CN114079062B - 一种燃料电池系统集成水热散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统集成水热散热系统，其中水热散热系统可包括：电池堆冷却回路，所述电池堆冷却回路中的冷却液由第一水泵驱动依次通过电池堆、换热器，并回到第一水泵；以及辅助系统冷却回路，辅助系统冷却回路中的冷却液由第二水泵驱动依次通过三通阀、所述换热器、散热器、燃料电池辅助系统，并回到第二水泵，其中三通阀具有连接第二水泵的第一接口、连接换热器的第二接口、以及连接到换热器和散热器之间的旁路接口。当电池堆冷启动时，辅助系统冷却回路可通过换热器对电池堆冷却回路提供热量以加速电池堆启动，当电池堆温度达到最佳工作温度范围时，辅助系统冷却回路可通过换热器帮助电池堆冷却回路散热。

Description

一种燃料电池系统集成水热散热系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，更具体地，涉及用于燃料电池系统的集成水热散热系统。

背景技术

燃料电池，尤其是氢燃料电池，因其燃料来源广、无污染、零排放，被视为未来的能源解决方案之一。氢燃料电池(以下简称“燃料电池”)的工作原理是通过使氢气与氧气进行化学反应，从而将化学能转换成电能。更具体地，其基本原理是将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。

为了保证燃料电池电池堆(以下简称“电池堆”)的绝缘性能，对冷却液的离子浓度要求很高(要求去离子水)。然而，燃料电池辅助系统(包括例如中冷器、DC-DC变换器及空压机控制器)并没有这个要求。冷却液的离子浓度要求高，则成本增加。燃料电池电池堆的核心在于膜电极，离子交换通过质子交换膜进行，质子交换膜的最佳运行状态温度在70～90℃之间。温度太低，会导致膜电极中铂的催化活性降低，而温度过高，会导致质子交换膜失水严重，不利于质子传导，因此保持合适的温度和湿度至关重要。燃料电池在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏。因此，目前燃料电池启动对外输出功率一般需要将电池堆内部温度达到0℃以上进行。

目前的燃料电池技术存在以下技术问题：

1)当前的主要技术方案将燃料电池电池堆与燃料电池辅助系统中的中冷器和散热器相连接，存在水循环回路大、去离子水要求多且更换频繁的弊端；以及

2)当前燃料电池系统的散热部分考虑到温度差异(电池堆工作温度为70～90℃，控制器温度为60～70℃)分为两块，主散热器为电池堆及中冷器散热(电池堆冷却回路)，辅助散热器为空压机及控制器和DC-DC(辅助系统冷却回路)，散热系统复杂且效率不高。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于燃料电池系统的水热散热系统，其中所述水热散热系统可包括：

电池堆冷却回路，所述电池堆冷却回路中的冷却液由第一水泵驱动依次通过电池堆、换热器，并回到所述第一水泵；以及

辅助系统冷却回路，所述辅助系统冷却回路中的冷却液由第二水泵驱动依次通过三通阀、所述换热器、散热器、燃料电池辅助系统，并回到第二水泵，其中所述三通阀具有连接所述第二水泵的第一接口、连接所述换热器的第二接口、以及连接到所述换热器和所述散热器之间的旁路接口。

根据本发明的进一步实施例，当所述电池堆处于冷启动阶段时，打开所述三通阀的第一接口和第二接口，关闭所述三通阀的旁路接口，并且不启动所述散热器。

根据本发明的进一步实施例，在所述电池堆启动之后并且所述电池堆的温度上升至所述电池堆的最佳工作温度范围之前，打开所述三通阀的第一接口和旁路接口，关闭所述三通阀的第二接口，并且启动所述散热器。

根据本发明的进一步实施例，在所述电池堆的温度上升至所述电池堆的最佳工作温度范围之后，打开所述三通阀的第一接口、第二接口以及旁路接口，并且启动所述散热器。

根据本发明的进一步实施例，仅在所述电池堆冷却回路中使用去离子水作为冷却液。

根据本发明的进一步实施例，所述燃料电池辅助系统进一步包括：中冷器、DC-DC变换器、以及空压机及控制器。

根据本发明的进一步实施例，所述燃料电池辅助系统的最佳工作温度范围低于所述电池堆的最佳工作温度范围。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其中所述燃料电池系统可包括：燃料电池堆；燃料电池辅助系统；以及如本发明中所描述的水热散热系统。

根据本发明的又一方面，提供了一种使用如本发明中所描述的燃料电池系统的汽车。

与现有技术中的方案相比，本发明所提供的燃料电池系统集成水热散热系统至少具有以下优点：

(1)本发明降低了电池堆散热水循环回路长度，减少了离子析出，降低了去离子水需求，提高了产品的绝缘性能，同时延长了去离子水更换周期，节约了成本；

(2)本发明实现了两个散热器的集成，同时可满足电池堆和辅助系统工作温度的要求；以及

(3)本发明优化了散热回路设计，降低了散热系统的复杂度和成本。

通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。

附图说明

为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。

图1是根据本发明的一个实施例的集成了水热散热系统的燃料电池系统的示例结构图。

图2是使用了根据本发明的燃料电池系统的汽车的示例结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。

图1是根据本发明的一个实施例的集成了水热散热系统的燃料电池系统100的示例结构图。

如图1中所示，燃料电池系统100可包括燃料电池堆102、燃料电池辅助系统(以下简称“辅助系统”)104以及散热系统。在本示例中，散热系统为水热散热系统。为了给电池堆102和辅助系统104散热，散热系统可分别对电池堆以及辅助系统提供冷却，其中电池堆冷却用于保证燃料电池电池堆的工作温度在合理范围内，并保证燃料电池的反应速度及系统效率，辅助系统冷却则保证辅助系统中的相关部件的工作温度在合理范围内，从而这些部件可以正常运行。

作为一个示例，如图1中所示，本发明的燃料电池系统100中的电池堆冷却部分包括电池堆102、换热器106、以及第一水泵108，组成电池堆冷却回路或内循环回路。辅助系统冷却部分包括换热器106、散热器110、辅助系统104、第二水泵114、以及三通阀116，组成辅助系统冷却回路或外循环回路。其中，辅助系统104可进一步包括例如中冷器118、DC-DC变换器120以及空压机及控制器122。

值得注意的是，如图1中所示出的，本发明的燃料电池系统100的内循环回路和外循环回路通过共用的换热器106相互连接，实现热交换。这种结构设计的优点将在以下结合对于本发明的燃料电池系统的工作过程的详细描述而变得更为明显。

作为一个示例，燃料电池系统可按其从冷启动到工作在合适温度范围分为以下三个阶段：

阶段1：电池堆冷启动

在燃料电池冷启动时，燃料电池温度较低，此时可利用外循环回路来提升内循环水路的温度，从而加快电池堆内部温度提升，直到完成电池堆启动，例如当电池堆温度达到一个启动温度阈值。

为此，在这一示例中，三通阀120被配置成打开与换热器106的连接接口，同时关闭旁路接口，散热器110不启动，第一水泵108和第二水泵118启动。此时，燃料电池电池堆自身散发的热量将通过内循环回路通过第一水泵108驱动进行循环，使电池堆内部温度均匀。同时，外循环回路中辅助系统的散发的热量使外循环回路中的水温上升，在第二水泵118的驱动下进行循环，并通过换热器106实现内外循环回路之间的热传递，将热量传递至内循环回路，从而提升了内循环水路温度，进而有助于电池堆内部温度的提升，缩短电池冷启动时间。换言之，在这一阶段，内循环电路和外循环电路通过换热器进行热交换，并且外循环电路被配置成帮助内循环电路提升温度。

阶段2：电池堆启动后

当燃料电池电池堆启动成功后，自身散发的热量开始迅速上升，此时不需要外循环回路继续为其加热，同时外循环回路中的辅助系统自身也先于电池堆进入到其最佳工作温度范围(如之前提到的得，电池堆的最佳工作温度范围约为70～90℃，辅助系统的最佳工作温度范围约为60～70℃)，因此辅助系统需要冷却以维持其工作在最佳温度范围。

为此，在这一示例中，三通阀120打开旁路接口，并关闭其与换热器106的连接接口，同时散热器110开始工作。此时，燃料电池电池堆102在启动成功后依靠自身发热继续提升温度，直至温度上升至最佳工作温度范围。辅助系统104通过散热器110对其中的中冷器112等各零部件进行散热，维持各零部件运行在最佳工作温度范围。换言之，在这一阶段，内循环电路和外循环电路独立工作，分别为电池堆和辅助系统进行冷却。

阶段3：电池堆达到最佳工作温度

当燃料电池电池堆继续升高温度直至达到其最佳工作温度范围时，单靠内循环回路无法抑制其温度继续上升，因此需要依靠外循环电路帮助其维持温度。

为此，在这一示例中，三通阀120重新打开与换热器106的连接接口，从而通过换热器106带走一部分电池堆102的热量，由此将电池堆102维持在最佳工作温度范围。在这一工作状态下，散热器110同时对电池堆102及辅助系统104进行散热。换言之，在这一阶段，内循环电路和外循环电路通过换热器进行热交换，并且外循环电路被配置成帮助内循环电路降低温度。

以上描述了本发明的燃料电池冷却系统的示例结构。与现有技术相比，首先，本发明实现了利用一个散热器来维持电池堆和辅助系统两部分的最佳工作温度，简化了结构，并提升了散热效率。实现这一效果的原理是：辅助系统的运行温度低于电池堆的运行温度，两者之间存在温度差；利用此温度差就可以有效地对电池堆冷却液(去离子水)进行换热制冷，从而维持电池堆的最佳运行温度。

其次，本发明实现了加速燃料电池冷启动，这是因为利用了辅助系统运行散热的能量来加热电池堆冷却液(去离子水)的温度，循环后加热电池堆，从而达到了加速冷启动的进程。

第三，本发明能够实现降低去离子水(电池堆冷却液)需求。如之前所描述的，只有电池堆冷却回路中的水需要去离子水，因此通过本发明的设计，使得电池堆冷却回路的长度减小，所以对于去离子水的需求也相应减小。相应地，因为回路长度减小，回路中零部件更少，减少了离子析出，更利于保证水路中的离子浓度，降低了回路中可能产生离子的寄生部件，故而能使用去离子水更换周期更长，提高了产品的绝缘性能，且因此显著地有利于降低成本。

第四，本发明通过换热器和三通阀将电池堆主散热与辅助系统散热集成在一起，使系统集成度更高，同时降低了系统对外部资源的依赖度。

图2是使用了根据本发明的燃料电池系统的汽车200的示例结构图。如图2中所示，汽车200包括燃料电池系统，诸如图1中所描述的集成了水热散热系统的燃料电池系统100。本领域技术人员可以理解，虽然本发明是以氢燃料电池系统为例描述的，但燃料电池不限于氢燃料电池，只要燃料电池系统中的、燃料电池辅助系统的最佳工作温度范围低于燃料电池堆的最佳工作温度范围，就可以适用本发明。此外，本发明不仅适用于纯以燃料电池作为动力的汽车，也适用于采用燃料电池系统作为部分动力的混合动力汽车。

以上所已经描述的内容包括所要求保护主题的各方面的示例。当然，出于描绘所要求保护主题的目的而描述每一个可以想到的组件或方法的组合是不可能的，但本领域内的普通技术人员应该认识到，所要求保护主题的许多进一步的组合和排列都是可能的。从而，所公开的主题旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的变更、修改和变化。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池系统的水热散热系统，其特征在于，所述水热散热系统包括：

电池堆冷却回路，所述电池堆冷却回路中的冷却液由第一水泵驱动依次通过电池堆、换热器，并回到所述第一水泵；以及

辅助系统冷却回路，所述辅助系统冷却回路中的冷却液由第二水泵驱动依次通过三通阀、所述换热器、散热器、燃料电池辅助系统，并回到第二水泵，其中所述三通阀具有连接所述第二水泵的第一接口、连接所述换热器的第二接口、以及连接到所述换热器和所述散热器之间的旁路接口，

其中当所述电池堆处于冷启动阶段时，打开所述三通阀的第一接口和第二接口，关闭所述三通阀的旁路接口，并且不启动所述散热器；在所述电池堆启动之后并且所述电池堆的温度上升至所述电池堆的最佳工作温度范围之前，打开所述三通阀的第一接口和旁路接口，关闭所述三通阀的第二接口，并且启动所述散热器；在所述电池堆的温度上升至所述电池堆的最佳工作温度范围之后，打开所述三通阀的第一接口、第二接口以及旁路接口，并且启动所述散热器。

2.如权利要求1所述的水热散热系统，其特征在于，仅在所述电池堆冷却回路中使用去离子水作为冷却液。

3.如权利要求1所述的水热散热系统，其特征在于，所述燃料电池辅助系统进一步包括：中冷器、DC-DC变换器、以及空压机及控制器。

4.如权利要求1所述的水热散热系统，其特征在于，所述燃料电池辅助系统的最佳工作温度范围低于所述电池堆的最佳工作温度范围。

5.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：

燃料电池堆；

燃料电池辅助系统；以及

如权利要求1－4中任意一项所述的水热散热系统。

6.一种使用如权利要求5所述的燃料电池系统的汽车。