燃料电池系统及车辆的制作方法

1.本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统及车辆。


背景技术：

2.燃料电池发动机，是将氢和氧经过电化学反应将化学能转变成电能的发动机系统。燃料电池发动机的管路主要分为氢气管路、空气管路以及水路，用于传输不同的介质。空压机主要为燃料电池提供空气，将空气进行压缩、加压，使空气的压力和流量满足燃料电池的需求。燃料电池系统的空压机在高速旋转压缩空气做功的过程中，会产生大量的热量，由于清洁度的要求，空压机的轴承需要采用冷风进行冷却，来保证空压机的正常运转。因此经过空压机轴承加热后的冷空气具有了大量的热量，目前燃料电池发动机系统中空压机的热量直接排放到大气，造成热量的排空和损失。
3.目前燃料电池系统的布置方式为上部布置电堆，下部布置零部件的布置方式，中间设计支撑板，如图1所示。这种布置方式，空压机在系统支撑板的下方，与其他燃料电池发动机系统的零部件集成在一起，布置在整体系统的下方。由于目前空压机的空冷管路都是通过排气管直接排放至大气，因此，排气管末端都是开孔，没有任何防护的管路。因此存在两个问题点：1、空压机排气管的最低点，就是燃料电池系统涉水的最低点，目前空压机在下端的布置方式，导致系统的涉水最低点很低。
4.2、燃料电池系统ip67试验的时候，需要将空压机空排气管进行封堵，来满足ip67中的要求。而燃料电池系统在整车应用过程中，这里需要排气，不能进行封堵，因此在燃料电池使用过程中，系统的ip67与试验状态不一致。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池系统及车辆，至少部分的解决现有技术中存在的空压机的热量排空造成热量损失的问题。
6.第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池系统，包括：空压机、换热装置、电堆和中冷器；所述空压机的空气出口与中冷器的入口连通，所述中冷器的出口与电堆的空气入口连通，所述中冷器的出口还与空压机冷却入口连通，所述空压机的高温空气出口与换热装置的空气入口连通，所述换热装置的冷却液入口与电堆的冷却液出口连通，所述换热装置的冷却液出口与电堆的冷却液入口连通，所述换热装置的空气出口与排气管连通。
7.可选的，所述换热装置包括空浴换热器或夹套型的管路。
8.可选的，所述空压机的高温空气出口与换热装置的空气入口之间的管道上设置空路三通阀，所述空路三通阀的一个出口与换热装置的空气入口连通，所述空路三通阀的另一个出口与排气管连通。
9.可选的，所述中冷器的出口与电堆的空气入口之间设置旁通阀，所述旁通阀的一
个出口与电堆的空气入口连通，所述旁通阀的另一个出口与尾排连通。
10.可选的，所述旁通阀的另一个出口与尾排之间的管道与排气管的出口连通。
11.可选的，所述换热装置的冷却液入口与电堆的冷却液出口之间设置水路三通阀，所述水路三通阀的一个出口与换热装置的冷却液入口连通，所述水路三通阀的另一个出口与散热器的入口连通，散热器的出口与换热装置的冷却液入口连通。
12.可选的，所述排气管的出口与尾排连通。
13.可选的，所述排气管的出口位于燃料电池系统的最高点。
14.可选的，燃料电池开机时判断燃料电池是低温冷启动还是正常运行；当燃料电池是低温冷启动时，使空压机的高温空气出口输出的高温空气通过换热装置对电堆的冷却液进行加热；当燃料电池是正常运行时，使空压机的高温空气出口输出的高温空气通过排气管排出，使空压机的高温空气出口输出的高温空气不通过换热装置，电堆的冷却液通过设置的散热器和换热装置进行冷却散热。
15.第二方面，本公开实施例还提供了一种车辆，包括：第一方面任一所述的燃料电池系统。
16.本发明提供的燃料电池系统及车辆，其中该燃料电池系统，将空压机输出的高温空气通过换热装置对电堆的冷却液进行加热，充分使用空压机的热量。从而实现空压机的余热利用。
17.将空压机的排气管的出口与尾排或旁通阀的另一个出口的管道连接，以及设置在系统的最高点，提高系统的涉水高度，可以提高系统的防水等级，达到ip67的要求。
附图说明
18.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
19.图1为现有技术中燃料电池系统布置的原理框图；图2为本公开实施例提供的燃料电池系统的原理示意图；图3为本公开实施例提供的燃料电池系统的工作控制流程图;其中，1-空压机；2-中冷器；3-电堆；4-主散热器；5-空浴换热器；6-空路三通阀；7-水路三通阀；8-尾排；9-旁通阀。
具体实施方式
20.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
21.应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性
劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
22.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
23.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
24.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
25.空压机：一种用以压缩气体的设备，为燃料电池发动机提供满足要求的空气（空气压力和空气流量满足要求）；空压机空冷管路：用于往空压机轴承输送冷却的冷风的管路。
26.为了便于理解，如图2所示，本实施例公开了一种燃料电池系统，包括：空压机、换热装置、电堆和中冷器；所述空压机的空气出口与中冷器的入口连通，所述中冷器的出口与电堆的空气入口连通，所述中冷器的出口还与空压机冷却入口连通，所述空压机的高温空气出口与换热装置的空气入口连通，所述换热装置的冷却液入口与电堆的冷却液出口连通，所述换热装置的冷却液出口与电堆的冷却液入口连通，所述换热装置的空气出口与排气管连通。
27.可选的，所述换热装置包括空浴换热器或夹套型的管路。
28.可选的，所述空压机的高温空气出口与换热装置的空气入口之间的管道上设置空路三通阀，所述空路三通阀的一个出口与换热装置的空气入口连通，所述空路三通阀的另一个出口与排气管连通。
29.可选的，所述中冷器的出口与电堆的空气入口之间设置旁通阀，所述旁通阀的一个出口与电堆的空气入口连通，所述旁通阀的另一个出口与尾排连通。
30.可选的，所述旁通阀的另一个出口与尾排之间的管道与排气管的出口连通。
31.可选的，所述换热装置的冷却液入口与电堆的冷却液出口之间设置水路三通阀，所述水路三通阀的一个出口与换热装置的冷却液入口连通，所述水路三通阀的另一个出口与散热器的入口连通，散热器的出口与换热装置的冷却液入口连通。
32.可选的，所述排气管的出口与尾排连通。
33.可选的，所述排气管的出口位于燃料电池系统的最高点。
34.可选的，燃料电池开机时判断燃料电池是低温冷启动还是正常运行；当燃料电池是低温冷启动时，使空压机的高温空气出口输出的高温空气通过换热装置对电堆的冷却液进行加热；当燃料电池是正常运行时，使空压机的高温空气出口输出的高温空气通过排气管
排出，使空压机的高温空气出口输出的高温空气不通过换热装置，电堆的冷却液通过设置的散热器和换热装置进行冷却散热。
35.如图3所示，本实施例的燃料电池系统工作控制具体如下：一、燃料电池低温冷启动时：空压机1将大气中的空气压缩后，经过中冷器2冷却后，进入电堆3，在电堆3中与氢气进行反应发电。中冷器2出口引出管路，返回到空压机1，对高温的空压机轴承进行冷却，空压机出口排出高温的空气，通过空路三通阀6进入空浴换热器5，对燃料电池冷却液进行加热，提高电堆3的温度，提高冷启动性能，降低冷启动时间。换热后的空气，与燃料电池的尾排8汇合，排放到大气中。
36.在具体的示例中散热器为系统的朱散热器，主散热器4没有启动，水路三通阀7关闭，冷却液不通过主散热器4，通过空浴换热器5对电堆3进行加热，实现空压机空冷的余热利用。
37.二、燃料电池冷启动后正常运行时：空压机1将大气中的空气压缩后，经过中冷器2冷却后，进入电堆3，在电堆3中与氢气进行反应发电。中冷器2出口引出管路，返回到空压机1，对高温的空压机轴承进行冷却，空压机出口排出高温的空气，空路三通阀6关闭，高温的空气不进入空浴换热器5，高温的空气直接与燃料电池尾排8汇合，排放到大气中。
38.主散热器4正常启动，水路三通阀7打开，冷却液通过主散热器4以及空浴换热器5对电堆3进行冷却散热，实现电堆3正常工作。即主散热器4和空浴换热器5同时对电堆的冷却液进行散热。
39.本实施例中可以采用夹套型的管路，代替空浴换热器5。空压机空冷的气体，不与尾排管路进行汇合，直接引导系统的最高点进行排大气，或者引导其他位置，这样可以提高系统的涉水高度和涉水性能。空压机空冷的气体，不与尾排管路进行汇合，直接可以汇到旁通阀9后端的管路。空压机空冷的气体管路，根据实际的布置，考虑管路走向，管路长短，灵活进行布置，避免直接排放大气。
40.本实施例具有以下效果：1、空压机的高温空气对冷却液进行加热，将空压机轴承的热量进行利用，在系统冷启动时，上述的热量用于加热燃料电池的冷却液，提高燃料电池低温冷启动性能；实现空压机的余热利用。
41.2、空压机空冷管路的排气管不直接排放到大气，可以和尾排管路进行汇流，然后进行系统的尾排，进行排放，这样可以有效的将系统存在的涉水点进行密闭处理，与外界隔绝，这样就不会有涉水的风险，提高系统的涉水高度。
42.3、有效的提高涉水性，提高系统的ip等级，达到ip67的要求。
43.本实施例还公开一种车辆，包括本实施例的燃料电池系统。
44.以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
45.在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与
另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
46.另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“a、b或c的至少一个”的列举意味着a或b或c，或ab或ac或bc，或abc（即a和b和c）。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
47.还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
48.可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
49.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
50.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。