燃料电池热管理系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池热管理系统，包括冷却回路，冷却回路包括第一冷却回路和第二冷却回路，第一冷却回路和第二冷却回路之间连有第一多通结构，该系统还包括以下组中的任意组合：冷启动加热回路，该回路的入口通过第一控制阀与第二冷却回路相连接，该回路中的冷却液流经燃料循环泵流回冷却回路；采暖回路，该回路并联于冷却回路的支路，该回路的入口与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连接，该回路的出口与冷却回路中的冷却液流入散热器的入口相连接；燃料加热回路，该回路的入口与冷却回路相连接，该回路中的冷却液流经燃料管路流回冷却回路。本发明专利技术提高了燃料电池系统的余热利用率，提升了燃料电池系统工作效率和综合效率。和综合效率。和综合效率。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池热管理系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及燃料电池热管理系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电池具有能量密度高、启动速度快、续航能力强、排放物仅为水，对环境无污染等优点，已广泛用于交通运输、备用电源及固定电站等诸多领域。为了能使燃料电池更好地适应各种环境工作，燃料电池在使用中需要良好的燃料电池热管理系统，热管理系统对燃料电池的工作效率起关键性作用。
[0003]然而，目前，燃料电池系统的工作效率大多在45
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50％，远低于理论效率83％，甚至距离理想状态下的工作效率60％也有很大的差距，由于氢燃料电池在发电过程中生成的大量热能并没有充分利用，致使大量余热能源被浪费，使得燃料电池系统的工作效率得不到有效提升。对于燃料电池汽车中涉及到的采暖需求、冷启动需求，通常采用外部加热装置对上述工况下的循环水路进行加热，且在燃料电池热管理系统中也并未考虑燃料电池在不同工作状态下的热能利用，不仅造成能耗大，还会增加系统的设计成本。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要提供一种综合热管理系统，，能充分利用电堆余热来适应不同工况需求，有效提升燃料电池系统的工作效率和综合性能。
[0005]本专利技术一方面提供一种燃料电池热管理系统，包括：冷却回路，冷却回路中的冷却液流经燃料电池电堆，冷却回路包括第一冷却回路和第二冷却回路，第一冷却回路和第二冷却回路之间连有第一多通结构，第一多通结构用于连接第一冷却回路和第二冷却回路，第一多通结构的第一端与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连，第一多通结构的第二端与冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口相连，第一多通结构的第三端与冷却回路中的冷却液流入散热器的入口相连，第一冷却回路中的冷却液由第一多通结构的第一端流入并经第一多通结构的第三端流出，实现在第一冷却回路中循环；第二冷却回路中的冷却液，由第一多通结构的第一端流入并经第一多通结构的第二端流出，实现在第二冷却回路中循环；热管理系统还包括以下组中的任意一个、任意两个或者全部的组合：冷启动加热回路，冷启动加热回路的入口通过第一控制阀与第二冷却回路相连接，冷启动加热回路中的冷却液流经燃料循环泵流回冷却回路中；采暖回路，采暖回路并联于冷却回路的支路上，采暖回路的入口与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连接，采暖回路的出口与冷却回路中的冷却液流入散热器的入口相连接；燃料加热回路，燃料加热回路的入口与冷却回路相连接，燃料加热回路中的冷却液流经燃料管路流回冷却回路中。
[0006]在一个实施例中，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路和冷启动加热回路。冷启动过程中，第一冷却回路关闭，第二冷却回路开启，小循环回路充分利用电堆余热实现对冷却回路的快速升温，缩短冷启动时间，当面对燃料循环泵需要加热的工况时，通过开启该冷启动加热回路，充分利用电堆的余热来实现对燃料循环泵的加热，无需外部加热
部件，实现系统在该工况条件下的余热利用率，提高了燃料电池系统的工作效率，也能更好地保证冷启动效果。
[0007]在其他实施例中，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路和采暖回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路和燃料加热回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、冷启动加热回路和采暖回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、冷启动加热回路和燃料加热回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、采暖回路和燃料加热回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、冷启动加热回路、采暖回路和燃料加热回路。在其中一个实施例中，采暖回路包括第二控制阀和第一换热器，第二控制阀用于控制采暖回路的开启或关闭，第二控制阀的一端与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连，第二控制阀的另一端与冷却回路中的冷却液流入第一换热器的入口相连；第一换热器用于将采暖回路中冷却液的热能输出以实现外部供暖。该热管理系统中采暖回路的入口接收电堆出口的冷却液，采暖回路的出口与散热器的入口相连，该采暖回路可充分利用电堆的产热，同时也减少电堆对散热功率的需求，提高了该燃料电池系统的总体效率。此外，采暖回路并联于冷却回路上，可减少整个冷却系统的流阻、降低能耗，也能减少冷启动时第二冷却回路的循环水容积，缩短冷启动时间。
[0008]在其中一个实施例中，燃料加热回路包括第三控制阀和第二换热器，第三控制阀用于控制燃料加热回路的开启或关闭，第三控制阀的一端与冷却回路相连，第三控制阀的另一端与冷却回路中的冷却液流入第二换热器的入口相连；第二换热器用于将燃料加热回路中冷却液的热能输出以加热进入燃料电池电堆的燃料。该燃料加热回路充分利用电堆的余热来实现对进入电堆的燃料加热，无需外部辅助加热部件，有效降低能耗。
[0009]在其中一个实施例中，第二冷却回路上包括PTC加热器，PTC加热器用于对第二冷却回路中的冷却液进行加热。在冷启动过程中，PTC加热器作为外部辅助加热部件设置在第二冷却回路上，可进一步缩短冷启动时间。
[0010]在其中一个实施例中，燃料加热回路的入口设置在冷却回路中的冷却液流出散热器的出口至冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口之间的管路上。该燃料加热回路是在靠近电堆入口的管路中提取冷却液来实现对进入电堆的燃料加热，该设置可有效保证燃料进入电堆时的温度接近冷却液入堆温度，由此提升电堆内温度的均一性，从而保证电堆内单片电压的一致性。
[0011]在其中一个实施例中，换热器为板式换热器。板式换热器不仅换热效率高且无换热死水区及流动四角，能有效降低回路中的流阻，进一步地减少能耗。
[0012]在其中一个实施例中，控制阀是开度可在0
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100％范围内调节的阀门。开度可调的阀门可以根据实际需要进行控制各回路冷却液的流量大小，使得温度调整更灵活。
[0013]本专利技术另一方面提供一种根据上述的燃料电池热管理系统的控制方法，燃料电池在冷启动状态下，第二冷却回路开启，第一冷却回路关闭，控制方法包括：当监测到燃料电池电堆处于冷启动状态且燃料循环泵的转速小于或等于系统预设的转速时，开启第二控制阀；否则，关闭第二控制阀。该控制方法下的冷启动加热回路实现了该系统在面对冷启动过程中燃料循环泵被冻住的工况下利用电堆余热来保证燃料循环泵的正常运行，提高了电堆余热的利用率，从而进一步提升燃料电池系统的综合效率。
[0014]在其中一个实施例中，控制方法包括：当监测到整车发出采暖需求时，监测冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口和冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口的冷却液温度，若入口和出口的冷却液温度中的任一温度在系统预设的温度值T0′
以下且第二冷却回路关闭时，开启第一控制阀，并调整第一控制阀的开度大小来保证冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口的冷却液温度处于该工况下的预设温度范围；当整车采暖需求停止或第二冷却回路开启时，关闭第一控制阀。该控制方法中的采暖回路的运行利用燃料电池电堆出口处具备较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述热管理系统包括：冷却回路，所述冷却回路中的冷却液流经燃料电池电堆，所述冷却回路包括第一冷却回路和第二冷却回路，所述第一冷却回路和所述第二冷却回路之间连有第一多通结构，所述第一多通结构用于连接所述第一冷却回路和所述第二冷却回路，所述第一多通结构的第一端与所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口相连，所述第一多通结构的第二端与所述冷却回路中的冷却液流入所述燃料电池电堆的入口相连，所述第一多通结构的第三端与所述冷却回路中的冷却液流入所述散热器的入口相连，所述第一冷却回路中的冷却液由所述第一多通结构的第一端流入并经所述第一多通结构的第三端流出，实现在所述第一冷却回路中循环；所述第二冷却回路中的冷却液，由所述第一多通结构的第一端流入并经所述第一多通结构的第二端流出，实现在所述第二冷却回路中循环；所述热管理系统还包括以下组中的任意一个、任意两个或者全部的组合：冷启动加热回路，所述冷启动加热回路的入口通过第一控制阀与所述第二冷却回路相连接，所述冷启动加热回路中的冷却液流经燃料循环泵流回所述冷却回路中；采暖回路，所述采暖回路并联于所述冷却回路的支路上，所述采暖回路的入口与所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口相连接，所述采暖回路的出口与所述冷却回路中的冷却液流入所述散热器的入口相连接；燃料加热回路，所述燃料加热回路的入口与所述冷却回路相连接，所述燃料加热回路中的冷却液流经燃料管路流回所述冷却回路中。2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述采暖回路包括第二控制阀和第一换热器，所述第二控制阀用于控制所述采暖回路的开启或关闭，所述第二控制阀的一端与所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口相连，所述第二控制阀的另一端与所述冷却回路中的冷却液流入所述第一换热器的入口相连；第一换热器用于将所述采暖回路中冷却液的热能输出以实现外部供暖。3.根据权利要求1中所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述燃料加热回路包括第三控制阀和第二换热器，所述第三控制阀用于控制所述燃料加热回路的开启或关闭，所述第三控制阀的一端与所述冷却回路相连，所述第三控制阀的另一端与所述冷却回路中的冷却液流入所述第二换热器的入口相连；所述第二换热器用于将所述燃料加热回路中冷却液的热能输出以加热进入所述燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪建，王英，徐勋高，李学章，漆海龙，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：