CN111653804A - 燃料电池的散热器、散热系统和车辆 - Google Patents

燃料电池的散热器、散热系统和车辆 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种燃料电池的散热器和散热系统、以及车辆，燃料电池的散热器包括散热器壳体(31)和集成固定在所述散热器壳体上的多个风扇(32)，所述散热器壳体(31)内具有通过隔离腔(30)相隔开的第一散热回路(111)和第二散热回路(112)，所述第一散热回路用于燃料电池堆(4)的散热，所述第二散热回路(112)用于燃料电池附件(5)的散热。将用于燃料电池堆的散热器和用于燃料电池附件的散热器集成设计为一个散热器，即，将燃料电池堆的散热和燃料电池附件的散热并联起来，共用一组风扇，通过两个独立的散热回路分别完成电池堆的散热和附件的散热，能够充分利用并联式散热器的散热能力，保证散热效率最大化，同时提高了空间的利用效率。

Description

燃料电池的散热器、散热系统和车辆
技术领域
本公开涉及燃料电池的散热领域，具体地，涉及一种燃料电池的散热器、散热系统和车辆。
背景技术
燃料电池，作为一种直接将化学能转化为电能的发电装置，具有零排放、无污染、效率高、噪声低等优点，在交通领域具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力，但是，燃料电池的输出功率越高，产生的热量越多，如果这些热量不能及时有效释放，将严重影响燃料电池的寿命，因此，燃料电池的散热是必须要解决的问题之一。相关技术中，用于燃料电池的散热系统包括用于燃料电池堆散热的主散和用于附件，例如空压机、氢泵等散热的辅散，两者相互独立，并且，通常情况下，主散需要六个电子风扇的散热器，刚好可以满足燃料电池堆在最佳状态的峰值功率的散热需求，随着燃料电池的使用，六个电子风扇的散热器就难以满足电池衰减20％后的峰值功率的散热需求；对于辅散来说，一个电子风扇的散热器无法满足附件散热的散热需求，而两个电子风扇的散热器又会造成风扇利用率低，这样，造成主散无法满足燃料电池堆衰减之后的散热需求，而辅散的散热量却有冗余。
发明内容
本公开的第一个目的是提供一种燃料电池的散热器，该散热器能够解决现有的散热器中主散无法满足燃料电池堆衰减之后的散热需求，而辅散的散热量却有冗余的技术问题。
本公开的第二个目的是提供一种燃料电池的散热系统，该散热系统包括本公开提供的燃料电池的散热器。
本公开的第三个目的是提供一种车辆，该车辆包括本公开提供的燃料电池的散热器或燃料电池的散热系统。
为了实现上述目的，本公开提供一种燃料电池的散热器，包括散热器壳体和集成固定在所述散热器壳体上的多个风扇，所述散热器壳体内具有通过隔离腔相隔开的第一散热回路和第二散热回路，所述第一散热回路用于燃料电池堆的散热，所述第二散热回路用于燃料电池附件的散热。
可选地，多个所述风扇整齐排布在所述散热器壳体的外壁上，以分别用于对所述第一散热回路和所述第二散热回路中流通的冷却液散热。
可选地，所述第一散热回路中流通的是乙二醇和去离子水，所述第二散热回路中流通的是乙二醇和水。
根据本公开的第二个方面，还提供一种燃料电池的散热系统，包括燃料电池堆、燃料电池附件以及与所述燃料电池堆和所述燃料电池附件相连接的散热器，所述散热器为上述的燃料电池的散热器，所述燃料电池堆接入所述散热器的第一散热回路中，所述燃料电池附件接入所述散热器的第二散热回路中。
可选地，所述散热系统还包括接入所述第一散热回路中与所述燃料电池堆相并联的第一热量回收支路，以及接入所述第二散热回路中与所述燃料电池附件相并联的第二热量回收支路。
可选地，根据所述燃料电池堆和所述燃料电池附件工作峰值时的产热量确定所述隔离腔在所述散热器壳体内的位置、以及所述风扇的数量。
可选地，根据所述第一散热回路和所述第二散热回路的散热量分别确定用于所述燃料电池堆的风扇的数量和用于所述燃料电池附件的风扇的数量。
可选地，根据所述第一散热回路和所述第二散热回路的散热量控制多个所述风扇开启或关闭。
可选地，所述第一散热回路和所述第二散热回路上分别设置有水泵，所述燃料电池附件至少包括空压机和氢泵中的一者。
根据本公开的第三个方面，还提供一种车辆，所述车辆包括上述的燃料电池的散热器或上述的燃料电池的散热系统。
通过上述技术方案，将用于燃料电池堆的散热器和用于燃料电池附件的散热器集成设计为一个散热器，即，将燃料电池堆的散热和燃料电池附件的散热并联起来，共用一组风扇，通过两个独立的散热回路分别完成电堆的散热和附件的散热，能够充分利用并联式散热器的散热能力，保证散热效率最大化，同时提高了空间的利用效率。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是相关技术中用于燃料电池堆散热的散热器的结构示意图；
图2是相关技术中用于燃料电池附件散热的散热器的结构示意图；
图3是本公开一示例性实施方式提供的燃料电池的散热器的结构示意图；
图4是本公开一示例性实施方式提供的燃料电池的散热系统的结构示意图；
图5是本公开一示例性实施方式提供的燃料电池的散热器的设计流程图；
图6是本公开一示例性实施方式提供的燃料电池的散热器的设计流程图。
附图标记说明
11 燃料电池堆散热器壳体 12 燃料电池堆散热风扇
21 燃料电池附件散热器壳体 22 燃料电池附件散热风扇
31 散热器壳体 32 风扇
33 隔板 4 燃料电池堆
5 燃料电池附件 6 水泵
7 车厢 8 动力电池
111 第一散热回路 112 第二散热回路
113 第一热量回收支路 114 第二热量回收支路
30 隔离腔
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内”、“外”通常是指轮廓的内和外，此外，本公开中使用的术语“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性，下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
如图1所示，燃料电池堆散热器壳体11上集成有六个燃料电池堆散热风扇12，用于燃料电池堆的散热，该散热器能够满足燃料电堆衰减20％前的额定功率的散热，但无法满足燃料电堆衰减20％后的额定功率的散热，增加风扇的数量势必造成风扇利用率降低的问题。如图2所示，燃料电池附件散热器壳体21上集成有两个燃料电池附件散热风扇22，用于燃料电池附件的散热，燃料电池附件的散热需要20KW左右，集成有一个风扇的散热器的散热量难以满足散热需求，两个风扇的散热器同样存在利用率低的问题。另外，在现有的燃料电池系统中，电池堆的散热和附件的散热相互独立，占用较大空间，且散热效率低。
针对上述问题，如图3和图4所示，本公开提供一种燃料电池的散热器，该散热器包括散热器壳体31和集成固定在散热器壳体31上的多个风扇32，散热器壳体31内具有通过隔离腔30相隔开的第一散热回路111和第二散热回路112，第一散热回路111用于燃料电池堆4的散热，第二散热回路112用于燃料电池附件5的散热。这里，需要说明的是，燃料电池附件5可以为空压机、氢泵等，此处不做任何限制，且本公开提供的散热器是基于燃料电池堆4的散热和燃料电池附件5的散热采用不同的冷却液的情况进行的相关设计。
通过上述技术方案，将用于燃料电池堆4的散热器和用于燃料电池附件5的散热器集成设计为一个散热器，即，将燃料电池堆4的散热和燃料电池附件5的散热并联起来，共用一组风扇32，通过两个独立的散热回路分别完成燃料电池堆4的散热和燃料电池附件6的散热，能够充分利用并联式散热器的散热能力，保证散热效率最大化，同时提高了空间的利用效率。
隔离腔30、第一散热回路111以及第二散热回路112在散热器壳体1内的形成方式可以有多种。具体地，在本实施方式中，散热器壳体31内形成有多条相互流通的流道，散热器壳体1内设置有穿过流道且两端分别延伸至散热器壳体31的内壁上的两块隔板33，两块隔板33之间的空腔形成为隔离腔30，这样，可将第一散热回路111和第二散热回路112中流通的冷却液进行隔离，防止冷却液通过隔板33进行热量的传递。在其他实施方式中，隔板33可以与流道一体成型，以保证隔板33的安装强度，实现对两个散热回路的分隔作用。
风扇32的数量此处不做任何限制，在本实施方式中，风扇32可以为八个且整齐排布在散热器壳体31的外壁上，以分别用于对第一散热回路111和第二散热回路112中流通的冷却液散热，风扇32的数量可以根据燃料电池堆4和燃料电池附件5的散热需求适当增加或减少，保证既能够满足散热需求，同时不会造成散热量存在冗余。由于燃料电池堆4是通过电化学反应产生电能，如果冷却液中有离子，会影响燃料电池堆的反应，降低电池堆寿命，因此，第一散热回路111中流通的是去离子冷却液(50％乙二醇+50％去离子水)，第二散热回路112中流通的是普通的冷却液，例如乙二醇和水，能够保证对燃料电池堆4和燃料电池附件5的散热效果。在其他实施方式中，第二散热回路112中流通的还可以是水，此处不做任何限制。通过对散热器壳体31内冷却液的流量和风扇32的数量进行相关设计，在保证散热效果的前提下，第一散热回路111和第二散热回路112中可以流通相同的冷却液，均属于本公开的保护范围。
根据本公开的第二个方面，如图4所示，还提供一种燃料电池的散热系统，该散热系统包括燃料电池堆4、燃料电池附件5以及与燃料电池堆4和燃料电池附件5相连接的散热器，其中，所述散热器即为上文介绍的燃料电池的散热器，燃料电池堆4接入散热器的第一散热回路111中，燃料电池附件5接入散热器的第二散热回路112中。第一散热回路111中流通的冷却液能够带走燃料电池堆4工作过程中产生的热量，第二散热回路112中流通的冷却液能够带走燃料电池附件5工作过程中产生的热量，并且风扇32能够带走第一散热回路111和第二散热回路112中流通冷却液的热量，实现热量的有效释放，提高燃料电池的使用寿命。
进一步地，本公开提供的燃料电池的散热系统还包括接入第一散热回路111中与燃料电池堆4相并联的第一热量回收支路113，以及接入第二散热回路112中与燃料电池附件5相并联的第二热量回收支路114。具体地，第一热量回收支路113可以为用于车厢7供暖的板式换热器，在环境温度降低时，通过换热器用燃料电池堆4产生的热量给车厢7供暖，第二热量回收支路114可以为用于动力电池8保温的板式换热器，通过换热器用燃料电池附件5产生的热量给动力电池8保温，将燃料电池工作过程中产生的热量充分利用起来。
进一步地，为了使冷却液能够在相应的散热回路中流动起来，第一散热回路111和第二散热回路112中分别设置有用于提供动力的水泵6。
在该散热系统中，可以通过控制散热器壳体31中冷却液的流量、风扇32的数量和转速，以及隔离腔30所在的位置来同时满足燃料电池堆4和燃料电池附件5的散热需求，保证散热效率达到最大化。具体的，根据燃料电池堆4和燃料电池附件5工作峰值时的产热量确定隔离腔30在散热器壳体1内的位置和风扇32的数量。根据第一散热回路111和第二散热回路112的散热量分别确定用于燃料电池堆4的风扇的数量和用于燃料电池附件5的风扇的数量。
另外，在本公开提供的燃料电池的散热系统运行过程中，可以包括与多个风扇32相连接的控制器，控制器用于根据所述第一散热回路111和所述第二散热回路112的散热量控制多个风扇32开启或关闭。例如，在燃料电池堆4衰减前，第一散热回路111能够满足电池堆的散热需求，此时，可以控制用于燃料电池堆4的风扇中的部分风扇开启，当燃料电池堆4工作一段时间发生衰减后，产热量增加，控制器可将剩余未开启的风扇打开，以增加散热量。该控制方式同样适用于燃料电池附件5的风扇，在保证散热效果的同时能够避免能源的浪费，节约能耗。
更具体地，在本公开提供的燃料系统进行设计时可参考以下过程，如图5所示，步骤101，确定第一散热回路111中水泵的流量和扬程，在该步骤中，如图6所示，根据燃料电池堆4不同功率点工作时的产热量，先初步设定水泵的流量，并计算第一散热回路111中压力损失，通过该压力损失选出合适流量和扬程的水泵；
步骤102，确定第二散热回路112中水泵的流量和扬程，在该步骤中，如图6所示，根据燃料电池附件5不同功率点工作时的产热量，先初步设定水泵的流量，并计算第二散热回路112中压力损失，通过该压力损失选出合适流量和扬程的水泵；
步骤103，根据燃料电池堆4不同功率点的产热量，设计第一散热回路111中散热器的流道，并计算流道的压力损失；
步骤104，根据燃料电池附件5不同功率点的产热量，设计第二散热回路112中散热器的流道，并计算流道的压力损失；
步骤105，根据燃料电池堆4和燃料电池附件5的总产热量，确定风扇32的总数目；
步骤106，根据水泵的流量、扬程、流道的压损，分别确定第一散热回路111中散热器的散热量和第二散热回路112中散热器的散热量；
步骤107，根据散热量分别计算燃料电池堆4占用风扇的比例和燃料电池附件5占用风扇的比例；
步骤108，确定用于燃料电池堆4的风扇的数量和用于燃料电池附件5的风扇的数量。
根据本公开的第三个方面，还提供一种车辆，所述车辆包括上述的燃料电池的散热器或上述的燃料电池的散热系统，该车辆具有上述散热器和散热系统的所有有益效果，此处不做过多赘述。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种燃料电池的散热器，包括散热器壳体(31)和集成固定在所述散热器壳体(31)上的多个风扇(32)，其特征在于，所述散热器壳体(31)内具有通过隔离腔(30)相隔开的第一散热回路(111)和第二散热回路(112)，所述第一散热回路(111)用于燃料电池堆(4)的散热，所述第二散热回路(112)用于燃料电池附件(5)的散热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的散热器，其特征在于，多个所述风扇(32)整齐排布在所述散热器壳体(31)的外壁上，以分别用于对所述第一散热回路(111)和所述第二散热回路(112)中流通的冷却液散热。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的散热器，其特征在于，所述第一散热回路(111)中流通的是乙二醇和去离子水，所述第二散热回路(112)中流通的是乙二醇和水。
4.一种燃料电池的散热系统，其特征在于，包括燃料电池堆(4)、燃料电池附件(5)以及与所述燃料电池堆(4)和所述燃料电池附件(5)相连接的散热器，所述散热器为根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池的散热器，所述燃料电池堆(4)接入所述散热器的第一散热回路(111)中，所述燃料电池附件(5)接入所述散热器的第二散热回路(112)中。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的散热系统，其特征在于，所述散热系统还包括接入所述第一散热回路(111)中与所述燃料电池堆(4)相并联的第一热量回收支路(113)，以及接入所述第二散热回路(112)中与所述燃料电池附件(5)相并联的第二热量回收支路(114)。
6.根据权利要求4所述的燃料电池的散热系统，其特征在于，根据所述燃料电池堆(4)和所述燃料电池附件(5)工作峰值时的产热量确定所述隔离腔(30)在所述散热器壳体(31)内的位置、以及所述风扇(32)的数量。
7.根据权利要求4所述的燃料电池的散热系统，其特征在于，根据所述第一散热回路(111)和所述第二散热回路(112)的散热量分别确定用于所述燃料电池堆(4)的风扇的数量和用于所述燃料电池附件(5)的风扇的数量。
8.根据权利要求4所述的燃料电池的散热系统，其特征在于，根据所述第一散热回路(111)和所述第二散热回路(112)的散热量控制多个所述风扇(32)开启或关闭。
9.根据权利要求4所述的燃料电池的散热系统，其特征在于，所述第一散热回路(111)和所述第二散热回路(112)上分别设置有水泵(6)，所述燃料电池附件(5)至少包括空压机和氢泵中的一者。
10.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池的散热器或根据权利要求4-9中任一项所述的燃料电池的散热系统。
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