一种大功率燃料电池系统及车辆的制作方法

1.本技术属于氢能汽车技术领域，更具体地说，是涉及一种大功率燃料电池系统及车辆。


背景技术：

2.目前燃料电池系统主要运用在商用车上，针对49t重卡类型的车辆，需求功率很大，传统燃油的49t重卡动力可达500多马力，最大输出功率可达350kw以上。而燃料电池系统的重卡功率才100多千瓦，剩余的功率靠锂电输出，这不符合全功率燃料电池系统的开发思路，所以更高功率的燃料电池系统的开发是争夺市场的必然趋势。
3.但是超大功率燃料电池系统在热管理方面带来的难题是如何解决散热问题，传统燃油车50％的热量由排气带走，其中发动机出水温度可达110℃，散热器的液气温差70℃；而燃料电池系统反应产生的热量95％由冷却液来带走，出水温度80℃，液气温差仅仅只有40℃。加上现在燃料电池的重卡都是在原有燃油重卡的底盘上进行改动，布置紧促，空间有限，布置更大的散热器更是难上加难。
4.所以大散热量，液气温差小，布置困难是目前开发大功率燃料电池系统中热管理的难题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种大功率燃料电池系统及车辆，以解决现有技术中的大功率燃料电池系统散热困难的技术问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种大功率燃料电池系统，包括电堆和散热单元；
7.所述电堆连接有空气进气管、氢气进气管、排废水管和排废气管；所述排废水管上依次连接有背压阀、换热器和储液罐，所述换热器用于为废水降温；
8.所述散热单元连接在所述电堆上，用于为所述电堆散热；所述散热单元包括通过散热管线依次连接的第一冷却液泵、散热器和节温器；
9.所述储液罐的出水口连通废水循环管，所述废水循环管的出水端连接有喷淋头，所述喷淋头朝向所述散热器设置，所述废水循环管上连接有控制阀和第二冷却液泵。
10.进一步地，所述换热器用于废水和氢气换热以升温氢气。
11.进一步地，所述氢气进气管上依次连接有氢瓶、所述换热器、进氢电磁阀和比例阀；
12.所述排废气管上连接有水气分离器和氢气循环泵，所述氢气循环泵出口与所述氢气进气管相连通，所述氢气循环泵出口连接在所述换热器的出气侧管线上；所述水气分离器上连接有排氮阀和排水管线，所述排水管线与所述排废水管相连通，所述排水管线上设有排水阀；
13.废水通过所述换热器与所述氢瓶出来的氢气进行换热。
14.进一步地，所述散热管线的进液端和出液端上分别设有第一温度传感器和第二温度传感器。
15.进一步地，所述散热单元上还连接有加热器，所述加热器通过加热管线并联在所述散热器的两端；所述加热管线的一端与所述第一冷却液泵的出口管线相连通，另一端与所述节温器的一个进口相连通。
16.进一步地，所述散热单元上还连接有去离子器和冷却液储箱，所述去离子器的进液管与所述第一冷却液泵的出口管线相连通，所述去离子器的出液管连接所述冷却液储箱，所述冷却液储箱的出液管与所述散热管线的进液端相连通。
17.进一步地，所述散热单元上还连接有过滤器，所述过滤器连接在所述散热器和所述节温器之间。
18.进一步地，所述储液罐上设有溢流口。
19.进一步地，所述背压阀和所述换热器之间设有消音器。
20.进一步地，所述空气进气管上依次连接有空气过滤器、空气流量计、空压机、中冷器和增湿器，所述排废水管也与所述增湿器相连通。
21.进一步地，所述空气进气管上还连接有旁通阀，所述旁通阀的一个出口与所述排废水管相连通，所述旁通阀设在所述增湿器的进气侧管线上。
22.进一步地，所述散热管线的出液端、所述中冷器、所述散热管线的进液端依次连通以实现冷却液与空气换热。
23.第二方面，本技术还提供一种车辆，所述车辆包括上述任意一项所述的大功率燃料电池系统。
24.与现有技术相比，本技术具有以下的技术效果：
25.本技术的一种大功率燃料电池系统在电堆具有散热单元的基础上，将电堆排废水管里的废水换热降温后通过废水循环管喷淋到散热单元的散热器上，以此可以增大散热器的散热效率，尤其是电堆在大功率运行时，有效解决燃料电池系统散热困难的问题；且避免设置更大尺寸的散热器，不占用更多空间。
26.本技术的一种车辆因具有本技术的一种大功率燃料电池系统，在显著提高电堆散热能力的同时，还能避免设置更大尺寸的散热器，不占用车辆原有布置空间，解决大散热量的问题，且布置简单。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本技术实施例提供的一种大功率燃料电池系统的结构示意图；
29.图2为本技术实施例提供的一种大功率燃料电池系统进行热管理方法的流程图。
30.其中，图中各附图标记：
31.1、空气过滤器，2、空气流量计，3、空压机，4、中冷器，5、旁通阀，6、增湿器，7、背压阀，8、消音器，9、第一冷却液泵，10、加热器，11、散热器，12、过滤器，13、节温器，14、去离子
器，15、冷却液储箱，16、第一温度传感器，17、第二温度传感器，18、进氢电磁阀，19、比例阀，20、水气分离器，21、排水阀，22、排氮阀，23、氢气循环泵，24、换热器，25、储液罐，26、控制阀，27、第二冷却液泵，28、喷淋头，29、氢瓶，pack、电堆。
具体实施方式
32.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
34.需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.本技术实施例提供一种车辆，该车辆包括本技术实施例的一种大功率燃料电池系统，请参阅图1，现对本技术实施例提供的一种大功率燃料电池系统进行说明。
37.本技术实施例的一种大功率燃料电池系统，包括电堆(pack)和散热单元；电堆连接有空气进气管、氢气进气管、排废水管和排废气管；排废水管上依次连接有背压阀7、换热器24和储液罐25，换热器24用于为废水降温，降温后的废水储存在储液罐25内。散热单元连接在电堆上，用于为电堆散热；散热单元包括通过散热管线依次连接的第一冷却液泵9、散热器11和节温器13；储液罐25的出水口连通废水循环管，废水循环管的出水端连接有喷淋头28，喷淋头28朝向散热器11设置，废水循环管上连接有控制阀26和第二冷却液泵27。
38.本技术实施例的换热器24可以为板式换热器、翅片换热器或者壳管换热器中的任意一种。本技术实施例的控制阀26可为电子二通阀。
39.本技术实施例的通过散热管线依次连接的第一冷却液泵9、散热器11、节温器13以及电堆构成冷却回路，即冷却液流入电堆对电堆进行降温后自冷却液出口流出，之后通过第一冷却液泵9泵入散热器11进行散热降温，经过降温后的冷却液通过节温器13再次输送到电堆内为电堆进行降温，以此完成冷却液在散热单元的循环流动、降温过程。
40.本技术实施例的一种大功率燃料电池系统在使用时，当电堆在小功率运行时，废水循环管上连接的控制阀26关闭、第二冷却液泵27停机，通过散热单元为电堆散热即可，此时排废水管出来的废水经过换热降温后储存在储液罐25内；而当电堆在大功率运行时，废水循环管上连接的控制阀26打开、第二冷却液泵27开机，将储液罐25内的冷却废水通过废水循环管输送到喷淋头28处，喷淋头28向高温散热器11的芯体表面喷洒冷却废水，喷淋在散热器11芯体表面的小雾滴快速蒸发促使散热器11的快速散热降温，进而加快散热管线内
电堆冷却液的降温，提高电堆的散热效率。
41.本技术实施例的一种大功率燃料电池系统在电堆具有散热单元的基础上，将电堆排废水管里的废水换热降温后通过废水循环管喷淋到散热单元的散热器11上，以此可以增大散热器11的散热效率，尤其是电堆在大功率运行时，有效解决燃料电池系统散热困难的问题；且避免设置更大尺寸的散热器，不占用更多空间。
42.本技术实施例中，一般将150kw以下的功率认为是小功率，将150kw以上的功率认为是大功率。当然，在实际应用中，可以是其他分界值，本技术并不对小功率和大功率做具体限定。
43.本技术实施例的一种车辆因具有本技术实施例的一种大功率燃料电池系统，在显著提高电堆散热能力的同时，还能避免设置更大尺寸的散热器，不占用车辆原有布置空间，解决大散热量的问题，且布置简单。
44.在另一实施例中，换热器24还用于废水和氢气换热以升温氢气，利用换热器24在对废水进行降温的同时还能对从氢瓶29出来的氢气进行升温，使得进入电堆的氢气温度控制在工艺要求条件内。
45.在另一实施例中，氢气进气管上依次连接有氢瓶29、换热器24、进氢电磁阀和18比例阀19；排废气管上连接有水气分离器20和氢气循环泵23，氢气循环泵23出口与氢气进气管相连通，氢气循环泵23出口连接在换热器24的出气侧管线上；水气分离器20上连接有排氮阀22和排水管线，排水管线与排废水管相连通，排水管线上设有排水阀21；排废水管内的废水通过换热器24与氢瓶29出来的氢气进行换热。
46.燃料电池系统工作要求进堆冷却液温度为70℃，出堆冷却液温度为80℃，进出堆温差≤10℃。燃料电池在工作时氢气与氧气反应，在阴极产生了大量的水，目前市场上大部分系统是将水直接排出，没有有效的利用。本技术实施例中，将从排废水管出来的高温废水(约80℃)进行回收利用，利用排废水管出来的高温废水与氢瓶29出来的氢气在换热器24内进行换热，以对氢瓶29出来的氢气加热，提高氢气温度，经过升温后的氢气与从排废气管里出来的循环高温氢气汇合后再次流入电堆内进行电化学反应。通过高温废水与氢瓶29出来的氢气换热，可以降低氢瓶29出来的氢气温度过低导致的其与从排废气管里出来的循环高温氢气汇合时发生水气冷凝造成的阳极堵水单低(即单端电压低)的发生概率。
47.在另一实施例中，散热管线的进液端和出液端上分别设有第一温度传感器16和第二温度传感器17，第一温度传感器16用于检测进电堆的冷却液的温度，第二温度传感器17用于检测出电堆的冷却液的温度。通过第一温度传感器16和第二温度传感器17所检测的冷却液的进出温度差，对第一冷却液泵9进行pid控制，满足电堆正常工作的温差要求。
48.在另一实施例中，散热单元上还连接有加热器10，加热器10可以为ptc加热器，加热器10通过加热管线并联在散热器11的两端，加热管线的一端与第一冷却液泵9的出口管线相连通，另一端与节温器13的一个进口相连接。第一冷却液泵9、加热器10、节温器13和电堆构成加热回路，当燃料电池电堆温度较低时，通过调节节温器13，通过加热器10对进入电堆的冷却液进行加热，以此提高燃料电池电堆工作温度。本技术实施例的节温器13可以为电子三通阀。
49.在另一实施例中，散热单元上还连接有去离子器14和冷却液储箱15，去离子器14的进液管与第一冷却液泵9的出口管线相连通，去离子器14的出液管连接冷却液储箱15，冷
却液储箱15的出液管与散热管线的进液端相连通。冷却液储箱15用于储存冷却液，通过其内部储存的冷却液来为散热单元补充冷却液。
50.在另一实施例中，散热单元上还连接有过滤器12，过滤器12连接在散热器11和节温器13之间，通过过滤器12将冷却液中的颗粒类杂质过滤下来，避免颗粒杂质影响系统工作性能。
51.在另一实施例中，储液罐25上设有溢流口，废水中的氢气和氮气可通过储液罐25上方设置的溢流口进行排出，当储液罐25到达一定液位后，多余的水也通过溢流口排出。
52.在另一实施例中，背压阀7和换热器24之间设有消音器8，以消除管道排气过程产生的噪音。
53.在另一实施例中，空气进气管上依次连接有空气过滤器1、空气流量计2、空压机3、中冷器4和增湿器6，排废水管也与增湿器6相连通。即空气依次通过空气过滤器1除杂、空气流量计2检测流量、空压机3压缩、中冷器4冷却和增湿器6增湿后进入到电堆内进行电化学反应，排废水管出来的废水再次返回到增湿器6内可对增湿器6内的新进空气进行增湿。
54.在另一实施例中，空气进气管上还连接有旁通阀5，旁通阀5的一个出口与排废水管相连通，即旁通阀5为一个三通阀，旁通阀5设在增湿器6的进气侧管线上。当电堆需要的空气进气量较低时，可以通过旁通阀5将空气排入到排废水管线中，之后通过储液罐25上方的溢流口排出到大气中。
55.在另一实施例中，散热管线的出液端、中冷器4、散热管线的进液端依次连通以实现冷却液与空气换热。
56.此外，本技术实施例还提供一种大功率燃料电池系统进行热管理方法，其基于上述的大功率燃料电池系统实现，具体包括以下步骤：
57.(1)进入电堆的冷却液温度低于目标温度时，即电堆小功率运行时，通过散热单元为电堆散热；
58.(2)进入电堆的冷却液温度高于目标温度，且散热单元达到最大散热量时，即电堆大功率运行时，启用废水循环管，通过喷淋头喷洒冷却废水和散热单元同时为电堆散热。
59.本技术实施例的一种大功率燃料电池系统进行热管理方法可使得燃料电池系统在小功率或大功率运行时都能很好地散热，管理方法简单。
60.本技术实施例的大功率燃料电池系统的控制元件有节温器13、控制阀26、第一冷却液泵9、第二冷却液泵27和散热器11。在燃料电池系统正常开机拉载阶段，一方面，整个工作过程会根据进出堆冷却液温差来对第一冷却液泵9进行pid控制，满足电堆正常工作的温差要求。另一方面，为避免节温器13和散热器11的风扇的耦合控制，本技术实施例的热管理方法具体包括以下步骤：
61.(10)根据进出电堆的冷却液的温差对散热单元内的第一冷却液泵9的转速进行pid控制；
62.(20)当进入电堆的冷却液温度低于第一目标温度(如65℃)时，对散热单元内的节温器13的开度进行pid控制，通过散热单元为电堆散热；这时，电堆运行功率比较小，只通过控制节温器13的开度，而不需要开启散热器11，即通过调节向电堆内输送的冷却液流量即可达到冷却电堆的目的；
63.(30)当进入电堆的冷却液温度高于第一目标温度且低于第二目标温度(如70℃)
时，这时，节温器13向电堆输送的冷却液流量达到最大值，即节温器13开度达到最大状态，对散热单元内的散热器11的风扇转速进行pid控制，通过开启散热单元内的散热器11为电堆散热；
64.(40)当进入电堆的冷却液温度高于第二目标温度，且散热单元达到最大散热量时，即电堆在较大功率下运行，节温器13开度达到最大状态且散热器11的风扇转速也达到最大转速(4750rpm)，即只通过散热单元已无法满足电堆散热需求，这时需要启用废水循环管，打开控制阀26，并打开第二冷却液泵27，通过喷淋头28喷洒冷却废水和散热单元同时为电堆散热。
65.本技术实施例的一种大功率燃料电池系统进行热管理方法的流程图如图2所示，其基于上述的大功率燃料电池系统实现。
66.目前，49t重卡由于布置空间受到限制，基本上散热器散热功率在200kw左右，200kw以上的系统散热问题被放大。所以大功率燃料电池系统运行时产生的多余热量需要其他途径散出去。以230kw系统为例说明，电堆功率287kw，总散热功率为286kw。200kw的散热器可满足系统的功率为≤187kw，当系统功率大于187kw，散热器性能不满足，会报超温故障。本技术实施例利用电堆的尾排废水来把多余热量散出去，也就是当系统检测到散热器11发挥最大能力，仍然超温，此时启用废水循环管，调节节温器13(即电子三通阀)开度最大、控制阀26(即电子二通阀)开度最大，打开第二冷却液泵27，通过喷淋头28向散热器11芯体表面喷洒冷却废将多余的热量换出去。
67.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种大功率燃料电池系统，其特征在于，包括电堆和散热单元；所述电堆连接有空气进气管、氢气进气管、排废水管和排废气管；所述排废水管上依次连接有背压阀、换热器和储液罐，所述换热器用于为废水降温；所述散热单元连接在所述电堆上，用于为所述电堆散热；所述散热单元包括通过散热管线依次连接的第一冷却液泵、散热器和节温器；所述储液罐的出水口连通废水循环管，所述废水循环管的出水端连接有喷淋头，所述喷淋头朝向所述散热器设置，所述废水循环管上连接有控制阀和第二冷却液泵。2.如权利要求1所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述换热器用于废水和氢气换热以升温氢气。3.如权利要求2所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述氢气进气管上依次连接有氢瓶、所述换热器、进氢电磁阀和比例阀；所述排废气管上连接有水气分离器和氢气循环泵，所述氢气循环泵出口与所述氢气进气管相连通，所述氢气循环泵出口连接在所述换热器的出气侧管线上；所述水气分离器上连接有排氮阀和排水管线，所述排水管线与所述排废水管相连通，所述排水管线上设有排水阀；废水通过所述换热器与所述氢瓶出来的氢气进行换热。4.如权利要求1-3任意一项所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述散热管线的进液端和出液端上分别设有第一温度传感器和第二温度传感器。5.如权利要求1-3任意一项所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述散热单元上还连接有加热器，所述加热器通过加热管线并联在所述散热器的两端；所述加热管线的一端与所述第一冷却液泵的出口管线相连通，另一端与所述节温器的一个进口相连通。6.如权利要求1-3任意一项所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述散热单元上还连接有去离子器和冷却液储箱，所述去离子器的进液管与所述第一冷却液泵的出口管线相连通，所述去离子器的出液管连接所述冷却液储箱，所述冷却液储箱的出液管与所述散热管线的进液端相连通。7.如权利要求1-3任意一项所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述散热单元上还连接有过滤器，所述过滤器连接在所述散热器和所述节温器之间；和/或，所述储液罐上设有溢流口；和/或，所述背压阀和所述换热器之间设有消音器。8.如权利要求1-3任意一项所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于，所述空气进气管上依次连接有空气过滤器、空气流量计、空压机、中冷器和增湿器，所述排废水管也与所述增湿器相连通。9.如权利要求8所述的一种大功率燃料电池系统，其特征在于：所述空气进气管上还连接有旁通阀，所述旁通阀的一个出口与所述排废水管相连通，所述旁通阀设在所述增湿器的进气侧管线上；和/或，所述散热管线的出液端、所述中冷器、所述散热管线的进液端依次连通以实现冷却液与空气换热。10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求1-9任意一项所述的大功率燃料电池系统。

技术总结
本申请提供了一种大功率燃料电池系统及车辆，包括电堆和散热单元；电堆连接有空气进气管、氢气进气管、排废水管和排废气管；排废水管上依次连接有背压阀、换热器和储液罐，换热器用于为废水降温；散热单元连接在电堆上，用于为电堆散热；散热单元包括通过散热管线依次连接的第一冷却液泵、散热器和节温器；储液罐的出水口连通废水循环管，废水循环管的出水端连接有喷淋头，喷淋头朝向散热器设置，废水循环管上连接有控制阀和第二冷却液泵。本申请将废水换热降温后通过废水循环管喷淋到散热单元的散热器上，以此可以增大散热器的散热效率，有效解决燃料电池系统散热困难的问题；且避免设置更大尺寸的散热器，不占用更多空间。不占用更多空间。不占用更多空间。


技术研发人员：饶博 郝义国 张江龙 杨毅明
受保护的技术使用者：格罗夫氢能源科技集团有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/9/16