一种改善冷启动性燃料电池冷却系统

摘要

本发明提供了一种改善冷启动性燃料电池冷却系统，其包括水箱、燃料电池堆、循环驱动装置、加热器、保温箱、散热总成和节温器，其中：燃料电池堆的输出口经管道连接循环驱动装置的输入口；循环驱动装置的输出口分别经管道连接加热器的输入口和散热总成的输入口；加热器的输出口经管道连接保温箱的输入口，保温箱的输出口经管道连接节温器的副输入阀口；散热总成的输出口经管道连接节温器的主输入阀口；节温器的输出口经管道连接燃料电池堆的输入口；水箱的输出口经管道连接循环驱动装置的输入口，水箱的输入口经管道连接散热总成和燃料电池堆的排气口。本发明提升了小循环回路中的冷却液的升温速度，最终缩短燃料电池的冷启动时间。

权利要求

1.一种改善冷启动性燃料电池冷却系统，其特征在于，其包括水箱、燃料电池堆、循环驱动装置、加热器、保温箱、散热总成和节温器，其中：所述燃料电池堆的输出口经管道连接所述循环驱动装置的输入口；

所述循环驱动装置的输出口分别经管道连接所述加热器的输入口和所述散热总成的输入口；

所述加热器的输出口经管道连接所述保温箱的输入口，所述保温箱的输出口经管道连接所述节温器的副输入阀口；

所述散热总成的输出口经管道连接所述节温器的主输入阀口；

所述节温器的输出口经管道连接所述燃料电池堆的输入口；

所述水箱的输出口经管道连接所述循环驱动装置的输入口，所述水箱的输入口经管道连接所述燃料电池堆的排气口及所述散热总成的排气口；

保温箱输入口处连接有第一单向阀，保温箱的输出口处连接有第二单向阀；

当进入至所述节温器内的冷却介质的温度低于预定温度时，所述副输入阀口打开，所述主输入阀口关闭；当进入至所述节温器内的冷却介质的温度高于所述预定温度时，所述副输入阀口关闭，所述主输入阀口打开。

2.如权利要求1所述的改善冷启动性燃料电池冷却系统，其特征在于：所述循环驱动装置为电子水泵。

3.如权利要求1所述的改善冷启动性燃料电池冷却系统，其特征在于：所述加热器为PTC加热器。

4.如权利要求1所述的改善冷启动性燃料电池冷却系统，其特征在于：所述散热总成包括散热器和电子风扇。

5.如权利要求1所述的改善冷启动性燃料电池冷却系统，其特征在于：其还包括去离子器，所述去离子器经管道并排连接在所述循环驱动装置的输入口和输出口之间。

说明书

一种改善冷启动性燃料电池冷却系统

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种改善冷启动性燃料电池冷却系统。

背景技术

[0002] 燃料电池具有零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势，是应对全球能源短缺和环境污染的重要战略举措。发展燃料电池技术已成为全球能源转型与动力转型
升级的突破口和重大战略方向。

[0003] 燃料电池工作时的生成物只有水，同时在燃料电池工作时需要对反应物进行加湿，以保证交换膜拥有一定的含水量，才能保证电化学反应正常进行。由于生成物和反应过
程中有水分的参与，当环境温度低于0℃时，燃料电池内的水就会因低温冻结，从而导致燃
料电池无法工作，水分冻结时体积增大，存在撑裂交换膜的风险，会导致氢气和氧气混合存
在爆炸风险。所以燃料电池冷启动性能是衡量燃料电池技术发展的一个重要指标。

[0004] 衡量冷启动性能的指标有启动最低温度、启动过程耗能和启动时间等。现阶段大多采用“停机吹扫+启动升温”，即在停机吹扫的基础上，电池启动时使电堆升温融冰的速度
快于电堆结冰的速度，来实现冷启动。电堆冷启动的升温方式主要可划分为两大类，即外部
加热升温方式和内部升温方式。外部升温方式比较主流的技术是电加热器加热，内部升温
方式的原理是通过消耗反应物来达到升温的目的。不过不管是使用外部加热升温方式和内
部升温方式都存在需要消耗自身能量，加热时间长的问题，环境温度越低，则需要消耗的能
量和加热时间就越长，燃料电池冷启动性能不佳。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种改善冷启动性燃料电池冷却系统，其具体技术方案如下：

[0006] 一种改善冷启动性燃料电池冷却系统，其特征在于，其包括水箱、燃料电池堆、循环驱动装置、加热器、保温箱、散热总成和节温器，其中：

[0007] 所述燃料电池堆的输出口经管道连接所述循环驱动装置的输入口；

[0008] 所述循环驱动装置的输出口分别经管道连接所述加热器的输入口和所述散热总成的输入口；

[0009] 所述加热器的输出口经管道连接所述保温箱的输入口，所述保温箱的输出口经管道连接所述节温器的副输入阀口；

[0010] 所述散热总成的输出口经管道连接所述节温器的主输入阀口；

[0011] 所述节温器的输出口经管道连接所述燃料电池堆的输入口；

[0012] 所述水箱的输出口经管道连接所述循环驱动装置的输入口，所述水箱的输入口经管道连接所述燃料电池堆的排气口及所述散热总成的排气口。

[0013] 在一些实施例中，所述循环驱动装置为电子水泵。

[0014] 在一些实施例中，所述加热器为PTC加热器。

[0015] 在一些实施例中，所述散热总成包括散热器和电子风扇。

[0016] 在一些实施例中，其还包括去离子器，所述去离子器经管道并排连接在所述循环驱动装置的输入口和输出口之间。

[0017] 在一些实施例中，当进入至所述节温器内的冷却介质的温度低于预定温度时，所述副输入阀口打开，所述主输入阀口关闭；当进入至所述节温器内的冷却介质的温度高于
所述预定温度时，所述副输入阀口关闭，所述主输入阀口打开。

[0018] 本发明的工作原理如下：

[0019] 燃料电池冷启动时，节温器的主输入阀口关闭，副输入阀口打开。此时，冷却液在冷却系统的小循环回路内流动，具体的：在循环驱动装置的驱动下，冷却液流经加热器、保
温箱、节温器后流过燃料电池堆，从而实现对燃料电池堆的升温。

[0020] 当系统内的冷却液的温度高于预定温度时，节温器的主输入阀口打开，副输入阀口关闭，此时，冷却液在冷却系统的大循环回路内流动，具体的：在循环驱动装置的驱动下，
冷却液流经散热总成、节温器后流过燃料电池堆，从而实现对燃料电池堆的散热降温。

[0021] 特别的，小循环切换至大循环时，部分经加热后的冷却液被储存在保温箱6内。由于保温箱内始终储存有温度较高的冷却液。因此，下次冷启动时，保温箱内储存的温度较高
的冷却液进入小循环回路，从而提升小循环回路中的冷却液的升温速度，最终缩短燃料电
池的冷启动时间。

[0022] 可见，本发明通过小循环回路和大循环回路分别实现冷却水的升温和降温，从而实现对燃料电池堆的温度管理，使得燃料电池堆始终处于预定的动作范围内。此外，通过在
小循环回路中引入保温箱，提升了小循环回路中的冷却液的升温速度，最终缩短燃料电池
的冷启动时间。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要实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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：

[0024] 图1为本发明的改善冷启动性燃料电池冷却系统的结构示意图；

[0025] 图2为本发明中的小循环回路的循环过程示意图；

[0026] 图3为本发明中的大循环回路的循环过程示意图；

[0027] 图1至图3中包括水箱1、燃料电池堆2、循环驱动装置3、去离子器4、加热器5、保温箱6、散热总成7、节温器8。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点、能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0029] 如图1所示，本发明的改善冷启动性燃料电池冷却系统包括水箱1、燃料电池堆2、循环驱动装置3、加热器5、保温箱6、散热总成7和节温器8等组件。燃料电池堆2的输出口经
管道连接循环驱动装置3的输入口。循环驱动装置3的输出口分别经管道连接加热器5的输
入口和散热总成7的输入口。加热器5的输出口经管道连接保温箱6的输入口，保温箱6的输
出口经管道连接节温器8的副输入阀口。散热总成7的输出口经管道连接节温器8的主输入
阀口。节温器8的输出口经管道连接燃料电池堆2的输入口。水箱1的输出口经管道连接循环
驱动装置3的输入口，水箱1的输入口分别经管道连接燃料电池堆2的排气口及散热总成7的
排气口。

[0030] 经水箱1能够将冷却液补充至冷却系统内。可选的，水箱1为膨胀水箱，其能够保持冷却系统内的初始压力，及时去除冷却液中积滞的空气以及水汽。

[0031] 循环驱动装置3用于驱动冷却液在冷却系统内循环，可选的，循环驱动装置3为电子水泵。

[0032] 加热器5用于实现对冷却液的加热，可选的，加热器5为PTC加热器。

[0033] 散热总成7用于实现对冷却液的降温，可选的，散热总成7包括散热器和电子风扇。

[0034] 节温器8是一种常用的控制冷却液的流动路径的阀门结构，其内含有感温组件。节温器8上设置有主输入阀口、副输入阀口及输出口。当流经节温器8的冷却液的温度低于预
定温度时，副输入阀口打开，主输入阀口关闭，而当流经节温器8的冷却液的温度高于预定
温度时，副输入阀口关闭，主输入阀口打开。

[0035] 下文将结合图2和图3对本发明的改善冷启动性燃料电池冷却系统的工作原理进行说明。

[0036] 如图2所示，燃料电池冷启动时，循环系统内的冷却液的温度较低。节温器8的主输入阀口关闭，副输入阀口打开。此时，冷却液在冷却系统的小循环回路内流动，具体的：在循
环驱动装置3的驱动下，水箱1中的冷却液流经加热器5、保温箱6、节温器8后流过燃料电池
堆2，从而实现对燃料电池堆2的升温，使得燃料电池堆2的温度达到预定的温度范围，以完
成冷启动。

[0037] 燃料电池启动后，系统内的冷却液的温度继续上升，当系统内的冷却液的温度高于预定温度时，节温器8的主输入阀口打开，副输入阀口关闭。

[0038] 此时，如图3所示，冷却液被切换至在冷却系统的大循环回路内流动，具体的：在循环驱动装置3的驱动下，冷却液流经散热总成7的降温后，然后经节温器8流过燃料电池堆2，
从而实现对燃料电池堆2的散热降温。

[0039] 特别的，小循环结束时，部分经加热后的冷却液被储存在保温箱6内。因此，下次冷启动时，保温箱6内储存的温度较高的冷却液进入小循环回路中，从而提升小循环回路中的
冷却液的升温速度，最终缩短燃料电池的冷启动时间。

[0040] 可选的，保温箱6输入口处连接有第一单向阀，保温箱6的输出口处连接有第二单向阀。小循环过程中，第一单向阀、第二单向阀打开，此时冷却水能够顺利流过保温箱6。小
循环结束后，第一单向阀、第二单向阀关闭，冷却水无法进入保温箱6，同时存储在保温箱6
内的冷却液也无法流出保温箱6，从而实现了对冷却液的保存。

[0041] 可见，本发明通过小循环回路和大循环回路分别实现冷却水的升温和降温，从而实现对燃料电池堆的温度管理，使得燃料电池堆始终处于预定的动作范围内。此外，通过在
小循环回路中引入保温箱，提升了小循环回路中的冷却液的升温速度，最终缩短燃料电池
的冷启动时间。

[0042] 可选的，本发明还包括去离子器4，去离子器4经管道并排连接在循环驱动装置3的输入口和输出口之间。去离子器4可以降低冷却液中离子浓度，有效解决系统离子析出问
题，使电堆系统处于较低的电导率水平，保证燃料电池的正常运行。

[0043] 上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前
提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权
利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。