CN208522032U - 一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统，包括：燃料电池堆，包括质子交换膜；压缩空气换热结构，包括空气压缩机、压缩空气换热器、储气罐、加湿器、排气阀、第一散热器和第一循环泵，其中，压缩空气换热器和储气罐依序连接在空气压缩机与加湿器之间，排气阀与加湿器连接，第一循环泵的一端与燃料电池堆连接；氢气换热结构，包括高压氢气罐、第一电磁阀、第二电磁阀、中压氢气罐、第二循环泵、第三循环泵、第二散热器和排氢阀，中压氢气罐内部设有内换热器，第一电磁阀连接在高压氢气罐与中压氢气罐之间；以及制冷剂换热结构，包括第四循环泵、第五循环泵、换热水箱、第三电磁阀、换热器和第三散热器。

Description

一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池客车的温度控制系统，具体而言，涉及一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统。

背景技术

火力发电和核电的效率大约在30％～40％，而质子膜燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，具有发电效率高(电化学效率在40-60％)、环境污染少且工作温度为100℃以内等优点，从而在燃料客车领域受到广泛广注。

然而，燃料电池工作温度对其性能有着显著的影响。低温时，电池内各种极化增强，欧姆阻抗也较大，因此使电池性能恶化。温度升高时，会降低欧姆阻抗，同时减少极化，并有利于提高电化学反应速度和质子在膜内的传递速度，电池性能变好。但由于膜的含水量强烈影响其导电性能，温度高的同时会导致膜脱水，电导率下降，电池性能变差。同时，电池的温度分布对电池性能也有显著的影响，它决定了水的蒸发和凝结，影响了水的分布，通过热表面张力和热浮力作用影响了多组分气体扩散传输。不充分或无效的电池冷却会导致整个或局部电池温度过高，这样会使得膜脱水、收缩、褶皱甚至破裂。同时，目前车用燃料电池的典型催化剂为Pt/C，燃料电池在车用工况下操作条件下的变化会引起其温度与湿度的变化，会加速催化剂的老化。

通常，功率在200W以下的燃料电池利用供应给阴极的空气来冷却，250W以上的燃料电池则在双极板上做出专门的冷却通道。现有中国专利(CN203800126U、CN106229530A、CN101447580A、CN102386430A等)及美国专利(US 6777115、WO 04025752等)只是从燃料电池系统出发，针对燃料电池系统低温启动存在的液态、气态水走等主要问题，采用保温、加热等措施以避免因气、液态水低温凝固导致的管路堵塞和阀体冻结，缩短燃料电池低温启动时间；采用注液方式抑制结冰以消除后续低温冷启动对电磁阀加热所带来的能量损失，提高燃料电池系统的效率。目前电催化剂抗衰减研究则主要集中在催化剂载体抗衰减的研究上。

以上研究均未基于质子交换膜燃料电池客车整车，也未见有采用分区、分级温控技术，以满足客车不同区域对于温度需求的燃料电池客车温控系统的相关专利、文献和实用化产品。

实用新型内容

本实用新型提供一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统，用以对质子交换膜燃料电池客车中的温度进行分区、分级控制。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统，其包括：

燃料电池堆，包括质子交换膜；

压缩空气换热结构，包括空气压缩机、压缩空气换热器、储气罐、加湿器、排气阀、第一散热器和第一循环泵，其中，压缩空气换热器和储气罐依序连接在空气压缩机与加湿器之间，排气阀与加湿器连接，第一循环泵的一端与燃料电池堆连接，另一端与第一散热器连接，第一散热器的另一端与燃料电池堆连接，压缩空气换热器与第一散热器并联；

氢气换热结构，包括高压氢气罐、第一电磁阀、第二电磁阀、中压氢气罐、第二循环泵、第三循环泵、第二散热器和排氢阀，中压氢气罐内部设有内换热器，第一电磁阀连接在高压氢气罐与中压氢气罐之间，第二循环泵与第二散热器串联后再与中压氢气罐并联，第二电磁阀的一端与燃料电池堆连接，另一端与中压氢气罐和第三循环泵连接，排氢阀与燃料电池堆和第三循环泵连接；以及

制冷剂换热结构，包括第四循环泵、第五循环泵、换热水箱、第三电磁阀、换热器和第三散热器，第四循环泵的一端与燃料电池堆连接，另一端依序连接换热水箱、第三电磁阀和换热器后再连接至燃料电池堆，第五循环泵与第三散热器连接后再与换热器并联，

其中，第一散热器、第二散热器和第三散热器设置于车体内部。

在本实用新型的一实施例中，空气压缩机的输入端与输出端、储气罐的输出端以及燃料电池堆的每一端口均设有温度计和压力计。

本实用新型提供的分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统采用分区、分级温控技术，能够保证燃料电池客车各个区域的温度均处于适宜范围内，不仅能够满足燃料电池对于温度范围、温度分布均匀及温度极限等温控需求，还能够延缓燃料电池在车用工况操作条件下的变化引起其温度与湿度的变化而导致的催化剂加速老化问题，而且能够有效利用燃料电池将化学能转化为电能的过程中排放到环境中的热量，进一步提高了燃料电池客车的能源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提供的分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型提供的分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统的结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统包括：

燃料电池堆R1，包括质子交换膜(图中未示出)；

压缩空气换热结构，包括空气压缩机Y1、压缩空气换热器H1、储气罐U1、加湿器D1、排气阀E1、第一散热器H5和第一循环泵B4，其中，压缩空气换热器H1和储气罐U1依序连接在空气压缩机Y1与加湿器D1之间，排气阀E1与加湿器D1连接，第一循环泵B4的一端与燃料电池堆R1连接，另一端与第一散热器H5连接，第一散热器H5的另一端与燃料电池堆R1连接，压缩空气换热器H1与第一散热器H5并联；

氢气换热结构，包括高压氢气罐G3、第一电磁阀F0、第二电磁阀F1、中压氢气罐G2、第二循环泵B3、第三循环泵B5、第二散热器H4和排氢阀E2，中压氢气罐G2内部设有内换热器H6，第一电磁阀F0连接在高压氢气罐G3与中压氢气罐G2之间，第二循环泵B3与第二散热器H4串联后再与中压氢气罐G2并联，第二电磁阀F1的一端与燃料电池堆R1连接，另一端与中压氢气罐G2和第三循环泵B5连接，排氢阀E2与燃料电池堆R1和第三循环泵B5连接；以及

制冷剂换热结构，包括第四循环泵B2、第五循环泵B1、换热水箱G1、第三电磁阀F2、换热器H3和第三散热器H2，第四循环泵B2的一端与燃料电池堆R1连接，另一端依序连接换热水箱G1、第三电磁阀F2和换热器H3后再连接至燃料电池堆R1，第五循环泵B1与第三散热器H2连接后再与换热器H3并联，

其中，第一散热器H5、第二散热器H4和第三散热器H2设置于车体内部。

如图1所示，本实用新型中，空气压缩机Y1的输入端与输出端、储气罐U1的输出端以及燃料电池堆R1的每一端口均设有温度计(T1～T11)和压力计(P1～P11)。本实用新型还可以在一些位置设置流量计，如图1中的L1～L3为流量计。

本实用新型中，燃料电池堆R1为核心温度控制区，属于需要重点进行温度控制的区域；压缩空气换热器H1、内换热器H6、换热器H3为一级温度控制区，其温控要求仅次于核心温度控制区；第三散热器H2、第二散热器H4和第一散热器H5为二级温度控制区，其温控要求最低。由此构成“核心温度控制区”-“一级温度控制区”-“二级温度控制区”共三级温控区域，通过温度分区，实现温度的主次控制，以有效利用燃料电池堆R1将化学能转化为电能的过程中放出的热量，实现能量的梯级利用，提高能源的利用率。

换热水箱G1中的冷却液经由第四循环泵B2输送至燃料电池堆R1内部，以吸收燃料电池堆R1内部的废热，并通过换热器H3在第五循环泵B1的作用下将热量传递给第三散热器H2，第三散热器H2将热量释放到车内(冬季需要供暖时)或大气环境中，以使得燃料电池堆R1的温度在允许范围内。压缩空气换热器H1在第一循环泵B4作用下利用冷却液冷却空气压缩机Y1排出的高温压缩空气，使其降至燃料电池堆R1的工作温度，压缩空气换热器H1吸收的热量经第一散热器H5释放到车内(冬季需要供暖时)或大气环境中。中压氢气罐G2内部的内换热器H6利用冷却液在第二循环泵B3的作用下冷却从高压氢气罐G3由于节流升温排出的氢气，使其降至燃料电池堆R1的工作温度，内换热器H6吸收的热量经第二散热器H4释放到车内(冬季需要供暖时)或大气环境中。

本实用新型提供的分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统采用分区、分级温控技术，能够保证燃料电池客车各个区域的温度均处于适宜范围内，不仅能够满足燃料电池对于温度范围、温度分布均匀及温度极限等温控需求，还能够延缓燃料电池在车用工况操作条件下的变化引起其温度与湿度的变化而导致的催化剂加速老化问题，而且能够有效利用燃料电池将化学能转化为电能的过程中排放到环境中的热量，进一步提高了燃料电池客车的能源利用率。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统，其特征在于，包括：

燃料电池堆，包括质子交换膜；

压缩空气换热结构，包括空气压缩机、压缩空气换热器、储气罐、加湿器、排气阀、第一散热器和第一循环泵，其中，压缩空气换热器和储气罐依序连接在空气压缩机与加湿器之间，排气阀与加湿器连接，第一循环泵的一端与燃料电池堆连接，另一端与第一散热器连接，第一散热器的另一端与燃料电池堆连接，压缩空气换热器与第一散热器并联；

氢气换热结构，包括高压氢气罐、第一电磁阀、第二电磁阀、中压氢气罐、第二循环泵、第三循环泵、第二散热器和排氢阀，中压氢气罐内部设有内换热器，第一电磁阀连接在高压氢气罐与中压氢气罐之间，第二循环泵与第二散热器串联后再与中压氢气罐并联，第二电磁阀的一端与燃料电池堆连接，另一端与中压氢气罐和第三循环泵连接，排氢阀与燃料电池堆和第三循环泵连接；以及

制冷剂换热结构，包括第四循环泵、第五循环泵、换热水箱、第三电磁阀、换热器和第三散热器，第四循环泵的一端与燃料电池堆连接，另一端依序连接换热水箱、第三电磁阀和换热器后再连接至燃料电池堆，第五循环泵与第三散热器连接后再与换热器并联，

其中，第一散热器、第二散热器和第三散热器设置于车体内部。

2.根据权利要求1所述的分区分级质子交换膜燃料电池客车温控系统，其特征在于，空气压缩机的输入端与输出端、储气罐的输出端以及燃料电池堆的每一端口均设有温度计和压力计。