CN220774433U - 用于燃料电池冷启动的循环装置及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于燃料电池冷启动的循环装置及燃料电池，涉及燃料电池的技术领域，包括空压机、控制阀、换热器和中冷器；空压机的出口端与控制阀连接，控制阀还分别与换热器和中冷器连接，控制阀用于控制空压机输出的高温气体输送至换热器或中冷器，其中，在燃料电池冷启动时，控制阀控制空压机的高温气体输送至换热器处，换热器通过高温气体对流经所述换热器并再输送至电堆的冷却液进行换热加热，以提高电堆的冷启动效率；当电堆正常运行过程中，控制阀控制空压机的高温气体进入中冷器进行降温，缓解了现有技术中存在的燃料电池在低温冷启动下，冷却液加热速度慢，电加热器会消耗系统能量，造成系统功耗增加的技术问题。

Description

用于燃料电池冷启动的循环装置及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种用于燃料电池冷启动的循环装置及燃料电池。

背景技术

随着能源短缺、环境污染问题的日益严重，新能源汽车成为了世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，其中燃料电池以其高效率和近零排放被普遍认为具备广阔的发展前景；质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是一种以氢气和空气为燃料来进行发电的燃料电池，它不需要经过氢氧的燃烧反应，而是以质子交换膜为电解质，直接将氢氧的化学能转化为电能，具有高能效、零排放、低噪音、负载连续运行可靠等特点。

现有技术中，燃料电池在低温条件运行时，燃料电池内电化学反应产生的水结冰，使得催化层电化学活性面积减少以及堵塞反应气体通道，进而影响电池性能，最终导致电池低温启动失败，无法正常运行，其中冰的形成也会造成膜电极结构的损伤，进行影响电池寿命；现有技术中，会利用在冷却液的输送管路上设置有加热器，利用加热器对冷却液进行加热，以能够缩短低温冷启动的时间；但是，在低温环境下，即使利用加热器对冷却液加热，系统启动时间也较长，且加热器一般采用电加热器进行加热，需要消耗较多的系统能量，造成能量的损失。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于燃料电池冷启动的循环装置及燃料电池，以缓解现有技术中存在的燃料电池在低温冷启动下，冷却液加热速度慢，电加热器会消耗系统能量，造成系统功耗增加的技术问题。

本实用新型提供的一种用于燃料电池冷启动的循环装置，包括：空压机、控制阀、换热器和中冷器；

所述空压机的出口端与所述控制阀连接，所述控制阀还分别与所述换热器和所述中冷器连接，所述控制阀用于控制所述空压机输出的高温气体输送至所述换热器或所述中冷器，所述换热器用于通过高温气体对流经所述换热器并再输送至电堆的冷却液进行换热加热。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括控制器；

所述控制器与所述控制阀电信号连接，所述控制阀具有第一出口和第二出口，所述控制阀通过所述第一出口与所述换热器连接，所述控制阀通过所述第二出口与所述中冷器连接，所述控制器用于切换所述第一出口或所述第二出口的输出路径。

在本实用新型较佳的实施例中，所述换热器具有气体出口，所述换热器的气体出口与所述中冷器连接，以将经过换热降温后的高温气体输送至所述中冷器处。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括水泵；

所述水泵与所述换热器形成循环回路，所述水泵用于将冷却液输送至所述换热器循环加热。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括旁通阀和旁通支路；

所述旁通支路与所述换热器并联，所述旁通阀位于所述循环回路上，所述旁通阀与所述旁通支路连接，所述旁通阀用于调节所述旁通支路的连通或关闭，以调节所述循环回路中的冷却液是否流经所述换热器。

在本实用新型较佳的实施例中，所述控制器与所述旁通阀信号连接，所述旁通阀具有第三出口和第四出口，所述旁通阀通过所述第三出口与所述换热器连接，所述旁通阀通过所述第四出口与所述旁通支路连接，所述控制器用于切换所述第三出口或所述第四出口的输出路径。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括加热器；

所述加热器位于所述循环回路上，所述加热器用于对所述循环回路流通的冷却液进行加热。

在本实用新型较佳的实施例中，所述加热器与所述控制器电信号连接，所述控制器用于控制所述加热器的启闭。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括检测机构；

所述检测机构与所述电堆连接，所述检测机构用于检测流经所述电堆的冷却液的温度，并将此温度信息输送至所述控制器，所述控制器对应分别控制所述控制阀、所述旁通阀和所述加热器的启闭。

本实用新型提供的一种燃料电池，包括所述的用于燃料电池冷启动的循环装置。

本实用新型提供的用于燃料电池冷启动的循环装置，包括：空压机、控制阀、换热器和中冷器；空压机的出口端与控制阀连接，控制阀还分别与换热器和中冷器连接，控制阀用于控制空压机输出的高温气体输送至换热器或中冷器，其中，在燃料电池冷启动时，控制阀控制空压机的高温气体输送至换热器处，换热器通过高温气体对流经换热器并再输送至电堆的冷却液进行换热加热，以提高电堆的冷启动效率；当电堆正常运行过程中，控制阀控制空压机的高温气体进入中冷器进行降温，缓解了现有技术中存在的燃料电池在低温冷启动下，冷却液加热速度慢，电加热器会消耗系统能量，造成系统功耗增加的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例提供的用于燃料电池冷启动的循环装置的整体结构框图。

图标：100-空压机；200-控制阀；300-换热器；400-中冷器；500-水泵；600-旁通阀；700-旁通支路；800-加热器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型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做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。

如图1所示，本实施例提供的用于燃料电池冷启动的循环装置，包括：空压机100、控制阀200、换热器300和中冷器400；空压机100的出口端与控制阀200连接，控制阀200还分别与换热器300和中冷器400连接，控制阀200用于控制空压机100输出的高温气体输送至换热器300或中冷器400，换热器300用于通过高温气体对流经换热器并再输送至电堆的冷却液进行换热加热。

需要说明的是，本实施例提供的用于燃料电池冷启动的循环装置改善电堆在低温冷启动过程中冷却液的升温速率，具体地，空压机100作为对空气进行压缩以提高空气压力，通过将带有压力的空气输送至电堆进行反应，而空压机100在对空气进行压缩的过程中会导致空气进行升温，压缩后的空气温度可达到200℃-220℃之间，通过在空压机100的出口端设置有控制阀200，控制阀200能够分别与中冷器400和换热器300形成两条输送路径，当电堆在冷启动时，冷却液会在换热器300形成小循环，此时控制阀200将高温气体输送至换热器300中，换热器300利用压缩后的高温气体对流经换热器300的冷却液进行换热升温，升温后的冷却液进入到电堆会缩短系统低温启动时间，利用空气余热，能够降低电加热器的功耗；另外，当电堆在正常运行时，此时控制阀200控制将高温气体输送至中冷器400，进行正常气体降温输送，实现了对不同状态下的压缩空气的输送路径的切换。

本实施例提供的用于燃料电池冷启动的循环装置，包括：空压机100、控制阀200、换热器300和中冷器400；空压机100的出口端与控制阀200连接，控制阀200还分别与换热器300和中冷器400连接，控制阀200用于控制空压机100输出的高温气体输送至换热器300或中冷器400，其中，在燃料电池冷启动时，控制阀200控制空压机100的高温气体输送至换热器300处，换热器300通过高温气体对流经换热器300并再输送至电堆的冷却液进行换热加热，以提高电堆的冷启动效率；当电堆正常运行过程中，控制阀200控制空压机100的高温气体进入中冷器400进行降温，缓解了现有技术中存在的燃料电池在低温冷启动下，冷却液加热速度慢，电加热器会消耗系统能量，造成系统功耗增加的技术问题。

在上述实施例的基础上，进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，还包括控制器；控制器与控制阀200电信号连接，控制阀200具有第一出口和第二出口，控制阀200通过第一出口与换热器300连接，控制阀200通过第二出口与中冷器400连接，控制器用于切换第一出口或第二出口的输出路径。

可选地，控制器可以为燃料电池主控制器(FCU)，是燃料电池发动机系统的控制“大脑”，主要实现对燃料电池系统的在线检测、实时控制及故障诊断，确保系统稳定可靠工作，燃料电池主控制器功能包括气路管理，水热管理，电气管理，通信功能和故障诊断等；另外，控制器也可以采用单独控制器，例如：MCU，计算机，PLC控制器等；举例说明，控制器可以采用例如型号为STM32F103C8T6的单片机，控制器也可以采用PLC控制，此处对此不做限定。

本实施例中，控制阀200可以采用三通阀结构，即控制阀200具有一个入口、第一出口和第二出口，控制阀200能够利用入口接收空压机100输送的高温高压气体，控制阀200基于控制器的控制指令，具有两个切换状态，其中一个状态由入口向第一出口进行输送，另一个状态由入口向第二出口进行输送，通过控制器基于电堆的运行状态，进而对控制阀200进行路径切换，实现了对冷却液的低温换热。

在本实用新型较佳的实施例中，换热器300具有气体出口，换热器300的气体出口与中冷器400连接，以将经过换热降温后的高温气体输送至中冷器400处。

本实施例中，换热器300具有冷却液流道和气体流道，冷却液流道与气体流道能够换热，且气体流道能够分别与控制阀200和中冷器400形成连通，即当空压机100将外部空气进行压缩后，首先通过换热器300进行换热降温，第一次降温后的压缩气体通过换热器300进入到中冷器400，利用中冷器400对压缩气体进行再次降温，即压缩空气经过了两次降温，使得压缩空气的冷却效果更好。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括水泵500；水泵500与换热器300形成循环回路，水泵500用于将冷却液输送至换热器300循环加热。

本实施例中，换热器300作为冷却液与压缩气体换热结构，换热器300内流通的冷却液通过水泵500形成循环回路，即利用水泵500的输送，使得冷却液经过换热器300进行换热，换热后的冷却液通过支路输送至电堆，再利用电堆输出的冷却液进入到循环回路进行降温。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括旁通阀600和旁通支路700；旁通支路700与换热器300并联，旁通阀600位于循环回路上，旁通阀600与旁通支路700连接，旁通阀600用于调节旁通支路700的连通或关闭，以调节循环回路中的冷却液是否流经换热器300。

本实施例中，旁通阀600作为循环回路上的调节结构，旁通阀600可以采用三通阀，其中旁通阀600在低温启动状态下，旁通阀600控制循环回路与换热器300的连通，使得水泵500输送的冷却液通过换热器300进行换热升温；当冷却液的温度达到稳定运行状态下，旁通阀600调节循环回路与旁通支路700的连通，使得循环回路流动的冷却液直接通过旁通支路700进行输送，避免冷却液进入到换热器300，保证冷却液的温度不会受到换热器300与压缩空气的影响，同时还能够减少冷却液进入到换热器300中造成流动阻力的增大，避免冷却液循环流动的消耗。

在本实用新型较佳的实施例中，控制器与旁通阀600信号连接，旁通阀600具有第三出口和第四出口，旁通阀600通过第三出口与换热器300连接，旁通阀600通过第四出口与旁通支路700连接，控制器用于切换第三出口或第四出口的输出路径。

本实施例中，由于冷却液进入到换热器300中会具有流阻，以能够保证冷却液与压缩空气的充分换热，而当系统整体在正常运行，冷却液的温度达到稳定运行温度要求时，此时控制器能够使得控制阀200关闭对换热器300的输送支路，即控制阀200的第一出口处于关闭状态，同时控制阀200与中冷器400的分路处于完全连通状态，即控制阀200的第二出口处于完全开启状态，使得空压机100的压缩气体直通中冷器400，此时控制器控制旁通阀600对换热器300进行旁通，此时控制器能够使得旁通阀600关闭对换热器300的输送支路，即旁通阀600的第三出口处于关闭状态，同时旁通阀600与旁通支路700的分路处于完全连通状态，即旁通阀600的第四出口处于完全开启状态，使得水泵500输送的冷却液通过旁通支路700进行流通，不进入到换热器300内部，以能够降低整体系统冷却液回路流阻，降低水泵500的消耗。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括加热器800；加热器800位于循环回路上，加热器800用于对循环回路流通的冷却液进行加热。

本实施例中，加热器800作为循环回路中对冷却液加热的结构，加热器800能够在低温启动下对冷却液进行加热，即循环回路中的冷却液在低温启动状态下会通过换热器300进行换热升温，同时还能够通过加热器800进行再次加热，通过两次加热能够更快将冷却液的温度提升至系统需要的稳定运行的温度，通过使得冷却液快速升温，缩短系统低温启动的时间，提高了电堆的使用寿命。

在本实用新型较佳的实施例中，加热器800与控制器电信号连接，控制器用于控制加热器800的启闭。

本实施例中，加热器800作为低温启动状态下对冷却液加热的设备，当冷却液的温度达到系统稳定运行的温度后，此时控制器基于电堆的运行状态，控制加热器800关闭，避免了加热器800持续开启造成功耗增加。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括检测机构；检测机构与电堆连接，检测机构用于检测流经电堆的冷却液的温度，并将此温度信息输送至控制器，控制器对应分别控制控制阀200、旁通阀600和加热器800的启闭。

本实施例中，检测机构可以采用温度传感器，温度传感器可以对电堆入口处的冷却液的温度进行检测，即利用温度传感器对入堆的冷却液的温度进行检测，并将此温度信息输送至控制器，控制器基于预设的控制指令和温度值，可以对应对控制阀200的第一出口和第二出口的路径进行控制切换，以及对旁通阀600的第三出口和第四出口的路径切换，同时还能够控制加热器800的启闭，实现了对循环回路中的温度统一调节。

本实施例提供的一种燃料电池，包括所述的用于燃料电池冷启动的循环装置；由于本实施例提供的燃料电池的技术效果与上述实施例提供的用于燃料电池冷启动的循环装置的技术效果相同，此处对此不做赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，包括：空压机(100)、控制阀(200)、换热器(300)和中冷器(400)；

所述空压机(100)的出口端与所述控制阀(200)连接，所述控制阀(200)还分别与所述换热器(300)和所述中冷器(400)连接，所述控制阀(200)用于控制所述空压机(100)输出的高温气体输送至所述换热器(300)或所述中冷器(400)，所述换热器(300)用于通过高温气体对流经所述换热器(300)并再输送至电堆的冷却液进行换热加热。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，还包括控制器；

所述控制器与所述控制阀(200)电信号连接，所述控制阀(200)具有第一出口和第二出口，所述控制阀(200)通过所述第一出口与所述换热器(300)连接，所述控制阀(200)通过所述第二出口与所述中冷器(400)连接，所述控制器用于切换所述第一出口或所述第二出口的输出路径。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，所述换热器(300)具有气体出口，所述换热器(300)的气体出口与所述中冷器(400)连接，以将经过换热降温后的高温气体输送至所述中冷器(400)处。

4.根据权利要求2所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，还包括水泵(500)；

所述水泵(500)与所述换热器(300)形成循环回路，所述水泵(500)用于将冷却液输送至所述换热器(300)循环加热。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，还包括旁通阀(600)和旁通支路(700)；

所述旁通支路(700)与所述换热器(300)并联，所述旁通阀(600)位于所述循环回路上，所述旁通阀(600)与所述旁通支路(700)连接，所述旁通阀(600)用于调节所述旁通支路(700)的连通或关闭，以调节所述循环回路中的冷却液是否流经所述换热器(300)。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，所述控制器与所述旁通阀(600)信号连接，所述旁通阀(600)具有第三出口和第四出口，所述旁通阀(600)通过所述第三出口与所述换热器(300)连接，所述旁通阀(600)通过所述第四出口与所述旁通支路(700)连接，所述控制器用于切换所述第三出口或所述第四出口的输出路径。

7.根据权利要求5-6任一项所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，还包括加热器(800)；

所述加热器(800)位于所述循环回路上，所述加热器(800)用于对所述循环回路流通的冷却液进行加热。

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，所述加热器(800)与所述控制器电信号连接，所述控制器用于控制所述加热器(800)的启闭。

9.根据权利要求8所述的用于燃料电池冷启动的循环装置，其特征在于，还包括检测机构；

所述检测机构与所述电堆连接，所述检测机构用于检测流经所述电堆的冷却液的温度，并将此温度信息输送至所述控制器，所述控制器对应分别控制所述控制阀(200)、所述旁通阀(600)和所述加热器(800)的启闭。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的用于燃料电池冷启动的循环装置。