车用燃料电池系统的冷却系统的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，具体地，涉及一种车用燃料电池系统的冷却系统。

背景技术：

燃料电池是一种高效率的能量转换装置，将储存在燃料（如氢气）中的化学能转换为电能，并生成水。运行过程中不产生任何污染物，是未来理想的电能来源之一。其理想转化效率为83%，目前实际运行效率为45~60%。

燃料电池系统是由燃料电池堆栈及其辅助系统构成。燃料电池堆栈是由多片单体堆积装配而成，燃料电池堆栈持续发电运行，需要单体中固体高分子电解质膜保持在适当的湿度和湿度，以提供电解质膜上的催化剂很好的工作环境，很好的活性。温度过低会导致催化剂活性降低，使燃料的转化电能的效率降低，尤其启动温度低于冰点时，堆栈内反应生成的水可能会结冰，从而导致燃料电池堆栈永久性损坏；因此，燃料电池系统在启动阶段需要快速升温。温度过高会直接使催化剂的活性快速降低，直至活性丧失。因此，需要合适的冷却及加热方式，使冷却液的温度在合适的范围内。

目前燃料电池系统冷却方式主要以水冷和空冷为主，小功率堆栈采用空冷即可满足散热需求，随着功率的提升，需要使用比热容更大的介质带走更多的热量，目前车用的燃料电池系统主要使用冷却液冷却方式。

目前燃料电池冷却系统采用传统车用节温器或电子节温器进行冷却液大小循环调节，实现冷却液温度的控制。因传统车用节温器为机械结构，其中的石蜡在一定温度下融化，并有一定的完全融化时间，这使大循环开启有一定的延迟，导致冷却液温度有一定的波动；电子节温器虽能够控制石蜡融化的时间，可提前加热石蜡，在一定程度上加快大循环开启的速度，但是在开启过程中，不能精确控制冷却液大小循环的流量，不能实现小循环中较高的冷却液与大循环流道中较低温度冷却液的流量的精确控制，从而不能控制大小循环时的温度波动。温度的波动对影响燃料电池系统的输出特性有很大的影响，从而导致堆栈寿命的衰退。

技术实现要素：

鉴于以上所述，本发明的目的在于提供一种车用燃料电池系统的冷却系统，能精确控制不同工况下的冷却液流量，能够实现燃料电池堆栈不同工况下温度的精确控制，提高燃料电池堆栈的寿命；降低启动、暖机功耗，提高工作效率。

为此，本发明采用如下技术方案：

本发明的车用燃料电池系统的冷却系统包括：

循环泵；

具有与五个流道对应的五个开口的温控阀；以及

与所述温控阀相连以控制所述温控阀的各开口的开度的燃料电池控制单元；

其中，第一流道从上游依次连通所述循环泵、燃料电池堆栈和所述温控阀的第一开口；

第二流道从上游依次连通所述循环泵、中冷器和所述温控阀的第二开口；

第三流道从上游依次连通所述温控阀的第三开口、加热器和所述循环泵；

第四流道从上游依次连通所述温控阀的第四开口、散热器和所述循环泵；

第五流道作为散热器旁路，从上游依次连通所述温控阀的第五开口和所述循环泵；

所述燃料电池控制单元根据不同的工况控制所述温控阀的多个开口的开度以选择性地连通多个流道而构成对应于不同工况的冷却循环。

根据本发明，温控阀在燃料电池控制单元（fcu，fuelcellcontrolunit）的控制下，实现不同工况下各开口的开度控制，从而对各流道的冷却液流量进行控制，实现燃料电池堆栈不同工况下温度的精确控制，提高燃料电池堆栈的寿命；降低启动、暖机功耗，提高工作效率。

也可以是，本发明中，在冷启动工况或常温暖机运行工况时，所述燃料电池控制单元控制所述温控阀的第一开口和第三开口打开以连通第一流道与第三流道，并且控制所述温控阀的第二开口、第四开口和第五开口关闭。

根据本发明，在低温冷启动工况或常温暖机运行工况时，小循环开启，fcu控制温控阀，使一定流量的冷却液经加热器加热后流入燃料电池堆栈，实现燃料电池堆栈快速的温度升高，使燃料电池系统快速暖机。由此可实现燃料电池系统快速升温冷启动、暖机时系统快速达到高效工作温度范围。

也可以是，本发明中，在热机工况时，所述燃料电池控制单元控制所述温控阀的第一开口、第二开口和第五开口打开以连通第一流道、第二流道与第五流道，并且控制所述温控阀的第三开口和第四开口关闭。

根据本发明，温度较低热机时，fcu控制温控阀，逐渐增加作为散热器旁路的第五流道的冷却液流量，使系统能以较大功率运行，使燃料电池堆栈快速达到高效工作温度范围，实现快速暖机。

也可以是，本发明中，在燃料电池系统开始大功率运行时，所述燃料电池控制单元控制所述温控阀的第一开口、第二开口和第五开口打开以连通第一流道、第二流道与第五流道，并且控制所述温控阀的第四开口开始打开。

根据本发明，在燃料电池系统开始大功率运行时，大小循环切换，即开始从小循环切换至大循环。控制大小循环流道内冷却液流量，使经过散热器后温度较低的冷却液与燃料电池堆栈直接流入到散热器旁路流道内温度较高的冷却液混合后温度保持平稳上升，极大地降低了温度的波动，提供了燃料电池堆栈的寿命。

也可以是，本发明中，在燃料电池系统额定功率或大功率运行时，所述燃料电池控制单元控制所述温控阀的第一开口、第二开口和第四开口打开以连通第一流道、第二流道与第四流道，并且控制所述温控阀的第五开口关闭。

根据本发明，在燃料电池系统额定功率或大功率运行时，作为第五流道的散热器旁路关闭，冷却液全部流经散热器，进行大循环。

也可以是，本发明中，在所述第一流道中的所述燃料电池堆栈的上下游分别设有温/压传感器，所述燃料电池控制单元接收所述温/压传感器输送的温/压信息。

根据本发明，燃料电池控制单元可采集燃料电池堆栈的入口温/压传感器、出口温/压传感器提供的温度和压力信号，并基于该温/压信号对温控阀、加热器等部件进行控制。

也可以是，本发明中，所述温控阀为电机驱动的开关阀。

根据本发明，温控阀为燃料电池冷却系统的核心部件，该温控阀为五通阀，是控制流经各流道的冷却液流量的电子执行器。可有效地实现不同工况下各开口的开度控制，从而对各流道的冷却液流量进行控制，实现燃料电池堆栈不同工况下温度的精确控制，提高燃料电池堆栈的寿命；降低启动、暖机时零部件的功耗，提高工作效率。

也可以是，本发明中，所述燃料电池控制单元连接至所述循环泵以控制该循环泵的运行。

根据本发明，可以通过fcu有效地控制循环泵的运行，例如转速控制等。

也可以是，本发明中，所述燃料电池控制单元还连接至散热风扇以控制所述散热风扇的开度。

根据本发明，可以通过fcu控制散热风扇的运行，从而可以实现在进行大循环时，通过fcu控制散热风扇的开度，使温度保持在合适的范围内。

附图说明

图1示出了本发明的车用燃料电池系统的冷却系统的结构示意图；

附图标记：

1、fcu；

2、温控阀；

3、散热器旁路/大循环冷却旁路流道（第五流道）；

4、散热风扇；

5、散热器；

6、ptc加热器；

7、中冷器；

8、电子循环泵；

9、燃料电池堆栈；

10、堆栈入口温/压传感器；

11、堆栈出口温/压传感器；

12、流道（第一流道）；

13、流道（第二流道）；

14、流道（第三流道）；

15、流道（第四流道）。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对现有的车用燃料电池系统的冷却系统的不足之处。本发明在此提供了一种车用燃料电池系统的冷却系统，用于燃料电池系统散热。如图1所示，该冷却系统包括：循环泵8；具有与五个流道对应的五个开口的温控阀2；以及与温控阀2相连（例如通过线束连接）以控制温控阀2的各开口的开度的燃料电池控制单元（fcu）1。其中，第一流道12从上游依次连通循环泵8、燃料电池堆栈9和温控阀2的第一开口；第二流道13从上游依次连通循环泵8、中冷器7和温控阀2的第二开口；第三流道14从上游依次连通温控阀2的第三开口、加热器6和循环泵8；第四流道15从上游依次连通温控阀2的第四开口、散热器5和循环泵8；第五流道3作为散热器旁路，从上游依次连通温控阀2的第五开口和循环泵8。上述各流道中的各部件可通过管道连接。

通过连通上述不同流道可构成不同的冷却循环，例如主要可包括：大循环、小循环及大小循环切换过程（在下文详述）。而fcu1可根据不同的工况控制温控阀2的多个开口的开度以选择性地连通多个流道而构成对应于不同工况的冷却循环。

根据本发明的车用燃料电池系统的冷却系统，温控阀在fcu的控制下，实现不同工况下各开口的开度控制，从而对各流道的冷却液流量进行控制，实现燃料电池堆栈不同工况下温度的精确控制，提高燃料电池堆栈的寿命；降低启动、暖机功耗，提高工作效率。即该冷却系统能精确控制不同工况下的冷却液流量，从而大大缩短了冷启动及暖机过程，并实现大小循环切换时温度的精确控制。

具体地，上述第一流道12，堆栈冷却液出口，连接温控阀的第一入口，该入口为常开状态。第二流道13，中冷器冷却液出口，连接温控阀的第二入口，该入口仅有开和关两种状态。第三流道14，加热器冷却液入口，即小循环流道，连接温控阀的第一出口，该出口可连续调节流量。第四流道15，散热器冷却液入口，即大循环流道，连接温控阀的第二出口，该出口可连续调节流量。第五流道3，大循环冷却旁路流道（亦称为散热器旁路流道）：该流道为暖机、快速启动流道，连接温控阀的第三出口，该出口可流量调节。大小循环切换时，温控阀精确控制大循环流道15与该流道3之间的冷却液流量。

进一步地，还如图1所示，在第一流道12中的燃料电池堆栈9的上下游分别设有温/压传感器，即、堆栈入口温/压传感器10和堆栈出口温/压传感器11，燃料电池控制单元接收上述温/压传感器输送的温/压信息。具体地，堆栈入口温/压传感器10，检测堆栈处入口冷却液的温度（堆栈入口温度）或压力（堆栈入口压力），并将检测数据传输给fcu1；堆栈出口温/压传感器11，检测堆栈处出口冷却液的温度（堆栈出口温度）或压力（堆栈出口压力），并将检测数据传输给fcu1。

此外，燃料电池控制单元还连接至循环泵8和散热风扇4以控制该循环泵和散热风扇。循环泵8（电子冷却液循环泵），由fcu1根据系统运行功率及堆栈入口、出口冷却液温度、压力进行转速控制。

上述散热风扇4，在冷却液大循环工况下，fcu1根据堆栈入口温度进行散热风扇4开度的调节，实现电池堆栈出口、出口及入口温差的控制。散热器5安装在散热风扇4旁边，在散热风扇4的作用下，实现温度高的冷却液与冷空气的热交换，达到降低冷却液温度的目的。

上述加热器6可以是ptc加热器6，主要采用ptc陶瓷发热元件与铝管组成。该ptc加热器6由fcu1对其工作进行控制。低温时，fcu1检测燃料电池堆栈入口处的温度太低时，开启ptc加热器6对冷却液进行加热。中冷器7冷却空压机出口的热空气，使堆栈进口空气维持在合适的温度范围内。

上述燃料电池堆栈9，将阳极流场、阳极、电解质隔膜、阴极、阴极流场和冷却流场组成的多个单体电池置于两块端板和两块集电板中所形成的结构。本发明中的单体电池可为质子交换膜，其活性影响着整个燃料电池系统的运行效率和寿命。

具体地，在上述冷却系统中，fcu为燃料电池系统控制器，fcu对车用燃料电池冷却系统的燃料电池系统整体进行统一控制。例如，fcu可根据堆栈入口温/压传感器检测出的入口冷却液的温/压、堆栈出口温/压传感器检测出口冷却液的温/压，对循环泵、温控阀、加热器及散热风扇等进行控制，保持堆栈的压力和温度在合适的范围内。

上述温控阀（即电子温度控制阀）2可以为电机驱动的开关阀，是控制流经各流道的冷却液流量的电子执行器。温控阀2为本发明燃料电池冷却系统的核心部件，该温控阀2为五通阀，两个冷却液进口，分别对应第一流道12和第二流道13，三个冷却液出口，分别对应第三流道14、第四流道15和第五流道。温控阀2在不同的运行工况下根据fcu1的指令进行阀门开度的调节，实现不同冷却流道内冷却液流量的精度调节，从而实现温度的稳定控制。

本发明使用温控阀代替传统节温器节温器，与传统节温器3个开口相比，节温器有5个开口，对应冷却系统中的5个流道；温控阀为fcu控制的电机驱动开关阀，实现不同工况下各开口的开闭，从而对各流道的冷却液流量进行控制，实现燃料电池堆栈不同工况下温度的精确控制，提高燃料电池堆栈的寿命；降低启动、暖机时零部件的功耗，提高工作效率。

进一步而言，本发明的车用燃料电池系统的冷却系统用于燃料电池系统散热，可分为大循环、小循环及大小循环切换过程，大循环用于大功率或额定功率运行，小循环用于低温冷启动或常温暖机运行工况，实现燃料电池系统快速升温冷启动、暖机时系统快速达到高效工作温度范围。大小循环切换用于暖机后开始大功率运行时的温度控制。

以下对于不同工况下，fcu1对于温控阀2等部件的控制示例进行详细说明。

冷启动工况，小循环开启。fcu1通过堆栈入口温/压传感器10检测冷却液的温度，若低于零℃，则启动ptc加热器6，fcu1控制温控阀2各个流道的开通和关闭。此时第二流道13、第四流道15和第五流道3关闭，第一流道12、第三流道14开通；fcu1调节循环泵8的转速，控制冷却液的压力；调节温控阀2的开度，控制流道14的流量，此时冷却液流经电子循环泵8、燃料电池堆栈9、温控阀2、ptc加热器6；ptc加热器6不断加热冷却液使其温度升高，待冷却液温度达到0℃后启动燃料电池系统；fcu1通过堆栈入口温/压传感器10检测冷却液入口温度，达到约15℃后，关闭ptc加热器6，燃料电池系统小功率运行，进入热机工况，即冷却液温度从室温到50℃左右。

热机工况，此时，温控阀2控制第一流道12、第二流道13、第五流道3开启，第三流道14、第四流道15关闭；fcu1控制温控阀2逐渐增加大循环冷却旁路流道3的流量，此时，调节水泵增加流经堆栈的流量，堆栈可以额定功率运行输出，使燃料电池堆栈9的温度快速升高到约50℃，使堆栈快速工作在效率较高的状态，提高燃料电池系统在热机过程中氢气的转换效率，降低过程中氢气的消耗，提高堆栈的寿命。此后，燃料电池系统开始大功率拉载运行。

当燃料电池系统开始大功率运行时，冷却水温度继续升高，燃料电池系统开始从小循环切换至大循环。在切换过程中，温控阀2保持第一流道12、第二流道13、第五流道3开启；使第四流道15开始打开。散热器5为铝制散热器，此时散热器中的冷却液，因辐射散热温度较低。通过检测燃料电池堆栈9入口冷却液温度不断调节流道15与流道3之间的开度，调节温控阀2的角度，来控制流经散热器的冷却液流量，实现流道15内的温度低的冷却液与流道3内温度高的冷却液混合后堆栈入口处冷却液的温度保持在稳定上升，很好地抑制了堆栈入口处温度的波动。当入口温度即将到达设定值，如70℃，完成小循环切换到大循环的过程。50℃到70℃为冷却液温度调节缓冲过程，即冷却液大小循环切换过程，fcu通过对燃料电池堆栈9入口处冷却液温度及出口入口温差的精确控制，使燃料电池堆栈始终工作在性能较好的温度范围，大大提高了燃料电池系统的寿命。

此后，燃料电池系统额定功率及大功率运行，大循环开启。散热风扇4开启，温控阀2控制大循环冷却旁路流道3关闭，第一流道12、第二流道13、第四流道15开启，冷却液进行大循环。通过检测入口和出口冷却液的温差，调节电子循环泵8的转速和散热风扇4的开度，从而实现冷却液温度和温差的闭环控制，保持温差在设定允许的范围内。

根据上述发明，本发明可以获得如下效果。

温控阀为电机驱动开关阀，有5个开口，对应冷却系统中的5个流道；所述的温控阀在fcu的控制下，实现不同工况下各开口的开闭，从而对各流道的冷却液流量进行控制，实现燃料电池堆栈不同工况下温度的精确控制，提高燃料电池堆栈的寿命；降低启动、暖机功耗，提高工作效率。

减少了系统冷启动时间：本发明使用温控阀在冷启动时控制冷却液流经的路径，路径较短，减少热量的损失；实现温度快速升高至合适范围，减少了系统启动时间。

提高系统暖机过程：温度较低时，逐渐增加散热器旁路冷却液流量，使系统能较大功率运行，使堆栈快速达到高效率工作温度范围，实现快速暖机，降低了氢气的消耗，提高了工作效率。

提高了堆栈的耐久性：本发明使用温控阀来精确控制大小循环切换流量的分配，使温度低的冷却液与温度高的冷却液混合后堆栈入口处冷却液的温度保持在稳定范围内，减少了入口处温度的波动，使堆栈始终保持在合适的温度范围内运行，很好地提高了堆栈的运行寿命。随后，大小循环工况切换，控制旁路流道与大循环流道的冷却液流量，使冷热冷却液混合后温度保持平稳上升，极大地降低了温度的波动，很大地提供了堆栈的寿命。

提高了燃料的利用率，降低能量的消耗；由于减少了系统启动时间和暖机时间，燃料电池堆栈能够快速达到合适工作温度范围，降低了冷启动和暖机过程中燃料的消耗，提高了燃料的利用率。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。