一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统的制作方法

本实用新型涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统。

背景技术：

氢燃料电池堆是氢气和氧气发生电化学反应的场所，其主要作用是通过电化学反应发电，生成物是水。燃料电池堆有一定数量的单电池叠加密封组成，单电池的内部结构为：双极板-气体扩散层-电极-催化层-质子交换膜-催化层-电极-气体扩散层-双极板，在两片双极板之间由密封圈密封。燃料电池堆在工作过程中由空压机和氢气罐提供的增压空气和氢气在电堆内部发生电化学反应，产生电能并生成水。由于电堆内部的电化学反应是在一个复杂的三相界面上进行，受压力、温度和湿度等多因素影响，因此控制入堆气体的温度对电堆的性能提升有重要意义。

当前大多车用燃料电池系统的氢气供应，采用不加热、电加热或电堆余热加热等方式。入堆氢气的预热可以保证燃料电池堆入口的氢气拥有相对适合的温度，减少电堆内部给氢气换热的温度和能量波动，保证入堆空气和氢气以适当的温度直接反应，提高系统工作效率。但是电加热需要额外耗能，且电加热氢气存在一定安全隐患；此外余热加热在燃料电池系统冷启动过程中并不能起到预热作用。

现有技术中，专利名称为“一种燃料电池冷启动快速加热系统及方法”，专利申请号为“cn201410093593.0”的发明专利，公开了一种燃料电池冷启动快速加热系统，包括氢气输送管道和燃料电池电堆，氢气输送管道将氢气输送到燃料电池电堆阳极侧的流道内，其特征在于：还包括加热器、测温计和电池控制系统；所述加热器设置在氢气输送管道上，对氢气加热；所述测温计设置在燃料电池电堆内部，用来测量电堆温度；所述电池控制系统的数据采集端与测温计连接，输出端与加热器连接，根据测温计测得的电堆内部的温度控制所述加热器的开启与关闭。本发明述燃料电池冷启动快速加热系统，通过在氢气输送管道上设置加热器，给进入燃料电池的氢气加热，使燃料电池的阳极侧在适当的温度下快速反应，并将多余的热量传导给燃料电池的阴极侧，从而使燃料电池迅速达到最佳工作状态。该专利的优点是能够在启动时快速对电堆加热，使燃料电池系统在低温启动状况下能快速达到最佳性能；缺点是这种加热方式需要额外耗电，需额外的加热元件，增加系统复杂度，此外电加热元件加热氢气存在安全隐患。

又有专利名称为“一种燃料电池氢气加热装置”，专利申请号为“

cn201910616489.8”的发明专利，公开了一种燃料电池氢气加热装置，涉及燃料电池领域；包括壳体、2排换热翅片、2n个氢气分流挡板和隔板；壳体的顶端分别设置有热交换剂进口和热交换剂出口；壳体的侧壁处设置有氢气进口和压缩空气进口；壳体底端的侧壁处，设置有氢气出口和压缩空气出口；隔板将壳体内腔分为氢气腔体和压缩空气腔体；2排换热翅片分布竖直设置在氢气腔体和压缩空气腔体内部的中心处；一排换热翅片与热交换剂进口连通；另一排换热翅片与热交换剂出口连通；氢气分流挡板对称设置在氢气腔体和压缩空气腔体内部；本发明利用燃料电池堆和系统产生的废热对从冷源进入的氢气进行加热，升温均匀可控，避免电加热等较为危险的加热方式，可为燃料电池发电提供温度较高的氢气。该专利的优点是可以利用燃料电池堆和系统产生的废热对从冷源进入的氢气进行加热，为燃料电池发电提供温度较高的氢气，无电加热器等危险元件；缺点是利用系统及电堆余热加热氢气的方法在冷启动和低温启动时无法起作用，此外加热装置的流道设计会加大冷却回路流阻，增加水泵选型难度，还可能会增加冷却液的离子析出，对电堆性能造成影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种简单高效的含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，燃料电池系统正常工作时，采用空压机增压后的压缩空气加热系统冷源入口的氢气，防止低温氢气在电堆入口处与汽水分离后回流的高湿度氢气混产生冷凝水，保持入电堆介质温度稳定，避免低温氢气入堆造成电堆内部热量波动，通过控制空压机的转速，在低温及冷启动过程中可以快速给入堆氢气加热，提高入堆反应气体的温度，加快系统冷启动速度。

本实用新型采取以下技术方案实现上述目的：

一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，包括燃料电堆、空压机、氢气罐和氢气-空气热交换器，氢气-空气热交换器相对两端的进气口分别连接空压机和氢气罐，氢气-空气热交换器其中一端的出气口通过阴极中冷器连接燃料电堆的进气口，氢气-空气热交换器另一端的出气口通过氢气喷射装置连接燃料电堆的进气口。

优选地，阴极中冷器和燃料电堆之间设有空气入堆截止阀。

优选地，氢气-空气热交换器和氢气喷射装置之间设有氢气主关断阀。

优选地，燃料电堆的出气口设有背压阀，阴极中冷器通过中冷后旁通阀连接背压阀的出气端。

优选地，燃料电堆的出气口还设有气水分离器，气水分离器的其中一个出气口连接背压阀的出气端，气水分离器的另一个出气口通过氢气回流泵连接氢气喷射装置。

优选地，燃料电堆的相对两端还分别设有冷却液进口和冷却液出口，所述冷却液出口沿所述冷却液进口方向依次设有相连接的去离子器、膨胀水箱、冷却水泵和冷却液过滤器。

优选地，冷却水泵的冷却液出口还通过阴极中冷器连接膨胀水箱的冷却液进口。

优选地，所述冷却液出口并联设有三通阀，三通阀的第一通路连接膨胀水箱的冷却液进口，三通阀的第二通路通过客舱热交换器连接膨胀水箱的冷却液进口，三通阀的第三通路通过散热器连接膨胀水箱的冷却液进口。

与现有方案1相比，本实用新型不需要额外的电加热器等耗能且可能存在安全隐患的元件，此外还可以回收利用空压机转化为内能的一部分能耗，提高系统整体能量利用率。

与现有方案2相比，本实用新型在系统冷启动时可给通过改变空压机控制方式给氢气和冷却液进行辅助加热，加快系统冷启动速度。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，燃料电池系统正常工作时，采用空压机增压后的压缩空气加热系统冷源入口的氢气，防止低温氢气在电堆入口处与汽水分离后回流的高湿度氢气混产生冷凝水，保持入电堆介质温度稳定，避免低温氢气入堆造成电堆内部热量波动，通过控制空压机的转速，在低温及冷启动过程中可以快速给入堆氢气加热，提高入堆反应气体的温度，加快系统冷启动速度。

本实用新型的含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，采用气气换热方案，解决传统电加热器加热氢气存在的安全隐患，简化冷却回路元件，减少冷却回路压损和离子析出，降低零部件选型成本。

附图说明

图1为本实用新型实施方式提供的含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统的结构示意图。

图中，1-燃料电堆，2-空压机，3-氢气罐，4-氢气-空气热交换器，5-阴极中冷器，6-氢气喷射装置，7-空气入堆截止阀，8-氢气主关断阀，9-背压阀，10-中冷后旁通阀，11-气水分离器，12-氢气回流泵，13-去离子器，14-膨胀水箱，15-冷却水泵，16-冷却液过滤器，17-三通阀，18-客舱热交换器，19-散热器。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

请参见图1，本实施方式提供一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，包括燃料电堆1、空压机2、氢气罐3和氢气-空气热交换器4，氢气-空气热交换器4相对两端的进气口分别连接空压机2和氢气罐3，氢气-空气热交换器4其中一端的出气口通过阴极中冷器5连接燃料电堆1的进气口，氢气-空气热交换器4另一端的出气口通过氢气喷射装置6连接燃料电堆1的进气口。

本实施方式的含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，燃料电堆1是氢气和空气中氧气发生电化学反应的场所，最佳工作温度在70℃～90℃之间。空压机2为燃料电堆1提供增压空气，加压后的空气温度较高，正常工作时，空压机2的出口温度一般为120℃～180℃之间。氢气罐3为燃料电堆1提供高压氢气，其出口氢气温度较低，一般为0℃～20℃之间。氢气-空气热交换器4利用空压机2增压后高温空气加热氢气罐3出口低温氢气，同时降低增压空气温度，保证入堆氢气和空气在最佳工作温度下直接反应。阴极中冷器5主要作用是给空压机2增压后的高温空气降温。氢气喷射装置6，对一级减压后的氢气进行二级减压，再通过调节喷气频率为燃料电堆1提供需求压力和流量的氢气。

系统正常工作时，空气经空压机2增压后进入氢气-空气热交换器4与氢气罐3出口的冷源氢气进行第一次降温换热，一次换热后高温空气继续进入阴极中冷器5进行与冷却液进行第二次降温换热后进入燃料电堆1。而氢气从氢气罐3流入氢气-空气热交换器4与高温空气换热后获得较高温度，经过预热的氢气在氢气喷射装置6经减压后进入燃料电堆1。

系统正常启动时，在启动、加载直到满载运行过程中，通过氢气-空气热交换器4的调节，氢气和空气的温度会同步提升，且当氢气-空气热交换器4出口的空气温度高于入堆温度上限时，通过阴极中冷器5的降温，使电堆入口氢气、空气温度保持相对稳定。

本实用新型的含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，燃料电池系统正常工作时，采用空压机2增压后的压缩空气加热系统冷源入口的氢气，防止低温氢气在电堆入口处与汽水分离后回流的高湿度氢气混产生冷凝水，保持入电堆介质温度稳定，避免低温氢气入堆造成电堆内部热量波动，通过控制空压机2的转速，在低温及冷启动过程中可以快速给入堆氢气加热，提高入堆反应气体的温度，加快系统冷启动速度。

作为本实施方式的一种优选，阴极中冷器5和燃料电堆1之间设有空气入堆截止阀7。空气入堆截止阀7一方面起停机密封保护作用，另一方面起到系统阴极回路背压作用。

作为本实施方式的一种优选，氢气-空气热交换器4和氢气喷射装置6之间设有氢气主关断阀8。氢气主关断阀8起保护燃料电堆1的作用，可迅速切断氢气供应。

作为本实施方式的一种优选，燃料电堆1的出气口设有背压阀9，阴极中冷器5通过中冷后旁通阀10连接背压阀9的出气端。中冷后旁通阀10用于在冷启动调节空压机2的转速提升空气温度时，旁通多余空气。

作为本实施方式的一种优选，燃料电堆1的出气口还设有气水分离器11，气水分离器11的其中一个出气口连接背压阀9的出气端，气水分离器11的另一个出气口通过氢气回流泵12连接氢气喷射装置6。气水分离器11分离阳极路尾排的气体和水分。氢气回流泵12泵吸阳极尾排分离水分后的气体与氢气-空气热交换器4加热后的氢气进行混合，重复利用尾排气体，减轻排污的同时，对资源进行最大化合理利用。

作为本实施方式的一种优选，燃料电堆1的相对两端还分别设有冷却液进口和冷却液出口，所述冷却液出口沿所述冷却液进口方向依次设有相连接的去离子器13、膨胀水箱14、冷却水泵15和冷却液过滤器16。去离子器13用于稀释冷却液中的离子浓度。膨胀水箱14为整个系统补充冷却液。冷却水泵15为整个系统供应冷却液。冷却液过滤器16用于过滤入堆前冷却液中的杂质。

作为本实施方式的一种优选，冷却水泵15的冷却液出口还通过阴极中冷器5连接膨胀水箱14的冷却液进口。

系统冷启动时，冷却液及环境温度极低，控制冷却水泵15减少冷却液供应，控制空压机2提高启动过程的转速，提升增压后空气温度，增压后的高温空气对冷源氢气进行加热。此外，经一次换热后的高温空气在阴极中冷器5中可以给部分冷却液加热，提升系统冷却液温度，最后阴极中冷器5出口的空气经过中冷后旁通阀10调节获得电堆入口需求流量。此时入堆空气和氢气均处于较高温度，避免消耗燃料电堆1反应产生的热量，有利于燃料电堆1快速到达正常反应温度，加快冷启动速度。

作为本实施方式的一种优选，所述冷却液出口并联设有三通阀17，三通阀17的第一通路连接膨胀水箱14的冷却液进口，三通阀17的第二通路通过客舱热交换器18连接膨胀水箱14的冷却液进口，三通阀17的第三通路通过散热器19连接膨胀水箱14的冷却液进口。三通阀17用于对燃料电堆1的对冷却液出口的冷却液进行分流，调整整个系统冷却大循环和小循环，同时可以控制是否为客舱加热。客舱热交换器18用于回收燃料电堆1工作余热为客舱暖风供热。散热器19一般集成在整车上，在大循环时对冷却液降温。

虽然，上文中已经用具体实施方式，对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。