CN117525482A - 燃料电池的热管理系统、热管理方法、燃料电池及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池的技术领域，提供一种燃料电池的热管理系统、热管理方法、燃料电池及车辆，包括换热模块、控制件、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，换热模块用于为冷却介质散热；控制件包括测温部和多通结构，测温部用以测量流经控制件的冷却介质的温度；多通结构至少包括第一端、第二端和第三端；第一管路连通多通结构的第一端和电堆的出口；第二管路连通多通结构的第二端和换热模块；第三管路连通换热模块和电堆的进口；第四管路连通多通结构的第三端和电堆的进口。本发明所述的一种燃料电池的热管理系统、热管理方法、燃料电池及车辆，使得电堆可以尽快进入合适的温度工作范围，提供输出功率。

Description

燃料电池的热管理系统、热管理方法、燃料电池及车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池的技术领域，尤其涉及一种燃料电池的热管理系统、热管理方法、燃料电池及车辆。

背景技术

质子交换膜燃料电池(英文名为Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)是一种常见的燃料电池类型，广泛应用于交通工具、便携设备和住宅等领域。作为氢能利用的重要形式之一，质子交换膜燃料电池具有高效率、零排放、低噪声的特点，对推动绿色低碳化转型升级具有重要意义。

PEMFC的发电效率一般在50％-60％，在工作过程中伴随大量的热量产生，电池工作温度是决定PEMFC输出性能的重要影响因素。温度分布对电堆内气体的压力、湿度、质子交换膜的含水量、催化剂的活性、化学反应速率、电堆的输出性能和寿命都有着十分重要的影响。由于燃料电池热管理系统自身存在时滞特性，并且燃料电池系统的运行工况(启动、加速、减速和停机等工况)和运行条件比较复杂，因此热管理系统控制的效果对于提高燃料电池的可靠性以及改善运行性能至关重要。

以散热器为主要特征的燃料电池热管理系统还不能满足燃料电池冷却温度跟随功率变化做出动态快速响应的需求，主要存在以下不足：一是散热器具有较大热惯性，对于变工况下的温度调节无法做到快速响应，加上电堆冷却温度具有时滞性，其控制过程极易引起系统超调，造成控制过程时间延长；二是传统车用热管理系统主要部件为散热器，其散热能力与散热器面积有关，散热器体积越大散热量越大，对热管理系统空间布置要求较高。

发明内容

本发明提供一种燃料电池的热管理系统，用以解决现有技术中的燃料电池热管理系统自身存在时滞特性的缺陷，防止电堆的温度骤然下降。

本发明提供一种燃料电池的热管理系统，包括：

换热模块，所述换热模块用于为冷却介质散热；

控制件，所述控制件包括测温部和多通结构，所述测温部用以测量流经所述控制件的冷却介质的温度；所述多通结构至少包括第一端、第二端和第三端；

第一管路，所述第一管路连通所述多通结构的第一端和电堆的出口；

第二管路，所述第二管路连通所述多通结构的第二端和所述换热模块；

第三管路，所述第三管路连通所述换热模块和电堆的进口；

第四管路，所述第四管路连通所述多通结构的第三端和所述电堆的进口；

所述测温部检测到的温度大于或等于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第二端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件、所述第二管路、所述换热模块和所述第三管路；

所述测温部检测到的温度小于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件和所述第四管路。

根据本发明提供的一种燃料电池的热管理系统，所述换热模块包括换热器和换热管路，所述换热器包括热端和冷端，所述热端连通所述第二管路和所述第三管路，所述冷端通过换热管路连通散热器或冷却塔，形成辅助冷却回路。

根据本发明提供的一种燃料电池的热管理系统，所述换热器为管束式换热器，所述管束式换热器包括第一对流管束和第二对流管束，所述第一对流管束的一端为所述热端，所述第二对流管束的一端为所述冷端。

根据本发明提供的一种燃料电池的热管理系统，还包括中冷器，所述中冷器的进口与所述电堆的出口连接，所述中冷器的出口与所述电堆的进口连接。

根据本发明提供的一种燃料电池的热管理系统，还包括循环泵和第五管路，所述第五管路的一端连通所述第三管路和所述第四管路，另一端和所述电堆的进口连接；所述循环泵设置在所述第五管路上。

本发明还提供了一种热管理方法，包括：

所述测温部检测到的温度大于或等于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第二端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件、所述第二管路、所述换热模块和所述第三管路；

所述测温部检测到的温度小于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件和所述第四管路。

根据本发明提供的一种热管理方法，在所述电堆的输出功率增加的情况下，调节所述多通结构的开度使得流入主冷却回路的冷却介质流量增加；

在所述电堆的输出功率减少的情况下，调节所述多通结构的开度使得流入所述主冷却回路的冷却介质流量减少。

本发明还提供了一种燃料电池，包括电堆和燃料电池的热管理系统。

根据本发明提供的一种燃料电池，还包括PDU组件，所述PDU组件包括一级单向可调升压模块、二级升降压模块、隔离模块和三级升降压模块，所述一级单向可调升压模块、所述二级升降压模块、所述隔离模块和所述三级升降压模块依次电性连接；所述一级单向可调升压模块与电堆的输出端电性连接。

本发明还提供了一种车辆，车身本体和燃料电池。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例提供的燃料电池的热管理系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的燃料电池的热管理系统的换热模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的通入电堆的冷却介质温度曲线图；

图4是本发明实施例提供的燃料电池的立体结构示意图；

图5是本发明实施例提供的燃料电池的PDU组件的示意图。

附图标记：

100、换热模块；110、换热器；120、换热管路；121、冷却入口；122、冷却出口；130、散热器；131、散热风扇；132、水箱；140、换热水泵；

200、控制件；

310、第一管路；320、第二管路；330、第三管路；340、第四管路；350、第五管路；

400、电堆；

510、PDU组件；520、循环泵；530、PTC加热器；540、离子过滤器；550、膨胀水箱；560、颗粒过滤器；

610、空气流量计；620、温湿压一体传感器；630、空压机；640、中冷器；650、进气节气门；660、增湿器；670、出气节气门；680、旁通阀；

710、电磁阀；720、氢气循环泵；730、安全阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明实施例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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

燃料电池的电堆的正常工作温度在六十度到八十度之间，而现有技术的散热器在对燃料电池的电堆进行散热时，由于散热器的热惯性较大，且冷却回路较长，导致电堆冷却温度具有时滞性，响应速度慢，在降温过程中容易造成电堆温度过低，超出电堆的正常工作温度，影响电堆的正常工作。

请参阅图1，本发明第一方面实施例提供了一种燃料电池的热管理系统，包括换热模块100、控制件200、第一管路310、第二管路320、第三管路330和第四管路340，换热模块100用于为冷却介质散热；控制件200包括测温部和多通结构，测温部用以测量流经控制件200的冷却介质的温度；多通结构至少包括第一端、第二端和第三端；第一管路310连通多通结构的第一端和电堆400的出口；第二管路320连通多通结构的第二端和换热模块100；第三管路330连通换热模块100和电堆400的进口；第四管路340连通多通结构的第三端和电堆400的进口。其中，电堆400、第一管路310、控制件200、第二管路320、换热模块100和第三管路330形成主冷却回路，电堆400、第一管路310、控制件200和第四管路340形成循环回路。

当燃料电池电堆400启动成功后，自身散发的热量开始迅速上升，多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经电堆400、第一管路310、控制件200和第四管路340，即此时冷却介质流经循环回路，冷却介质在循环回路不断循环，以降低电堆400的温度；由于循环回路流经的途径少于主冷却回路，以致循环回路的回路短于主冷却回路，循环回路的热惯性小，可以避免电堆400的温度骤降；同时，由于主冷却回路和循环回路独立运行，当冷却介质流经循环回路时，即使换热模块100的温度发生变化，也不会对循环回路的正常散热工作产生影响；当燃料电池系统从冷机状态启动时，流出电堆400的冷却介质只会流经循环回路，不会流经换热模块100，使得冷却介质温度升高，冷却介质吸收的热量少，电堆400散热少，以致电堆400可以尽快进入合适的温度工作范围，提供输出功率。当电堆400的温度逐渐升高时，循环回路的冷却介质的温度逐渐趋近电堆400的温度，当测温部检测到的温度大于或等于设定温度阈值时，流经电堆400的冷却介质的温度过高，无法对电堆400进行散热，此时多通结构的第一端和第二端导通，使冷却介质依次流经电堆400、第一管路310、控制件200、第二管路320、换热模块100和第三管路330，即冷却介质流动于主冷却回路；冷却介质流经换热模块100时，受换热模块100的作用，冷却介质温度降低；直至测温部检测到的温度小于设定温度阈值时，多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经电堆400、第一管路310、控制件200和第四管路340，即此时冷却介质流经循环回路，冷却介质在循环回路不断循环，以降低电堆400的温度。测温部对电堆400流出的冷却介质进行测温，以实时监控电堆400流出的冷却介质的温度；多通结构用于控制冷却介质的流向。

可以理解的，设定温度阈值小于或等于电堆400的正常工作温度。例如，设定温度阈值为七十度。

本发明实施例的具体的运行方式为：

当燃料电池系统从冷机状态启动时，在温控阀的作用下，流出电堆400的冷却介质只会流经循环回路，不会流经换热模块100，使得冷却介质吸收的热量减少，电堆400可以尽快进入合适的温度工作范围，如七十度，提供输出功率。

当温度逐渐升高时，以流出电堆400的冷却介质的温度作为被控变量(被控变量，指的是一个系统中需要进行控制和调节的变量。在一个控制系统中，通过测量被控变量的数值，并将其与预设值进行比较，产生控制输出信号来调节系统，使被控变量尽可能接近预设值)，燃料电池的FCU组件以增量PID控制的方式，逐渐调节多通结构的第二端的开度，使得部分的冷却介质流入主冷却回路，与换热模块100进行热交换，冷却介质得到冷却；其余冷却介质流入循环回路，起到保温的作用，防止电堆400的温度骤然下降。经主冷却回路和循环回路的冷却介质经过混合后，得到接近目标温度的冷却介质，流入电堆400。在流入电堆400的冷却介质温度高于设定温度阈值的情况下，则增大流入主冷却回路的冷却介质的流量；反之，则减少流入主冷却回路的冷却介质的流量，从而实现电堆400的冷却介质温度的稳定控制。其中，PID是Proportional-Integral-Derivative的缩写，是一种常用的控制算法。它通过对系统的反馈信号进行比例、积分和微分的计算，来实现对系统的精确控制。FCU(Fuel Cell Unit的简称)组件为燃料电池单元。

当电堆400输出功率增加时，电堆400产生的热量增加，为保持流经电堆400的冷却介质温度的稳定，调节多通结构的第二端的开度使得流入主冷却回路的冷却介质流量增加。随着流经主冷却回路的冷却介质流量增加，循环回路中冷却介质的温度也逐渐降低，以降低电堆400的温度。

当电堆400输出功率减少时，电堆400产生的热量减少，同理，调节多通结构的第二端的开度使得流入主冷却回路的冷却介质流量减少。随着流经主冷却回路的冷却介质流量减少，循环回路中冷却介质的温度也逐渐升高，以减少电堆400的热量的散发。

一般的，冷却介质为冷却液。控制件200为现有技术中的比例式温控阀，比例式温控阀是一种能够通过调节阀门的开度来实现流量和温度的比例控制的自动化温控装置，根据输入信号的大小自动地调节阀门的开度，从而控制管道中的流体流量和温度。比例式温控阀包括测温部、控制器和多通结构；测温部为温度传感器，用于测量被控介质的温度，并将温度信号转换为电信号。控制器接收温度传感器反馈的信号，并将其转换成相应的控制信号，通过调节控制信号的大小，控制器可以精确地控制比例式阀门的开度，从而实现流量和温度的比例控制。调节阀为比例式阀门，通过电动或气动方式控制阀门的开度，并根据输入的控制信号实时调节两者之间的比例关系。

当然，多通结构可以为现有技术中的三通阀，控制件200的测温部可以为温度传感器。通过温度传感器反馈的温度值，控制三通阀的开度。

本发明实施例还包括循环泵520和第五管路350，第五管路350的一端连通第三管路330和第四管路340，另一端和电堆400的进口连接；循环泵520设置在第五管路350上，循环泵520起到提供动力的作用；经主冷却回路和循环回路的冷却介质在第五管路350混合，得到接近目标温度的冷却介质，流入电堆400；循环泵520设置在第五管路350上，以便循环泵520为循环回路和主冷却回路的冷却介质的流动提供动力。

本发明实施例还包括PTC加热器530，PTC加热器530设置在第四管路340上，PTC加热器指的是使用正温度系数(PTC为英文Positive Temperature Coefficient的简称)材料的加热器设备。PTC加热器利用PTC材料的特性，在设备通电时产生热量。当燃料电池系统从冷机状态启动或电堆400的输出功率减少时，可通过PCT加热器加热循环回路的冷却介质，以调节循环回路的冷却介质的温度，以致电堆400尽快进入正常的工作温度范围。

请参阅图1至图2，在一个实施例中，换热模块100包括换热器110和换热管路120，换热器110包括热端和冷端，热端连通第二管路320和第三管路330，冷端通过换热管路120连通散热器130或冷却塔，形成辅助冷却回路。辅助冷却回路用以冷却燃料电池的辅助系统；在本发明实施例的换热模块100还包括散热器130，冷端通过换热管路120连通散热器130，散热器130设置有散热风扇131，以供散热。通过控制件200与散热风扇131结合的方式实现流经电堆400的冷却介质温度及时、稳定的温度控制。具体的，控制件200的控制器与散热风扇131电性连接。当电堆400输出功率发生变化时，电堆400产生的热量增加或减少，燃料电池的FCU组件做两部分的响应：一方面调节多通结构的开度，进一步增加或减少流入主冷却回路的冷却介质流量，起快速调节的作用；另一方面，调节散热风扇131的转速，增加或减少散热器130的散热能力，以此来稳定电堆400入口冷却介质温度。换热模块100还包括换热水泵140，散热器130还包括水箱132，水箱132连通换热通道，换热水泵140设置在换热通道上，换热水泵140用以为散热通道内的冷却介质的流动提供动力，散热风扇131用以水箱132的散热，一般的，流经散热通道的冷却介质为水或其他冷却液。

以额定功率为100千瓦的燃料电池为例，额定状态下系统效率约为50.0％，因此所用的换热器110需要有100千瓦以上的换热功率。选用的换热器110体积为91×191×616毫米，换热能力为138千瓦。在本发明实施例中，换热管路120向换热器110的冷端提供15℃、300lpm的冷却介质，冷却介质采用自来水。

在燃料电池运行前，打开换热水泵140，将15℃、300lpm的冷却液通入换热器110的冷端。然后，运行燃料电池，并逐渐拉载至100kW，稳定运行1小时。在此过程中，一开始，流经电堆400的冷却液处于常温状态，此时流经电堆400的冷却液仅流经循环回路。随着燃料电池发动机的运行，产生的热量使得冷却液的温度逐渐升高。此时在FCU组件的作用下，控制件200调整至合适的开度，使得部分冷却液流经主冷却回路，与辅助冷却回路进行热交换。在此过程中，控制件200的开度会不断调整，直至电堆400入口冷却液温度稳定在七十度(即设定温度阈值)。lpm是指每分钟流量单位为升(liters)的标准测量。其中，“l”表示升(liters)，“pm”表示每分钟(per minute)。图3为通入电堆400的冷却介质的温度曲线图。

现有技术中的制冷机组以及管路的离子析出的问题不容小觑，因此，制冷机组回路的冷却介质并不适宜直接通入燃料电池电堆400。故，本发明实施例采用辅助冷却回路和主冷却回路分隔设置，避免流经散热器130或冷却塔的冷却介质通入燃料电池的电堆400，导致流入电堆400的冷却介质的离子浓度过高。

请参阅图1，本发明实施例还包括离子过滤器540、膨胀水箱550和颗粒过滤器560；离子过滤器540为现有技术，用以降低冷却介质中的离子浓度；膨胀水箱550连通离子过滤器540和第三管路330。膨胀水箱550起到补水和保持水压的作用。颗粒过滤器560设置于第三管路330，颗粒过滤器560是现有技术的一种用于过滤液体或气体中颗粒物质的设备。颗粒过滤器560用以过滤流经第三管路330的冷却介质的颗粒物质。

在一个实施例中，换热器110为管束式换热器110，管束式换热器110包括第一对流管束和第二对流管束；换热器110的热端指的是换热器110中传热介质的热源端，也就是传热介质的高温一侧。换热器110的冷端是指实现降温和散热的侧面，也称为热交换器的冷却侧、低温侧或热源的接收侧。第一对流管束的一端为热端，第二对流管束的一端为冷端。第一对流管束和第二对流管束并列设置，其中，流经第一对流管束的冷却介质和第二对流管束以相反的方向流动，形成对流传热，加快换热效率。

本发明实施例还包括中冷器640，中冷器640的进口与电堆400的出口连接，中冷器640的出口与电堆400的进口连接；中冷器640是一种用于降温的设备，用于降低电堆400的运行温度，提高热效率，增强电堆400的耐久性和稳定性。

本发明还提供了一种热管理方法，包括：

测温部检测到的温度大于或等于设定温度阈值时，多通结构的第一端和第二端导通，使冷却介质依次流经电堆400、第一管路310、控制件200、第二管路320、换热模块100和第三管路330；

测温部检测到的温度小于设定温度阈值时，多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经电堆400、第一管路310、控制件200和第四管路340。

在一个实施例中，在电堆400输出功率增加的情况下，调节多通结构的开度使得流入主冷却回路的冷却介质流量增加。随着流经主冷却回路的冷却介质流量增加，循环回路中冷却介质的温度也逐渐降低，以降低电堆400的温度。

在电堆400输出功率减少的情况下，调节多通结构的开度使得流入主冷却回路的冷却介质流量减少。随着流经主冷却回路的冷却介质流量减少，循环回路中冷却介质的温度也逐渐升高，以减少电堆400的热量的散发。

请参阅图4，本发明还提供了一种燃料电池，包括电堆400和燃料电池的热管理系统，燃料电池的热管理系统通过控制件200、主冷却回路和循环回路，使得电堆400的温度保持稳定，避免电堆400的温度骤降。电堆400为现有技术中的电堆400，电堆400包括电堆400本体和电堆400端板，电堆400端板上固定着排水阀，比例阀、气水分离器、温度传感器和压力传感器。

此外，燃料电池还包括空气子系统、氢气子系统和电气及电控系统；空气子系统包含空气流量计610、温湿压一体传感器620、空压机630、中冷器640、进气节气门650、增湿器660、出气节气门670、旁通阀680、温度传感器和压力传感器。

请参阅图4，具体的，本发明实施例还包括框架和橡胶软垫，空压机630和电堆400固定框架上，空气流量计610和温湿压一体传感器620设置于空压机630的前端，进气节气门650、增湿器660、出气节气门670和旁通阀680等零部件设置于空压机630的后端。循环泵520通过橡胶软垫固定在框架上，颗粒过滤器560设置于循环泵520的前端，以致燃料电池的结构更为紧凑。

氢气子系统包括电磁阀710、氢气循环泵720、安全阀730和压力传感器。电气及电控系统包括FCU组件、保险丝盒、低压线束和高压线束。氢气子系统的布置选择靠近电堆400氢气进出口，方便氢气子系统的工作。在一个实施例中，电气及电控系统还包括PDU组件510，PDU组件510为隔离型PDU，隔离型PDU(Power Distribution Unit的简称)是一种用于电力分配和管理的设备，其主要功能是将来自电源输入的电能分配到多个输出插座，并提供保护和控制功能。隔离型PDU与普通PDU的区别在于其具有电气隔离功能。

请参阅图5，PDU组件510包括一级单向可调升压模块、二级升降压模块、隔离模块和三级升降压模块，一级单向可调升压模块、二级升降压模块、隔离模块和三级升降压模块依次电性连接；一级单向可调升压模块与电堆400的输出端电性连接。电堆400输出的电压首先经过一级单向可调升压模块升至600V，用于辅助系统的高压供电；然后会经过二级升降压模块、隔离模块和三级升降压模块，升至母线电压750V。由此实现零部件电压与750V母线电压的匹配。燃料电池的辅助系统一般为空气子系统、氢气子系统和燃料电池的热管理系统。一级单向可调升压模块、二级升降压模块和三级升降压模块为现有技术中的电压调节器，隔离模块为隔离电路。通过两次升压使得电堆400能够同时满足辅助系统的电压需求以及母线电压的需求，通过隔离电路实现燃料电池的辅助系统与高压系统隔离。

解决了隔离型PDU效率低的问题。考虑到隔离环节带来的电压损耗，隔离模块设置在一级单向可调升压模块之后，使得燃料电池系统正常工作后，供给燃料电池辅助系统的高压电能直接来自隔离模块之前，避免了隔离的能量损耗，由此减少辅助系统功率消耗，保障燃料电池系统在长时间稳定运行工况下的效率。

换热管路120包括第一换热管路120和第二换热管路120，第一换热管路120的一端连接换热器110，另一端形成冷却入口121，第二换热管路120的一端连接换热器110，另一端形成冷却出口122；换热管路120的冷却介质分别通入空压机630的控制器以及PDU组件510，带走工作过程中产生的热量。冷却入口121和冷却出口122与散热器130或冷却塔连通，以致燃料电池的的热管理系统对外部仅仅保留冷却入口121和冷却出口122两个出入口，减少的燃料电池的热管理系统对外的连接，方便燃料电池的集成化，实现模块化连接，有利于燃料电池的结构紧凑。由于主冷却回路的冷却介质温度低于循环回路的冷却介质，有利于降低空压机630的控制器以及PDU组件510的温度，提高安全性，同时，保持电堆400处于正常的工作温度范围。

请参阅图4，其中，PDU组件510设置在框架上，膨胀水箱550位于PDU组件510的一侧，燃料电池的的热管理系统位于PDU组件510的下侧，此时，冷却入口121和冷却出口122由框架的一侧向外延伸，氢气子系统位于电堆400的下端，以致燃料电池的整体结构紧凑，节省大量的空间，使得燃料电池的体积减少。在安装时，无需额外考虑燃料电池中电堆400与燃料电池的热管理系统的空间布置问题，方便整车布置以及模块化集成；将用以辅助系统冷却的辅助冷却回路和用以电堆400冷却的循环回路以及主冷却回路集成，使得辅助冷却回路、主冷却回路和循环回路对外仅保留冷却入口121和冷却出口122，方便燃料电池的集成化，简化了燃料电池的安装步骤。

本发明还提供了一种车辆，车身本体和燃料电池。具体的，车身本体为列车本体。

现有技术中的轨道交通工具存在大功率燃料电池系统开发的难题，受电堆400以及配套零部件技术的限制，较难实现200千瓦以上的燃料电池系统。

而本发明实施例的燃料电池对外接口简化为冷却入口121、冷却出口122、空气出入口和氢气入口，降低了对外连接的需求，利于实现模块化连接。燃料电池设置有若干个，多个燃料电池堆叠，实现高功率的供应；将各燃料电池的冷却入口121并联以及将各燃料电池的冷却出口122并联，简化了布置难度；多个燃料电池集成后，仅需要在机车上布置一个冷却塔就可以解决系统的散热问题，不需要多组散热器130，节省了整车布置的空间。其中，与散热管路连接的散热器130或冷却塔设置在列车本体上，节约了燃料电池的空间；在燃料电池启动时，将由列车本体的电源系统经PDU组件510为空压机630、水泵和氢气循环泵720等高压辅助系统供电；待燃料电池启动完成后，经PDU组件510的一级单向可调升压模块、二级升降压模块、隔离模块和三级升降压模块升压至750V的电压，直接为高压辅助系统供电。为了保障燃料电池系统在长时间稳定运行工况下的效率，减少辅助系统功率消耗，故PDU组件510采用了双向隔离的策略，由此实现母线电压的匹配以及燃料电池与高压系统的电压隔离。实现燃料电池与列车的电源之间的电气绝缘，减少燃料电池的高压回路绝缘阻抗对整车高压绝缘性能的影响，同时也可避免整车高压用电器件产生的电磁干扰对燃料电池的执行机构、传感器的影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池的热管理系统，其特征在于，包括：

换热模块，所述换热模块用于为冷却介质散热；

控制件，所述控制件包括测温部和多通结构，所述测温部用以测量流经所述控制件的冷却介质的温度；所述多通结构至少包括第一端、第二端和第三端；

第一管路，所述第一管路连通所述多通结构的第一端和电堆的出口；

第二管路，所述第二管路连通所述多通结构的第二端和所述换热模块；

第三管路，所述第三管路连通所述换热模块和电堆的进口；

第四管路，所述第四管路连通所述多通结构的第三端和所述电堆的进口；

所述测温部检测到的温度大于或等于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第二端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件、所述第二管路、所述换热模块和所述第三管路；

所述测温部检测到的温度小于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件和所述第四管路。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的热管理系统，其特征在于，所述换热模块包括换热器和换热管路，所述换热器包括热端和冷端，所述热端连通所述第二管路和所述第三管路，所述冷端通过换热管路连通散热器或冷却塔，形成辅助冷却回路。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的热管理系统，其特征在于，所述换热器为管束式换热器，所述管束式换热器包括第一对流管束和第二对流管束，所述第一对流管束的一端为所述热端，所述第二对流管束的一端为所述冷端。

4.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池的热管理系统，其特征在于，还包括中冷器，所述中冷器的进口与所述电堆的出口连接，所述中冷器的出口与所述电堆的进口连接。

5.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池的热管理系统，其特征在于，还包括循环泵和第五管路，所述第五管路的一端连通所述第三管路和所述第四管路，另一端和所述电堆的进口连接；所述循环泵设置在所述第五管路上。

6.一种热管理方法，其特征在于，包括：

所述测温部检测到的温度大于或等于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第二端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件、所述第二管路、所述换热模块和所述第三管路；

所述测温部检测到的温度小于设定温度阈值时，所述多通结构的第一端和第三端导通，使冷却介质依次流经所述电堆、所述第一管路、所述控制件和所述第四管路。

7.根据权利要求6所述的热管理方法，在所述电堆的输出功率增加的情况下，调节所述多通结构的开度使得流入主冷却回路的冷却介质流量增加；

在所述电堆的输出功率减少的情况下，调节所述多通结构的开度使得流入所述主冷却回路的冷却介质流量减少。

8.一种燃料电池，其特征在于，包括电堆和权利要求1至5任一项所述的燃料电池的热管理系统。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，还包括PDU组件，所述PDU组件包括一级单向可调升压模块、隔离模块、二级升降压模块和三级升降压模块，所述一级单向可调升压模块、所述二级升降压模块、所述隔离模块和所述三级升降压模块依次电性连接；所述一级单向可调升压模块与电堆的输出端电性连接。

10.一种车辆，其特征在于，车身本体和权利要求8至9任一项所述的燃料电池。