、第一泵体（5）、换热器（6）、第二泵体（7）以及客舱和/或燃料电池（8）；其中，
所述冷却液加热装置包括：加热器（1）、四通阀（2）以及控制器；
所述加热器（1）用于对流经所述加热器（1）的冷却液进行加热；
所述四通阀（2）与所述加热器（1）并联连接，所述四通阀（2）上设置有第一端口（21）、第二端口（22）、第三端口（23）以及第四端口（24），所述四通阀（2）的所述第二端口（22）与所述加热器（1）的进液口（11）连接，所述四通阀（2）的所述第三端口（23）与所述加热器（1）的出液口（12）连接；
所述控制器与所述加热器（1）电连接，所述控制器用于控制所述加热器（1）对流经所述加热器（1）的所述冷却液进行加热；
所述控制器与所述四通阀（2）电连接，所述控制器用于控制所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述第二端口（22）、所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述第三端口（23）和/或所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述第四端口（24）的连通；和/或，所述控制器用于控制所述四通阀（2）的所述第四端口（24）与所述第二端口（22）的连通；
所述电堆（4）的出口与所述四通阀（2）的所述第一端口（21）连接；所述四通阀（2）的所述第三端口（23）通过所述第一泵体（5）与所述电堆（4）的进口连接；所述四通阀（2）的所述第四端口（24）通过所述第二泵体（7）与所述换热器（6）的第一端口连接，所述换热器（6）的第二端口与所述四通阀（2）的所述第三端口（23）连接；所述换热器（6）与所述客舱和/或所述燃料电池（8）并联连接，所述换热器（6）用于对所述客舱和/或所述燃料电池（8）进行加热。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述加热器（1）包括：加热电阻（13）和介质通道（14）；其中，
所述加热电阻（13）设置在所述介质通道（14）的外壁上，所述加热电阻（13）用于对流经所述介质通道（14）的所述冷却液进行加热；
所述介质通道（14）用于供流经所述加热器（1）的所述冷却液通过，所述介质通道（14）的进液口与所述四通阀（2）的所述第二端口（22）连接，所述介质通道（14）的出液口与所述四通阀（2）的所述第三端口（23）连接。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述加热电阻（13）为正温度系数电阻，所述介质通道（14）为水箱。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述冷却液加热装置还包括壳体（3），所述加热器（1）、所述四通阀（2）以及所述控制器均设置在所述壳体（3）内，所述四通阀（2）的所述第一端口（21）、所述第二端口（22）以及所述第四端口（24）均伸出所述壳体（3）并设置在所述壳体（3）的外部。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述四通阀（2）的所述第三端口（23）导通时，所述电堆（4）的所述出口与所述四通阀（2）的所述第一端口（21）、所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述四通阀（2）的所述第三端口（23）、所述四通阀（2）的所述第三端口（23）与所述第一泵体（5）的第一端口以及所述第一泵体（5）的第二端口与所述电堆（4）的所述进口之间形成连通回路。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述四通阀（2）的所述第二端口（22）导通时，所述电堆（4）的所述出口与所述四通阀（2）的所述第一端口（21）、所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述四通阀（2）的所述第二端口（22）、所述四通阀（2）的所述第二端口（22）与所述冷却液加热装置的加热器（1）的进液口（11）、所述加热器（1）的出液口（12）与所述第一泵体（5）的所述第一端口以及所述第一泵体（5）的所述第二端口与所述电堆（4）的所述进口之间形成连通回路。
7.根据权利要求5所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述四通阀（2）的所述第四端口（24）导通时，所述电堆（4）的所述出口与所述四通阀（2）的所述第一端口（21）、所述四通阀（2）的所述第一端口（21）与所述四通阀（2）的所述第四端口（24）、所述四通阀（2）的所述第四端口（24）与所述第二泵体（7）的第一端口、所述第二泵体（7）的第二端口与所述换热器（6）的所述第一端口、所述换热器（6）的所述第二端口与所述第一泵体（5）的所述第一端口以及所述第一泵体（5）的所述第二端口与所述电堆（4）的所述进口之间形成连通回路。
8.根据权利要求6所述的用于燃料电池发动机的加热回路，其特征在于，所述四通阀（2）的所述第四端口（24）与所述四通阀（2）的所述第二端口（22）导通时，所述加热器（1）的所述出液口（12）与所述换热器（6）的所述第二端口、所述换热器（6）的所述第一端口与所述第二泵体（7）的所述第二端口、所述第二泵体（7）的所述第一端口与所述四通阀（2）的所述第四端口（24）、所述四通阀（2）的所述第四端口（24）与所述四通阀（2）的所述第二端口（22）、所述四通阀（2）的所述第二端口（22）与所述加热器（1）的所述进液口（11）之间形成连通回路。
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