一种燃料电池加热系统的制作方法

本实用新型涉及汽车电池技术领域，具体涉及一种车载燃料电池冷启热量回收的燃料电池加热系统。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，简称pemfc)以其低温启动、清洁环保、比功率高的优点，是新能源汽车的重要发展方向。目前，缩短冷启动时间是燃料电池的研究重点之一。目前现有的燃料电池冷启动时均是采用ptc给燃料电池的冷却液加热的方式进行冷启动的，一方面燃料电池的冷却液的热容较大，加热到燃料电池启动所需的温度需要较长的时间，另一方面冷却液的热量传递到燃料电池的膜电极组件(membraneelectrodeassembly，mea)也需要时间。燃料电池的阴极是化学反应产水的主要场所，因此阴极也是易结冰的场所，如果冷却液所传递的热量过慢，会导致染料电池的阴极结冰，需要一定的时间对燃料电池的阴极进行除冰操作，影响电池使用，造成染料电池的启动时间增长。现有技术中另外一种方式是通过对空气加热的方式直接将热量传递给膜电极，能有效缩短冷启动的时间，但是对空气加热时主要是通过进气空气与冷却液通过一个换热器进行热量的交换，以上的加热系统时间长，消耗的电能高。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种燃料电池加热系统，以提高燃料电池的冷启动速度。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

一种燃料电池加热系统，包括：

空压机；

中冷器，所述中冷器的进气端与所述空压机的出气端相连，所述中冷器的出气端与燃料电池的第一进气端相连；

排气支路，所述排气支路的进气端与所述燃料电池的第一排气口相连；

回气支路，所述回气支路的进气端连接在所述排气支路上，所述回气支路的出气端与所述空压机的进气端相连；

开关阀，所述开关阀用于控制所述排气支路的出气端与所述第一排气口之间的导通状态，以及所述回气支路的出气端与所述第一排气口之间的导通状态；

冷却液回路，所述冷却液支路中设置有并联的加热器和散热器，所述冷却液回路用于对所述燃料电池中的电堆散热或加热。

可选的，上述燃料电池加热系统中，所述冷却液回路包括：

首尾依次连接的进液管路、换能管路、出液管路以及加热/散热管路；

所述换能管路设置于所述燃料电池内部，用于与燃料电池内的电堆进行热交换；

所述出液管路的第一端与所述换能管路的第二端相连，所述出液管路的第二端通过第一三通阀与所述热/散热管路相连；

所述加热/散热管路包括相互并联的加热支路和散热支路，所述加热支路内设置有加热器，所述加热支路的第一端与所述第一三通阀的第一端相连，所述加热支路的第二端与所述进液管路的第一端相连，所述散热支路内设置有散热器，所述散热支路的第一端与所述第一三通阀的第二端相连，所述散热支路的第二端与所述进液管路的第一端相连；

所述进液管路的第二端与所述换能管路的第一端相连。

可选的，上述燃料电池加热系统中，所述进液管路包括：

并联的第一进液支路和第二进液支路；

所述第一进液支路的第一端与所述加热/散热管路相连，所述第一进液支路的第二端与所述换能管路的第一端相连；

所述第二进液支路的第一端与所述加热/散热管路相连，所述第二进液支路的第二端与所述换能管路的第一端相连，且所述第二进液支路穿过所述中冷器，用于对所述中冷器内的高温气体进行降温。

可选的，上述燃料电池加热系统中，还包括：

过滤器和混气阀；

所述过滤器通过所述混气阀与所述空压机相连；

所述回气支路通过所述混气阀与所述空压机相连。

可选的，上述燃料电池加热系统中，所述开关阀包括：

第一电磁阀和第二电磁阀；

所述第一电磁阀设置于所述排气支路上，所述第二电磁阀设置于所述回气支路上，所述回气支路的进气端连接在所述第一电磁阀与所述燃料电池的第一排气口之间的排气支路上。

可选的，上述燃料电池加热系统中，所述开关阀为第二三通阀，所述第二三通阀设置于所述排气支路的出气端，所述第二三通阀的第一端口和第二端口设置于所述排气管路内，所述第二三通阀的第三端口与所述回气支路的进气端相连。

可选的，上述燃料电池加热系统中，所述进液管路还包括：

第三三通阀，所述第三三通阀的第一端与所述加热/散热管路相连，所述第三三通阀的第二端与所述第一进液支路的第一端相连，所述第三三通阀的第三端与所述第二进液支路的第一端相连；

所述燃料电池加热系统还包括：

设置在所述中冷器的出气端的温度传感器；

与所述温度传感器的输出端相连的比较器，所述比较器用于输出所述温度传感器的输出信号大于预设参考值的第一比较信号，以及输出所述温度传感器的输出信号小于预设参考值的第二比较信号；

所述比较器的输出端与所述第三三通阀的控制端相连，所述第三三通阀在获取到所述第一比较信号时，控制所述第三三通阀的第一端和第三端之间导通，所述第三三通阀的第一端和第二端之间截止，所述第三三通阀在获取到所述第二比较信号时，控制所述第三三通阀的第一端、第二端和第三端之间导通。

可选的，上述燃料电池加热系统中，还包括：

控制器，用于在发动机冷启动时，向所述第一电磁阀输出用于控制所述第一电磁阀关闭的控制信号，向所述第二电磁阀输出用于控制所述第二电磁阀开启的控制信号，输出用于控制所述加热器工作的控制信号。

基于上述技术方案，当燃料电池冷启动时，本申请通过回收所述燃料电池排出的高温气体，采用将所述高温气体输入值所述空压机侧，实现了废气再利用，有效的利用的燃料电池排出的废气中的热量，降低了能源浪费，并且，由于空压机输出的高温气体能够快速的与燃料电池中的电堆进行热交换，因此，能够快速提升所述燃料电池内的电堆的温度，提高了燃料电池的冷启动速率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图；

图3为本申请另一实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图；

图4为本申请另一实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图；

图5为本申请另一实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图；

图6为本申请另一实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图；

图7为本申请另一实施例提供的一种燃料电池加热系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为了解决现有技术中燃料电池启动速度慢的问题，本实用新型提出了一种燃料电池加热系统，该系统能实现燃料电池冷启动过程中空气热量的回收利用，从而加速电堆内部的温升，缩短冷启动的时间，防止了电堆内部扩散层(阴极区域)的结冰，同时能够有效抑制开机时的高电位，提高了膜电极的可靠性。具体的，参见图1，本申请实施例公开的燃料电池加热系统包括：

空压机1，在所述空压机1启动时，外部空气由空压机1进气口流入空压机1，空压机1对流入的气体直接增压，使得增压后的空气具有较高的温度；

中冷器2，所述中冷器2的进气端与所述空压机1的出气端相连，所述中冷器2的出气端与燃料电池的第一进气端相连，所述外部空气在经过空压机1压缩后，空压机1出口的空气温度会较高，如果这些气体温度过高，会对所述燃料电池内的一些元件造成一定影响，因此，为了防止流入所述燃料电池的温度过高，需要通过中冷器2对所述空压机1流出的气体进行降温，将这些气体降低至预设温度许可温度之下，例如，该许可温度可以为100℃，然后再将经过所述中冷器2降温以后的空气输送至所述燃料电池内部，对燃料电池内的电堆进行暖机；

排气支路3，所述排气支路3的进气端与所述燃料电池的第一排气口相连，所述排气支路3用于排出所述燃料电池内部的废气，例如，在所述燃料电池内部经过热交换过的气体等，或者是所述燃料电池内的残余氢气；

回气支路4，所述回气支路4的进气端连接在所述排气支路3上，所述回气支路4的出气端与所述空压机1的进气端相连，所述回气支路4用于将所述燃料电池排出的气体引入所述空压机1侧，这是因为，中冷器2输出的热空气在加热燃料电池中的电堆后排出燃料电池的废气的温度仍远远高于外界大气的温度，即，温度远高于空压机1由外部环境采集到的气体的温度，因此为了回收利用这部分热量，本方案中，将所述燃料电池排出的高温废气重新流回空压机1前部，使得高温废气再次通过空压机1压缩后进入电堆，往复循环；

开关阀5，所述开关阀5用于控制所述排气支路3的出气端与所述第一排气口之间的导通状态，以及所述回气支路4的出气端与所述第一排气口之间的导通状态；其中，所述开关阀5的设置形式可以依据用户需求自行设定，只要保证其能使得燃料电池的废气能够通过排气支路3排出所述燃料电池加热系统，在需要是，也可以控制燃料电池的废气能够通过回气支路4进入所述空压机1即可。

冷却液回路6，所述冷却液支路中设置有并联的加热器和散热器，所述冷却液回路6用于对所述燃料电池中的电堆散热或加热，在本方案中，所述冷却回路可以依据不同的需求启动所述加热器或散热器，当加热器启动时，所述冷却回路通过所述加热器为冷却回路内的液体进行加热，从而通过冷却回路内的液体为燃料电池内的电堆加热，当所述燃料电池内的电堆的温度达到启动温度时，关闭所述加热器，停止对电堆进行加热，当所述散热器开启时，散热器对所述冷却回路中的冷却液进行降温，从而使得所述冷却回路可对所述燃料电池内的电堆降温。

由上述方案可见，当燃料电池冷启动时，本申请通过回收所述燃料电池排出的高温气体，采用将所述高温气体输入值所述空压机1侧，实现了废气再利用，有效的利用的燃料电池排出的废气中的热量，降低了能源浪费，并且，由于空压机1输出的高温气体能够快速的与燃料电池中的电堆进行热交换，因此，能够快速提升所述燃料电池内的电堆的温度，提高了燃料电池的冷启动速率。

在本申请实施例公公开的技术方案中，所述加热器的类型可以依据用户需求自行选择，例如在本申请实施例公开的技术方案中，所述加热器可以为加热棒。

进一步的，在本申请上述实施例公开的技术方案中，参见图2，所述冷却液回路6可以包括：

首尾依次连接的进液管路61、换能管路(位于燃料电池内部，未示出)、出液管路62以及加热/散热管路63；

所述换能管路设置于所述燃料电池内部，用于与燃料电池内的电堆进行热交换；

所述出液管路62的第一端与所述换能管路的第二端相连，所述出液管路62的第二端通过第一三通阀64与所述热/散热管路63相连，所述换能管路内经过换热后输出的冷却液经过所述出液管路62中的加热支路，或者是经过所述第一三通阀流入至所述出液管路62中的散热支路；

参见图3，所述加热/散热管路63可以包括相互并联的加热支路631和散热支路632，所述加热支路内设置有加热器，所述加热支路的第一端与所述第一三通阀的第一端相连，所述加热支路的第二端与所述进液管路61的第一端相连，所述散热支路内设置有散热器，所述散热支路的第一端与所述第一三通阀的第二端相连，所述散热支路的第二端与所述进液管路61的第一端相连，其中，所述第一三通阀可以采用电信号进行控制，即，通过电信号控制所述第一三通阀的第一端与第二端和第三端的导通状态，从而实现将冷却液导入所述加热支路或是散热支路；

所述进液管路61的第二端与所述换能管路的第一端相连，以使得将经过加热支路和散热支路加热或散热后的冷却液输入至所述换能支路。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，为了防止流入所述燃料电池的温度过高，需要通过中冷器2对所述空压机1流出的气体进行降温，将这些气体降低至预设温度许可温度之下，此时，可以通过冷却液吸收流入所述燃料电池的高温气体的热量，此时，参见图4，所述进液管路61可以包括：

并联的第一进液支路611和第二进液支路612；

所述第一进液支路611的第一端与所述加热/散热管路63相连，所述第一进液支路611的第二端与所述换能管路的第一端相连；

所述第二进液支路612的第一端与所述加热/散热管路63相连，所述第二进液支路612的第二端与所述换能管路的第一端相连，且所述第二进液支路612穿过所述中冷器2，用于对所述中冷器2内的高温气体进行降温，此时，当加热器开启时，加热后的冷却液一部分直接通过所述第一进液支路611进入燃料电池，另一部分通过中冷器2后给增压后的空气降温后进入所述燃料电池。

进一步的，参见图5，为了过滤掉空气中的杂质，防止空气中的杂质进入所述燃料电池，在本申请上述实施例公开的技术方案中，所述燃料电池加热系统还可以包括：过滤器7和混气阀8；

所述过滤器7通过所述混气阀8与所述空压机1相连，当空气中的气体流过所述过滤器7后，所述过滤器7会过滤掉空气中的固体颗粒等杂质；

所述回气支路4通过所述混气阀8与所述空压机1相连，当所述回气支路4开启时，所述回气支路4内流出的高温气体通过所述混气阀8与外部空气混合，混合后的气体再进入所述空压机1，从而能够通过空压机1更加精准的控制进入所述燃料电池内的气体的量。

参见图6，在本申请实施例公开的技术方案中，所述开关阀5可以包括：

第一电磁阀51和第二电磁阀52，其中，所述第二电磁阀52可以为背压阀；

所述第一电磁阀51设置于所述排气支路3上，所述第二电磁阀52设置于所述回气支路4上，所述回气支路4的进气端连接在所述第一电磁阀51与所述燃料电池的第一排气口之间的排气支路3上，当第一电磁阀51开启、第二电磁阀52关闭时，燃料电池排除的废气直接经过所述排气支路3排出燃料电池加热系统，当第一电磁阀51关闭、第二电磁阀52开启时，燃料电池排除的废气直接经过所述回气支路4重新流入至所述空压机1。

当然，参见图7，本申请也可以采用一个第二三通阀作为所述开关阀5，即所述开关阀5为第二三通阀，所述第二三通阀设置于所述排气支路3的出气端，所述第二三通阀的第一端口和第二端口设置于所述排气管路内，所述第二三通阀的第三端口与所述回气支路4的进气端相连，与所述第二三通阀相连的控制器可以依据需要控制所述第二三通阀的第一端口、第二端口和第三端口之间的导通状态。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，需要将所述中冷器2中的气体降温至预设参考值，然后才能将中冷器2中的气体输入值所述燃料电池，为了更好的对所述中冷器2中的高温气体进行降温，本申请上述实施例公开的技术方案中，所述进液管路61还可以包括：

第三三通阀，所述第三三通阀的第一端与所述加热/散热管路63相连，所述第三三通阀的第二端与所述第一进液支路611的第一端相连，所述第三三通阀的第三端与所述第二进液支路612的第一端相连；

所述燃料电池加热系统还包括：

设置在所述中冷器2的出气端的温度传感器；

与所述温度传感器的输出端相连的比较器，所述比较器用于输出所述温度传感器的输出信号大于预设参考值的第一比较信号，以及输出所述温度传感器的输出信号小于预设参考值的第二比较信号；

所述比较器的输出端与所述第三三通阀的控制端相连，所述第三三通阀在获取到所述第一比较信号时，控制所述第三三通阀的第一端和第三端之间导通，所述第三三通阀的第一端和第二端之间截止，所述第三三通阀在获取到所述第二比较信号时，控制所述第三三通阀的第一端、第二端和第三端之间导通，从而实现了当中冷器2的输出气体温度过高时，将所述进液支路中的冷却液全部引导至所述第二进液支路612，从而提高冷却液对所述中冷器2内的高温气体的降温效果。

进一步的，本申请上述实施例公开的技术方案中，还可以包括：用于对所述燃料电池加热系统中的各个电控器件(电磁阀、三通阀、加热器、散热器等)进行控制的控制器，用于在发动机冷启动时，向所述第一电磁阀51输出用于控制所述第一电磁阀51关闭的控制信号，向所述第二电磁阀52输出用于控制所述第二电磁阀52开启的控制信号，输出用于控制所述加热器工作的控制信号，当所述燃料电池内的电堆的温度达到启动温度时，控制所述加热器关闭，等到将电堆的单片电压控制在0.8v以下后逐渐加载，控制所述第一电磁阀51逐渐打开，第二电磁阀52逐渐关闭，完成冷启动过程的开机。

下面根据图6对应的燃料电池加热系统对所述燃料电池加热系统的工作过程进行说明

1、在发动机冷启动暖机工况下，控制器启动加热器对冷却液进行加热，电子第一三通阀关闭大循环(流经散热器的循环)，只进行小循环(流经加热器的循环)。该加热器的热量主要是给通过冷却液进行加热，同时中冷却器输出的气体温度也不能太高，所以中冷器2内的增压空气的热量一部分传递给了流过中冷器2的冷却液，保证进入电堆的增压空气的温度在100摄氏度以下。

2.发动机冷启动暖机时，第二电磁阀52打开，第一电磁阀51关闭，控制器控制空压机1以最大功率运行，保证大的进气量和高的空气温度，空压机1输出的高温气体经过中冷器2后进入燃料电池的电堆进行暖机，此部分热量主要是给膜电极进行预热。

3.热空气加热电堆后流出电堆后温度仍远远高于外界大气的温度，因此为了回收利用这部分热量，将空气重新流回空压机1前部，再次通过空压机1压缩后进入电堆，往复循环。

4.当电堆温度达到启动温度后，加热器停止加热，电堆启动，但是为了降低高电位，燃料电池排出的废气仍然进行再循环，所以第二电磁阀52仍然要打开，第一电磁阀51仍要关闭，等到控制器检测到电堆的单片电压控制在0.8v以下后逐渐加载，控制所述第一电磁阀51逐渐打开，第二电磁阀52逐渐关闭，完成冷启动过程的开机。

本申请上述实施例公开的技术方案，通过采用压空压机1直接大功率大流量增压技术，将空压机1输出的热空气与燃料电池的催化剂层(电堆位置)进行热传递，缩短了加热的时间。并且，采用燃料电池尾气再循环的结构回收了热量，节约了能量。并且，通过控制器将电堆的单片电压控制在0.8v以下，在保证快速冷启动的同时能够降低开机时的电压，提高了膜电极的可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。