一种燃料电池用多功能换热装置及系统的制作方法

1.本发明涉及汽车电池换热技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池用多功能换热装置及系统。


背景技术：

2.燃料电池对氢气、空气及水温极其敏感，过高的温度和气体浓度会影响反应气体的反应速率，而燃料电池一般要求堆内反应温度为85℃左右。燃料电池电堆是通过氢气与氧气发生电化学反应生成水并产生电能的装置，反应会产生大量的热量，需要进行冷却保持合适温度。空气经过空压机压缩后会急剧升温，需要进行冷却降温，而氢气进堆前与环境温度相仿，需要进行加热升温。低温冷起动时，电堆可采用自加热快速升温，而动力电池往往需要额外的加热器辅助加热。
3.燃料电池系统中各零部件在不同工况下存在相应的热管理需求，传统热管理系统无法联动各零部件之间的换热需求，造成换热效率低、能量浪费等问题。
4.因此，如何提供一种燃料电池用的结构简单、使用安全、换热高效的多功能换热装置及系统成为本领域亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种燃料电池用多功能换热装置及系统，是一种集成化的氢气、空气、燃料电池电堆冷却液和动力电池冷却液换热的装置，该装置结构简单、使用安全、换热高效、能量利用率高。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种燃料电池用多功能换热装置，包括换热箱体；
7.所述换热箱体内通过导热金属板分割成多个独立的腔体，所述腔体从左往右依次为空气流动腔、动力电池冷却腔、燃料电池冷却腔以及氢气流动腔；
8.所述空气流动腔的上下两端分别为空气出口和空气入口，所述动力电池冷却腔的上下两端分别为动力电池冷却液入口和动力电池冷却液出口；所述燃料电池冷却腔的上下两端分别为燃料电池冷却液出口和燃料电池冷却液入口，所述氢气流动腔的上下两端分别为氢气入口和氢气出口；
9.相邻之间的腔体通过所述导热金属板实现热力传递。
10.可选地，根据本发明所述的燃料电池用多功能换热装置，所述换热箱体内部的各个腔体内均设有蛇形流道，以增加空气、动力电池冷却液、燃料电池冷却液以及氢气位于各自腔体内的流动路径。
11.可选地，根据本发明所述的燃料电池用多功能换热装置，所述导热金属板呈波浪弯折结构，以增大与各腔体之间的接触面积。
12.可选地，根据本发明所述的燃料电池用多功能换热装置，所述空气流动腔与所述动力电池冷却腔之间的导热金属板，以及所述动力电池冷却腔与所述燃料电池冷却腔之间的导热金属板为铝制金属板。
13.可选地，根据本发明所述的燃料电池用多功能换热装置，所述氢气流动腔与所述燃料电池冷却腔之间的导热金属板为石墨金属板。
14.根据本发明的第二方面，还提供了一种燃料电池用多功能换热系统，使用上述实施例中任一项所述的换热装置以及助力电池冷却回路、氢气冷却回路、燃料电池冷却回路和空气冷却回路；
15.所述助力电池冷却回路与所述动力电池冷却腔连接，所述氢气冷却回路与所述氢气流动腔连接，所述燃料电池冷却回路与所述燃料电池冷却腔连接，所述空气冷却回路与所述空气流动腔连接。
16.本发明技术方案带来的有益效果：
17.1)提供一种集成化的氢气、空气、燃料电池电堆冷却液和动力电池冷却液换热的装置，该装置结构简单、使用安全、换热高效、能量利用率高。
18.2)充分利用燃料电池系统产生的水的热量，可以提高系统的水热利用率。
19.3)低温冷起动时可利用空压机后的高温高压空气来加热动力电池冷却液，让动力电池快速实现低温预热，从而使动力电池迅速上升到工作适宜温度，节省了能量，实现了节能效果。
20.4)低温冷起动时可利用燃料电池电堆冷却液加热动力电池冷却液为动力电池快速加热，让动力电池快速实现低温预热，实现节能效果。
21.5)空气回路和氢气回路完全隔绝，杜绝了气体混合爆炸风险。
22.6)蛇形流道设计延长了热交换时间，提升了换热效率。
23.7)提高了系统的集成度，减少了零部件数量，方便零部件的布置。
24.8)液体和气体流道进出口交叉设计提高了水空温差，热交换效率更高。
25.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
26.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
27.图1为本发明所公开的燃料电池用多功能换热装置的结构示意图；
28.图2为本发明所公开的燃料电池用多功能换热装置的实施示意图。
29.附图标记说明：1-空气出口，2-动力电池冷却液入口，3-燃料电池冷却液出口，4-氢气入口，5-空气入口，6-动力电池冷却液出口，7-燃料电池冷却液入口，8-氢气出口，9-换热箱体，10-空气流动腔，11-氢气流动腔，12-蛇形流道，13-铝制金属板，14-石墨金属板。
具体实施方式
30.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
31.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
32.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
33.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
35.根据图1所示，本发明提供了一种燃料电池用多功能换热装置，包括换热箱体9。
36.所述换热箱体9内通过导热金属板分割成多个独立的腔体，所述腔体从左往右依次为空气流动腔10、动力电池冷却腔、燃料电池冷却腔以及氢气流动腔11。
37.所述空气流动腔10的上下两端分别为空气出口1和空气入口5，所述动力电池冷却腔的上下两端分别为动力电池冷却液入口2和动力电池冷却液出口6；所述燃料电池冷却腔的上下两端分别为燃料电池冷却液出口3和燃料电池冷却液入口7，所述氢气流动腔11的上下两端分别为氢气入口4和氢气出口8。
38.相邻之间的腔体通过所述导热金属板实现热力传递。
39.本发明提供一种集成化的氢气、空气及燃料电池流道和动力电池流道加热方法。充分利用燃料电池系统产生的水的热量，提高系统的水热利用率。低温时可利用空气压缩机后的高温高压空气来加热动力电池冷却液，让动力电池快速实现低温预热，节省了能量。低温时可利用燃料电池冷却液加热动力电池冷却液为动力电池快速加热，让动力电池快速实现低温预热，实现节能效果。空气回路和氢气回路完全隔绝，杜绝了气体混合爆炸风险。氢气路和空气路蛇形流道12设计可延长氢气与水路的热交换时间，将水的热量通过导热金属板将更多的传递给氢气。
40.进一步地，所述换热箱体9内部的各个腔体内均设有蛇形流道12，以增加空气、动力电池冷却液、燃料电池冷却液以及氢气位于各自腔体内的流动路径。
41.再进一步地，所述导热金属板呈波浪弯折结构，以增大与各腔体之间的接触面积。
42.进一步地，所述空气流动腔10与所述动力电池冷却腔之间的导热金属板，以及所述动力电池冷却腔与所述燃料电池冷却腔之间的导热金属板为铝制金属板13。
43.进一步地，所述氢气流动腔11与所述燃料电池冷却腔之间的导热金属板为石墨金属板14。
44.再根据图2所示，本发明还提供了一种燃料电池用多功能换热系统，使用上述实施例中任一项所述的换热装置以及助力电池冷却回路、氢气冷却回路、燃料电池冷却回路和空气冷却回路。
45.所述助力电池冷却回路与所述动力电池冷却腔连接，所述氢气冷却回路与所述氢气流动腔11连接，所述燃料电池冷却回路与所述燃料电池冷却腔连接，所述空气冷却回路与所述空气流动腔10连接。
46.在本实施例中，水泵通过水循环对助力电池进行散热处理，高温水流通过换热装置与空气流动腔10内的压缩空气进行换热，以实现动力电池冷却液的换热。燃料电池冷却回路则主要与氢气流动回路在换热装置中实现热交换。
47.另外，低温冷起动时可利用空压机后的高温高压空气来加热动力电池冷却液，让动力电池快速实现低温预热，从而使动力电池迅速上升到工作适宜温度，节省了能量，实现
了节能效果。
48.低温冷起动时可利用燃料电池电堆冷却液加热动力电池冷却液为动力电池快速加热，让动力电池快速实现低温预热，实现节能效果。换热装置进出口流道可以通过温度传感器监控和水泵调节实现流量控制，从而控制换热功率，满足热管理需求。
49.虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种燃料电池用多功能换热装置，其特征在于，包括换热箱体；所述换热箱体内通过导热金属板分割成多个独立的腔体，所述腔体从左往右依次为空气流动腔、动力电池冷却腔、燃料电池冷却腔以及氢气流动腔；所述空气流动腔的上下两端分别为空气出口和空气入口，所述动力电池冷却腔的上下两端分别为动力电池冷却液入口和动力电池冷却液出口；所述燃料电池冷却腔的上下两端分别为燃料电池冷却液出口和燃料电池冷却液入口，所述氢气流动腔的上下两端分别为氢气入口和氢气出口；相邻之间的腔体通过所述导热金属板实现热力传递。2.根据权利要求1所述的燃料电池用多功能换热装置，其特征在于，所述换热箱体内部的各个腔体内均设有蛇形流道，以增加空气、动力电池冷却液、燃料电池冷却液以及氢气位于各自腔体内的流动路径。3.根据权利要求2所述的燃料电池用多功能换热装置，其特征在于，所述导热金属板呈波浪弯折结构，以增大与各腔体之间的接触面积。4.根据权利要求1所述的燃料电池用多功能换热装置，其特征在于，所述空气流动腔与所述动力电池冷却腔之间的导热金属板，以及所述动力电池冷却腔与所述燃料电池冷却腔之间的导热金属板为铝制金属板。5.根据权利要求1所述的燃料电池用多功能换热装置，其特征在于，所述氢气流动腔与所述燃料电池冷却腔之间的导热金属板为石墨金属板。6.一种燃料电池用多功能换热系统，其特征在于，使用权利要求1至5中任一项所述的换热装置以及助力电池冷却回路、氢气冷却回路、燃料电池冷却回路和空气冷却回路；所述助力电池冷却回路与所述动力电池冷却腔连接，所述氢气冷却回路与所述氢气流动腔连接，所述燃料电池冷却回路与所述燃料电池冷却腔连接，所述空气冷却回路与所述空气流动腔连接。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池用多功能换热装置及系统，换热装置包括换热箱体；换热箱体内通过导热金属板分割成多个独立的腔体，腔体从左往右依次为空气流动腔、动力电池冷却腔、燃料电池冷却腔以及氢气流动腔；空气流动腔的上下两端分别为空气出口和空气入口，动力电池冷却腔的上下两端分别为动力电池冷却液入口和动力电池冷却液出口；燃料电池冷却腔的上下两端分别为燃料电池冷却液出口和燃料电池冷却液入口，氢气流动腔的上下两端分别为氢气入口和氢气出口；相邻之间的腔体通过导热金属板实现热力传递。本发明提供一种集成化的氢气、空气、燃料电池电堆冷却液和动力电池冷却液换热的装置，该装置结构简单、使用安全、换热高效、能量利用率高。能量利用率高。能量利用率高。


技术研发人员：陈彬彬 张扬 杨磊 乔曌 欧力郡 姚帅杰
受保护的技术使用者：安徽江淮汽车集团股份有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/23