CN104835976A - 一种利用相变冷却的燃料电池散热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用相变冷却的燃料电池散热系统，包括电堆，与所述电堆连接并用于给所述电堆供给空气的阴极空气供给模块，还包括用于冷却所述电堆并能够对所述阴极空气供给模块中的空气预加热的冷却液循环模块；其能够维持电堆内温度平衡，且冷却流量小、辅助系统寄生功率小、冷却液余热利用、空气预加热。

Description

一种利用相变冷却的燃料电池散热系统
技术领域
本发明涉及燃料电池散热技术领域，尤其涉及一种利用相变冷却的燃料电池散热系统。
背景技术
随着全球能源危机愈发严峻，以及传统能源带来的环境污染问题的加剧，天然气与氢能等新型能源的应用逐步受到重视。燃料电池作为一种新型能源供给装置，能够高效、环保地将储存在燃料与氧化剂内的化学能转化为电能，同时没有污染物排出。在环境能源备受关注的今天，燃料电池的发展日益受到各国政府与科技人员的重视。
氢是燃料电池的最佳燃料，在未来的氢经济时代，燃料电池是将氢能转化为电能的最优装置。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell，简称PEMFC)，以质子交换膜为电解质，氢气和氧气分别作为燃料和氧化剂，阳极氢气和阴极氧气催化反应生成水和热，反应伴随电子流动，直接产生电能。而温度对燃料电池系统的性能有重要的影响；低温时，电化学反应速率降低，电堆效率降低；高温时，电堆内产生液态水易蒸发，从而导致质子交换膜失水干燥，影响离子的传递性能；因此燃料电池系统需在一定温度范围内工作。
燃料电池散热系统使电堆内温度保持的合理范围内，具有十分重要的作用。目前燃料电池系统的散热方式与传统内燃机相似，使用比热容较大的水作为冷却液，将低温水通入电堆吸热，利用散热器为冷却水散热，从而实现热量转移。这种散热方式具有冷却液流量大、辅助系统寄生功率大等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够维持电堆内温度平衡，且冷却流量小、辅助系统寄生功率小、冷却液余热利用、空气预加热的利用相变冷却的燃料电池散热系统。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用相变冷却的燃料电池散热系统，包括电堆，与所述电堆连接并用于给所述电堆供给空气的阴极空气供给模块，还包括用于冷却所述电堆并能够对所述阴极空气供给模块中的空气预加热的冷却液循环模块。
优选的，所述冷却液循环模块包括冷却液储罐、变频水泵、离子过滤器、冷却液冷凝器，所述冷却液储罐中装有冷却液，所述冷却液储罐的冷却液出口连接所述变频水泵的冷却液入口，所述变频水泵的冷却液出口连接所述离子过滤器的冷却液入口，所述离子过滤器的冷却液出口连接所述电堆的冷却液入口，所述电堆的冷却液出口连接所述冷却液冷凝器的冷却液入口，所述冷却液冷凝器的冷却液出口连接所述冷却液储罐的冷却液入口。
进一步优选的，所述电堆的冷却液入口与所述离子过滤器的冷却液出口之间设置有第一温度传感器，所述电堆的冷却液出口与所述冷却液冷凝器的冷却液入口之间设置有第二温度传感器，所述变频水泵包括控制器，所述控制器与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器连接，并通过所述第二温度传感器与所述第一温度传感器的温度之差控制所述变频水泵的转速，以调节流经所述变频水泵的冷却液的流量。
优选的，所述冷却液冷凝器的冷却液出口与所述冷却液储罐的冷却液入口之间设置有散热器。
优选的，所述阴极空气供给模块包括风机和膜加湿器，所述风机的空气出口连接所述冷却液冷凝器的底部的空气入口，所述冷却液冷凝器的顶部的空气出口连接所述膜加湿器的底部的空气入口，所述膜加湿器的顶部的空气出口连接所述电堆的空气入口，所述电堆的空气出口连接所述膜加湿器的侧部的空气入口。
优选的，所述冷却液冷凝器包括本体，以及从下至上贯穿所述本体的空气通道，所述风机的空气出口连接所述空气通道的底端入口，所述空气通道的顶端出口连接所述膜加湿器的底部的空气入口。
优选的，所述冷却液冷凝器的冷却液入口位于所述本体的上部，所述冷却液冷凝器的冷却液出口位于所述本体的下部，所述冷却液经所述冷却液冷凝器的冷却液入口进入所述冷却液冷凝器后，围绕所述空气通道向下流至所述冷却液冷凝器的冷却液出口。
进一步优选的，所述空气通道的数量为9个，且9个所述空气通道为阵列排布。
优选的，还包括与所述电堆连接并用于给所述电堆供给氢气的阳极氢气供给模块。
进一步优选的，所述阳极氢气供给模块包括减压阀和引射器，所述减压阀的氢气出口连接所述引射器的氢气入口，所述引射器的氢气出口连接所述电堆的氢气入口，所述电堆的氢气出口连接所述引射器的氢气入口。
本发明的有益效果为：
本发明的利用相变冷却的燃料电池散热系统，包括电堆，与所述电堆连接并用于给所述电堆供给空气的阴极空气供给模块，还包括用于冷却所述电堆并能够对所述阴极空气供给模块中的空气预加热的冷却液循环模块；其利用冷却液循环模块进行电堆内部的冷却，并通过在冷却电堆过程中吸热的冷却液循环至空气处，对要进入到电堆内的空气进行预先的加热，以提高快速反应，提高效率，且维持了电堆内温度平衡，冷却液将电堆内的热量重复利用，进而冷却液余热得到了再次利用，冷却流量小、辅助系统寄生功率小。
附图说明
图1是本发明的利用相变冷却的燃料电池散热系统的连接结构示意图。
图2是图1中的冷却液冷凝器的立体结构示意图。
图中：1-风机；2-冷却液冷凝器；3-膜加湿器；4-电堆；5-第二温度传感器；6-引射器；7-减压阀；8-散热器；9-冷却液储罐；10-变频水泵；11-第一温度传感器；12-离子过滤器；21-冷却液入口；22-冷却液出口；23-空气通道。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1至2所示，一种利用相变冷却的燃料电池散热系统，包括电堆4，与所述电堆4连接并用于给所述电堆4供给空气的阴极空气供给模块，还包括用于冷却所述电堆4并能够对所述阴极空气供给模块中的空气预加热的冷却液循环模块。该利用相变冷却的燃料电池散热系统，利用冷却液循环模块进行电堆内部的冷却，并通过在冷却电堆过程中吸热的冷却液循环至空气处，对要进入到电堆内的空气进行预先的加热，以提高快速反应，提高效率，且维持了电堆内温度平衡，冷却液将电堆内的热量重复利用，进而冷却液余热得到了再次利用，冷却流量小、辅助系统寄生功率小。
优选的，所述冷却液循环模块包括冷却液储罐9、变频水泵10、离子过滤器12、冷却液冷凝器2，所述冷却液储罐9中装有冷却液，所述冷却液储罐9的冷却液出口连接所述变频水泵10的冷却液入口，所述变频水泵10的冷却液出口连接所述离子过滤器12的冷却液入口，所述离子过滤器12的冷却液出口连接所述电堆4的冷却液入口，所述电堆4的冷却液出口连接所述冷却液冷凝器2的冷却液入口，所述冷却液冷凝器2的冷却液出口连接所述冷却液储罐9的冷却液入口。
进一步优选的，所述电堆4的冷却液入口与所述离子过滤器12的冷却液出口之间设置有第一温度传感器11，所述电堆4的冷却液出口与所述冷却液冷凝器2的冷却液入口之间设置有第二温度传感器5，所述变频水泵10包括控制器，所述控制器与所述第一温度传感器11、所述第二温度传感器5连接，并通过所述第二温度传感器5与所述第一温度传感器11的温度之差控制所述变频水泵10的转速，以调节流经所述变频水泵10的冷却液的流量。
优选的，所述冷却液冷凝器2的冷却液出口与所述冷却液储罐9的冷却液入口之间设置有散热器8。
优选的，所述阴极空气供给模块包括风机1和膜加湿器3，所述风机1的空气出口连接所述冷却液冷凝器2的底部的空气入口，所述冷却液冷凝器2的顶部的空气出口连接所述膜加湿器3的底部的空气入口，所述膜加湿器3的顶部的空气出口连接所述电堆4的空气入口，所述电堆4的空气出口连接所述膜加湿器3的侧部的空气入口。
优选的，所述冷却液冷凝器2包括本体，以及从下至上贯穿所述本体的空气通道23，所述风机1的空气出口连接所述空气通道23的底端入口，所述空气通道23的顶端出口连接所述膜加湿器3的底部的空气入口。进一步优选的，所述空气通道23的数量为9个，且9个所述空气通道23为阵列排布。在本实施例中，通过9个空气通道23就可以实现充足的空气供应，也能正好实现进入冷却液冷凝器中的冷却液的液化，两者互相依托，实现合理搭配，进而实现能源合理利用。
优选的，所述冷却液冷凝器2的冷却液入口位于所述本体的上部，所述冷却液冷凝器2的冷却液出口位于所述本体的下部，所述冷却液经所述冷却液冷凝器2的冷却液入口进入所述冷却液冷凝器2后，围绕所述空气通道23向下流至所述冷却液冷凝器2的冷却液出口。
优选的，该燃料电池散热系统还包括与所述电堆4连接并用于给所述电堆4供给氢气的阳极氢气供给模块。进一步优选的，所述阳极氢气供给模块包括减压阀7和引射器6，所述减压阀7的氢气出口连接所述引射器6的氢气入口，所述引射器6的氢气出口连接所述电堆4的氢气入口，所述电堆4的氢气出口连接所述引射器6的氢气入口。
在本实施例中，冷却液储罐9中的冷却液在变频水泵10的驱动下，通过离子过滤器12后，从电堆4的冷却液入口进入电堆4中，经电堆4中吸收空气和氢气的电化学反应产生的热量，此时，当电堆4内的温度高于冷却液的沸点后，冷却液将会吸热气化变为气体，实现对电堆4内部的降温，气化后的冷却液经电堆4的冷却液出口流出后，经冷却液冷凝器2的冷却液入口进入冷却液冷凝器2中冷却，与此同时，风机1驱动下，外部的空气源源不断地经过风机1后进入到冷却液冷凝器2中，从下至上向着膜加湿器3流动，而气化后的冷却液自身温度较高，在冷却液冷凝器2中从上至下流动时，将会对从下至上流动的空气进行加热，实现空气预热的目的，又实现冷却液降温液化重新变为液体的目的，一举两得，达到废热再利用的目的，环保节能；并且空气温度与大气相同，气化后的冷却液将会迅速冷凝液化，提高液化速度。经过冷却液冷凝器2液化后的冷却液再次流入到冷却液储罐9中，进入下一个冷却循环，重复使用，因而达到节省冷却液的目的。
冷却液的沸点应为60℃左右(如HFF-7100)，在常温下呈液态，在电堆(燃料电池堆)内部受热沸腾，对燃料电池进行冷却，排出电堆后对风机输送的空气在进入加湿器前进行预加热，有助于电堆性能的提高。
该燃料电池散热系统利用液体变为气体，气体再变为液体两个过程的相变冷却原理来实现整个冷却目的，其冷却效率也即冷却液吸收热量的能力与其气化潜热有关。其中，气化潜热数量级大于比热容，同等流量下吸热多，因此，冷却液流量可明显减少，变频水泵驱动的冷却液流量减小，也就有助于减小系统的寄生功率。
在上述冷却循环过程中，从理论上来看，冷却液通过沸腾、冷凝进行热量转移。当冷却液冷凝为液体后，即无需利用额外的散热装置，如散热器8对其降温散热，就可以维持较低的系统寄生功率。而当经过冷却液冷凝器后的冷却液能够大量凝结为液态，且第一温度传感器11的温度低于冷却液的沸点时，散热器8的风扇不工作，大大降低辅助系统的寄生功率。
若通过冷却液冷凝器2的冷却液气态比重大，第一温度传感器11的温度高于冷却液沸点，则散热器8的风扇要工作，由散热器8的风扇对从冷却液冷凝器2的冷却液出口流出的冷却液进行二次散热。在此时，通过第一温度传感器11和第二温度传感器5的温度差，来控制变频水泵10的转速，进而控制冷却液的流量。这样，就可以使得整个过程中进入到电堆4中的冷却液的温度是可以进行快速冷却的温度，提高整个系统的冷却可靠度。
综上所述，该燃料电池散热系统通过具有冷却液冷凝器2的冷却液循环模块极大地解决了现有技术中利用冷却水冷却而存在的冷却液流量大、辅助系统寄生功率大等缺点，达到了较好的冷却效果，能源消耗小，节能环保。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用相变冷却的燃料电池散热系统，包括电堆(4)，与所述电堆(4)连接并用于给所述电堆(4)供给空气的阴极空气供给模块，其特征在于，还包括用于冷却所述电堆(4)并能够对所述阴极空气供给模块中的空气预加热的冷却液循环模块。
2.根据权利要求1所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述冷却液循环模块包括冷却液储罐(9)、变频水泵(10)、离子过滤器(12)、冷却液冷凝器(2)，所述冷却液储罐(9)中装有冷却液，所述冷却液储罐(9)的冷却液出口连接所述变频水泵(10)的冷却液入口，所述变频水泵(10)的冷却液出口连接所述离子过滤器(12)的冷却液入口，所述离子过滤器(12)的冷却液出口连接所述电堆(4)的冷却液入口，所述电堆(4)的冷却液出口连接所述冷却液冷凝器(2)的冷却液入口，所述冷却液冷凝器(2)的冷却液出口连接所述冷却液储罐(9)的冷却液入口。
3.根据权利要求2所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述电堆(4)的冷却液入口与所述离子过滤器(12)的冷却液出口之间设置有第一温度传感器(11)，所述电堆(4)的冷却液出口与所述冷却液冷凝器(2)的冷却液入口之间设置有第二温度传感器(5)，所述变频水泵(10)包括控制器，所述控制器与所述第一温度传感器(11)、所述第二温度传感器(5)连接，并通过所述第二温度传感器(5)与所述第一温度传感器(11)的温度之差控制所述变频水泵(10)的转速，以调节流经所述变频水泵(10)的冷却液的流量。
4.根据权利要求2所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述冷却液冷凝器(2)的冷却液出口与所述冷却液储罐(9)的冷却液入口之间设置有散热器(8)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述阴极空气供给模块包括风机(1)和膜加湿器(3)，所述风机(1)的空气出口连接所述冷却液冷凝器(2)的底部的空气入口，所述冷却液冷凝器(2)的顶部的空气出口连接所述膜加湿器(3)的底部的空气入口，所述膜加湿器(3)的顶部的空气出口连接所述电堆(4)的空气入口，所述电堆(4)的空气出口连接所述膜加湿器(3)的侧部的空气入口。
6.根据权利要求5所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述冷却液冷凝器(2)包括本体，以及从下至上贯穿所述本体的空气通道(23)，所述风机(1)的空气出口连接所述空气通道(23)的底端入口，所述空气通道(23)的顶端出口连接所述膜加湿器(3)的底部的空气入口。
7.根据权利要求6所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述冷却液冷凝器(2)的冷却液入口位于所述本体的上部，所述冷却液冷凝器(2)的冷却液出口位于所述本体的下部，所述冷却液经所述冷却液冷凝器(2)的冷却液入口进入所述冷却液冷凝器(2)后，围绕所述空气通道(23)向下流至所述冷却液冷凝器(2)的冷却液出口。
8.根据权利要求6所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述空气通道(23)的数量为9个，且9个所述空气通道(23)为阵列排布。
9.根据权利要求1所述的燃料电池散热系统，其特征在于，还包括与所述电堆(4)连接并用于给所述电堆(4)供给氢气的阳极氢气供给模块。
10.根据权利要求9所述的燃料电池散热系统，其特征在于，所述阳极氢气供给模块包括减压阀(7)和引射器(6)，所述减压阀(7)的氢气出口连接所述引射器(6)的氢气入口，所述引射器(6)的氢气出口连接所述电堆(4)的氢气入口，所述电堆(4)的氢气出口连接所述引射器(6)的氢气入口。
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