CN110611108A - 一种加热中冷一体器及其应用的燃料电池***和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加热中冷一体器及其应用的燃料电池***和控制方法，包括壳体和盖板，壳体上设有空腔，空腔的腔口处安装盖板，空腔里安装有加热装置和热交换装置，壳体上设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液通过冷却液入口进入壳体内部与加热装置和热交换装置进行热量交换后从冷却液出口流出；壳体上还设有空气入口和空气出口，空气从空气入口进入至壳体内部与热交换装置进行热量交换后从空气出口排出，结构简单、占用燃料电池***整体布局空间少，在低温状态下，可给空气路中的冷空气进行快速加热，在高温状态下，可给空气路中的高温空气进行快速降温，运行额外功耗小，提升性能，节约能源。

Description

一种加热中冷一体器及其应用的燃料电池***和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种加热中冷一体器及其应用的燃料电池***和控制方法。
背景技术：
燃料电池是一种高效的发电装置，是通过氢气和氧气的催化氧化反应，将化学能转换为电能，并且生成无任何污染的水。目前全球各国都大力发展新能源汽车，燃料电池具有清洁高效、无污染、能量效率高、可靠性高等特点，是目前最适合新能源汽车发展的一种理想动力来源。
燃料电池作为车用动力***，必须要经受南方高温和北方低温等各种严苛工况下启停及正常运行的考验，其中低温冷启动工况是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。低温冷启动是指燃料电池汽车在0℃以下的温度中成功启动，并可将燃料电池内部温度迅速提升到70－80℃以满足正常运行的性能。美国能源部在2010年针对燃料电池零下气温环境的启动过程提出了具体的技术指标：在－20℃温度条件下，燃料电池在启动后30s内达到额定功率的90％。
目前解决燃料电池低温冷启动主要方法是改变燃料电池内部温度，从而达到快速启动的目的。方法有加热、通入热空气、冷却水循环加热、变阻加热、氢氧反应加热和气体吹扫等。然而，在实现使用中当燃料电池汽车处于低温的环境中时，需要对燃料电池进行很长时间的加热，才能实现车辆的启动，很难达到快速加热的目标。并且在此过程中，需要浪费大量的车辆的动力电池的能量，极大地降低了燃料电池汽车的续航能力，同时会污染环境。
如何解决在低温环境下迅速将燃料电池内部温度提高，达到燃料电池***启动需求的温度，是目前燃料电池运用的关键性问题之一。燃料电池中空气路是三大管路之一，空气路是将空气送入燃料电池的电堆中，空气中的氧气与氢气参加反应。所以在低温环境下，送入燃料电池***里空气也必须迅速被加热，才能保证燃烧电池正常启动和运行。
另外，目前有利用空压机将空气压缩产生的热量加热空气路中的空气，但是这是方式效果并不理想。因为刚刚启动时，燃料电池***运行功率很小，空压机运行功率也很小，空压机压缩气压有限，产生的热量也很有限，很难达将空气加热到理想的温度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种加热中冷一体器及其应用的燃料电池***和控制方法，该结构简单、占用燃料电池***整体布局空间少，在低温状态下，可给空气路中的冷空气进行快速加热，在高温状态下，可给空气路中的高温空气进行快速降温，运行额外功耗小，提升性能，节约能源。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
一种加热中冷一体器，其特征在于：它包括壳体和盖板，壳体上设有空腔，空腔的腔口处安装盖板，空腔里安装有加热装置和热交换装置，壳体上设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液通过冷却液入口进入壳体内部与加热装置和热交换装置进行热量交换后从冷却液出口流出；壳体上还设有空气入口和空气出口，空气从空气入口进入至壳体内部与热交换装置进行热量交换后从空气出口排出。
壳体的空腔里安装有第一分隔板和第二分隔板，第一分隔板与壳体之间形成冷却液进液腔室，第二分隔板与壳体之间形成冷却液出液腔室，热交换装置安装在冷却液进液腔室和冷却液出液腔室之间，冷却液进液腔室与冷却液入口连通，冷却液出液腔室与冷却液出口连通。
所述热交换装置包括若干片散热波纹板和带有若干水道的若干块层板，若干片散热波纹板和若干块层板之间间隔分布，散热波纹板与层板之间形成若干空气流道，冷却液进液腔室与冷却液出液腔室之间设有若干水道连通，第一分隔板和第二分隔板上分别设有若干第一通孔和第二通孔，若干水道与若干第一通孔和第二通孔是对应的，加热装置安装在冷却进液腔室内。
加热装置是加热电阻丝或者加热片。
若干散热波纹板、若干块层板、第一分隔板和第二分隔板一体焊接成型。
壳体上设有若干安装脚，安装脚上设有安装孔。
空气入口与空气出口设置在壳体的相对的两个侧面；冷却液入口与冷却液出口设置在壳体的相对的两个侧面。
一种燃料电池***，包括空气滤清器、空气流量计、空压机、空压机控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、加热中冷一体器、加湿器、燃料电池模组和冷却液循环***，其特征在于：所述加热中冷一体器为上述所述的加热中冷一体器，空气经过空气滤清器和空气流量计后进入空压机，空压机控制器控制空压机将进入的空气压缩后从加热中冷一体器的空气入口进入到壳体内，在加热中冷一体器内加热或者冷却后通过空气出口将空气往加湿器输送，加湿器再将加湿的空气输入到燃料电池模组，加热中冷一体器的冷却液入口和冷却液出口与冷却液循环***连接。
加热中冷一体器分别与空压机和加湿器之间安装有第一温度传感器和第二温度传感器，燃料电池模组中未参加反应的空气与产生的水再进入加湿器中，为干燥的空气进行加湿，空气再从排气口排出，水再从排水口排出。
一种燃料电池***控制方法，其特征在于：燃料电池***是上述所述的燃料电池***，燃料电池模组受燃料电池***控制器控制，第一温度传感器将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器中，空气经过空气滤清器和空气流量计后进入空压机，空压机将空气输送到加热中冷一体器，当第一温度传感器检测空气低于某个设定温度值T1时，燃料电池***控制器控制加热中冷一体器的加热装置加热功能开启，将进入加热中冷一体器中的冷却液加热，从而为进入加热中冷一体器中的空气提供热量，使空气温度迅速上升；当第一温度传感器检测空气高于某个设定温度值T2时，燃料电池***控制器开启降温功能控制加热中冷一体器的加热装置关闭加热功能，进入加热中冷一体器中的低温冷却液带走空气中的热量，使空气温度下降，起到降温作用。
加热中冷一体器的输出端安装有第二温度传感器，第二温度传感器将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器，当燃料电池***控制器开启加热功能控制加热中冷一体器的加热装置加热功能开启，将进入加热中冷一体器中的冷却液加热，从而为进入加热中冷一体器中的空气提供热量，使空气温度迅速上升后，当加热中冷一体器输送出的空气温度热量达不到所需的设定温度值T3时，第二温度传感器将信号传回燃料电池***控制器，燃料电池***控制器在控制加热中冷一体器的加热装置提高输出功率，使加热中冷一体器输出的空气温度达到所需的温度。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)本发明包括壳体和盖板，壳体上设有空腔，空腔的腔口处安装盖板，空腔里安装有加热装置和热交换装置，壳体上设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液通过冷却液入口进入壳体内部与加热装置和热交换装置进行热量交换后从冷却液出口流出；壳体上还设有空气入口和空气出口，空气从空气入口进入至壳体内部与热交换装置进行热量交换后从空气出口排出，结构简单、占用燃料电池***整体布局空间少，在低温状态下，可给空气路中的冷空气进行快速加热，在高温状态下，可给空气路中的高温空气进行快速降温，运行额外功耗小，提升性能，节约能源。
2)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
图1是本发明实施例一的立体图；
图2是本发明实施例一的立体分解图；
图3是本发明实施例一的主视图；
图4是图3中A－A的剖视图；
图5是图4的B部分局部放大图；
图6是实施例二的示意图；
图7是实施例三的示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图5所示，本实施例提供的是一种加热中冷一体器，其特征在于：它包括壳体61和盖板62，壳体61上设有空腔63，空腔63的腔口处安装盖板62，空腔63里安装有加热装置64和热交换装置65，壳体61上设有冷却液入口66和冷却液出口67，冷却液通过冷却液入口66进入壳体61内部与加热装置64和热交换装置65进行热量交换后从冷却液出口67流出；壳体61上还设有空气入口68和空气出口69，空气从空气入口68进入至壳体61内部与热交换装置65进行热量交换后从空气出口69排出，结构简单、占用燃料电池***整体布局空间少，在低温状态下，可给空气路中的冷空气进行快速加热，在高温状态下，可给空气路中的高温空气进行快速降温，运行额外功耗小，提升性能，节约能源。
上述所述的壳体61的空腔63里安装有第一分隔板633和第二分隔板634，第一分隔板633与壳体61之间形成冷却液进液腔室631，第二分隔板634与壳体61之间形成冷却液出液腔室632，热交换装置65安装在冷却液进液腔室631和冷却液出液腔室632之间，冷却液进液腔室631与冷却液入口66连通，冷却液出液腔室632与冷却液出口67连通，它结构简单，布置合理，通过冷却液进液腔室631和冷却液出液腔室632有效的使空气进行降温。
上述所述热交换装置65包括若干片散热波纹板652和带有若干水道651的若干块层板650，若干片散热波纹板652和若干块层板650之间间隔分布，散热波纹板652与层板650之间形成若干空气流道653，冷却液进液腔室631与冷却液出液腔室632之间设有若干水道651连通，第一分隔板633和第二分隔板634上分别设有若干第一通孔6331和第二通孔6341，若干水道651与若干第一通孔6331和第二通孔6341是对应的，加热装置64安装在冷却进液腔室631内，空气通过空气流道653与散热波纹板652和层板650的接触热传递到冷却液带走，便于热量的传导。
上述所述的加热装置64是加热电阻丝或者加热片，加热装置通电发热，将流入冷却液进液腔室中的冷却液迅速加热后，流入水道，加热后的冷却液源源不断的将热量传导到层板650，散热波纹板652温度也增加，当冷空气经过空气流道时，冷空气吸收层板650和散热波纹板652上的热量，温度升高，加热后的空气从空气出口69排出，进入燃料电池***中的其它零部件中，快速实现冷启动。
上述所述的若干散热波纹板652、若干层板650、第一分隔板633和第二分隔板634一体焊接成型，整体性好，结构简单，便于热量的传导。
上述所述的壳体61上设有若干安装脚611，安装脚611上设有安装孔612，安装结构简单。
上述所述的空气入口68与空气出口69设置在壳体61的相对的两个侧面；冷却液入口66与冷却液出口67设置在壳体61的相对的两个侧面，结构简单，布局合理。
实施例二：
如图6所示，本实施例是一种燃料电池***，包括空气滤清器1、空气流量计2、空压机3、空压机控制器4、第一温度传感器5、第二温度传感器50、加热中冷一体器、加湿器7、燃料电池模组8和冷却液循环***10，其特征在于：所述加热中冷一体器为实施例一所述的加热中冷一体器，空气经过空气滤清器1和空气流量计2后进入空压机3，空压机控制器4控制空压机3将进入的空气压缩后从加热中冷一体器的空气入口68进入到壳体61内，在加热中冷一体器内加热或者冷却后通过空气出口69将空气往加湿器7输送，加湿器7再将加湿的空气输入到燃料电池模组8，加热中冷一体器的冷却液入口66和冷却液出口67与冷却液循环***10连接。
加热中冷一体器分别与空压机3和加湿器7之间安装有第一温度传感器5和第二温度传感器50，燃料电池模组8中未参加反应的空气与产生的水再进入加湿器7中，为干燥的空气进行加湿，空气再从排气口92排出，水再从排水口91排出。
实施例三：
如图7所示，本实施例是一种燃料电池***控制方法，燃料电池***是实施例二所述的燃料电池***，燃料电池模组8受燃料电池***控制器100控制，第一温度传感器5将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器100中，空气经过空气滤清器1和空气流量计2后进入空压机3，空压机3将空气输送到加热中冷一体器，当第一温度传感器5检测空气低于某个设定温度值T1时，燃料电池***控制器100控制加热中冷一体器的加热装置64加热功能开启，将进入加热中冷一体器中的冷却液加热，从而为进入加热中冷一体器中的空气提供热量，使空气温度迅速上升；当第一温度传感器5检测空气高于某个设定温度值T2时，燃料电池***控制器100开启降温功能控制加热中冷一体器的加热装置64关闭加热功能，进入加热中冷一体器中的低温冷却液带走空气中的热量，使空气温度下降，起到降温作用。
加热中冷一体器的输出端安装有第二温度传感器50，第二温度传感器50将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器100，当燃料电池***控制器100开启加热功能控制加热中冷一体器的加热装置64加热功能开启，将进入加热中冷一体器中的冷却液加热，从而为进入加热中冷一体器中的空气提供热量，使空气温度迅速上升后，当加热中冷一体器输送出的空气温度热量达不到所需的设定温度值T3时，第二温度传感器50将信号传回燃料电池***控制器100，燃料电池***控制器100在控制加热中冷一体器的加热装置64提高输出功率，使加热中冷一体器输出的空气温度达到所需的温度。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种加热中冷一体器，其特征在于：它包括壳体(61)和盖板(62)，壳体(61)上设有空腔(63)，空腔(63)的腔口处安装盖板(62)，空腔(63)里安装有加热装置(64)和热交换装置(65)，壳体(61)上设有冷却液入口(66)和冷却液出口(67)，冷却液通过冷却液入口(66)进入壳体(61)内部与加热装置(64)和热交换装置(65)进行热量交换后从冷却液出口(67)流出；壳体(61)上还设有空气入口(68)和空气出口(69)，空气从空气入口(68)进入至壳体(61)内部与热交换装置(65)进行热量交换后从空气出口(69)排出。
2.根据权利要求1所述的一种加热中冷一体器，其特征在于：壳体(61)的空腔(63)里安装有第一分隔板(633)和第二分隔板(634)，第一分隔板(633)与壳体(61)之间形成冷却液进液腔室(631)，第二分隔板(634)与壳体(61)之间形成冷却液出液腔室(632)，热交换装置(65)安装在冷却液进液腔室(631)和冷却液出液腔室(632)之间，冷却液进液腔室(631)与冷却液入口(66)连通，冷却液出液腔室(632)与冷却液出口(67)连通。
3.根据权利要求1或2所述的一种加热中冷一体器，其特征在于：所述热交换装置(65)包括若干片散热波纹板(652)和带有若干水道(651)的若干块层板(650)，若干片散热波纹板(652)和若干块层板(650)之间间隔分布，散热波纹板(652)与层板(650)之间形成若干空气流道(653)，冷却液进液腔室(631)与冷却液出液腔室(632)之间设有若干水道(651)连通，第一分隔板(633)和第二分隔板(634)上分别设有若干第一通孔(6331)和第二通孔(6341)，若干水道(651)与若干第一通孔(6331)和第二通孔(6341)是对应的，加热装置(64)安装在冷却进液腔室(631)内。
4.根据权利要求3所述的一种加热中冷一体器，其特征在于：加热装置(64)是加热电阻丝或者加热片。
5.根据权利要求2所述的一种加热中冷一体器，其特征在于：若干散热波纹板(652)、若干块层板(650)、第一分隔板(633)和第二分隔板(634)一体焊接成型。
6.根据权利要求4所述的一种加热中冷一体器，其特征在于：壳体(61)上设有若干安装脚(611)，安装脚(611)上设有安装孔(612)。
7.根据权利要求6所述的一种加热中冷一体器，其特征在于：空气入口(68)与空气出口(69)设置在壳体(61)的相对的两个侧面；冷却液入口(66)与冷却液出口(67)设置在壳体(61)的相对的两个侧面。
8.一种燃料电池***，包括空气滤清器(1)、空气流量计(2)、空压机(3)、空压机控制器(4)、第一温度传感器(5)、第二温度传感器(50)、加热中冷一体器、加湿器(7)、燃料电池模组(8)和冷却液循环***(10)，其特征在于：所述加热中冷一体器为权利要求1至权利要求7所述的加热中冷一体器，空气经过空气滤清器(1)和空气流量计(2)后进入空压机(3)，空压机控制器(4)控制空压机(3)将进入的空气压缩后从加热中冷一体器的空气入口(68)进入到壳体(61)内，在加热中冷一体器内加热或者冷却后通过空气出口(69)将空气往加湿器(7)输送，加湿器(7)再将加湿的空气输入到燃料电池模组(8)，加热中冷一体器的冷却液入口(66)和冷却液出口(67)与冷却液循环***(10)连接。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池***，其特征在于：加热中冷一体器分别与空压机(3)和加湿器(7)之间安装有第一温度传感器(5)和第二温度传感器(50)，燃料电池模组(8)中未参加反应的空气与产生的水再进入加湿器(7)中，为干燥的空气进行加湿，空气再从排气口(92)排出，水再从排水口(91)排出。
10.一种燃料电池***控制方法，其特征在于：燃料电池***是权利要求8所述的燃料电池***，燃料电池模组(8)受燃料电池***控制器(100)控制，第一温度传感器(5)将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器(100)中，空气经过空气滤清器(1)和空气流量计(2)后进入空压机(3)，空压机(3)将空气输送到加热中冷一体器，当第一温度传感器(5)检测空气低于某个设定温度值T1时，燃料电池***控制器(100)控制加热中冷一体器的加热装置(64)加热功能开启，将进入加热中冷一体器中的冷却液加热，从而为进入加热中冷一体器中的空气提供热量，使空气温度迅速上升；当第一温度传感器(5)检测空气高于某个设定温度值T2时，燃料电池***控制器(100)开启降温功能控制加热中冷一体器的加热装置(64)关闭加热功能，进入加热中冷一体器中的低温冷却液带走空气中的热量，使空气温度下降，起到降温作用。
11.根据权利要求10所述的一种燃料电池***控制方法，其特征在于：加热中冷一体器的输出端安装有第二温度传感器(50)，第二温度传感器(50)将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器(100)，当燃料电池***控制器(100)开启加热功能控制加热中冷一体器的加热装置(64)加热功能开启，将进入加热中冷一体器中的冷却液加热，从而为进入加热中冷一体器中的空气提供热量，使空气温度迅速上升后，当加热中冷一体器输送出的空气温度热量达不到所需的设定温度值T3时，第二温度传感器(50)将信号传回燃料电池***控制器(100)，燃料电池***控制器(100)在控制加热中冷一体器的加热装置(64)提高输出功率，使加热中冷一体器输出的空气温度达到所需的温度。
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