CN117117241A - 燃料电池的散热管理系统及电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的散热管理系统及电动汽车，其中，燃料电池的散热管理系统包括换热管路、散热管路和进气降温管路，换热管路的两端分别与燃料电池的冷却液入端和冷却液出端连通，换热管路上设置有主水泵；散热管路的两端分别与燃料电池的转换器连通，散热管路上设置有辅助水泵；进气降温管路与燃料电池的进气口和出气口连通，进气降温管路上设置有中冷器，中冷器的两端均通过降温支路与散热管路连通。本发明通过将中冷器连通至散热管路，中冷器不会对换热管路的主冷却液分流，同时中冷器内的杂质不会进入燃料电池内，从而提高了燃料电池的散热效果，提高电池的耐久性和性能。

Description

燃料电池的散热管理系统及电动汽车

技术领域

本发明涉及清洁能源技术领域，尤其涉及一种燃料电池的散热管理系统及电动汽车。

背景技术

当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度是石油的 3 倍、煤炭的 4.5 倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。氢能被广泛应用于各个场景，其中氢燃料电池发展势头正猛，来自于材料等方面的限制使得电堆温度始终控制在较低的范围内，温度升高就直接影响电堆的使用寿命。一方面导致电堆内水的蒸发加速，直接影响到H+的传导速率，另一方面会导致质子膜的穿孔等风险，所以直接有效的控制电堆温差和最高温度有非常重要的意义。

现有技术的燃料电池在高功率工作下，温度升高，其内冷却液的进水和回水的温差较大，导致燃料电池内的热应力较大，长期以往会导致电堆的损坏，电池的寿命下降，同时温度波动较大会导致质子交换膜的损坏，影响开路电压和输出电压，同时冷却液的温度升高，导致对燃料电池的散热效果降低，容易导致电池高温时性能衰减，耐久性和寿命下降；再者，燃料电池进气温度需要通过中冷器降温，中冷器的冷却回路与燃料电池的冷却液回路连通，不仅会对燃料电池的冷却液分流，降低燃料电池的散热效率，同时受限于加工技术和环境，中冷器内部的一些杂质或钎焊剂可能会随冷却液进入燃料电池内部并累积，导致电堆冷却液流道堵塞，冷却液无法流通，导致电堆温度过高，电堆容易损坏。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池的散热管理系统及电动汽车，旨在解决现有的燃料电池电堆的进回水温差大导致燃料电池的耐久性和寿命下降，以及中冷器内的杂质在电堆内积累，导致燃料电池的寿命下降的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池的散热管理系统，包括：

换热管路，所述换热管路的两端分别与所述燃料电池的冷却液入端和冷却液出端连通，所述换热管路内部循环流通有主冷却液，所述换热管路上设置有用于对所述主冷却液散热的主散热器和用于驱动所述主冷却液流动的主水泵；

散热管路，所述散热管路的两端分别与所述燃料电池的转换器连通，所述散热管路内循环流通有辅助冷却液，所述散热管路上设置有用于对所述辅助冷却液散热的辅助散热器和用于驱动所述辅助冷却液流动的辅助水泵；

进气降温管路，所述进气降温管路与所述燃料电池的进气口和出气口连通，所述进气降温管路上设置有中冷器，所述中冷器的两端均通过降温支路与所述散热管路连通。

优选地，所述降温支路包括第一子路和第二子路，所述中冷器的进水口通过所述第一子路与所述散热管路连通，所述中冷器的出水口通过所述第二子路与所述散热管路连通，所述进气降温管路上还设置有位于所述中冷器与所述进气口之间的温度传感器，所述第一子路上设置有位于所述中冷器的进水口与所述散热管路之间的调节阀，所述温度传感器和所述调节阀均与FCU控制器电连接。

优选地，所述散热管路上并联设置有储水支路，所述储水支路上设置有辅助水箱，所述储水支路的进水端与所述辅助散热器连通，所述储水支路的出水端位于所述辅助水泵与所述辅助散热器之间。

优选地，所述进气降温管路上设置有空压机，所述散热管路上并联设置有散热支路，所述空压机的进液口与出液口均所述散热支路连通，所述散热支路的进水口位于所述辅助散热器与所述转换器的入口之间，所述散热支路的出水口位于所述辅助散热器与所述转换器的出口之间。

优选地，所述换热管路包括相互连通的进水支路和回水支路，所述进水支路与所述燃料电池的冷却液入端连通，所述回水支路与所述燃料电池的冷却液出端连通，所述主散热器安装在所述回水支路上。

优选地，所述进水支路上安装有主水箱，所述主水泵位于所述冷却液入端与所述主水箱之间，所述回水支路与所述主水箱之间连通有净化管路，所述净化管路上设置有去离子器。

优选地，所述进水支路上还设置有位于所述主水箱与所述冷却液入端之间的滤水器。

优选地，所述燃料电池的散热管理系统还包括加热支路，所述加热支路的进水端与所述进水支路连通，所述加热支路的出水端与所述回水支路连通，所述加热支路上设置有加热器。

优选地，所述回水支路上还设置有节温器，所述节温器与所述加热支路连通。

本发明还提供一种电动汽车，所述电动汽车应用有上述的燃料电池的散热管理系统。

在本发明的技术方案中，中冷器并未与换热管路连通，而是与用于给燃料电池的转换器散热的散热管路连通，转换器的散热需求不高，因此将中冷器连通至散热管路，无需从换热管路分流，换热管路内的冷却液全部用于给燃料电池散热，提高了燃料电池的散热效率和散热效果，可以降低进出燃料电池的冷却液的温差，降低燃料电池内的热应力，防止电堆和质子交换膜损坏，同时可以降低燃料电池内的温度，提高电池高温时的性能，提高电池的耐久性和寿命；同时中冷器内的钎焊剂及杂质等不会流入电堆内的冷却液流道，防止电堆内冷却液流道堵塞导致冷却液无法流通，避免电堆温度过高损坏的问题的发生，提高了电堆的耐久性，延长了电池的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例燃料电池的散热管理系统的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种燃料电池的散热管理系统1。

请参阅图1，本实施例的燃料电池的散热管理系统1，包括换热管路10、散热管路20和进气降温管路30，换热管路10的两端分别与燃料电池60的冷却液入端和冷却液出端连通，换热管路10内部循环流通有主冷却液，换热管路10上设置有用于对主冷却液散热的主散热器121和用于驱动主冷却液流动的主水泵113；散热管路20的两端分别与燃料电池60的转换器61连通，散热管路20内循环流通有辅助冷却液，散热管路20上设置有用于对辅助冷却液散热的辅助散热器22和用于驱动辅助冷却液流动的辅助水泵21；进气降温管路30与燃料电池60的进气口和出气口连通，进气降温管路30上设置有中冷器31，中冷器31的两端均通过降温支路40与散热管路20连通。

可以理解地，燃料电池60通常用于新能源汽车，新能源汽车的燃料电池60的dc-dc转换器61处设置有散热管路20为转换器61散热，因此将中冷器31通过降温支路40与散热管路20连通，无需额外设置管路，节约成本的同时可以降低燃料电池60的体积。

在本发明的技术方案中，中冷器31并未与换热管路10连通，而是与用于给燃料电池60的转换器61散热的散热管路20连通，转换器61的散热需求不高，因此将中冷器31连通至散热管路20，无需从换热管路10分流，换热管路10内的冷却液全部用于给燃料电池60散热，提高了燃料电池60的散热效率和散热效果，可以降低进出燃料电池60的冷却液的温差，降低燃料电池60内的热应力，防止电堆和质子交换膜损坏，同时可以降低燃料电池60内的温度，提高电池高温时的性能，提高电池的耐久性和寿命；同时中冷器31内的钎焊剂及杂质等不会流入电堆内的冷却液流道，防止电堆内冷却液流道堵塞导致冷却液无法流通，避免电堆温度过高损坏的问题的发生，提高了电堆的耐久性，延长了电池的使用寿命。

进一步地，降温支路40包括第一子路41和第二子路42，中冷器31的进水口通过第一子路41与散热管路20连通，中冷器31的出水口通过第二子路42与散热管路20连通，进气降温管路30上还设置有位于中冷器31与进气口之间的温度传感器32，第一子路41上设置有位于中冷器31的进水口与散热管路20之间的调节阀411，温度传感器32和调节阀411均与FCU控制器50电连接。

在中冷器31与进气口之间设置温度传感器32，检测燃料电池60的进气温度，再在第一子路41上设置调节阀411，温度传感器32将检测到的燃料电池60的进气温度传输至电动汽车本身的FCU控制器50，然后FCU控制器50根据进气温度实时调节调节阀411，以调节降温支路40对散热管路20的分流流量，以提高对转换器61的散热效果。

燃料电池60通常用于新能源汽车，其中氢燃料电池60汽车中设置有燃料电池主控制器，该燃料电池主控制器为上述的FCU控制器50，因此将温度传感器32和调节阀411与FCU控制器50电连接，无需额外设置控制器，节约成本的同时还可以降低燃料电池60的体积。

在一实施例中，散热管路20上并联设置有储水支路23，储水支路23上设置有辅助水箱24，储水支路23的进水端与辅助散热器22连通，储水支路23的出水端位于辅助水泵21与辅助散热器22之间。可以理解地，转换器61产生的气体也通过散热管路20排出，在散热管路20上并联设置辅助水箱24，气体进入辅助水箱24后从辅助水箱24排出，防止气体堆积影响散热管路20内的辅助冷却液的流动，储水支路23的出水端位于辅助水泵21与辅助散热器22之间，即辅助水泵21位于储水支路23的出水方向上，通过辅助水箱24内的辅助冷却液堆积产生的水压对水泵的入水口提供正压，防止水泵的入口发生气蚀，维持散热管路20的稳定性。

进一步地，进气降温管路30上设置有空压机33，散热管路20上并联设置有散热支路25，空压机33的进液口与出液口均散热支路25连通，散热支路25的进水口位于辅助散热器22与转换器61的入口之间，散热支路25的出水口位于辅助散热器22与转换器61的出口之间。

空压机33在燃料电池60中负责为电堆输送特定压力及流量的洁净空气，为电堆反应提供必需的氧气，由于其需要对空气进行压缩，压缩过程中空压机33发热，如果温度过高会导致空压机33效率下降，影响燃料电池60的效率，因此通过散热支路25对空压机33进行散热，以保证空压机33的稳定运行，保证燃料电池60的发电效率。

在一实施例中，换热管路10包括相互连通的进水支路11和回水支路12，进水支路11与燃料电池60的冷却液入端连通，回水支路12与燃料电池60的冷却液出端连通，主散热器121安装在回水支路12上。燃料电池60的主冷却液在其内部经过换热升温后，从冷却液出端流出进入回水支路12，在回水支路12上设置主散热器121，以对升温后的主冷却液降温，降温后的主冷却液经进水支路11后从冷却液入端再次进入燃料电池60，完成换热循环，保证燃料电池60维持在一个稳定的温度，提高燃料电池60的稳定性和效率。

进一步地，进水支路11上安装有主水箱111，主水泵113位于冷却液入端与主水箱111之间，回水支路12与主水箱111之间连通有净化管路13，净化管路13上设置有去离子器131。在燃料电池60高功率运行时，如果水泵的入口处压力不足产生负压，就容易导致水泵的气蚀，进而导致燃料电池60的电堆过温损坏，因此在水泵的入口方向设置水箱用于储存冷却后的冷却液，通过水箱内的一定高度的冷却液对水泵入口提供足够的正压，保证水泵内不发生气蚀，维持系统的稳定运行；电堆运行过程中，散热管路20中的零部件可能会析出离子，冷却液中离子过多会导致冷却液导电，造成危险，因此通过去离子器131对冷却液进行净化，去除冷却液中的离子，防止冷却液电伤人员。

在一实施例中，进水支路11上还设置有位于主水箱111与冷却液入端之间的滤水器112。换热管路10内部的部件可能会腐蚀老化，导致部分杂质进入冷却液中，当杂质进入电池极片之间并累积后，容易导致电池损坏，降低电池性能和寿命，因此在冷却液入端之前设置滤水器112，对冷却液进行过滤，保证系统的稳定性，延长电池使用寿命。

需要注意的是，水箱应尽可能布置在高处，以提高水泵入口处的正压，同时为了减少流阻，水箱到滤水器112之间的水管管径应大于50mm。

在一实施例中，燃料电池的散热管理系统1还包括加热支路14，加热支路14的进水端与进水支路11连通，加热支路14的出水端与回水支路12连通，加热支路14上设置有加热器141。在冬天或温度较低的地方，为满足燃料电池60快速启动，通过加热器141先对换热管路10内的循环水加热到可启动温度，同时在燃料电池60低功率运行，对散热要求不高时，冷却液可以直接不经过撒热气，直接从加热支路14进入进水支路11然后进行循环，降低整体能耗。

可选地，加热器141可选择PTC加热器。

优选地，回水支路12上还设置有节温器122，节温器122与加热支路14连通。通过节温器122控制换热管路10内的冷却液温度，保证冷却液温度在预设范围内，提高燃料电池60的性能，提高能源转换效率。

本发明还提供一种电动汽车，电动汽车应用有上述的燃料电池的散热管理系统1。该燃料电池的散热管理系统1的具体结构参照上述实施例，由于本电动汽车采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池的散热管理系统，其特征在于，包括：

换热管路，所述换热管路的两端分别与所述燃料电池的冷却液入端和冷却液出端连通，所述换热管路内部循环流通有主冷却液，所述换热管路上设置有用于对所述主冷却液散热的主散热器和用于驱动所述主冷却液流动的主水泵；

散热管路，所述散热管路的两端分别与所述燃料电池的转换器连通，所述散热管路内循环流通有辅助冷却液，所述散热管路上设置有用于对所述辅助冷却液散热的辅助散热器和用于驱动所述辅助冷却液流动的辅助水泵；

进气降温管路，所述进气降温管路与所述燃料电池的进气口和出气口连通，所述进气降温管路上设置有中冷器，所述中冷器的两端均通过降温支路与所述散热管路连通。

2.如权利要求1所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述降温支路包括第一子路和第二子路，所述中冷器的进水口通过所述第一子路与所述散热管路连通，所述中冷器的出水口通过所述第二子路与所述散热管路连通，所述进气降温管路上还设置有位于所述中冷器与所述进气口之间的温度传感器，所述第一子路上设置有位于所述中冷器的进水口与所述散热管路之间的调节阀，所述温度传感器和所述调节阀均与FCU控制器电连接。

3.如权利要求1所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述散热管路上并联设置有储水支路，所述储水支路上设置有辅助水箱，所述储水支路的进水端与所述辅助散热器连通，所述储水支路的出水端位于所述辅助水泵与所述辅助散热器之间。

4.如权利要求1所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述进气降温管路上设置有空压机，所述散热管路上并联设置有散热支路，所述空压机的进液口与出液口均所述散热支路连通，所述散热支路的进水口位于所述辅助散热器与所述转换器的入口之间，所述散热支路的出水口位于所述辅助散热器与所述转换器的出口之间。

5.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述换热管路包括相互连通的进水支路和回水支路，所述进水支路与所述燃料电池的冷却液入端连通，所述回水支路与所述燃料电池的冷却液出端连通，所述主散热器安装在所述回水支路上。

6.如权利要求5所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述进水支路上安装有主水箱，所述主水泵位于所述冷却液入端与所述主水箱之间，所述回水支路与所述主水箱之间连通有净化管路，所述净化管路上设置有去离子器。

7.如权利要求6所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述进水支路上还设置有位于所述主水箱与所述冷却液入端之间的滤水器。

8.如权利要求5所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述燃料电池的散热管理系统还包括加热支路，所述加热支路的进水端与所述进水支路连通，所述加热支路的出水端与所述回水支路连通，所述加热支路上设置有加热器。

9.如权利要求8所述的燃料电池的散热管理系统，其特征在于，所述回水支路上还设置有节温器，所述节温器与所述加热支路连通。

10.一种电动汽车，其特征在于，所述电动汽车应用有燃料电池和如权利要求1-9中任一项所述的燃料电池的散热管理系统。