CN215496807U - 热管理系统 - Google Patents

Abstract

一种热管理系统，用于包括燃料电池堆叠和燃料供给系统的燃料电池，其中，燃料电池堆叠包括堆叠阳极和堆叠阴极，燃料供给系统包括燃料供给模块和再循环回路，其特征在于，热管理系统包括：堆叠散热器，其设置在燃料电池堆叠中、靠近堆叠阳极并且流体连接到燃料供给模块，构造成吸收由堆叠阳极产生的热量并且加热燃料供给模块中的燃料气体；排热装置，其流体连接到堆叠散热器和燃料供给模块；以及热泵，其流体连接在堆叠散热器与排热装置之间，并且构造成泵送换热流体以将换热流体提供给堆叠散热器进而提供给燃料供给模块。

Description

热管理系统

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，尤其涉及用于燃料电池的热管理系统。

背景技术

利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的燃料电池被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。在燃料电池工作期间，产物水、未消耗的燃料气体(例如氢气)和无效气体(主要是氮气)会累积在燃料电池堆叠的堆叠阳极的输出端。通常通过再循环回路使未消耗的燃料气体再循环返回到燃料气体供给装置，以与来自燃料源的燃料气体混合并再次供应到燃料电池堆叠，从而提高燃料电池的工作效率。

由于未消耗的燃料气体的温度通常接近燃料电池的工作温度(例如70℃左右)，而来自燃料源的燃料气体的温度通常是与环境温度紧密相关。环境温度(例如25℃左右)通常远低于燃料电池的工作温度，因此来自燃料源的燃料气体与未消耗的燃料气体混合后的混合气体的温度通常会降低。低温的混合气体被供给到燃料电池堆叠后，对燃料电池堆叠的反应效率会产生一定影响。

因此，迫切需要对现有的燃料气体供给装置进行改进，以使混合气体在被供给到燃料电池堆叠前被加温到接近燃料电池的工作温度的温度。考虑到加温本身需要消耗能量，而这部分能量也来自于燃料电池的输出，因此如何优化燃料电池以减少燃料电池在加热混合气体方面的能量损耗是本申请主要解决的问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本申请提供一种热管理系统，用于包括燃料电池堆叠和燃料供给系统的燃料电池，其中，所述燃料电池堆叠包括堆叠阳极和堆叠阴极，所述燃料供给系统包括燃料供给模块和再循环回路，其特征在于，所述热管理系统包括：堆叠散热器，其设置在所述燃料电池堆叠中、靠近所述堆叠阳极并且流体连接到所述燃料供给模块，构造成吸收由所述堆叠阳极产生的热量并且加热所述燃料供给模块中的燃料气体；排热装置，其流体连接到所述堆叠散热器和所述燃料供给模块；以及热泵，其流体连接在所述堆叠散热器与所述排热装置之间，并且构造成泵送换热流体以将换热流体提供给所述堆叠散热器进而提供给所述燃料供给模块。

根据可选的实施方式，所述热管理系统包括：第一流路，其流体连接在所述排热装置与所述堆叠散热器之间并且经过所述热泵；第二流路，其流体连接在所述堆叠散热器与所述燃料供给模块之间，构造成将已被加热的换热流体提供给所述燃料供给模块并且将所述燃料供给模块中的混合气体加热；以及第三流路，其流体连接在得到燃料供给模块与所述排热装置之间，构造成将换热流体从所述燃料供给模块输送回所述排热装置。

根据可选的实施方式，所述热泵构造成根据所述第二流路中的换热流体的温度来调节送换热流的泵送速度。

根据可选的实施方式，所述热泵构造成在所述燃料供给模块中的混合气体的温度超出温度阈值的情况下降低泵送速度。

根据可选的实施方式，所述热管理系统还包括：旁通阀，其设置在所述第二流路中；以及旁通流路，其设置在所述旁通阀与所述第三流路之间并且与所述旁通阀和所述第三流路流体连通。

根据可选的实施方式，所述旁通阀构造成在所述第二流路中的换热流体的温度超出温度阈值的情况下使所述第二流路中的换热流体流向所述第三流路而阻止所述第二流路中的换热流体流向所述燃料供给模块。

根据可选的实施方式，所述旁通阀构造成在所述燃料供给模块中的混合气体的温度超出温度阈值的情况下使所述第二流路中的换热流体流向所述第三流路而阻止所述第二流路中的换热流体流向所述燃料供给模块。

根据可选的实施方式，所述燃料供给模块和所述排热装置形成并联构造，构造成使得从所述堆叠散热器流出的换热流体的一部分流向所述燃料供给模块，而另一部分流向所述排热装置，并且构造成使得从所述燃料供给模块流出的换热流体在与从所述排热装置流出的换热流体汇合后流入所述堆叠散热器。

根据可选的实施方式，所述热管理系统还包括：第四流路，其流体连接在所述燃料供给模块、所述堆叠散热器与所述排热装置之间，构造成使得从所述堆叠散热器流出的换热流体的一部分流向所述燃料供给模块，而另一部分流向所述排热装置；第五流路，其连接在所述燃料供给模块、所述堆叠散热器与所述排热装置之间，构造成使得从所述燃料供给模块流出的换热流体在与从所述排热装置流出的换热流体汇合后流入所述堆叠散热器；以及节流阀，其流体连接在所述燃料供给模块与所述堆叠散热器之间，设置在所述第四流路的通向所述燃料供给模块的分支中，构造成控制流向所述燃料供给模块的换热流体的流量。

根据可选的实施方式，所述节流阀构造成在所述燃料供给模块中的混合气体的温度超出温度阈值的情况下降低流向所述燃料供给模块的换热流体的流量。

根据本申请，热管理系统利用了燃料电池的废热，减少了燃料电池在加热混合气体方面的能量损耗。在被加热后，混合气体在被供给到燃料电池堆叠时的温度接近燃料电池的工作温度，使得燃料电池堆叠的反应效率保持在最优效率附近。

附图说明

下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：

图1是根据本申请的第一实施方式的用于燃料电池的热管理系统的示意图；

图2是根据本申请的第二实施方式的用于燃料电池的热管理系统的示意图；以及

图3是根据本申请的第三实施方式的用于燃料电池的热管理系统的示意图。

附图标记列表：

1 燃料电池堆叠，

10 堆叠阳极，

12 堆叠阴极，

2 燃料供给系统，

20 燃料供给模块，

22 再循环回路，

3 燃料源，

4 热管理系统，

40 堆叠散热器，

41 排热装置，

42 热泵，

43 第一流路，

44 第二流路，

45 第三流路，

46 节流阀，

47 旁通阀，

48 旁通流路，

49 第四流路，

50 第五流路。

具体实施方式

下面结合示例详细描述本申请的示例性实施例。本领域技术人员应理解的是，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见而省略了其它的部件，但这并不表明本申请的热管理系统、水分离器、气体管、燃料供给系统和燃料电池不可包括其它部件。应理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。

燃料电池(例如质子交换膜燃料电池(PEMFC))可以用于车辆中以提供电力，从而驱动车辆电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。图1示意性地示出了燃料电池的一部分，其中可以使用根据本申请优选实施例的热管理系统。图1所示的燃料电池的一部分可以包括燃料电池堆叠1和燃料供给系统2。

如图1所示，燃料电池堆叠1包括堆叠阳极10和堆叠阴极12。燃料供给系统2包括燃料供给模块20和再循环回路22。来自燃料源3的燃料气体(例如氢气)通过燃料供给系统2的燃料供给模块20供给到堆叠阳极10。通常，过量的燃料气体被提供到堆叠阳极10，以确保燃料电池堆叠1中的所有电池有充足的燃料气体可用。在燃料电池的工作期间，产物水、未消耗的燃料气体(例如氢气)和无效气体会累积在堆叠阳极10上。无效气体是指不参与反应的气体，主要是氮气。

继续参考图1，燃料供给系统2的再循环回路22可以设置在堆叠阳极10与燃料供给模块20之间，以将未消耗的燃料气体再循环回到燃料供给模块20。燃料供给模块20将未消耗的燃料气体与来自燃料源3的燃料气体混合并再次供给到堆叠阳极10。再循环回路22通常包括连接到堆叠阳极10的输出端的水分离器以及连接在水分离器与燃料供给模块20之间的燃料循环泵。水分离器接收来自堆叠阳极10的输出端的再循环流(即，包括产物水、未消耗的燃料气体(例如氢气)和无效气体的流体混合物)，并且从再循环流中移除产物水。这样，可以提高再循环流中的燃料气体浓度，并防止在燃料电池堆叠1的流场通道或燃料供给模块20内发生水堵塞，从而防止燃料电池效率降低或发生故障。水分离器包括用于在再循环流经过其时从再循环流中移除水的分离室以及与分离室连通以将水从分离室排出的排放通道。由水分离器移除的水可以通过排放通道排出水分离器。排液阀在排放通道的排放端口处连接到排放通道。排液阀在水分离器的分离室中的水积累到一定量时打开，使得积累的水在再循环流中的气体的压力作用下从排放通道排出水分离器，例如被排出到排气管中。经除水的再循环流被向燃料循环泵输送。排气阀作为支路连接到气体管。排气阀在再循环流中的无效气体浓度高于预定阈值或者再循环回路22中的压力过高时打开以排出一部分再循环流(例如排出到排气管中)，从而减少被供应到燃料供给模块20的再循环流的量。这样，可以防止被供应到燃料电池堆叠1的燃料气体被无效气体过度稀释或者防止压力过高对燃料电池堆叠1造成损伤，从而保证燃料电池可靠运行。再循环流随后被燃料循环泵送入燃料供给模块20，以与来自燃料源3的燃料气体混合并再次供给到堆叠阳极10，借此避免燃料气体的浪费并提高燃料气体的利用效率。

由于未消耗的燃料气体的温度通常接近燃料电池的工作温度(例如70℃左右)，而来自燃料源的燃料气体的温度通常是与环境温度紧密相关。环境温度(例如25℃左右)通常远低于燃料电池的工作温度，因此来自燃料源的燃料气体与未消耗的燃料气体混合后的混合气体的温度通常会降低。低温的混合气体被供给到燃料电池堆叠后，对燃料电池堆叠的反应效率会产生一定影响。

为了解决上述技术问题，本申请提出了一种新型的热管理系统。热管理系统4包括堆叠散热器40、排热装置41和热泵42。堆叠散热器40设置在燃料电池堆叠1中并且靠近堆叠阳极10，以吸收由燃料气体在堆叠阳极10上进行催化反应而产生的热量。堆叠散热器40流体连接到燃料供给模块20，以加热燃料供给模块20中的混合气体。排热装置41流体连接到堆叠散热器40和燃料供给模块20。热泵42流体连接在堆叠散热器40与排热装置41之间，并且构造成泵送换热流体以将换热流体提供给堆叠散热器40进而提供给燃料供给模块20。排热装置41的作用是冷却从燃料供给模块20流出的换热流体，从而使得换热流体的温度降低到足以吸收由燃料气体在堆叠阳极10上进行催化反应而产生的热量。

在第一实施方式中，热管理系统4还包括第一流路43、第二流路44和第三流路45。第一流路43流体连接在排热装置41与堆叠散热器40之间并且经过热泵42。第二流路44流体连接在堆叠散热器40与燃料供给模块20之间，以将已被加热的换热流体提供给燃料供给模块20，将燃料供给模块20中的混合气体加热。第三流路45流体连接在燃料供给模块20与排热装置41之间，以将换热流体从燃料供给模块20输送回排热装置41。

为了更精确地控制燃料供给模块20中的混合气体的温度，热泵42构造成根据第二流路44中的换热流体的温度来调节送换热流的泵送速度，以防止燃料供给模块20中的混合气体的温度过高或过低。热泵42的泵送速度调节指标不限于第二流路44中的换热流体的温度。例如，热泵42可以构造成在燃料供给模块20中的混合气体的温度超出温度阈值(例如80℃)的情况下降低泵送速度，以防止燃料供给模块20中的混合气体的温度过高。借助于热管理系统4，燃料供给模块20可以在低温冷启动后快速获得热量以提高燃料供给模块20中的混合气体的温度，从而提高燃料电池堆叠1的低温冷启动性能。

图2是根据本申请的第二实施方式的用于燃料电池的热管理系统的示意图。与第一实施方式相比，在第二实施方式中，热管理系统4还包括旁通阀47和旁通流路48。旁通阀47设置在第二流路44中。旁通流路48设置在旁通阀47与第三流路45之间并且与旁通阀47和第三流路45流体连通。旁通阀47构造成在第二流路44中的换热流体的温度超出温度阈值(例如80℃)的情况下使第二流路44中的换热流体流向第三流路45而阻止第二流路44中的换热流体流向燃料供给模块20，以防止燃料供给模块20中的混合气体的温度过高。旁通阀47的换向指标不限于第二流路44中的换热流体的温度。例如，旁通阀47可以在燃料供给模块20中的混合气体的温度超出温度阈值(例如80℃)的情况下使第二流路44中的换热流体流向第三流路45而阻止第二流路44中的换热流体流向燃料供给模块20，以防止燃料供给模块20中的混合气体的温度过高。

图3是根据本申请的第三实施方式的用于燃料电池的热管理系统的示意图。与第一实施方式相比，在第三实施方式中，燃料供给模块20和排热装置41并联，即，从堆叠散热器40流出的换热流体的一部分流向燃料供给模块20，而另一部分流向排热装置41，从燃料供给模块20流出的换热流体在与从排热装置41流出的换热流体汇合后流入堆叠散热器40。

在第三实施方式中，热管理系统4还包括第四流路49、第五流路50和节流阀46。第四流路49流体连接在燃料供给模块20、堆叠散热器40与排热装置41之间，以使得从堆叠散热器40流出的换热流体的一部分流向燃料供给模块20，而另一部分流向排热装置41。第五流路50连接在燃料供给模块20、堆叠散热器40与排热装置41之间，以使得从燃料供给模块20流出的换热流体在与从排热装置41流出的换热流体汇合后流入堆叠散热器40。节流阀46流体连接在燃料供给模块20与堆叠散热器40之间，具体是设置在第四流路49的通向燃料供给模块20的分支中，以控制流向燃料供给模块20的换热流体的流量。节流阀46构造成在燃料供给模块20中的混合气体的温度超出温度阈值(例如80℃)的情况下降低流向燃料供给模块20的换热流体的流量，以防止燃料供给模块20中的混合气体的温度过高。

根据本申请，热管理系统4利用了燃料电池的废热，减少了燃料电池在加热混合气体方面的能量损耗。在被加热后，混合气体在被供给到燃料电池堆叠时的温度接近燃料电池的工作温度，使得燃料电池堆叠的反应效率保持在最优效率附近。

如在本文中使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”用于将一个元件或部段与另一个元件或部段区分开来，但是这些元件和/或部段不应受到此类术语的限制。以上结合具体实施例对本实用新型进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本实用新型的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本实用新型的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本实用新型的范围。

Claims (10)

1.一种热管理系统(4)，用于包括燃料电池堆叠(1)和燃料供给系统(2)的燃料电池，其中，所述燃料电池堆叠(1)包括堆叠阳极(10)和堆叠阴极(12)，所述燃料供给系统(2)包括燃料供给模块(20)和再循环回路(22)，其特征在于，所述热管理系统(4)包括：

堆叠散热器(40)，其设置在所述燃料电池堆叠(1)中、靠近所述堆叠阳极(10)并且流体连接到所述燃料供给模块(20)，构造成吸收由所述堆叠阳极(10)产生的热量并且加热所述燃料供给模块(20)中的燃料气体；

排热装置(41)，其流体连接到所述堆叠散热器(40)和所述燃料供给模块(20)；以及

热泵(42)，其流体连接在所述堆叠散热器(40)与所述排热装置(41)之间，并且构造成泵送换热流体以将换热流体提供给所述堆叠散热器(40)进而提供给所述燃料供给模块(20)。

2.如权利要求1所述的热管理系统(4)，其特征在于，所述热管理系统(4)包括：

第一流路(43)，其流体连接在所述排热装置(41)与所述堆叠散热器(40)之间并且经过所述热泵(42)；

第二流路(44)，其流体连接在所述堆叠散热器(40)与所述燃料供给模块(20)之间，构造成将已被加热的换热流体提供给所述燃料供给模块(20)并且将所述燃料供给模块(20)中的混合气体加热；以及

第三流路(45)，其流体连接在得到燃料供给模块(20)与所述排热装置(41)之间，构造成将换热流体从所述燃料供给模块(20)输送回所述排热装置(41)。

3.如权利要求2所述的热管理系统(4)，其特征在于，

所述热泵(42)构造成根据所述第二流路(44)中的换热流体的温度来调节送换热流的泵送速度。

4.如权利要求2所述的热管理系统(4)，其特征在于，

所述热泵(42)构造成在所述燃料供给模块(20)中的混合气体的温度超出温度阈值的情况下降低泵送速度。

5.如权利要求2-4中任一项所述的热管理系统(4)，其特征在于，所述热管理系统(4)还包括：

旁通阀(47)，其设置在所述第二流路(44)中；以及

旁通流路(48)，其设置在所述旁通阀(47)与所述第三流路(45)之间并且与所述旁通阀(47)和所述第三流路(45)流体连通。

6.如权利要求5所述的热管理系统(4)，其特征在于，

所述旁通阀(47)构造成在所述第二流路(44)中的换热流体的温度超出温度阈值的情况下使所述第二流路(44)中的换热流体流向所述第三流路(45)而阻止所述第二流路(44)中的换热流体流向所述燃料供给模块(20)。

7.如权利要求5所述的热管理系统(4)，其特征在于，

所述旁通阀(47)构造成在所述燃料供给模块(20)中的混合气体的温度超出温度阈值的情况下使所述第二流路(44)中的换热流体流向所述第三流路(45)而阻止所述第二流路(44)中的换热流体流向所述燃料供给模块(20)。

8.如权利要求1所述的热管理系统(4)，其特征在于，

所述燃料供给模块(20)和所述排热装置(41)形成并联构造，构造成使得从所述堆叠散热器(40)流出的换热流体的一部分流向所述燃料供给模块(20)，而另一部分流向所述排热装置(41)，并且构造成使得从所述燃料供给模块(20)流出的换热流体在与从所述排热装置(41)流出的换热流体汇合后流入所述堆叠散热器(40)。

9.如权利要求8所述的热管理系统(4)，其特征在于，所述热管理系统(4)还包括：

第四流路(49)，其流体连接在所述燃料供给模块(20)、所述堆叠散热器(40)与所述排热装置(41)之间，构造成使得从所述堆叠散热器(40)流出的换热流体的一部分流向所述燃料供给模块(20)，而另一部分流向所述排热装置(41)；

第五流路(50)，其连接在所述燃料供给模块(20)、所述堆叠散热器(40)与所述排热装置(41)之间，构造成使得从所述燃料供给模块(20)流出的换热流体在与从所述排热装置(41)流出的换热流体汇合后流入所述堆叠散热器(40)；以及

节流阀(46)，其流体连接在所述燃料供给模块(20)与所述堆叠散热器(40)之间，设置在所述第四流路(49)的通向所述燃料供给模块(20)的分支中，构造成控制流向所述燃料供给模块(20)的换热流体的流量。

10.如权利要求9所述的热管理系统(4)，其特征在于，

所述节流阀(46)构造成在所述燃料供给模块(20)中的混合气体的温度超出温度阈值的情况下降低流向所述燃料供给模块(20)的换热流体的流量。

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