一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池又名燃料电池，由于其能量利用率高、无噪声、动力响应等优点，被认为未来的新能源动力系统。燃料电池系统以氢气和空气作为阳极和阴极的反应气体经过电化学反应产生电能。在燃料电池系统的应用中，低温环境的应用是其优势所在。高压ptc是其低温工况的主要热能来源，其产品性能将直接影响燃料电池的低温启动性能。随着燃料电池技术的发展，其对低温启动的热量提供方式需求更加突出，通过其他什么方式可以提高低温工况时的冷却液升温和常态工况时的氢气入堆温度，以提升燃料电池系统的低温启动性能和氢气利用效率，成为当前急需解决的难题。

2、现有技术中公开号为(cn114883611a)的一种燃料电池低温启动控制系统及方法，通过高温气体流经中冷器对冷却液进行加热，同时高温气体流经热交换装置以实现燃料电池的快速加热及怠速或低功率下保温，另外利用余热实现管路及节气门的破冰；但是该方法采用的应用的系统复杂化，同时未对入堆氢气进行加热造成降低氢气利用率的现象。

3、现有技术中公开号为(cn115548373a)一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，该系统通过利用燃料电池尾气热能通入热泵系统，进行水箱的用水加热，实现热电联供，以提高燃料电池系统的热回收率和供热效率，但是该系统仅为热电联合系统，而不是在燃料电池系统中的具体应用。

技术实现思路

1、根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，包括低温启动回路和正常运行回路；

2、所述低温启动回路包括吸收新鲜空气的空气过滤器以及燃料电池电堆，所述空气过滤器的输出端与质量流量计相连接，所述质量流量计的输出端与空气增压器相连接，所述空气增压器的输出端与高压板式换热器相连接；所述燃料电池电堆中的低温冷却液通过高压水泵进入高压板式换热器与高温空气进行换热后将冷却液进行升温，升温后的冷却液汇入到冷却主管路进入燃料电池电堆完成低温工况的冷却液循环，所述高压板式换热器通过与氢空混合室相连接；

3、所述正常运行回路工作时：经由空压机流出的高温气体进入空气中冷器再进入燃料电池电堆进行燃料电池反应，同时燃料电池电堆中的高温冷却液通过高压水泵进入散热器换热降温再分流流出，其中一路进入所述空气中冷器与高温空气进行换热降温后流出，换热后的高温冷却液进入高压板式换热器，另一路为冷却主管路、与高压板式换热器流出的冷却液汇合后直接流入燃料电池电堆进行电堆冷却；所述高压板式换热器的输出端与氢气供给装置相连接，所述氢气供给装置与燃料电池电堆相连接，所述燃料电池电堆与气液分离装置相连接，所述气液分离装置的输出端与氢气回流装置和氢空混合室相连接。

4、所述空气增压器的输出端通过第二控制阀与高压板式换热器相连接，所述高压板式换热器通过第一控制阀与氢空混合室相连接。

5、所述燃料电池电堆中的低温冷却液通过高压水泵流经冷却管路到第二三通阀，再通过第二三通阀进入高压板式换热器。

6、所述空气中冷器与燃料电池电堆之间的连接管路上设置有第一空气流量控制阀。

7、所述燃料电池电堆与氢空混合室之间的管路上设置有第二空气流量控制阀。

8、所述燃料电池电堆中的高温冷却液通过高压水泵流经冷却管路到第二三通阀进入散热器换热降温流出。

9、所述散热器的输出端与第一三通阀相连接。

10、所述燃料电池电堆的冷却管路上设置有第二温度传感器和第三温度传感器。

11、所述氢气供给装置与燃料电池电堆之间的连接管路上设置有第一压力传感器和第一温度传感器。

12、所述燃料电池电堆的空气输入输出管路上还连接有第一温压传感器和第二温压传感器。

13、由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，该系统通过水泵、空气压缩机、高压板式换热器、空气中冷器的结合应用将空气压缩机产生的空气热能应用到低温工况冷却液升温和正常工况高压氢气升温，同时可通过水泵、第一、二三通阀及空气压缩机的联合控制以调整入堆冷却液温度、入堆空气温度压力和入堆氢气温度压力满足系统低温和正常运行工况的目标需求。该系统和方法的主要优点如下：1、利用空气压缩机产生的空气热能进行冷却液快速升温以满足低温启动要求；2、利用空压压缩机产生的空气热能和电堆产生的热能进行高压低温氢气快速升温，以提高燃料电池系统性能和氢气利用效率。3取消以往燃料电池系统中的高压ptc加热部件，充分利用空气压缩机产生的空气热能。因此该系统利用热泵原理解决了目前空气压缩机的空气热能高效利用问题，有效利用压缩后的空气热能进行低温工况的冷却液加热升温和常态工况的低温氢气加热升温，以满足燃料电池系统各工况的目标需求，同时较以往系统配置将高压ptc加热部件取消，实现了系统结构简单化和低成本。

技术特征：

1.一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于包括：低温启动回路和正常运行回路；

2.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述空气增压器(9)的输出端通过第二控制阀(14)与高压板式换热器(1)相连接，所述高压板式换热器(1)通过第一控制阀(13)与氢空混合室(6)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(3)中的低温冷却液通过高压水泵(11)流经冷却管路到第二三通阀(18)，再通过第二三通阀(18)进入高压板式换热器(1)。

4.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述空气中冷器(10)与燃料电池电堆(3)之间的连接管路上设置有第一空气流量控制阀(15)。

5.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(3)与氢空混合室(6)之间的管路上设置有第二空气流量控制阀(16)。

6.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(3)中的高温冷却液通过高压水泵(11)流经冷却管路到第二三通阀(18)进入散热器(12)换热降温流出。

7.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述散热器(12)的输出端与第一三通阀(17)相连接。

8.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(3)的冷却管路上设置有第二温度传感器(23)和第三温度传感器(24)。

9.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述氢气供给装置(2)与燃料电池电堆(3)之间的连接管路上设置有第一压力传感器(19)和第一温度传感器(20)。

10.根据权利要求1所述的一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(3)的空气输入输出管路上还连接有第一温压传感器(21)和第二温压传感器(22)。

技术总结
本发明公开了一种高效且简洁的燃料电池水热管理系统，该系统通过水泵、空气压缩机、高压板式换热器、空气中冷器的结合应用将空气压缩机产生的空气热能应用到低温工况冷却液升温和正常工况高压氢气升温，同时可通过水泵、第一、二三通阀及空气压缩机的联合控制以调整入堆冷却液温度、入堆空气温度压力和入堆氢气温度压力满足系统低温和正常运行工况的目标需求。该发明的高效热能利用过程，可通过如下途径实现：可通过空气压缩机在低温启动前提供高温空气，实现空气与低温冷却液的换热，以达到低温启动条件，可将以往燃料电池系统中高压PTC取消。

技术研发人员：汪源利,李东明,丁鹏,穆永权,高世驹,范立彬,南宇
受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14