CN213340449U - 一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置，包括通过管路依次连通形成循环回路的电堆、循环泵和加热器，冷却液由循环泵依次送至加热器和电堆；还包括用于储存高温冷却液的储液机构，储液机构分别通过管路与加热器与电堆之间的管路以及加热器与循环泵之间的管路连通，冷却液由循环泵依次送至储液机构和电堆。本实用新型的有益效果是通过在电堆冷却路增加能量储液机构，高温冷却液做隔热保温，能量回收利用，车辆除了第一次和长时间(超过12h)不启动情况外，不会用到加热器，且加热器功率较小，有效节约电能，并且能达到车辆快速启动的目的，节约能耗。

Description

一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置

技术领域

本实用新型涉及染料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置。

背景技术

氢燃料电池发电系统中最核心的部件是电堆，其由多节质子交换膜燃料电池串联组合而成，低温环境下会加长燃料电池发电系统启动时间，当温度低于0度时，车辆启动会需要很长时间，这样就无法满足车辆使用要求，现有技术中一般采用内置一大功率加热器(8-10kW)加热循环冷却液，这样固然缩短了车辆启动时间，但依然无法做到即开即走。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置，旨在解决上述技术问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置，包括通过管路依次连通形成循环回路的电堆、循环泵和加热器，冷却液由所述循环泵依次送至所述加热器和所述电堆；还包括用于储存高温冷却液的储液机构，所述储液机构分别通过管路与所述加热器与所述电堆之间的管路以及所述加热器与所述循环泵之间的管路连通，冷却液由所述循环泵依次送至所述储液机构和所述电堆。

本实用新型的有益效果是：车辆启动时，当环境温度较低时启动加热器，加热器对管路中的冷却液进行加热，以使冷却液的温度上升至设定温度 (4℃)，以确保电堆正常启动，从而保证车辆快速启动；同时，电堆工作散热将冷却液升温至设定温度(55～60℃)时，储液机构储存一定量的高温冷却液，以备后续车辆启动时使用，节约能耗。本实用新型通过在电堆冷却路增加能量储液机构，高温冷却液做隔热保温，能量回收利用，车辆除了第一次和长时间(超过12h)不启动情况外，不会用到加热器，且加热器功率较小，有效节约电能，并且能达到车辆快速启动的目的，节约能耗。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述储液机构包括隔热保温容器，所述隔热保温容器的进口处和出口处分别安装有阀门一；所述隔热保温容器的进口通过管路与所述循环泵和所述加热器之间的管路连通，所述隔热保温容器的出口通过管路与所述加热器和所述电堆之间的管路连通。

采用上述进一步方案的有益效果是当电堆工作散热将管路中的冷却液升温至55～60℃时，两个阀门一同时关闭，以将设定量的高温冷却液储存在隔热保温容器内，以备后续车辆启动时使用，节约能耗。

进一步，所述循环泵和所述加热器之间的管路上安装有阀门二。

采用上述进一步方案的有益效果是当不需要加热器加热时，此时可以关闭阀门二，冷却液直接从储液机构到达电堆，充分利用储液机构内的高温冷却液的能量，节约能耗。

进一步，所述阀门一和/或所述阀门二为电磁阀。

采用上述进一步方案的有益效果是实现管路的自动连通或关闭，无需人工手动操作，自动化程度高。

进一步，还包括散热器，所述加热器和所述储液机构之间的管路上安装有节温器，所述节温器的出口通过管路与所述电堆与所述储液机构之间的管路连通，其中一个入口通过管路与所述加热器的出口连通，另一入口通过管路与所述散热器的出口连通，所述散热器的进口通过管路与所述加热器和所述储液机构之间的管路连通。

采用上述进一步方案的有益效果是通过散热器对管路中的高温冷却液进行散热处理，保证冷却液的温度保持在合适的温度范围；另外，节温器根据冷却液温度的高低自动调节进入散热器的冷却液量，改变冷却液的循环范围，以调节冷却系的散热能力，保证电堆在合适的温度范围内工作。

进一步，所述节温器为电子节温器。

采用上述进一步方案的有益效果是实现自动调节，自动化程度高。

进一步，所述散热器和所述节温器之间的管路上安装有过滤器。

采用上述进一步方案的有益效果是通过过滤器滤除冷却液中的杂质，避免冷却液中的杂质影响各个设备的工作性能。

进一步，所述过滤器为颗粒过滤器。

采用上述进一步方案的有益效果是可自动清洗，避免了，滤芯长时间的工作堵塞的隐患，节省人力，降低成本。

进一步，还包括控制器，所述电堆的进口处和出口处以及所述储液机构内分别安装有温度传感器，所述电堆、所述加热器、所述储液机构以及三个所述温度传感器分别通过线路与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是通过三个温度传感器分别检测对应点的温度，并将对应的温度信号发送给控制器，控制器接收对应的温度信号，并控制相应的设备作业，自动化程度高。

进一步，还包括用于检测环境温度的温控开关，所述温控开关通过线路与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是通过温控开关检测环境的温度，当环境的温度低于0℃时，并将对应的温度信号发送给控制器，控制器接收对应的温度信号，并控制相应的设备进行作业，实现自动化控制。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、电堆，2、循环泵，3、加热器，4、隔热保温容器，5、阀门一，6、阀门二，7、散热器，8、节温器，9、过滤器，10、系统控制器FCU，11、温控开关，12、车辆控制器VCU。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置，包括通过管路依次连通形成循环回路的电堆1、循环泵2和加热器 3，冷却液由循环泵2依次送至加热器3和电堆1；还包括用于储存高温冷却液的储液机构，储液机构分别通过管路与加热器3与电堆1之间的管路以及加热器3与循环泵2之间的管路连通，冷却液由循环泵2依次送至储液机构和电堆1。车辆启动时，当环境温度较低(通常指低于0℃)时启动加热器3，加热器3对管路中的冷却液进行加热，以使冷却液的温度上升至设定温度 (4℃--电堆1正常启动的温度)，以确保电堆1正常启动，从而保证车辆快速启动；同时，电堆1工作散热将冷却液升温至设定温度(55～60℃)时，储液机构储存一定量的高温冷却液，以备后续车辆启动时使用，节约能耗。本实用新型通过在电堆1冷却路增加能量储液机构，高温冷却液做隔热保温，能量回收利用，车辆除了第一次和长时间(超过12h)不启动情况外，不会用到加热器3，且加热器3的功率较小，有效节约电能，并且能达到车辆快速启动的目的，节约能耗。

上述冷却液去离子水与乙二醇按照设定比例1:1的体积比配置而成的混合溶液。

另外，运行时，冷却液充满整个系统及管路，循环泵2作为动力源，起到冷却液循环流动的作用。

实施例1

在上述结构的基础上，本实施例中，储液机构包括隔热保温容器4，隔热保温容器4的进口处和出口处分别安装有阀门一5；隔热保温容器4的进口通过管路与循环泵2和加热器3之间的管路连通，隔热保温容器4的出口通过管路与加热器3和电堆1之间的管路连通。当电堆1工作散热将管路中的冷却液升温至55～60℃时，两个阀门一5同时关闭，以将设定量的高温冷却液储存在隔热保温容器4内，以备后续车辆启动时使用，节约能耗。

实施例2

在上述结构的基础上，本实施例中，循环泵2和加热器3之间的管路上安装有阀门二6。当系统管路中的冷却液温度较高不需要加热器3加热时，此时可以关闭阀门二6，冷却液直接从储液机构到达电堆1，充分利用储液机构内的高温冷却液的能量，节约能耗。

实施例3

在实施例一或实施例二的基础上，本实施例中，阀门一5和/或阀门二6 为电磁阀，上述电磁阀均通过与控制器连接，实现管路的自动连通或关闭，无需人工手动操作，自动化程度高。

实施例4

在上述结构的基础上，本实施例还包括散热器7，加热器3和储液机构之间的管路上安装有节温器8，节温器8的出口(C端)通过管路与电堆1 与储液机构之间的管路连通，其中一个入口(B端)通过管路与加热器3的出口连通，另一入口(A端)通过管路与散热器7的出口连通，散热器7的进口通过管路与加热器3和储液机构之间的管路连通。工作时，通过散热器对7管路中的高温冷却液进行散热处理，保证冷却液温度保持在合适的温度范围；另外，节温器8根据冷却液温度的高低自动调节进入散热器7的冷却液量，改变冷却液的循环范围，以调节冷却系的散热能力，保证电堆1在合适的温度范围内工作。

实施例5

在实施例四的基础上，本实施例中，节温器8为电子节温器，实现自动调节，自动化程度高。

实施例6

在实施例四的基础上，本实施例中，散热器7和节温器8之间的管路上安装有过滤器9，系统运行时通过过滤器9滤除冷却液中的杂质，避免冷却液中的杂质影响各个设备的工作性能。

优选地，本实施例中，过滤器9为颗粒过滤器，可自动清洗，滤芯长时间的工作堵塞的隐患，节省人力，降低成本；也可以采用其他类型的可行的过滤器。

实施例7

在实施例四的基础上，本实施例还包括控制器，电堆1的进口处和出口处以及储液机构内分别安装有温度传感器，电堆1、加热器3、储液机构以及三个温度传感器分别通过线路与控制器连接。运行时，通过三个温度传感器分别检测对应点的温度，并将对应的温度信号发送给控制器，控制器接收对应的温度信号，并控制相应的设备作业，自动化程度高。

实施例8

在实施例七的基础上，本实施例还包括用于检测环境温度的温控开关 11，此处的温控开关11为常开温控开关，温控开关11通过线路与控制器连接。运行时，通过温控开关11检测环境的温度，当环境温度低于0℃时即会关闭，并将对应的温度信号发送给控制器，控制器接收对应的温度信号，并控制相应的设备进行作业，实现自动化控制。

如图1所示，燃料电池系统包括三个循环，两个阀门一5开启，经循环泵2—隔热保温容器4—电堆1—循环泵2组成循环一；节温器8的B端与C 端联通，A端截止，阀门二6开启，经循环泵2—加热器3—电堆1—循环泵 2组成循环二；待电堆1入口冷却液温度T1达到一定值后，节温器8的B 端截止，A端与C端联通，经循环泵2—散热器7—过滤器9—电堆1—循环泵2组成循环三，整个冷却系统最终稳定在循环三。

另外，三个温度传感器检测到的电堆1进口和出口的温度分别为T1和 T2，隔热保温容器4内的温度为T3。

上述控制器为燃料电池的系统控制器FCU10，还包括车辆控制器 VCU12，车辆控制器VCU12通过线路与系统控制器FCU10连接，上述系统控制器FCU10和车辆控制器VCU12均采用现有技术，其结构、工作原理以及与其他设备的连接线路均为现有技术，此申请中不再进行赘述。

当温控开关11检测到的环境温度低于0℃时，温控开关11闭合阀门二6，此时系统控制器FCU10(以下简称FCU)得到信号，激活定时程序，当达到定时程序预设的时间点(一般公交都是每天定点发车，预设时间点会早于发车时间)，FCU检测隔热保温隔热保温容器4，隔热保温容器4使用相变材料，并采用隔热保温措施，可在系统发电时储存高温冷却液，并在一定是时间内，冷却液温度)内温度T3，具体原理运行原理如下(参见图2)：

本申请通常应用于公交车，也可以应用于其它与本申请应用环境相匹配的车辆，例如商用车。

状态1：

T3低于预设值t1(此值是隔热保温容器4内温度较高的冷却液与电堆内部低温的冷却液混合后无法达到电堆1启动温度的临界值，预计在2～4℃之间)，FCU启动循环泵2、加热器3，冷却路按循环二开始运转，内部冷却液温度逐渐升高，当电堆1出口的温度T2达到预设值ts(电堆1启动温度)，温度传感器将信号反馈给FCU，FCU关断循环泵2和加热器3，停止加热，整车控制器VCU(以下简称VCU)发出开机信号，然后系统启动，冷却液温度逐步上升；

当电堆1入口温度T1达到预设值ta(此值是为了保证电堆1内冷却液温度不至于突降导致停机)，打开两个阀门一5，隔热保温容器4内温度逐渐升高，此时循环一和循环二同时运转，随着冷却液温度上升，电子节温器慢慢开启，电堆1入口的温度T1进一步上升达到预设值tb(隔热保温容器 4内存储的冷却液温度)，关闭两个阀门一5，冷却液循环按照循环三运转，当电堆1入口的温度T1达到预设值tc(电堆1冷却液入口最高温度)时，散热器7开始工作，最后系统在循环三上正常发电运转。

状态2：

T3高于预设值t2(此值是隔热保温容器4内的温度较高冷却液与电堆1 内部低温冷却液混合后可以达到电堆1启动温度的临界值，此数值随环境温度变化而变化，且t2>t1)，VCU发出开机信号，FCU打开两个阀门一5，关闭阀门二6，启动循环泵2，隔热保温容器4内温度较高的冷却液进入电堆1，使得电堆1内冷却液温度升高，达到电堆1启动温度，无需加热器3 加热，电堆1直接启动；

当电堆1入口温度T1达到预设值td(此值是为了保证电堆1内冷却液温度不至于突降导致停机，但与预设值ta不同，因为高低温冷却液量差异)，打开阀门二6，此时循环一和循环二同时运转，随着冷却液温度上升，电子节温器慢慢开启，电堆1入口温度T1进一步上升达到预设值tb，关闭两个阀门一5，冷却液循环按照循环三运转；当电堆1入口温度T1达到预设值tc时，散热器7开始工作，最后系统在循环三上正常发电运转。

状态3：

T3高于预设值t1，但低于预设值t2，说明隔热保温容器4内的温度较高冷却液与电堆1内部低温冷却液混合后，没有达到电堆1启动温度，但冷却液温度有一定上升，此时FCU启动循环泵2、加热器3、打开两个阀门一 5，循环一和循环二同时运转，而后过程与状况1一致，但状态3能耗会比状态1要低。

其中，上述各个温度的范围值分别为：t1为2～4℃，t2为12～14℃，ts 为4～6℃，ta为30～35℃，tb为55～60℃，tc为60～65℃，td为35～40℃。另外，上述温度数据均在环温-10℃左右下计算得来，若环温变化，以上数据会进行自动调整。

需要说明的是，本实用新型所涉及到的电堆、节温器(型号LMyutQf)、过滤器(型号DFS-052)、散热器(型号HF200P)、循环泵(型号MP-40R)、电磁阀(型号ZCT)和温度传感器(型号PT100)均采用现有技术，并且上述各个部件与对应的控制器(型号TC-SCR)电连接，控制器与各个部件之间的控制电路为现有技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：包括通过管路依次连通形成循环回路的电堆(1)、循环泵(2)和加热器(3)，冷却液由所述循环泵(2)依次送至所述加热器(3)和所述电堆(1)；还包括用于储存高温冷却液的储液机构，所述储液机构分别通过管路与所述加热器(3)与所述电堆(1)之间的管路以及所述加热器(3)与所述循环泵(2)之间的管路连通，冷却液由所述循环泵(2)依次送至所述储液机构和所述电堆(1)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述储液机构包括隔热保温容器(4)，所述隔热保温容器(4)的进口处和出口处分别安装有阀门一(5)；所述隔热保温容器(4)的进口通过管路与所述循环泵(2)和所述加热器(3)之间的管路连通，所述隔热保温容器(4)的出口通过管路与所述加热器(3)和所述电堆(1)之间的管路连通。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述阀门一(5)为电磁阀。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述循环泵(2)和所述加热器(3)之间的管路上安装有阀门二(6)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述阀门二(6)为电磁阀。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：还包括散热器(7)，所述加热器(3)和所述储液机构之间的管路上安装有节温器(8)，所述节温器(8)的出口通过管路与所述电堆(1)与所述储液机构之间的管路连通，其中一个入口通过管路与所述加热器(3)的出口连通，另一入口通过管路与所述散热器(7)的出口连通，所述散热器(7)的进口通过管路与所述加热器(3)和所述储液机构之间的管路连通。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述节温器(8)为电子节温器。

8.根据权利要求6所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述散热器(7)和所述节温器(8)之间的管路上安装有过滤器(9)。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：所述过滤器(9)为颗粒过滤器。

10.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：还包括控制器，所述电堆(1)的进口处和出口处以及所述储液机构内分别安装有温度传感器，所述电堆(1)、所述加热器(3)、所述储液机构以及三个所述温度传感器分别通过线路与所述控制器连接。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统冷却回路自动加热装置，其特征在于：还包括用于检测环境温度的温控开关(11)，所述温控开关(11)通过线路与所述控制器连接。

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