燃料电池的动力系统与交通工具技术方案

本申请提供了一种燃料电池的动力系统与交通工具。该动力系统包括：电堆，包括冷却液入口与冷却液出口；散热装置，一端与电堆的冷却液入口连通，另一端与电堆的冷却液出口连通，散热装置包括冷却液输送动力设备以及与冷却液输送动力设备连通的换热单元，换热单元包括多个并联的换热通道，各换热通道用于对电堆输出的冷却液进行降温，各换热通道的冷却液出口上设置有开关。该动力系统可以降低电堆的温度惯性波动，可以实时地对电堆的温度以及温差进行调节。

Fuel cell power systems and vehicles

The present application provides a fuel cell power system and means of transportation. Including the power system: stack, including the coolant entrance and a coolant outlet; cooling device is connected with the coolant entrance stack, and the other end of the coolant outlet stack is connected, the heat dissipating device comprises a cooling liquid conveying power equipment and power supply of cooling liquid heat exchange unit connected by change the thermal unit comprises a plurality of parallel heat exchange channels, each channel heat exchanger for cooling liquid output of the stack for cooling, the heat exchange channel coolant outlet is provided with a switch. The power system can reduce the temperature and inertia fluctuations of the stack, and can adjust the temperature and temperature difference of the stack in real time.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池的动力系统与交通工具
本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池的动力系统与交通工具。
技术介绍
燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。对于燃料电池动力系统而言，电堆发电时产生反应热约占总能量的30％～60％，热能中除了少量需要维持电堆反应温度和环境自然散失外，大部分需要借助散热设备进行系统与环境的强制对流排出，如果反应产热与散失热量不平衡，会导致电堆温度不稳定。而燃料电池系统的性能与电堆温度有密切的关系。电堆温度的提高将增加电堆的反应活性，从而提高燃料电池的发电效率。但电堆长时间工作在高温环境下寿命会明显的缩短，一般情况下电池的运行温度不超过80℃。电堆在低温条件时，欧姆内阻和极化内阻增加，反应活性明显降低，使得电堆的功率密度、反应效率下降。特别地，当动力系统处于冰点以下启动时，燃料电池反应生成水有可能形成固态冰，堵塞多孔电极与气体流道，阻碍反应介质的传输，同时由于膜电极结冰处的体积膨胀作用，破坏多孔电极结构，降低燃料电池安全性和使用寿命。因此，要保证燃料电池具有良好的动力输出性能、可靠的安全性及较长的使用寿命，必须建立有效热管理策略，提高燃料电池动力系统运行温度对工况和环境的适应性。目前，质子交换膜燃料电池车用动力系统多采用如图1所示的结构，即氢气和空气/氧气进入电堆1'发生电化学反应，此过程产生的热量由冷却液作为传热媒介流经电堆的冷却液流场带出，通过堆外冷却液回路进入换热器2'与大气进行热量交换后再进入电堆完成持续循环，此过程中，冷却液泵3'作为输送动力源，冷却液箱4'作为补液用途设置。为保证电堆运行处于较好的温度条件下，上述过程一般将风扇(换热器中的)的启停与电堆温度相关联，即当电堆温度高于设定温度时，风扇开启，冷却液与气流形成强制对流散热，当电堆温度低于设定温度时，风扇关停，对流散热停止。此技术在实际应用中存在以下问题：(1)电堆的运行温度波动较大，主要原因主要可归纳为以下三方面：一是温度反馈器件(热电偶)的测量过程导致的温度传感滞后引起的温度波动；二是冷却液自身的比热容大引起的温度反应滞后造成的温度惯性波动，三是风扇启停过程中风扇叶片转动的机械惯性。此问题对于功率等级较小的燃料电池系统，其冷却液的容量小，风扇叶片小，这两方面引起的惯性波动会相对弱化，功率等级越大的系统利用以上控制方式其温度惯性波动将明显。电堆温度的运行波动示意图如图2所示，该图中包括两个二维图，这两个图的横坐标均是时间，其中，一个图是换热器的开和关随时间变化的逻辑图，纵坐标中，逻辑“0”表示换热器的关闭，逻辑“1”表示换热器的开启；另一个图是电堆的温度随着时间的变化示意图，纵坐标为电堆的温度，T0表示电堆的预定温度。电堆温度波动较大时会存在以下危害：A.由于电堆正常运行过程中堆内水分多处于饱和状态，当电堆温度波动时，气态水很容易凝结液化，增加了电堆水淹的风险；B.温度波动过程中造成电堆温度分布均一性降低，短时间影响性能，长时造成寿命衰减。(2)电堆无法适应低温环境。当动力系统运行于低温环境时，即使发电模块有保温措施，但由于冷却液在电堆运行时一直处于循环状态，且冷却液经过换热器时与环境的接触面积非常大，加之环境温度低，造成系统对外散热速率较大，这种情况下，导致电堆的产热速率低于系统的自散热速率，使得电堆温度持续走低(称之为温匮)，直至无法运行。车辆行驶速度越快、环境温度越低，温匮风险越大。特别地，当电堆处于启动过程时，电堆产热速率小，温匮风险加剧，导致电堆无法正常启动。(3)不能保证电堆的运行温差。电堆正常运行时，堆内反应过程产生的水分随反应物沿流场进行分布，为了避免堆内高湿度处水淹或低湿度出过干现象出现，电堆需具有适宜的温差来维持电堆内部气态水平衡。现有技术的热管理方法不具备温差调控功能。总之，现有的动力系统中，热管理技术实施过程存在电堆温度不稳定、温差无法调控和环境适应性差等问题，对电堆的性能有较大影响。
技术实现思路
本申请的主要目的在于提供一种燃料电池的动力系统与交通工具，以解决现有技术中电堆温差无法调控的问题。为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种燃料电池的动力系统，该动力系统包括：电堆，包括冷却液入口与冷却液出口；散热装置，一端与上述电堆的冷却液入口连通，另一端与上述电堆的冷却液出口连通，上述散热装置包括冷却液输送动力设备以及与上述冷却液输送动力设备连通的换热单元，上述换热单元包括多个并联的换热通道，各上述换热通道用于对上述电堆输出的冷却液进行降温，各上述换热通道的冷却液出口上设置有开关。进一步地，各上述换热通道包括一个换热器，上述换热器用于对上述电堆输出的冷却液进行降温，各上述换热器的冷却液出口上设置有上述开关。进一步地，上述换热单元包括一个换热器，上述换热器包括：壳体；多个上述换热通道，沿上述壳体的高度方向依次排列且间隔设置，各上述换热通道包括至少一个换热管、靠近各上述换热管设置的至少一个风扇以及一个液体出口，各上述换热管与各上述风扇设置在上述壳体中，各上述风扇用来对上述换热管中的冷却液进行降温，上述液体出口设置在上述壳体上，上述液体出口为上述换热通道的冷却液出口。进一步地，上述换热器还包括一个冷却液入口，上述换热器包括三个上述换热通道，分别为：第一换热通道，靠近上述壳体设置，上述第一换热通道包括两个上述换热管与两个上述风扇，两个上述风扇沿上述换热管的长度方向间隔设置，两个上述换热管沿上述壳体的高度方向间隔设置，各上述风扇靠近两个上述换热管设置；第二换热通道，设置在上述第一换热通道的远离上述壳体的一侧，上述第二换热通道包括一个上述换热管与两个上述风扇，两个上述风扇沿上述换热管的长度方向间隔设置；第三换热通道，设置在上述第二换热通道的远离上述第一换热通道的一侧，且上述第三换热通道的结构与上述第一换热通道的相同。进一步地，各上述换热通道中还包括设置在各上述换热管上的散热片。进一步地，上述冷却液输送动力设备与上述电堆的冷却液入口连通，上述换热单元与上述电堆的冷却液出口连通。进一步地，上述冷却液输送动力设备与上述电堆的冷却液出口连通，上述换热单元与上述电堆的冷却液入口连通。进一步地，上述换热器为空冷式换热器。进一步地，上述开关为电磁阀。进一步地，上述冷却液输送动力设备为冷却液泵。进一步地，上述散热装置还包括：流量调节阀，设置在上述电堆与上述冷却液输送动力设备的冷却液出口连通的管路上。进一步地，上述散热装置还包括：冷却液储存装置，与上述冷却液输送动力设备和上述换热单元之间的冷却液管线连通。进一步地，上述冷却液储存装置为冷却液箱。根据本申请的另一方面，提供了一种交通工具，包括燃料电池的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括：电堆(1)，包括冷却液入口与冷却液出口；以及散热装置，一端与所述电堆(1)的冷却液入口连通，另一端与所述电堆(1)的冷却液出口连通，所述散热装置包括冷却液输送动力设备(3)以及与所述冷却液输送动力设备(3)连通的换热单元(2)，所述换热单元(2)包括多个并联的换热通道(200)，各所述换热通道(200)用于对所述电堆(1)输出的冷却液进行降温，各所述换热通道(200)的冷却液出口上设置有开关(21)。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括：电堆(1)，包括冷却液入口与冷却液出口；以及散热装置，一端与所述电堆(1)的冷却液入口连通，另一端与所述电堆(1)的冷却液出口连通，所述散热装置包括冷却液输送动力设备(3)以及与所述冷却液输送动力设备(3)连通的换热单元(2)，所述换热单元(2)包括多个并联的换热通道(200)，各所述换热通道(200)用于对所述电堆(1)输出的冷却液进行降温，各所述换热通道(200)的冷却液出口上设置有开关(21)。2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，各所述换热通道(200)包括一个换热器(20)，所述换热器(20)用于对所述电堆(1)输出的冷却液进行降温，各所述换热器(20)的冷却液出口上设置有所述开关(21)。3.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述换热单元(2)包括一个换热器(20)，所述换热器(20)包括：壳体(22)；以及多个所述换热通道(200)，沿所述壳体(22)的高度方向依次排列且间隔设置，各所述换热通道(200)包括至少一个换热管(23)、靠近各所述换热管(23)设置的至少一个风扇(24)以及一个液体出口(25)，各所述换热管(23)与各所述风扇(24)设置在所述壳体(22)中，各所述风扇(24)用来对所述换热管(23)中的冷却液进行降温，所述液体出口(25)设置在所述壳体(22)上，所述液体出口(25)为所述换热通道(200)的冷却液出口。4.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述换热器(20)还包括一个冷却液入口，所述换热器(20)包括三个所述换热通道(200)，分别为：第一换热通道(201)，靠近所述壳体(22)设置，所述第一换热通道(201)包括两个所述换热管(23)与两个所述风扇(24)，两个所述风扇(24)沿所述换热管(23)的长度方向间隔设置，两个所述换热管(23)沿所述壳体(22)的高度方向间隔设置，各所述风扇(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋亚婷，汤浩，宋彦彬，方明，温序晖，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51