CN217214794U - 一种燃料电池系统及氢能汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池系统及氢能汽车，包括电堆和冷却系统；电堆上设置有与增湿器相连的空气进气管、空气出气管，空气进气管上依次布设有空压机和中冷器，并且位于增湿器的前端；冷却系统包括冷却回路和冷却支路，冷却回路与电堆的出口和入口连通，冷却回路上依次设有水泵和主散热器，水泵靠近电堆的出口，主散热器靠近电堆入口；冷却支路的两端分别连通主散热器的出口和中冷器的入口；冷却支路上还设有辅助散热器。通过设置一个冷却支路，在冷却支路上布置辅助散热器，无论是大功率运行还是小功率运行，都可以保证进入中冷器的冷却液温度不会出现过冷却和冷却不足的现象。

Description

一种燃料电池系统及氢能汽车

技术领域

本实用新型涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及氢能汽车。

背景技术

在大功率燃料电池系统运行工作中，空气作为氧化剂经过空压机多级压缩后温度可达180摄氏度，需要对高温的空气进行降温后送入电堆与氢气进行反应发电。目前我们普遍使用水空中冷器对高温的空气进行降温，通常我们有两种布置方式，一是将中冷器布置在主回路上；二是布置在辅助回路上。第一种方法进中冷器的水温与进电堆水温基本一致，不会出现过冷却现象，适合小功率的燃料电池系统，大功率的燃料电池系统进入中冷器的空气温度较高，在保证进堆水温(70℃)的前提下，无法满足将高温的空气温度降下来；第二种方法中冷器放在辅助冷却回路中，与氢泵控制器、空压机及其控制器和DCDC组成冷却回路，进入中冷器的冷却液流量不可控，低功率运行时较低的进中冷器水温很容易造成中冷器过冷却，发生单低现象。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种燃料电池系统，旨在任意功率拉载下，保证进入中冷器的冷却液温度不会出现过冷却和冷却不足的现象。

本实用新型的实施例提供一种燃料电池系统，包括电堆、增湿器、空压机、中冷器、冷却系统；其中，

所述电堆上设置有空气进气管、空气出气管；

所述增湿器通过所述空气进气管和所述空气出气管与所述电堆相连；

所述空压机和所述中冷器依次布设在所述空气进气管上，并且位于所述增湿器的前端；

所述冷却系统包括冷却回路和冷却支路，所述冷却回路与所述电堆的出口和入口连通，所述冷却回路上依次设有水泵和主散热器，所述水泵靠近所述电堆的出口，所述主散热器靠近所述电堆的入口，用于冷却电推；所述冷却支路的两端分别连通所述主散热器的出口和所述中冷器的入口，用于冷却所述中冷器中的空气温度；所述冷却支路上还设有辅助散热器。

可选地，所述冷却系统还包括电子三通阀、加热器和两个温度传感器；其中，

所述电子三通阀设于所述所述主散热器和所述电堆之间；

所述加热器和所述主散热器并联，所述加热器一端与所述电子三通阀连通，另一端与所述水泵的出口连通，以形成加热支路；

两个所述温度传感器分别设于所述电堆出口和所述电堆入口处，用于测量所述电堆出口和所述电堆入口的温度。

可选地，所述冷却系统还包括去离子器和膨胀水壶，所述去离子器设于所述中冷器和所述膨胀水壶之间；且所述电堆出口与所述膨胀水壶连通；

所述膨胀水壶的还与所述主散热器和所述电堆的出口连通，用于排气。

可选地，所述冷却系统还包括颗粒净化器，所述颗粒净化器设于所述电堆的入口处，用于过滤进入电堆中的冷却液中的杂质。

可选地，所述空气进气管和所述空气出气管上均安装有节气门和温压一体传感器，所述节气门和所述温压一体传感器均设于所述电堆与所述增湿器之间。

可选地，所述空气进气管入口处还设有一空气过滤器，所述空气过滤器过滤进入电堆中的空气中的杂质。

可选地，所述空气进气管上还设有一空气流量计，所述空气流量计位于所述空气过滤器与所述空压机之间，所述空气流量计用于感测所述空气进气管的总进气量。

可选地，所述空气出气管上还设有依次连接的背压阀和尾排消声器，所述背压阀靠近所述增湿器设置。

本实用新型还提供一种氢能汽车，包括如上所述的燃料电池系统。

本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型的燃料电池系统通过设置冷却回路和冷却支路对中冷器的压缩空气进行降温，燃料电池系统在大功率运行时，在冷却回路中冷却液由水泵流出经主散热器散热至满足进电堆的冷却温度70℃后流入冷却支路中，再经过辅助散热器对冷却液进一步降温，以使得冷却液既满足进入电堆的冷却温度，又能保证进一步降温后的冷却液可以对中冷器中的压缩空气进行降温，且不会造成现有技术中的辅助冷却回路对中冷器造成过冷却的现象；同时，当燃料电池系统在小功率运行时，可以通过关闭冷却支路中的辅助散热器，或者调小辅助散热器中风扇的开度来保证进入中冷器的冷却液温度不出现过冷却的现象。

附图说明

图1是本实用新型提供的燃料电池系统一实施例的结构示意图。

图中：燃料电池系统100、电堆1、空气进气管11、空气出气管12、增湿器2、空压机3、中冷器4、冷却系统5、冷却回路51、水泵511、主散热器512、冷却支路52、辅助散热器521、加热支路53、加热器531、电子三通阀54、温度传感器55、去离子器56、膨胀水壶57、颗粒净化器58、节气门6、温压一体传感器7、空气过滤器8、空气流量计9、背压阀10、尾排消声器13。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

本实用新型提供一种氢能汽车，包括一种燃料电池系统，只要包含所述燃料电池系统的氢能汽车都属于本实用新型所保护的氢能汽车。

请参考图1，本实用新型提供的一种燃料电池系统100，包括电堆1、增湿器2、空压机3、中冷器4、冷却系统5；其中，所述电堆1上设置有空气进气管11、空气出气管12；所述增湿器2通过所述空气进气管11和所述空气出气管12与所述电堆1相连；所述空压机3和所述中冷器4依次布设在所述空气进气管11上，并且位于所述增湿器2的前端；所述冷却系统5包括冷却回路51和冷却支路52，所述冷却回路51与所述电堆1的出口和入口连通，所述冷却回路51上依次设有水泵511和主散热器512，所述水泵511靠近所述电堆1的出口，所述主散热器512靠近所述电堆1的入口，用于冷却电推；所述冷却支路52的两端分别连通所述主散热器512的出口和所述中冷器4的入口，用于冷却所述中冷器4中的空气温度；所述冷却支路52上还设有辅助散热器521。

燃料电池系统100工作时要求进入电堆1的冷却液温度为70℃，出电堆1的冷却液温度为80℃，进出电堆1温差小于等于10℃。通过本实施例设计的燃料电池系统100，通过设置冷却回路51和冷却支路52对中冷器4的压缩空气进行降温，燃料电池系统100在大功率运行时，在冷却回路51中冷却液由水泵511流出经主散热器512散热至满足进电堆1的冷却温度70℃后流入冷却支路52中，再经过辅助散热器521对冷却液进一步降温，以使得冷却液既满足进入电堆1的冷却温度，又能保证进一步降温后的冷却液可以对中冷器4中的压缩空气进行降温，且不会造成现有技术中的辅助冷却回路51对中冷器4造成过冷却的现象；同时，当燃料电池系统100在小功率运行时，可以通过关闭冷却支路52中的辅助散热器521，或者调小辅助散热器521中风扇的开度来保证进入中冷器4的冷却液温度不出现过冷却的现象。

进一步地，所述冷却系统5还包括电子三通阀54、加热器531和两个温度传感器55；其中，所述电子三通阀54设于所述所述主散热器512和所述电堆1之间；所述加热器531和所述主散热器512并联，所述加热器531一端与所述电子三通阀54连通，另一端与所述水泵511的出口连通，以形成加热支路53；两个所述温度传感器55分别设于所述电堆1出口和所述电堆1入口处，用于测量所述电堆1出口和所述电堆1入口的温度。

冷却回路51主要用于给电堆1和中冷器4中的空气散热，而在主散热器512上并联加热器531，通过电子三通阀54连接，形成加热支路53，可以在电堆1温度较低时，通过调节电子三通阀54的路径，利用加热器531对水泵511中流出的冷却液进行加热后再流入电堆1，加热器531为PTC加热器531。在电堆1的出口和入口处分别设置温度传感器55，可以随时感应电堆1出口的温度，以此为控制电子三通阀54的阀门开关提供依据。电堆1入口处的温度传感器55可以检测进电堆1冷却液的温度，从而调节主散热器512中风扇的开度。此处，冷却液的流动方向如图1中的箭头所指的方向。

根据实际需求，利用加热支路53对冷却液进行加热，也可以进一步保证在小功率运行状态时，防止出现冷却液进入中冷器4发生过冷却。

进一步地，所述冷却系统5还包括去离子器56和膨胀水壶57，所述去离子器56设于所述中冷器4和所述膨胀水壶57之间；且所述电堆1出口与所述膨胀水壶57连通；所述膨胀水壶57的还与所述主散热器512和所述电堆1的出口连通，用于排气。

通过在冷却系统5中设置去离子器56和膨胀水壶57，从而形成排气通路，可以用于排气。

进一步地，所述冷却系统5还包括颗粒净化器58，所述颗粒净化器58设于所述电堆1的入口处，用于过滤进入电堆1中的冷却液中的杂质。

进一步地，所述空气进气管11和所述空气出气管12上均安装有节气门6和温压一体传感器7，所述节气门6和所述温压一体传感器7均设于所述电堆1与所述增湿器2之间。

通过在空气进气管11上设置节气门6和温压一体传感器7，可以检测进堆压缩空气的温度和压力，从而为是否启用辅助散热器521进一步对进入中冷器4的冷却液降温提供依据，并且可以以此判断辅助散热器521中风扇的开度。

进一步地，所述空气进气管11入口处还设有一空气过滤器8，所述空气过滤器8过滤进入电堆1中的空气中的杂质。更进一步地，所述空气进气管11上还设有一空气流量计9，所述空气流量计9位于所述空气过滤器8与所述空压机3之间，所述空气流量计9用于感测所述空气进气管11的总进气量。

进一步地，所述空气出气管12上还设有依次连接的背压阀10和尾排消声器13，所述背压阀10靠近所述增湿器2设置。通过设置背压阀10可以调节尾气排出的压力，再通过尾排消声器13对尾气排出进行降噪。

本实施例在使用时，当燃料电池系统100拉载较小时，空压机3出气温度较低，检测到空气进气管11上的温压一体传感器7温度与进电堆1的冷却液温度之差不超过3℃时，辅助散热器521不开启，使用主散热器512对电堆1和压缩空气进行降温。当燃料电池系统100拉载较大时，空压机3的出气温度较高，电堆1入口的冷却液温度要求70℃，与进中冷器4的冷却液温度相近，无法将非常高的空压机3出气温度降到与进入电堆1的冷却液温度相近，这时检测到空气进气管11上的温压一体传感器7与电堆1入口处的温度传感器55的温度之差超过3℃时，开启辅助散热器521，对进入中冷器4的冷却液进行再次降温。辅助散热器521可以根据空气进气管11上的温压一体传感器7与电堆1入口的冷却液温度之差的大小来调节风扇的开度。值得注意的是，此处的冷却液可以是水，也可以是其它冷却液体。此处的温度之差不仅仅为3℃，可以根据实际需求来调整。

本申请与目前市场上布置的主要是给电堆1冷却使用的双散热器冷却系统5相比，现有技术中低功率运行时使用小散热器，中功率运行时使用大散热器，大功率运行时使用两个散热器同时工作，但无论几个散热器工作都必须保证进堆的冷却液温度是一致的(基本在70℃)，如此在高功率下，进入中冷器4的冷却液温度就达到了70℃，很难将180℃，甚至更高的空气温度降到与冷却液温度(70℃)一致。而本申请在中冷器4支路布置一个散热器就很好的解决了该技术难题。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

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 (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、增湿器、空压机、中冷器、冷却系统；其中，

所述电堆上设置有空气进气管、空气出气管；

所述增湿器通过所述空气进气管和所述空气出气管与所述电堆相连；

所述空压机和所述中冷器依次布设在所述空气进气管上，并且位于所述增湿器的前端；

所述冷却系统包括冷却回路和冷却支路，所述冷却回路与所述电堆的出口和入口连通，所述冷却回路上依次设有水泵和主散热器，所述水泵靠近所述电堆的出口，所述主散热器靠近所述电堆的入口，用于冷却电推；所述冷却支路的两端分别连通所述主散热器的出口和所述中冷器的入口，用于冷却所述中冷器中的空气温度；所述冷却支路上还设有辅助散热器。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统还包括电子三通阀、加热器和两个温度传感器；其中，

所述电子三通阀设于所述主散热器和所述电堆之间；

所述加热器和所述主散热器并联，所述加热器一端与所述电子三通阀连通，另一端与所述水泵的出口连通，以形成加热支路；

两个所述温度传感器分别设于所述电堆出口和所述电堆入口处，用于测量所述电堆出口和所述电堆入口的温度。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统还包括去离子器和膨胀水壶，所述去离子器设于所述中冷器和所述膨胀水壶之间；且所述电堆出口与所述膨胀水壶连通；

所述膨胀水壶的还与所述主散热器和所述电堆的出口连通，用于排气。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统还包括颗粒净化器，所述颗粒净化器设于所述电堆的入口处，用于过滤进入电堆中的冷却液中的杂质。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气进气管和所述空气出气管上均安装有节气门和温压一体传感器，所述节气门和所述温压一体传感器均设于所述电堆与所述增湿器之间。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气进气管入口处还设有一空气过滤器，所述空气过滤器过滤进入电堆中的空气中的杂质。

7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气进气管上还设有一空气流量计，所述空气流量计位于所述空气过滤器与所述空压机之间，所述空气流量计用于感测所述空气进气管的总进气量。

8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气出气管上还设有依次连接的背压阀和尾排消声器，所述背压阀靠近所述增湿器设置。

9.一种氢能汽车，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的燃料电池系统。

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