CN110459781A - 一种燃料电池水冷装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种燃料电池水冷装置，包括：热侧水泵、水‑水换热器、冷侧水泵、电动三通阀、热侧管路和冷侧管路；热侧水泵的输入端通过热侧管路与燃料电池冷却液输出端连接；热侧水泵的输出端与水‑水换热器的第一输入端连接；水‑水换热器的第一输出端与电控三通阀的第一输入端连接；水‑水换热器的第二输出端为冷侧介质出口；水‑水换热器的第二输入端与冷侧水泵的输出端连接；冷侧水泵的输入端为冷侧介质入口；电控三通阀的第二输入端与热侧水泵的输出端连接；电控三通阀的输出端与所述燃料电池冷却液输入端连接；热侧管路与电池反应堆内部冷却流道连通；冷侧管路与水‑水换热器的冷源接口连通。本发明实施例提供的燃料电池水冷装置，适用于大功率燃料电池在通风环境有限的条件下的冷却，换热效率高，能耗低、适用性强。

Description

一种燃料电池水冷装置及系统

技术领域

本实发明施例涉及电池冷却领域，尤其涉及一种燃料电池水冷装置及系统。

背景技术

氢燃料电池属于质子交换膜燃料电池，作为新能源的重要组成部分，通过电化学反应将氢气和氧化剂中的化学能转换成了电能，转化高效且环保，取代了传统的燃烧发电形式。氢燃料电池工作温度会影响气体传输特性、反应膜含水量、催化层催化活性等，氢燃料电池的最佳工作温度一般为60-70℃，氢燃料电池在工作时会产生热量和水，通常情况下，产生的热量会通过冷却系统带走，保证氢燃料电池工作在合适的温度环境下。

现有技术中，对于车用小功率的燃料电池，通常采用风冷换热器对冷却液进行冷却，冷却液经过风冷系统后，再流回燃料电池，达到对燃料电池的温度控制。

现有技术方案主要应用场合是小功率燃料电池，在针对大功率的燃料电池时，由于风冷换热器效率相对较低，并且需要配备良好的通风环境，采用风冷换热器的方式满足不了其冷却要求。尤其是针对应用于船舶系统的燃料电池，燃料电池功率大，船舱内空间有限且不具备通风条件，传统风冷换热器冷却系统无法达到船舶系统中燃料电池的要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种燃料电池的水冷装置，解决了大功率燃料电池在通风环境有限的条件下的冷却效率低，能耗大的问题。

为达此目的，第一方面发明实施例提供了一种燃料电池的水冷装置，燃料电池水冷装置包括：

热侧水泵、水-水换热器、冷侧水泵、电控三通阀、热侧管路和冷侧管路；

所述热侧水泵的输入端通过所述热侧管路与燃料电池冷却液输出端连接；所述热侧水泵的输出端与所述水-水换热器的第一输入端连接；所述水-水换热器的第一输出端与所述电控三通阀的第一输入端连接；所述水-水换热器的第二输出端为冷侧介质出口；所述水-水换热器的第二输入端与所述冷侧水泵的输出端连接；所述冷侧水泵的输入端为冷侧介质入口；所述电控三通阀的第二输入端与所述热侧水泵的输出端连接；所述电控三通阀的输出端与所述燃料电池冷却液输入端连接；

所述热侧管路与电池反应堆内部冷却流道连通。

所述冷测管路与水-水换热器的冷源接口连通。

可选地，所述水-水换热器包括多层薄膜式隔板。

可选地，还包括水箱，所述水箱的输出端与所述热侧水泵输入端连接；所述水箱的输入端为冷却液补充口。

可选地，还包括稳压罐，所述电控三通阀经过所述稳压罐与燃料电池冷却液输入端连接。

可选地，还包括第一温度传感器和第二温度传感器；

所述第一温度传感器安装在所述电控三通阀的输出端的管道上，用于监测进入所述电池反应堆的冷却液温度；

所述第二温度传感器安装在所述燃料电池冷却液输出端的管道上，用于监测从所述电池反应堆抽出的冷却液温度。

可选地，还包括处理单元，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述电控三通阀均与所述处理单元相连；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度大于第一预设值时，所述处理单元调节所述电控三通阀的第一输入端的开口流量增大，第二输入端的开口流量减小；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度小于第二预设值时，所述处理单元调节所述电控三通阀的第一输入端的开口流量减小，第二输入端的开口流量增大；

当所述第二温度传感器监测到所述冷却液温度小于或等于第二预设值时，所述处理单元调节所述电控三通阀的第一输入端开口关闭，第二输入端的开口开度最大；

所述第一预设值大于所述第二预设值。

可选地，还包括处理单元，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述冷侧水泵均与所述处理单元相连；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度大于第一预设值，所述处理单元增大所述冷侧水泵的频率；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度小于第一预设值，所述处理单元减小所述冷侧水泵的频率。

可选地，还包括压力传感器；所述压力传感器位于所述冷侧水泵的输出端的管道上，用于监测所述冷侧水泵出口压力；

所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述冷侧水泵和所述压力传感器均与所述处理单元相连；

当满足所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度大于第一预设值、所述压力传感器监测到的所述冷侧水泵出口压力小于第三预设值中的至少一种时，所述处理单元增大所述冷侧水泵的频率；

当满足所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度小于第一预设值、所述第二温度传感器监测到所述冷却液温度小于或等于第二预设值，以及所述压力传感器监测到的所述冷侧水泵出口压力大于第四预设值中的至少一种时，所述处理单元减小所述冷侧水泵的频率；

其中，所述第一预设值大于所述第二预设值；；所述第四预设值大于所述第三预设值。

可选地，还包括第三温度传感器；

所述第三温度传感器位于所述冷侧水泵的输入端的管道内，用于监测冷侧介质的温度。

第二方面本发明实施例还提供了一种燃料电池水冷系统，该燃料电池水冷系统包括：燃料电池以及如上述第一方面中任意一项所述的燃料电池水冷装置。

本发明实施例提供的燃料电池水冷装置，热侧管路布置在燃料电池的电池反应堆周围，管内通入冷却液，燃料电池的电池反应堆产生的热量由冷却液带出，冷却液经过热侧水泵流入水-水换热器中，冷侧介质通过冷侧水泵也流入水-水换热器中，与冷却液进行热量交换，热量交换后的冷侧介质由水-水换热器第二输出端排出，热量交换后的冷却液由水-水换热器第一输出端流向电控三通阀，最终流回燃料电池。通过冷却液将热量带出，并在水-水换热器中进行热量交换，解决了大功率燃料电池冷在通风环境有限的条件下的冷却问题，采用水冷冷却系统，换热率高，能够有效减少能耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种燃料电池水冷装置示意图。

图2是本发明实施例提供的另一种燃料电池水冷装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，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。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明实施例提供的一种燃料电池水冷装置示意图，如图1所示，燃料电池水冷装置包括：

热侧水泵3、水-水换热器2、冷侧水泵6、电控三通阀4、热侧管路8、冷测管路9；

热侧水泵3的输入端F51与所述燃料电池冷却液输出端F72连接；热侧水泵3的输出端F52与所述水-水换热器2的第一输入端F11连接；水-水换热器2的第一输出端F21与电控三通阀4的第一输入端F31连接；水-水换热器2的第二输出端F22为冷侧介质出口；水-水换热器2的第二输入端F12与冷侧水泵6的输出端F62连接；冷侧水泵6的输入端F61为冷侧介质入口；电控三通阀4的第二输入端F32与热侧水泵3的输出端F52连接；电控三通阀4的输出端F33与燃料电池冷却液输入端F71连接；

热侧管路8与电池反应堆内部冷却流道连通。

冷侧管路9与水-水换热器2的冷源接口连通。

本发明实施例中，热侧管路8布置在燃料电池的电池反应堆1周围，热侧管路8内通入冷却液，燃料电池的电池反应堆1产生的热量可通过热侧管路8中的冷却液进行散热。热侧水泵3将燃料电池冷却液输出端F72流出的冷却液引至水-水换热器2中。

冷侧介质通过冷侧水泵6流入水-水换热器2中，与冷却液进行热量交换，冷却液携带的热量通过冷侧介质进行散热，冷侧介质经水-水换热器2后通过水-水换热器2第二输出端F22排出。换热后的冷却液由水-水换热器2第一输出端F21流向电控三通阀4，最终流回燃料电池。通过冷却液将燃料电池的电池反应堆1产生的热量带出，并在水-水换热器2中进行热量交换，解决了大功率燃料电池冷在通风环境有限的条件下的冷却问题，提高换热率，采用水冷冷却系统，结构紧凑，减少了冷却系统所占空间面积。示例性的，本发明实施例中冷却液可以采用去离子水，冷侧介质可以采用海水或者淡水。

可选地，水-水换热器2包括多层薄膜式隔板。

水-水换热器2内部包括多层薄膜式隔板，中间多层隔板保证冷侧介质和冷却液同时在水-水换热器2中只进行热量交换而不直接接触，方便了冷侧介质在吸收了冷却液的热量后直接排出，也保证了冷却液的纯净度。需要说明的是，当冷侧介质采用海水时，水-水换热器2采用的材料为钛合金；当冷侧介质采用淡水时，水-水换热器2采用的材料为不锈钢316L。

图2是本发明实施例提供的另一种燃料电池水冷装置示意图，如图2所示，燃料电池水冷装置还包括水箱7，水箱7的输出端F42与热侧水泵3输入端F51连接；水箱7的输入端F41为冷却液补充口。

水箱7输入端F41为燃料电池水冷装置提供冷却液补充，避免了冷却液在使用中的消耗过量。水箱7的输出端F42与热侧水泵3输入端F51连接，不影响燃料电池水冷装置运行，实现了随时向燃料电池水冷装置添加冷却液的目的，简化了冷却液补充进燃料电池水冷装置的流程。

可选地，燃料电池水冷装置还包括稳压罐5，电控三通阀4经过所述稳压罐5与燃料电池冷却液输入端F71连接。

电控三通阀4调节管道内冷却液流量，会引起管道内的压力变化，设置稳压罐5可以稳定管道内的压力，为燃料电池水冷装置提供安全稳定的工作环境。

可选地，燃料电池水冷装置还包括第一温度传感器TI-201和第二温度传感器TI-202；

第一温度传感器TI-201安装在电控三通阀4的输出端F33的管道上，用于监测进入电池反应堆的冷却液温度；

第二温度传感器TI-202安装在所述燃料电池冷却液输出端F72的管道上，用于监测从电池反应堆抽出的冷却液温度。

第一温度传感器TI-201用于监测进入所述电池反应堆的冷却液温度，第二温度传感器TI-202用于监测排出燃料电池反应堆的冷却液温度。第一温度传感器TI-201和第二温度传感器TI-202实时监控冷却液的温度范围，方面随时查看和调整。

可选地，燃料电池水冷装置还包括处理单元9，第一温度传感器TI-201、第二温度传感器TI-202和电控三通阀4均与处理单元9相连；

当第一温度传感器TI-201监测到冷却液温度大于第一预设值时，处理单元9调节电控三通阀4的第一输入端F31的开口流量增大，第二输入端F32的开口流量减小；

当第一温度传感器TI-201监测到冷却液温度小于第一预设值时，处理单元9调节电控三通阀4的第一输入端F31的开口流量减小，第二输入端F32的开口流量增大；

当第二温度传感器TI-202监测到冷却液温度小于或等于第二预设值时，处理单元9调节电控三通阀4的第一输入端F31开口关闭，第二输入端F32的开口开度最大；

第一预设值大于第二预设值。

第一温度传感器TI-201和第二温度传感器TI-202的监测数据均传送给处理单元9，通过处理单元9判断，自动调节电控三通阀4第一输入端F31和第二输入端F32的开口流量，达到根据冷却液温度随时调节电控三通阀的目的。

若第一温度传感器TI-201监测到的数据小于或等于第一预设值时，说明此时燃料电池水冷装置的散热速率大于电池反应堆的产热速率，因此可以减小第一输入端F31的开口流量，增大第二输入端F32的开口流量。当所述第二温度传感器监测到所述冷却液温度小于或等于第二预设值时，说明此时电池反应堆的产热小，所以可以关闭第一输入端F31开口，将第二输入端F32的开口调至最大；以上两种情况可以控制较多冷却液通过A路流向电控三通阀4，并通过C路流回燃料电池反应堆，节省了功耗。

若第一温度传感器TI-201监测到的数据大于第一预设值时，说明此时燃料电池水冷装置的散热速率小于电池反应堆的产热速率，因此可以增大第一输入端F31的开口流量，减小第二输入端F32的开口流量。以上情况可以控制较多冷却液通过B路流向电控三通阀4，并通过C路流回燃料电池反应堆，实现了自动化控制，提升燃料电池水冷装置的智能化。

可选地，燃料电池水冷装置还包括处理单元9，第一温度传感器TI-201、第二温度传感器TI-202和冷侧水泵6均与处理单元9相连；

当第一温度传感器TI-201监测到所述冷却液温度大于第一预设值，处理单元9增大冷侧水泵6的频率；

当第一温度传感器TI-201监测到冷却液温度小于第一预设值，处理单元9减小冷侧水泵6的频率。

处理单元9接收第一温度传感器TI-201、第二温度传感器TI-202和冷侧水泵6的数据，其中，冷侧水泵6为变频泵，处理单元9根据第一温度传感器TI-201、第二温度传感器TI-202的温度数据，对冷侧水泵6的频率进行控制，当第一温度传感器TI-201监测到的数据大于第一预设值时，控制冷侧水泵6的频率上升；增加冷侧介质的流通速率，单位时间内更多的冷侧介质与冷却液进行热量交换，达到快速高效的降低冷却液的温度的目的。当第一温度传感器TI-201监测到的数据小于第一预设值时，控制冷侧水泵6的频率下降；减少冷侧介质的流通速率，节省能耗。

可选地，燃料电池水冷装置还包括压力传感器PI-201；压力传感器PI-201位于冷侧水泵6的输出端的管道上，用于监测冷侧水泵6出口压力；

第一温度传感器TI-201、第二温度传感器TI-202、冷侧水泵6和压力传感器PI-201均与处理单元9相连；

当满足第一温度传感器TI-201监测到冷却液温度大于第一预设值、压力传感器PI-201监测到的冷侧水泵6出口压力小于第三预设值中的至少一种时，处理单元9增大冷侧水泵6频率；

当满足第一温度传感器TI-201监测到冷却液温度小于第一预设值、第二温度传感器TI-202测到冷却液温度小于或等于第二预设值，以及压力传感器PI201监测到的冷侧水泵6口压力大于第四预设值中的至少一种时，处理单元9减小冷侧水泵6频率；

其中，第一预设值大于第二预设值；第四预设值大于第三预设值。

处理单元10接收第一温度传感器TI-201、第二温度传感器TI-202、冷侧水泵6和压力传感器PI-201的数据，通过温度数据以及压力数据控制冷侧水泵6频率，实现了装置自动化，节省人力去调节，方便应对各种温度、压力变化的情况，并且通过压力值的大小，确保了冷侧水泵6安全稳定的运行，提升了燃料电池水冷装置的安全性。

可选地，燃料电池水冷装置还包括第三温度传感器TI-203。

第三温度传感器TI-203位于冷侧水泵6输入端F61内，用于监测冷侧介质的温度。

第三温度传感器TI-203为操作者提供了冷侧介质的实时温度值，方便监测，保证冷侧介质足以能够带走燃料电池反应堆产生的热量。

本发明实施例还提供一种燃料电池水冷系统，该系统包括：燃料电池以及如上述中任意一项所述的燃料电池水冷装置。

燃料电池包括了燃料电池反应堆，燃料电池水冷装置中的热侧管路布置在燃料电池反应堆上，通过热侧管路内的冷却液，将燃料电池反应堆产生的热量带出燃料电池。本发明实施例通过水冷的方式，实现了大功率燃料电池在通风环境有限的条件下的冷却。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池水冷装置，其特征在于，包括：

热侧水泵、水-水换热器、冷侧水泵、电控三通阀、热侧管路和冷侧管路；

所述热侧水泵的输入端通过所述热侧管路与所述燃料电池冷却液输出端连接；所述热侧水泵的输出端与所述水-水换热器的第一输入端连接；所述水-水换热器的第一输出端与所述电控三通阀的第一输入端连接；所述水-水换热器的第二输出端为冷侧介质出口；所述水-水换热器的第二输入端与所述冷侧水泵的输出端连接；所述冷侧水泵的输入端为冷侧介质入口；所述电控三通阀的第二输入端与所述热侧水泵的输出端连接；所述电控三通阀的输出端与所述燃料电池冷却液输入端连接；

所述热侧管路与电池反应堆内部冷却流道连通。

所述冷侧管路与水-水换热器的冷源接口连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，所述水-水换热器包括多层薄膜式隔板。

3.根据权利要求1所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括水箱，所述水箱的输出端与所述热侧水泵输入端连接；所述水箱的输入端为冷却液补充口。

4.根据权利要求1所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括稳压罐，所述电控三通阀经过所述稳压罐与燃料电池冷却液输入端连接。

5.根据权利要求1所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括第一温度传感器和第二温度传感器；

所述第一温度传感器安装在所述电控三通阀的输出端的管道上，用于监测进入所述电池反应堆的冷却液温度；

所述第二温度传感器安装在所述燃料电池冷却液输出端的管道上，用于监测从所述电池反应堆抽出的冷却液温度。

6.根据权利要求5所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括处理单元，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、电控三通阀均与所述处理单元相连；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度大于第一预设值时，所述处理单元调节所述电控三通阀的第一输入端的开口流量增大，第二输入端的开口流量减小；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度小于第一预设值时，所述处理单元调节所述电控三通阀的第一输入端的开口流量减小，第二输入端的开口流量增大；

当所述第二温度传感器监测到所述冷却液温度小于或等于第二预设值时，所述处理单元调节所述电控三通阀的第一输入端开口关闭，第二输入端的开口开度最大；

所述第一预设值大于所述第二预设值。

7.根据权利要求5所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括处理单元，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述冷侧水泵均与所述处理单元相连；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度大于第一预设值，所述处理单元增大所述冷侧水泵的频率；

当所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度小于第一预设值，所述处理单元减小所述冷侧水泵的频率。

8.根据权利要求5所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括压力传感器；所述压力传感器位于所述冷侧水泵的输出端的管道上，用于监测所述冷侧水泵出口压力；

所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述冷侧水泵和所述压力传感器均与所述处理单元相连；

当满足所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度大于第一预设值、所述压力传感器监测到的所述冷侧水泵出口压力小于第三预设值中的至少一种时，所述处理单元增大所述冷侧水泵的频率；

当满足所述第一温度传感器监测到所述冷却液温度小于第一预设值、所述第二温度传感器监测到所述冷却液温度小于或等于第二预设值，以及所述压力传感器监测到的所述冷侧水泵出口压力大于第四预设值中的至少一种时，所述处理单元减小所述冷侧水泵的频率；

其中，所述第一预设值大于所述第二预设值；所述第四预设值大于所述第三预设值。

9.根据权利要求1所述的燃料电池水冷装置，其特征在于，还包括第三温度传感器；

所述第三温度传感器位于所述冷侧水泵的输入端的管道内，用于监测冷侧介质的温度。

10.一种燃料电池水冷系统，其特征在于，包括：

燃料电池以及如权利要求1-9中任意一项所述的燃料电池水冷装置。