热交换系统、燃料电池及车辆的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种热交换系统、燃料电池及车辆。


背景技术：

2.因氢能具有来源多样、燃烧值高、利用高效、清洁环保等优点，以氢气作为燃料的氢燃料电池近年来得到广泛的应用，氢燃料电池能够将氢气和氧气的化学能直接转换成电能输出，进而驱动与其相连的用电负载运行。
3.在实际应用中，将氢气以液态存储是常用的储氢方式，因此，在燃料电池工作时首先需要将液态氢转换为氢气。但是，液态氢气化过程需要吸收热量，通常需要在氢气供给路径中设置加热器，而且，实用新型人研究发现，现有技术提供的燃料电池热交换系统往往设置两台中冷器，结构复杂，这些因素导致燃料电池体积巨大，成本较高，而且维护难度大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供一种热交换系统、燃料电池及车辆，利用氧气供给管路以及辅件散热管路吸收液态氢的冷能，完成液氢气化转换过程，取消现有技术中加热器以及两台中冷器的设置，不仅可以简化热交换系统的结构，减少燃料电池的体积、降低成本，同时，还可以降低燃料电池的维护难度。
5.第一方面，本实用新型提供一种热交换系统，应用于燃料电池，所述系统包括：氢气供给管路、氧气供给管路、辅件散热管路、储氢装置以及蒸发器，其中，
6.所述蒸发器包括冷能管路、第一热能管路以及第二热能管路，其中，
7.所述冷能管路连接于所述储氢装置与所述氢气供给管路之间；
8.所述第一热能管路与所述氧气供给管路相连；
9.所述第二热能管路与所述辅件散热管路相连；
10.所述冷能管路与所述第一热能管路以及所述第二热能管路进行热交换，以完成液态氢气化。
11.可选的，所述氢气供给管路包括：比例阀、氢气循环泵以及气水分离器，其中，
12.所述比例阀的输入口与所述冷能管路的输出口相连，所述比例阀的输出口与电堆的氢气入口相连；
13.所述气水分离器的输入口与所述电堆的氢气出口相连，所述气水分离器的第一输出口与所述氢气循环泵的输入口相连；
14.所述氢气循环泵的输出口连接于所述比例阀的输出口与所述电堆的氢气入口之间。
15.可选的，所述氢气供给管路还包括：引射器和排氮阀，其中，
16.所述引射器的第一输入口与所述比例阀的输出口相连，所述引射器的输出口与所述电堆的氢气入口相连；
17.所述氢气循环泵的输出口与所述引射器的第二输入口相连；
18.所述排氮阀的输入口与所述气水分离器的第二输出口相连；
19.所述排氮阀的输出口作为所述氢气供给管路的氮气排放口。
20.可选的，所述氧气供给管路包括：空气压缩机、增湿器以及背压阀，其中，
21.所述空气压缩机的空气出口经所述第一热能管路与所述增湿器的第一输入口相连；
22.所述增湿器的第一输出口与所述电堆的氧气入口相连；
23.所述增湿器的第二输入口与所述电堆的氧气出口相连；
24.所述增湿器的第二输出口与所述背压阀的输入口相连。
25.可选的，所述氧气供给管路还包括：三通阀，其中，
26.所述三通阀的输入口与所述第一热能管路的输出口相连，所述三通阀的第一输出口与所述增湿器的第一输入口相连。
27.可选的，本实用新型第一方面提供的热交换系统，还包括：混合排放管路，其中，
28.所述背压阀的输出口、所述三通阀的第二输出端口以及所述氢气供给管路中的氮气排放口分别与所述混合排放管路相连。
29.可选的，所述空气压缩机与所述辅件散热管路进行热交换。
30.可选的，所述辅件散热管路设置有过压排气阀，所述过压排气阀在所述辅件散热管路的内压大于预设压力阈值情况下处于开启状态。
31.第二方面，本实用新型提供一种燃料电池，包括电堆、本实用新型第一方面任一项所述的热交换系统，其中，
32.所述热交换系统与所述电堆相连。
33.第三方面，本实用新型提供一种车辆，包括：车架以及如本实用新型第二方面所述的燃料电池，其中，
34.所述燃料电池设置于所述车架上。
35.基于上述内容，本实用新型提供的热交换系统，基于蒸发器中冷能管路、第一热能管路以及第二热能管路之间的热交换，可以利用氧气供给管路以及辅件散热管路的热量实现储氢装置输出的液态氢的气化，同时达到降低入堆空气温度以及吸收辅件散热管路热量的目的。与现有技术相比，本系统取消加热器以及两台中冷器的设置，可以极大的简化热交换系统的结构，缩小热交换系统以及燃料电池的体积，降低整体成本，同时，由于系统结构简化，还可以降低系统的运维难度。
附图说明
36.图1所示为现有技术中一种燃料电池热交换系统的结构示意图。
37.图2所示为本实用新型实施例提供的一种热交换系统的结构框图。
38.图3所示为本实用新型实施例提供的另一种热交换系统的结构框图。
39.图4所示为本实用新型实施例提供的再一种热交换系统的结构框图。
40.图5所示为本实用新型实施例提供的一种燃料电池的结构示意图。
41.图6所示为本实用新型实施例提供的一种动力总成的结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.液氢存储技术具有重量轻、体积小、成本低、安全性高以及加注时间短等优点，是燃料电池技术中广泛采用的氢气存储方式，但是，由于燃料电池是利用氢气与氧气反应实现化学能向电能的转换的，因此，液氢在进行电堆前首先需要由液态转换为气态，即由液氢转换为氢气。
44.液氢转换为氢气的过程需要吸收热量，现有技术中通常采用的技术方案是在氢气供给路径中设置加热器，通过加热器释放的热量完成液氢向氢气的转换，显然，这需要在燃料电池的热交换系统中单独设置加热器，必然会在一定程度上提高燃料电池的整体成本。
45.进一步的，参见图1所示现有技术中的燃料电池热交换系统，储氢灌1中存储有液氢2，储氢灌1分别与第一中冷器4和第二中冷器5相连，其中，第一中冷器4和第一中冷器5的冷却液循环路径均经过电堆3，对电堆3进行散热，在此基础上，第二中冷器5还与乘客舱进行热交换，达到降低乘客舱环境温度的作用。
46.结合图1所示可知，现有技术中燃料电池的热交换系统为了完成液氢转换，不仅需要单独设置加热器，往往还设置两台中冷器，热交换系统结构较为复杂，这些因素将导致燃料电池体积巨大，成本较高，而且维护难度大。
47.为解决上述问题，本技术提供一种应用于燃料电池的热交换系统，该系统通过蒸发器取代现有热交换系统中设置的加热器以及两台中冷器，基于蒸发器中冷能管路、第一热能管路以及第二热能管路之间的热交换，可以利用氧气供给管路以及辅件散热管路的热量实现储氢装置输出的液态氢的气化，同时达到降低入堆空气温度以及吸收辅件散热管路热量的目的，由于本系统取消加热器以及两台中冷器的设置，可以极大的简化热交换系统的结构，缩小热交换系统以及燃料电池的体积，降低整体成本，同时，由于系统结构简化，还可以降低系统的运维难度。
48.结合上述内容，参见图2，图2是本实用新型实施例提供的一种热交换系统的结构框图，本实施例提供的热交换系统包括：氢气供给管路10、氧气供给管路20、辅件散热管路30、储氢装置40以及蒸发器50，其中，蒸发器50包括冷能管路(图中未具体示出)、第一热能管路(图中未具体示出)以及第二热能管路(图中未具体示出)。
49.储氢装置40中存储有液氢，用于为燃料电池的电堆提供运行所需的氢气，储氢装置40的输出口与蒸发器50的冷能管路的输入口相连，冷能管路的输出口与氢气供给管路10的输入口相连，即冷能管路连接于储氢装置40与氢气供给管路10之间。
50.作为一种可选的实现方式，储氢装置40与蒸发器50之间还可以设置一个可控阀门，通过该可控阀门控制储氢装置40与蒸发器50之间的连通状态。至于储氢装置40的具体结构以及液氢存储的相关实现方式，均可以参照相关技术实现，本实用新型对此不做限定。
51.蒸发器50中的第一热能管路与氧气供给管路20相连，结合图2箭头示出的氧气流动方向，氧气供给管路20的输出口与第一热能管路的输入口相连，第一热能管路的输出口与氧气供给管路20的输入口相连，从而使得氧气供给管路20与第一热能管路形成完整闭合
的氧气循环路径。通常，氧气供给管路20输出口输出的是高温、高压的压缩空气，因此，可以为液氢气化提供所需热量。
52.与氧气供给管路20和第一热能管路之间的连接方式类似，辅件散热管路30的输出口与蒸发器50的第二热能管路的输入口相连，第二热能管路的输出口与辅件散热管路30的输入口相连。通常，辅助散热管路30中流通有温度高于液氢的散热介质，比如水，基于前述连接关系，散热介质可以实现在辅件散热管路30与第二热能管路之间的循环流动。
53.需要说明的是，本实施例以及后续各个实施例述及的辅件散热管路30，可以是用于满足燃料电池辅件散热需求的散热管路，结合燃料电池的基本结构，燃料电池辅件可以有多种选择，比如，可以是与燃料电池电源端口相连的dc-dc功率变换器，当然，还可以是其他需要散热的辅件或需要提供冷能的车辆空间，比如需要提供冷气的驾驶舱等，本实用新型对于辅件散热管路30的具体管路路径以及散热对象不做限定。
54.基于上述连接关系，冷能管路可与第一热能管路以及第二热能管路进行热交换，进而通过氧气供给管路20以及辅件散热管路30吸收液氢的冷能，降低氧气供给管路20中氧气的温度以及辅件散热管路30中冷却液的温度，同时，冷能管路中的液氢由于吸收了氧气供给管路20以及辅件散热管路30的热能，能够完成液态氢气化，最终得到满足入堆要求的氢气。
55.综上所述，本实施例提供的热交换系统，通过氧气供给管路20和辅件散热管路30提供液氢气化所需热量，可以取消现有技术中设置的加热器，进一步的，只需设置一台蒸发器50即可实现液氢与氧气供给管路以及辅件散热管路30中相应介质的热量交换，而不需设置两台中冷器，与现有技术相比，本系统取消加热器以及两台中冷器的设置，可以极大的简化热交换系统的结构，缩小热交换系统以及燃料电池的体积，降低整体成本，同时，由于系统结构简化，还可以降低系统的运维难度。
56.可选的，参见图3，图3是本实用新型实施例提供的另一种热交换系统的结构框图，在图1所示实施例的基础上，本实施例提供一种氧气供给管路以及氢气供给管路的可选构成，需要说明的是，为便于表述，图3所示实施例中还示出分别与氧气供给管路以及氢气供给管路相连的电堆。
57.具体的，在本实施例提供的热交换系统中，氢气供给管路10包括比例阀101、氢气循环泵102以及气水分离器103，其中，
58.比例阀101的输入口与蒸发器50中冷能管路的输出口相连，比例阀101的输出口与电堆60的氢气入口相连，进一步的，电堆60的氢气出口与气水分离器103的输入口相连，气水分离器103的第一输出口与氢气循环泵102的输入口相连，氢气循环泵102的输出口连接于比例阀101的输出口与电堆60的氢气入口之间。
59.基于上述连接关系，储氢装置40中存储的液氢流经蒸发器50后完成气化，并进一步经由比例阀101进入电堆60，通过调节比例阀101的开度即可调节进入电堆60的氢气的流量和压力。进一步的，在经过电堆60的氢氧反应之后，会有部分未反应的氢气流出，同时还夹杂有氢氧反应的产物-水。水和氢气进入气水分离器103后，分离出的氢气经气水分离器103的第一输出口进入氢气循环泵102，在氢气循环泵102的作用下，未进行反应的氢气会再次进入电堆60参与反应。同时，分离出来的水，则可以经气水分离器103的第二输出口流出。
60.进一步的，氧气供给管路20包括空气压缩机201、增湿器202以及背压阀203。空气
压缩机201的空气入口连通自然环境，空气可通过空气入口进入空气压缩机201，空气压缩机201的空气出口经蒸发器50的第一热能管路与增湿器202的第一输入口相连，增湿器202的第一输出口与电堆60的氧气入口相连，电堆60的氧气出口与增湿器202的第二输入口相连，增湿器202的第二输出口与背压阀203的输入口相连。
61.基于上述连接关系，在空气压缩机201的作用下，空气压缩机201的空气出口可以输出高温气体，一般为150℃左右，高温气体进入蒸发器50，吸收液氢的冷能降温，同时为液氢气化提供所需热量，经过蒸发器降温后的空气进入增湿器202吸收一定量的水分，以满足电堆60对于空气湿度的要求。
62.基于增湿器202的基本原理可知，增湿器202能够增加入堆空气湿度的实现依赖于出堆空气中的水分含量，即利用出堆的湿度较高的气体对即将入堆的湿度较低的气体进行加湿处理，基于此，电堆60的氧气出口与增湿器202的第二输入口相连，为增湿器202提供富含水分的空气。
63.增湿器202的第二输出口通过背压阀将反应后的气体输出。同时，通过背压阀203的开度可以调节整个氧气供给回路的气体压力，确保空气压缩机201的正常运行。
64.辅件散热管路30与蒸发器50之间的连接，以及蒸发器50实现热交换的过程，均可参照图2所示实施例实现，此处不再展开。
65.综上所述，在图2所示实施例的基础上，本实施例提供的热交换系统给出氧气供给回路以及氢气供给回路的可选构成方式，并且，氧气供给回路中设置有空气压缩机，充分利用空气压缩机输出的高温空气的热量实现液氢气化，同时，通过液氢降低进入电堆的空气的温度，在可以取消中冷器的情况下，确保入堆空气满足电堆的正常运行需求。此外，氢气循环管路中设置有氢气循环泵，可以有效提高氢气的利用率。
66.可选的，参见图4，图4是本实用新型实施例提供的再一种热交换系统的结构框图，在图3所示实施例的基础上，本实施例给出氧气供给回路、氢气供给回路以及辅件散热管路的优选实现方式。
67.具体的，在图3所示实施例的基础上，氢气循环管路10中还设置有引射器104和排氮阀105。其中，引射器104的第一输入口与比例阀101的输出口相连，引射器104的输出口与电堆60的氢气入口相连，即引射器104串联于电堆60的氢气入口与比例阀的输出口之间，进一步的，氢气循环泵102的输出口与引射器104的第二输入口相连。
68.基于引射器104的工作原理可知，引射器104可利用高速高能的引射流(即来自于比例阀101侧的氢气流)引射另一股低速低能的被引射流(即来自于氢气循环泵的氢气流)的装置，引射流经收缩形喷嘴迸入混合室，其周围是被引射流，引射流将能量传递给被引射流，掺混形成的混合区逐渐扩大而充满整个引射器混合室，再经过一段混合过程，流出引射器104的气流即成为均匀流。
69.在设置引射器104之后，可以实现氢气循环路径中氢气的自动循环，因此，可以极大的降低氢气循环泵102工作所需功率，进而降低氢气循环泵102的选型标准，有助于降低热交换系统的整体成本，同时，由于引射器104属于被动作业器件，不需要外加动力源，设置引射器104并不会增加系统的功耗。
70.进一步的，进入电堆60的空气中含有氮气，在电堆60进行氢氧反应时，空气中的氮气会不可避免的进入氢气侧，从而使得氢气供给管路中含有氮气，为了保护电堆60、确保燃
料电池的发电效率，需要将氢气中的氮气排除，为此，本实施例提供的热交换系统中，氢气供给管路10中还设置有排氮阀105。如图4所示，排氮阀105的输入口与气水分离器103的第二输出口相连，排氮阀105的输出口作为氢气供给管路10的氮气排放口，以排放混杂的氮气。
71.对于氧气供给管路20而言，在图3所示实施例的基础上，还包括三通阀204、过滤器205以及流量计206。
72.参见图4所示，三通阀204的输入口与蒸发器50中第一热能管路的输出口相连，三通阀204的第一输出口与增湿器202的第一输入口相连，同时，三通阀204的第二输出口与混合排放管路70相连。
73.基于三通阀204与系统中各部件的连接关系可以看出，通过三通阀204可以改变经由蒸发器50流出的氧气的循环路径，通过调整氧气循环路径，可以实现不同的功能。
74.在燃料电池启动初期，蒸发器50的整体温度较低，难以高效吸收液氢的冷能，有可能影响液氢气化的实现效果，在此情况下，调整三通阀204，使蒸发器50中第一热能管路的输出口直接与混合排放管路70连通，利用空气压缩机201输出的高温空气加热蒸发器50，当然，此时第一热能管路输出的空气并未进入电堆60。待蒸发器50的整体温度升高、能够进行高效的热交换之后，调整三通阀204，使第一热能管路与增湿器202的第一输入口连通，经过降温处理后的空气进入电堆60。而在燃料电池停机阶段，还可以通过调整三通阀204，再次使得蒸发器50中第一热能管路的输出口直接与混合排放管路70连通，利用高压空气进行混合排放管路70中的尾气以及水分的吹扫，从而避免管路水淹与结冰。
75.进一步的，在与三通阀204连通的基础上，混合排放管路70还与背压阀203的输出口以及排氮阀105的输出口连通，使得增湿器202输出的反应后的气体以及排氮阀105输出的氮气、分离出来的水，均可以通过混合排放管路70输出。
76.本实施例提供的热交换系统中，在空气压缩机201的输入侧还设置有过滤器205和流量计206。其中，过滤器205的输出口与流量计206的输入口相连，环境空气由过滤器205的输入口进入，通过过滤器205对空气中可能含有的杂志进行过滤，经过过滤的空气进入流量计206。流量计206的输出口与空气压缩机201的输入口相连，为空气压缩机201提供空气，同时，流量计206可以采集氧气供给管路20中的空气流量，为控制器(图中未示出)控制氧气供给管路20的工作过程提供必要的数据支持。
77.作为一种示例，图4所示实施例中，通过辅件散热管路30进行散热的辅件以dc-dc功率变换器示出，冷却液通过在辅件散热管路30中循环流动，在流经蒸发器50时，与蒸发器50中的冷却管路进行热交换，降低冷却液自身温度的同时，为液氢气化提供热量，当然，还可以实现对dc-dc功率变换器的散热作用。需要说明的是，对于辅件散热管路30与dc-dc功率变换器之间热交换的具体实现方式，可参照相关技术实现，本实用新型对比不做限定。
78.在图4所示示例中，辅件散热管路30还与空气压缩机201接触，能够与空气压缩机201进行热交换，降低空气压缩机201的运行温度。
79.在一些可能的实现方式中，辅件散热管路30还设置有过压排气阀301，该过压排气阀301可以设置于辅件散热管路30中冷却液流通的任何位置，并且，该过压排气阀301在辅件散热管路30的内压大于预设压力阈值的情况下将处于开启状态，释放管路内压，平衡热交换过程导致的气压变化，有助于提高系统的稳定性。
80.可以理解的是，过压排气阀301属于被动器件，只有在管路中压力大于预设压力阈值的情况下才会处于开启状态，其他情况下均处于闭合状态，并不会影响辅件散热管路30的封闭性要求，即不会存在冷却液外泄的情况。
81.结合上述各个实施例可以看出，本实用新型提供的热交换系统中，包括有三路热交换介质，即流经冷能管路的液氢、流经第一热能管路的高温压缩空气以及流经第二热能管路的冷却液，通过第一热能管路和第二热能管路吸收冷能管路的冷量，即可以实现液氢气化，为电堆提供满足使用要求的氢气，还可以降低空气温度，为电堆提供满足使用要求的氧气，从而确保电堆正常运行。与此同时，还可以散发辅件散热管路中的热量，为相应的辅件散热。与现有技术相比，通过一台蒸发器就可以实现上述功能，取消加热器以及两台中冷器的设置，极大的降低了热交换系统的复杂度，有助于降低燃料电池的整体成本以及运维难度。
82.可选的，参见图5，图5所示为本实用新型实施例提供的一种燃料电池的结构框图，本实施例提供的燃料电池包括电堆60、以及前述任一项实施例提供的热交换系统100，热交换系统100与电堆60相连，具体的，热交换系统100中的氢气供给管路与电堆60的氢气侧连通，热交换系统100中的氧气供给管路与电堆60的氧气侧连通。至于电堆60与热交换系统100之间的具体连接方式，以及电堆中辅件与热交换系统100中辅件散热管路之间的连接方式，可参见前述实施例，此处不再复述。
83.可选的，参见图6，图6所示为本实用新型实施例提供的一种动力总成的结构框图，本实施例提供的动力总成包括：图5所示实施例提供的燃料电池、驱动电机200以及传动系统300，其中，
84.燃料电池的电源接口与驱动电机200相连，以为驱动电机200提供运行所需的电能；
85.驱动电机200的输出轴与传动系统300相连，经由传动系统300输出机械扭矩，并进一步带动与传动系统相连的其他部件。
86.可选的，本实用新型实施例还提供一种车辆，包括：车架以及前述任一实施例提供的燃料电池，其中，
87.燃料电池设置于车架上。
88.以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术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技术为必须采用上述具体的细节来实现。
89.本技术中涉及的器件、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。
90.还需要指出的是，在本技术的装置、设备和方法中，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技术的等效方案。
91.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技术。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技术的范围。因此，本技术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。
92.应当理解，本技术实施例描述中所用到的限定词“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”仅用于更清楚的阐述技术方案，并不能用于限制本技术的保护范围。
93.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术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。