CN220923758U - 一种燃料电池的余热利用***及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池的余热利用***及车辆，该余热利用***将石蜡节温器与换热器集成布置，形成一个单独的中间换热装置，当电堆冷却回路中冷却液的温度达到石蜡节温器阀门开启温度时即可实现与空调采暖回路进行热交换的过程，将电堆冷却回路中的热量传输至空调采暖回路，以满足乘员舱的供暖需求，最大程度的利用电堆冷却回路产生的余热，而且石蜡节温器与换热器集成为一个单独的装置，在整车上的布置更加简单，整车的余热利用模块的结构设计更加合理，降低了整车的热管理标定难度。

Description

一种燃料电池的余热利用***及车辆

技术领域

本实用新型属于燃料电池余热利用技术领域，特别涉及一种燃料电池的余热利用***及车辆。

背景技术

目前主流的氢燃料电池汽车中高温冷却回路中的大部分热量通过散热器散到空气中，这些余热并没有得到良好的利用，造成能量的浪费；而整车在冬季采暖时，需要用到PTC加热器作为乘员舱空调的热力来源，PTC加热器的用电来源于燃料电池发出的电，此种采暖方式会提高氢耗率。同时燃料电池在长时间运行过程中，高温冷却回路产生的余热没有得到减少，散热风扇仍需要保持一定的转速以维持散热效果，散热风扇功率没有得到降低，最终也无法实现降低整车的能耗。

针对上述的问题，存在两种余热利用设计方案：

第一种设计方案：将电堆冷却回路与空调采暖回路互通，直接利用余热，但水路互通的方案增加了热管理标定及水路流向、温度变化设计的复杂程度，其次，电堆冷却回路中零部件的电导率有要求，但对空调采暖回路中零部件的电导率不做要求，如果整车零部件的电导率超标，水路互通后，将会提高整个电堆冷却回路的电导率，最终影响电堆安全与寿命。

第二种设计方案：电堆冷却回路与空调采暖回路不直接互通，而是设置换热器和电控旁通阀，通过换热器将电堆冷却回路中的高温热量传输给空调采暖回路，供给乘员舱采暖。但这种设计方案的缺陷在于使用的电控旁通阀为电器件，而冬季采暖时间占整个车辆运行的时间较短，电控旁通阀的生命周期使用时长低，而且采用电控旁通阀将会增加采购成本、线束型号，同样存在热管理标定难度等问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的余热利用结构设计复杂、热管理标定难度高的问题，本实用新型的目的在于提供一种燃料电池的余热利用***，该余热利用***将石蜡节温器与换热器集成布置，形成一个单独的中间换热装置，当电堆冷却回路中冷却液的温度达到石蜡节温器阀门开启温度时即可实现与空调采暖回路进行热交换的过程，将电堆冷却回路中的热量传输至空调采暖回路，以满足乘员舱的供暖需求，最大程度的利用电堆冷却回路产生的余热，而且石蜡节温器与换热器集成为一个单独的装置，在整车上的布置简单，余热利用模块的结构设计更加合理，降低了整车的热管理标定难度。

本实用新型为了实现上述目的，采用了如下的技术方案：

一种燃料电池的余热利用***，包括：电堆冷却回路，所述电堆冷却回路包括的电堆和散热装置，所述电堆包括冷却液入口和冷却液出口，所述散热装置的入口与所述冷却液出口连通，所述散热装置的出口与所述冷却液入口连通；空调采暖回路，所述空调采暖回路包括依次连通的加热器和采暖装置；中间换热装置，所述中间换热装置包括换热器和石蜡节温器，所述石蜡节温器设置在所述换热器的热侧入口上；所述换热器的热侧与所述电堆冷却回路连通，所述换热器的冷侧串联在所述空调采暖回路上。

一些技术方案中，所述换热器的热侧入口与所述冷却液出口连通，所述换热器的热侧出口与所述冷却液入口连通。

一些技术方案中，所述电堆冷却回路上设有旁通阀，所述旁通阀包括入口、第一出口和第二出口，所述旁通阀的入口连通所述冷却液出口，所述第一出口和所述第二出口分别连通所述散热装置的入口和所述冷却液入口。

一些技术方案中，所述换热器的热侧入口设置在所述第一出口与所述散热装置的入口之间的管路上，所述换热器的热侧出口设置在所述散热装置的出口与所述冷却液入口之间的管路上。

一些技术方案中，所述散热装置包括散热器以及和所述散热器并排设置的冷却风扇，所述散热器的入口与所述冷却液出口连通，所述散热器的出口和所述冷却液入口连通。

一些技术方案中，所述采暖装置包括暖风芯体以及与所述暖风芯体并排设置的鼓风机，所述暖风芯体的进液口和出液口串联在所述空调采暖回路中；所述鼓风机用于将经所述暖风芯体加热后的空气送入乘员舱中。

一些技术方案中，所述电堆冷却回路上并联设置一冷却液箱，所述冷却液箱的入口设置在所述冷却液出口与所述散热装置的入口之间的管路上，所述冷却液箱的出口设置在所述散热装置的出口与所述冷却液入口之间的管路上，用于调节所述电堆冷却回路内的冷却液量。

一些技术方案中，该余热利用***还包括：与所述加热器并联设置的水箱，所述水箱用于调节所述空调采暖回路内的水量。

一些技术方案中，所述空调采暖回路上设有一循环泵，所述循环泵用于循环输送所述空调采暖回路中的液体。

本实用新型还提供了一种车辆，包括车辆本体和上述的余热利用***，所述余热利用***设置在所述车辆本体上。

与现有技术相比，本实用新型提供的燃料电池的余热利用***具有以下

有益效果：

1、本实用新型提供的燃料电池的余热利用***将石蜡节温器与换热器集成布置，形成一个单独的中间换热装置，当电堆冷却回路中冷却液的温度达到石蜡节温器阀门开启的温度时即可实现与空调采暖回路进行热交换的过程，将电堆冷却回路中的热量传输至空调采暖回路，以满足乘员舱的供暖需求，最大程度地利用电堆冷却回路产生的余热，从而避免能源浪费，同时也减少散热压力；

2、石蜡节温器与换热器集成为一个单独的中间换热装置，利用固态石蜡遇热后变成液态后体积膨胀顶开阀门的原理，可以实现在电堆产热过多时，开启石蜡节温器阀门使换热器实现热交换功能，无需供电与通讯，不受电器线束约束，在整车上的布置更加简单，降低了整车的热管理标定难度，而且这种机械结构设计的维修更换更加简便，维修成本低；

3、该余热利用***可根据实际的运行工况，合理地选择回收电堆产生的余热对乘员舱供暖或者采用单独的加热器以满足乘员舱的供暖需求，最大程度地利用电堆化学反应产生的余热，降低电加热造成的能耗，能源利用率高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型提供的燃料电池的余热利用***的结构示意图。

附图中标记符号的含义如下：

1—电堆；2—冷却液出口：3—冷却液入口；4—散热器；5—冷却风扇；6—冷却液箱；7—旁通阀；8—石蜡节温器；9—换热器；10—加热器；11—暖风芯体；12—循环泵；13—鼓风机；14—温度传感器；15—水箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例的描述进一步详细解释本实用新型，但以下包括实施例的描述仅用于使本实用新型所属技术领域的普通技术人员能够更加清楚地理解本实用新型的原理和精髓，不意味着对本实用新型进行任何形式的限制。

发明人基于现有技术中存在的问题，提供一种燃料电池的余热利用***，具体如下：

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池的余热利用***，该余热利用***包括电堆冷却回路、空调采暖回路和中间换热装置。

其中，电堆冷却回路包括电堆1和散热装置，电堆1设有冷却液入口3和冷却液出口2，其中，散热装置的入口与冷却液出口2连通，散热装置的出口与和冷却液入口3通过管路依次连通。由于电堆1产热量非常大，冷却液出口2流出的高温冷却液经过散热装置充分散热后，降温后的冷却液通过冷却液入口3重新回到电堆1内。

一些技术方案中，电堆冷却回路上并联设置一冷却液箱6，具体的是，冷却液箱6的入口设置在冷却液出口2和散热装置的入口之间的管路上，冷却液箱6的出口设置在散热装置的出口和冷却液出口2之间的管路上，冷却液箱6用于调节电堆冷却回路内的冷却液量，即向电堆冷却回路补充冷却液，或是将电堆冷却回路内的冷却液排出。

一些技术方案中，上述的散热装置包括散热器4以及和散热器4并排设置的冷却风扇5，散热器4的入口与冷却液出口2连接，散热器4的出口和冷却液入口3连接。

一些技术方案中，电堆冷却回路上设有旁通阀7，旁通阀7包括入口、第一出口和第二出口，旁通阀7的入口连通冷却液出口2，第一出口和第二出口分别连通散热装置的入口和冷却液入口3。

具体的，如图1所示，冷却液出口2、旁通阀7的入口、旁通阀7的第一出口、散热装置和冷却液入口3依次连通构成大循环的电堆冷却回路；冷却液出口2、旁通阀7的入口、旁通阀7的第二出口和冷却液入口3依次连通构成小循环的电堆冷却回路。

小循环的电堆冷却回路的作用是电堆1在需要冷启动的时候，从电堆1的冷却液出口2流出的冷却液不经过散热器4散热直接回流至电堆1内，以对电堆1进行加热。

在电堆1需要散热的情况下，逐渐减小旁通阀7的第二出口的开度，关闭小循环的电堆冷却回路，开启大循环的电堆冷却回路对电堆1进行冷却。

需要说明的是，在电堆1处于正常运行时，小循环的电堆冷却回路也可以对电堆1的冷却液出口2流出的高温冷却液进行适当的降温，因此可通过控制旁通阀7的两个出口的开度，进而调节流入小循环的电堆冷却回路和大循环的电堆冷却回路的冷却液流量，使得电堆1的温度处于最佳工作温度区间。

上述的空调采暖回路包括依次连通的加热器10和采暖装置，其中，采暖装置包括暖风芯体11以及与暖风芯体11并排设置的鼓风机13，暖风芯体11的进液口和出液口串联在空调采暖回路中，加热器10加热空调采暖回路中的液体，高温液体在循环泵12的作用下循环流经暖风芯体11，对暖风芯体11周围的空气进行持续地加热，随后鼓风机13将加热后的空气送入乘员舱中为驾乘人员供暖。

在一些技术方案中，该余热利用***还包括一水箱15，水箱15与加热器10并联设置，水箱15可调节空调采暖回路内的水量。

一些技术方案中，上述的加热器10优选为PTC加热器。

在一些技术方案中，空调采暖回路上还设有一循环泵12，循环泵12用于循环输送空调采暖回路中的液体。

一些技术方案中，电堆冷却回路和空调采暖回路上均设有温度传感器14，以便实时监测电堆冷却回路中冷却液的温度以及空调采暖回路中液体的温度。

上述的中间换热装置包括石蜡节温器8和换热器9，石蜡节温器8设置在换热器9的热侧入口上。

换热器9的热侧入口与冷却液出口2连通，换热器9的热侧出口与冷却液入口3连通，而换热器9的冷侧入口和换热器9的冷侧出口串联在空调采暖回路上。

优选的，换热器9的热侧入口设置在冷却液出口2和散热装置的入口之间的管路上，换热器9的热侧出口设置在散热装置的出口和冷却液入口3之间的管路上。

更优选的，换热器9的热侧入口设置在旁通阀7的第一出口与散热装置的入口之间的管路上，换热器9的热侧出口设置在散热装置的出口与冷却液入口3之间的管路上。

上述的中间换热装置是利用石蜡节温器8中的石蜡遇热后由固态变为液态时体积膨胀后顶开阀门，从而实现电堆冷却回路和空调采暖回路的热交换过程。将石蜡节温器8集成在换热器9上，形成单独的一个零件，当达到电堆1达到换热目标温度时自动开启石蜡节温器8的阀门进行换热，结构简单，在整车上装配更加便捷，无需供电与通讯，不受电器线束约束，成本低。

现有技术中换热器与空调采暖回路之间的热交换过程常采用电控旁通阀等电控器件来控制，而本申请的中间换热装置使用石蜡节温器8代替电控器件，避免了使用电控器件类带来的相关问题和安全风险，例如电控器件失效、***绝缘值不满足要求等，大幅降低余热利用功能模块的直采成本。

而且，该中间换热装置不影响燃料电池***自身电器的布设要求，在一定程度上降低了***整体内电器型号、线束型号等带来的管理成本。

下面结合图1说明该余热利用***的几种工作模式：

此处将石蜡节温器8的阀门开启温度设定为60℃，在实际运行过程中将提前1-2℃开启，当电堆冷却回路内的冷却液温度达到60℃及60℃以上时，电堆冷却回路在对电堆1进行散热的同时，石蜡节温器8的阀门打开，换热器9开始进行热交换过程。

(1)当乘员舱不需要采暖，电堆不需要高温散热时

此时电堆冷却回路内的冷却液温度未达到石蜡节温器8阀门的开启温度，换热器9不进行热交换过程。

(2)当乘员舱不需要采暖，电堆需要高温散热时

此时电堆冷却回路内的冷却液温度虽然达到石蜡节温器8阀门的开启温度，高温的冷却液流经换热器9的热侧，但空调采暖回路内的循环泵12不会开启，因此空调采暖回路内液体的温度不会升高，乘员舱温度也不会提高。

在这种情况下，电堆1主要依靠大循环的电堆冷却回路进行散热，同时，因换热器9的热侧旁通一部分电堆冷却回路，即换热器9的热侧入口设置在冷却液出口2和散热器4入口之间的管路上，换热器9的热侧出口设置在散热器4出口和冷却液入口3之间的管路上，电堆冷却回路内高温的冷却液流经换热器9的热侧也会减少一部分热量，再循环地流经散热器4进行降温，使冷却液的温度迅速下降，电堆1的热量下降。

(3)当乘员舱需要采暖，电堆不需要高温散热时

此时电堆冷却回路内的冷却液温度未达到石蜡节温器8阀门的开启温度，石蜡节温器8的阀门不会开启，换热器9不进行热交换过程，无法满足空调采暖回路的温度需求。

在这种情况下，乘员舱的采暖需求主要依靠加热器10实现，加热器10优选PTC加热器，开启PTC加热器对空调采暖回路内的液体进行加热，高温的液体进入暖风芯体11释放热量，加热周围的空气，由鼓风机13将热气送入到乘员舱进行供暖。

(4)当乘员舱需要采暖，电堆需要高温散热时

此时电堆冷却回路内的冷却液温度达到石蜡节温器8阀门的开启温度，换热器9的热侧连通一部分高温的冷却液，将热能传输至与换热器9冷侧连通的空调采暖回路中，与空调采暖回路中的液体进行热交换；

同时，空调采暖回路中的循环泵12开启，关闭PTC加热器，高温的液体进入暖风芯体11释放热量，加热周围的空气，由鼓风机13将热气送入到乘员舱。

电堆冷却回路的一部分热能通过换热器9传输至空调采暖回路，一方面可以降低电堆冷却回路中的散热器4和冷却风扇5的功率，降低散热压力，另一方面减少了PTC加热器耗费的电能，最终降低整车的氢耗率。

综上，在上述不同工作模式下该余热利用***中关键零件的运行状态如下表1所示，

表1不同工作模式下余热利用***中关键零件的运行状态

综上，该余热利用***可根据实际的运行工况，合理地选择回收电堆1产生的余热对乘员舱供暖或者在无余热回收时采用单独的电加热器来满足乘员舱供暖需求，最大程度地回收利用电堆化学反应产生的余热，降低电加热造成的能耗，提高能源利用率。

实施例2

在实施例1的基础上，本实用新型还提供了一种车辆，包括车辆本体和实施例1所述的余热利用***，该余热利用***设置在车辆本体上。该余热利用***可根据电堆散热需求和乘员舱供暖需求实现不同工作模式，最大程度地回收利用电堆的余热以进行乘员舱供暖，不仅减少了散热压力，还能降低电加热带来的能耗，具有较高的能源利用效率。

上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池的余热利用***，其特征在于，包括：

电堆冷却回路，所述电堆冷却回路包括电堆和散热装置，所述电堆包括冷却液入口和冷却液出口，所述散热装置的入口与所述冷却液出口连通，所述散热装置的出口与所述冷却液入口连通；

空调采暖回路，所述空调采暖回路包括依次连通的加热器和采暖装置；

中间换热装置，所述中间换热装置包括换热器和石蜡节温器，所述石蜡节温器设置在所述换热器的热侧入口上；

所述换热器的热侧与所述电堆冷却回路连通，所述换热器的冷侧串联在所述空调采暖回路上。

2.根据权利要求1所述的余热利用***，其特征在于，

所述换热器的热侧入口与所述冷却液出口连通，所述换热器的热侧出口与所述冷却液入口连通。

3.根据权利要求1或2所述的余热利用***，其特征在于，

所述电堆冷却回路上设有旁通阀，所述旁通阀包括入口、第一出口和第二出口，所述旁通阀的入口连通所述冷却液出口，所述第一出口和所述第二出口分别连通所述散热装置的入口和所述冷却液入口。

4.根据权利要求3所述的余热利用***，其特征在于，

所述换热器的热侧入口设置在所述第一出口与所述散热装置的入口之间的管路上，所述换热器的热侧出口设置在所述散热装置的出口与所述冷却液入口之间的管路上。

5.根据权利要求1所述的余热利用***，其特征在于，

所述散热装置包括散热器以及和所述散热器并排设置的冷却风扇，所述散热器的入口与所述冷却液出口连通，所述散热器的出口和所述冷却液入口连通。

6.根据权利要求1所述的余热利用***，其特征在于，

所述采暖装置包括暖风芯体以及与所述暖风芯体并排设置的鼓风机，所述暖风芯体的进液口和出液口串联在所述空调采暖回路中；

所述鼓风机用于将经所述暖风芯体加热后的空气送入乘员舱中。

7.根据权利要求1所述的余热利用***，其特征在于，

所述电堆冷却回路上并联设置一冷却液箱，所述冷却液箱的入口设置在所述冷却液出口与所述散热装置的入口之间的管路上，所述冷却液箱的出口设置在所述散热装置的出口与所述冷却液入口之间的管路上，用于调节所述电堆冷却回路内的冷却液量。

8.根据权利要求1所述的余热利用***，其特征在于，

还包括：与所述加热器并联设置的水箱，所述水箱用于调节所述空调采暖回路内的水量。

9.根据权利要求1所述的余热利用***，其特征在于，

所述空调采暖回路上设有一循环泵，所述循环泵用于循环输送所述空调采暖回路中的液体。

10.一种车辆，其特征在于，包括车辆本体和权利要求1-9中任一项所述的余热利用***，所述余热利用***设置在所述车辆本体上。