一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种含氢‑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。本实用新型专利技术的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产生冷凝水，保持入电堆介质温度稳定，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。

【技术实现步骤摘要】
一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统
本技术涉及新能源汽车
，尤其涉及一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统。
技术介绍
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”的专利技术专利，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。本专利技术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”的专利技术专利，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；本专利技术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。
技术实现思路
针对上述问题，本技术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。本技术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，本技术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，本技术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。本技术的有益效果是：本技术的含氢-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。本技术的含氢-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为本技术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技术进行详细说明。请参见图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，其特征在于，阴极中冷器(5)和燃料电堆(1)之间设有空气入堆截止阀(7)。


3.根据权利要求1所述的一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，其特征在于，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)。


4.根据权利要求1所述的一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，其特征在于，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。


5.根据权利要求4所述的一种含氢-空热交换器的燃料电池热管理系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌煜，叶遥立，夏景霖，杨升，毛正松，林志强，郑高照，陆永卷，王福，何华东，
申请(专利权)人：广西玉柴机器股份有限公司，
类型：新型
国别省市：广西;45