CN109728324A - 一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，包括水箱(1)、主工作泵(2)、燃料电池电堆(4)和散热器(5)，系统管路上设有水质传感器(6)，主工作泵(2)与燃料电池电堆(4)之间通过两条并联的支路连接，第一支路上设有第一电磁阀(71)和水质净化器(73)，第二支路上设有第二电磁阀(72)，系统还包括控制器(8)，所述的控制器(8)分别与水质传感器(6)、第一电磁阀(71)和第二电磁阀(72)连接。与现有技术相比，本发明保证管道清洁和燃料电池工作效率，同时考虑了节能效果。

Description

一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池冷却控制系统，尤其是涉及一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。目前正在开发的商用燃料电池“质子交换膜燃料电池”它具有较高的能量效率和能量密度，体积重量小，冷启动时间短，运行安全可靠。另外，其使用的电解质膜为固态，可避免电解质腐蚀，性能优异。作为21世纪的高科技产品，燃料电池已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业，受到各国政府的重视。

燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，

同时放出热量。电极反应为：

阳极(负极)：H2→2H++2e

阴极(正极)：1/2O2+2H++2e→H2O

电池反应：H2+1/2O2→H2O

由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统等构成。电堆是发电系统的核心。发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。

水、热管理是质子交换膜燃料电池发电系统的重要环节之一。电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了质子交换膜燃料电池发电系统的水、热管理问题。通常情况下，电堆均需使用复杂的增湿辅助系统用于增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出，以防电极“淹死”。由于质子交换膜燃料电池的运行温度一般在80℃左右，此时其运行效能最好，因此反应气体进入电堆前需要预加热，这一过程通常与气体的加湿过程同时进行；电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施，以保持质子交换膜燃料电池电堆工作温度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节，并用计算机进行协调控制。

为了确保质子交换膜燃料电池电堆的正常工作，通常将电堆、氢气和氧气处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成，构成质子交换膜燃料电池发电机。而当燃料电池发电系统用作车、船等运载工具的动力系统时，燃料电池发电系统又叫做燃料电池发动机。

现今的质子交换膜燃料电池常用的测试平台一般都是用单片机和应用软件组成的带有监控的测试系统。燃料电池安装到测试平台，测试系统的三个流场氢气流场、水流场、空气流场进出口分别设置了各种采集信号用的传感器，如：流量、温度、压力、湿度、电流、电压等各种模拟量的传感器。测试系统根据各种传感器的采集数据来对燃料电池的各项测试提供相关的数据参考，为产品性能评估提供依据。但是目前应用在客车上的燃料电池发动机系统由于散热系统的散热器、水泵、水管路零部件材质在工作中会析出离子化合物，导致燃料电池水装置内水电导率上升，冷却水内离子干扰燃料电池装置内电子生成，导致燃料电池装置电子损耗，单体输出功率下降，影响燃料电池输出整体效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，保证管道清洁和燃料电池工作效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，包括水箱、主工作泵、燃料电池电堆和散热器，水箱出水口、主工作泵、燃料电池电堆、散热器和水箱进水口依次通过管路连接形成水冷循环，所述的系统管路上设有水质传感器，所述的主工作泵与燃料电池电堆之间通过两条并联的支路连接，第一支路上设有第一电磁阀和水质净化器，第二支路上设有第二电磁阀，所述的系统还包括控制器，所述的控制器分别与水质传感器、第一电磁阀和第二电磁阀连接。

所述的水质净化器包括相互连接的活性炭过滤器和去离子器。

所述的控制器连有显示屏和报警器。

所述的系统还包括液位计，所述的液位计设置在水箱中，与控制器连接。

所述的散热器为相变散热器。

所述的散热器中设有分别与控制器连接的电加热器和温度传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)主工作泵与燃料电池电堆之间通过两条并联的支路连接，当水质不佳时，水质传感器发送信号给控制器，通过控制器使第一支路开启、第二支路关闭时可以净化冷却水水质，保证燃料电池输出整体效率；当水质传感器检测到水质达标时，冷却水走第二支路，不需要经过水质净化器，从而达到节能的效果。

(2)水质净化器包括相互连接的活性炭过滤器和去离子器，能进行粗过滤和去离子，保证管道清洁和燃料电池工作效率。

(3)控制器连有显示屏和报警器，将水质监测结果现出来，以加入人工干预。

(4)系统还包括液位计，液位计设置在水箱中，与控制器连接，显示器可显示水箱水位，便于及时补水。

(5)散热器为相变散热器，潜热大，兼具蓄热和蓄冷功能，使冷却水保持在合适的温度范围内。

(6)散热器中设有分别与控制器连接的电加热器和温度传感器，在冬季寒冷环境下水温偏低时能提高水温，保证燃料电池的工作环境温度。

附图说明

图1为本发明料电池系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，包括水箱1、主工作泵2、燃料电池电堆4和散热器5，水箱1出水口、主工作泵2、燃料电池电堆4、散热器5和水箱1进水口依次通过管路连接形成水冷循环，系统管路上设有水质传感器6，主工作泵2与燃料电池电堆4之间通过两条并联的支路连接，第一支路上设有第一电磁阀71和水质净化器73，第二支路上设有第二电磁阀72，系统还包括控制器8，控制器8分别与水质传感器6、第一电磁阀71和第二电磁阀72连接。水质传感器6可以设置在系统中任何能检测到冷却水水质的位置，本实施例设置在燃料电池电堆的水进接头，以及时对不达标的冷却水进行净化。

水质净化器73包括相互连接的活性炭过滤器和去离子器。

控制器8连有显示屏和报警器。

系统还包括液位计9，液位计9设置在水箱1中，与控制器8连接，通过显示屏和报警器可显示水箱液位、水质等参数，以进行人工干预。

散热器5为相变散热器，散热器5中设有分别与控制器8连接的电加热器51和温度传感器52。

主工作水泵2启动后，水箱1中循环水按水路经过两个电磁阀到燃料电池电堆4的水进接头，经过燃料电池电堆4再从燃料电池电堆4的水出接头流出，并通过管路流进散热器5的水进接头，经过散热器5从散热器5水出接头流出，再经过管路流到水箱1的回水接头流回进水箱1里；还包括一排气水路，冷却水源经主工作水泵2泵出，流经燃料电池电堆的水进接头，启动燃料电池发动机内部小循环水泵，通过调节水泵转速，使冷却系统内的水循环流经车顶冷却水箱，进行冷却系统空气排空。

当管道内的冷却水水质不佳时，水质传感器6发送信号给控制器，通过控制器使第一电磁阀71开启、第二电磁阀72关闭时可以净化冷却水水质，保证燃料电池输出整体效率；由于水质净化器6工作时需要消耗电能，当水质传感器6检测到水质达标时，冷却水走第二支路，不需要经过水质净化器6，可节省一部分电能。

图中，粗线表示水路管道，细线表示控制器的信号连接，信号连接可通过有线或无线方式实现。

Claims (6)

1.一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，包括水箱(1)、主工作泵(2)、燃料电池电堆(4)和散热器(5)，水箱(1)出水口、主工作泵(2)、燃料电池电堆(4)、散热器(5)和水箱(1)进水口依次通过管路连接形成水冷循环，其特征在于，所述的系统管路上设有水质传感器(6)，所述的主工作泵(2)与燃料电池电堆(4)之间通过两条并联的支路连接，第一支路上设有第一电磁阀(71)和水质净化器(73)，第二支路上设有第二电磁阀(72)，所述的系统还包括控制器(8)，所述的控制器(8)分别与水质传感器(6)、第一电磁阀(71)和第二电磁阀(72)连接。

2.根据权利要求1所述的一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，其特征在于，所述的水质净化器(73)包括相互连接的活性炭过滤器和去离子器。

3.根据权利要求1所述的一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，其特征在于，所述的控制器(8)连有显示屏和报警器。

4.根据权利要求3所述的一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，其特征在于，所述的系统还包括液位计(9)，所述的液位计(9)设置在水箱(1)中，与控制器(8)连接。

5.根据权利要求1所述的一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，其特征在于，所述的散热器(5)为相变散热器。

6.根据权利要求5所述的一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统，其特征在于，所述的散热器(5)中设有分别与控制器(8)连接的电加热器(51)和温度传感器(52)。