CN112909295A - 一种应用喷雾式冷却的燃料电池堆冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用喷雾冷却的燃料电池堆冷却系统,可解决燃料电池动力系统在额定工况的散热问题,并起到收集和利用燃料电池电化学反应生成水的作用,具有冷却性能好和节约水的特点。该系统包括燃料电池堆、冷却水循环装置、冷凝集水装置和喷雾冷却系统;所述冷却水循环装置包括通过冷却水循环管道串联的散热器和循环泵;冷凝集水装置通过冷凝管道与燃料电池堆生成水出口相连;所述冷凝集水装置与喷雾冷却系统沿燃料电池堆排出水的水流方向通过管道依次相连;所述喷雾冷却系统通过喷嘴将冷凝水喷射在散热器上,通过液膜蒸发和强迫对流强化散热,实现所述燃料电池堆的高效冷却。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池冷却领域,尤其涉及一种燃料电池堆冷却系统。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,通常以氢气、甲醇或天然气为燃料,具有高效率、低噪音、对环境友好等优点。
燃料电池发电效率在50%左右,燃料电池在进行供电时会产生大量的热量,对于该部分热量若不及时进行散失会影响燃料电池的运行。燃料电池动力系统相对与传统的内燃机热负荷较大,传统内燃机只有约50%的热量需要被冷却系统带走,而燃料电池堆在极限工况下约90%的热量需要被冷却系统带走,因此燃料电池系统的散热需求远远大于传统内燃机。此外,燃料电池堆的工作温度区间较窄,相对而言对冷却系统的要求更高。
目前,燃料电池堆上设置有冷却流道,依靠冷却水将热量带到风冷散热器,通过自然风或散热风扇冷却散热器带走热量,散热效率较低,若散热器体积过小、散热风扇功率过低,在燃料电池动力系统额定工况运行时往往不能满足散热需求;且在燃料电池运作过程随着化学反应的进行会伴随着大量水分生成,如不加以利用会造成水资源浪费。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种应用喷雾式冷却的燃料电池堆冷却系统,可解决燃料电池冷却系统在额定工况的散热问题,并起到收集和利用燃料电池电化学反应生成水的作用,具有冷却性能好和节约水的特点。
为了解决上述技术问题,本发明是这样实现的。
一种利用喷雾冷却的燃料电池堆冷却系统,所述冷却系统包括燃料电池堆、冷却水循环装置、冷凝集水装置和喷雾冷却系统;
所述冷却水循环装置包括散热器、循环泵及冷却水循环管道;所述冷却水循环管道的入口连接至燃料电池堆冷却水出口,所述冷却水循环管道的出口连接至燃料电池堆冷却水入口;所述散热器及循环泵沿冷却水循环管道的水流方向设置在所述冷却水循环管道上;
所述冷凝集水装置通过冷凝管道与燃料电池堆生成水出口相连;所述冷凝集水装置与喷雾冷却系统沿燃料电池堆排出水的水流方向通过管道依次相连;
所述喷雾冷却系统通过喷嘴将冷凝水喷射在散热器上,通过液膜蒸发和强迫对流换热强化散热,实现所述燃料电池堆的冷却。
优选地,所述散热器上设置有散热风扇。
优选地,所述喷雾冷却系统的喷嘴和所述散热器的散热风扇布局方式为顶置式,散热风扇吹出的冷却风与喷雾液滴运动方向一致;或者,所述喷雾冷却系统的喷嘴和所述散热器的散热风扇布局方式为侧置式,散热风扇置于散热器一侧,喷嘴置于散热风扇所在侧的散热器斜上方。
优选地,所述冷凝集水装置包括冷凝缓冲器和水槽,冷凝缓冲器用于冷凝液化燃料电池堆反应生成的水分;水槽用于储存反应生成的水,作为喷雾冷却系统的冷却液的来源。
优选地,所述水槽为分隔式水槽,包括多个分隔间;冷凝缓冲器向水槽的每个分隔间传送生成水分的管路上设置入口单向阀,且每个分隔间通过带有出口单向阀的管路连通所述喷雾冷却系统;所述入口单向阀用于控制冷凝缓冲器的生成水分是否进入相应分隔间,所述出口单向阀用于控制所述分隔中冷却水的使用与否;对于同一分隔间,进入反应生成水的同时,出口单向阀关闭。
优选地,所述分隔式水槽的分隔数量随工况需求而进行调整。
优选地,所述喷雾冷却系统包括沿燃料电池堆排出水方向依次串联的水泵、过滤器、调压阀和喷嘴。
优选地,所述喷雾冷却系统的管道上设置有第一温度传感器和压力传感器,所述燃料电池系统中燃料电池堆内部设置第二温度传感器;所述第一温度传感器和第二温度传感器分别用于监控水循环温度和燃料电池温度,决定喷雾时间和喷雾量;所述压力传感器用于监控喷雾压力,喷雾压力用于校对调压阀并提供调压阀调整喷雾压力的依据。
有益效果:
(1)燃料电池动力系统在运作时,电池堆内部时刻发生电化学反应并生成水分,如不加以利用直接排放到环境中,会造成浪费。本发明中设置了冷凝集水装置,利用冷凝相变的原理将反应水分收集并供给喷雾冷却系统利用,提高冷却系统冷却性能的同时还起到了节约水资源的作用。
(2)冷凝集水装置采用分隔式水槽存储冷凝水,并分别控制每个分隔间中存水的输出,从而给予温度较高的冷凝水一定的冷却时间。
(3)在一优选实施例中,循环泵选择为叶片泵,叶片泵具有流量均匀,运行平稳且噪声小的特点,可以进一步减小燃料电池堆冷却系统的体积。
(3)喷雾冷却系统管道上设置有调压阀和传感器,可以监测喷雾温度和压力;在燃料电池堆工况发生变化时,系统的发热量也会随之变化,可根据对调压阀的控制改变喷雾流量的大小改变散热量。
(4)散热风扇和喷嘴的布置方式可以灵活选择。喷嘴和散热风扇置于同一侧时,散热风扇吹出的冷却风与喷雾液滴运动方向一致,可加速液滴蒸发冷却;散热风扇置于散热器侧面,喷嘴置于散热风扇同侧且位于散热器斜上方时,风扇吹出的冷却风可均匀到达散热器各个受热部位,散热器热分布均匀性较好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃料电池堆冷却系统的工作原理图。
图2为本发明实施例提供的燃料电池堆冷却系统的分隔式水槽的具体结构示意图;
图3为本发明实施例提供的燃料电池堆冷却系统中喷嘴和冷却风扇的一种结构示意图;
图4为本发明实施例提供的燃料电池堆冷却系统中喷嘴和冷却风扇的另一种结构示意图;
图中,1-燃料电池堆,2-冷凝缓冲器,3-水槽(分隔式水槽),4-水泵,5-过滤器,6-调压阀,7-喷嘴,8-散热器,9-循环泵,10-隔板,11a-出口单向阀,11b-入口单向阀,12-散热风扇,13-冷却水循环管道,14-分隔间,15温度传感器,16-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种应用喷雾冷却技术的燃料电池堆冷却系统,该燃料电池堆冷却系统包括燃料电池堆1、冷却水循环装置、冷凝集水装置和喷雾冷却系统;在该燃料电池堆冷却系统中,采用液态水作为燃料电池堆的冷却工质;燃料电池堆冷却系统的原理可以参考图1;所述冷却水循环装置包括散热器8、循环泵9及冷却水循环管道13;所述冷却水循环管道13设置有冷却水循环管道入口和冷却水循环管道出口;所述冷却水循环管道入口连接至燃料电池堆冷却水出口,冷却水循环管道出口连接至燃料电池堆冷却水入口;所述散热器8及循环泵9沿冷却水循环管道13的水流方向设置在所述冷却水循环管道13上;作为冷却工质的液态水在循环泵9的驱动下循环流动于循环通路中。
所述循环泵9用于驱动冷却液即液态水在所述冷却水循环管道13中循环流动。所用循环泵为满足冷却流量要求的任意类型泵,可以为叶片式泵或容积式泵。本实施例中循环泵9选择为叶片泵,叶片泵具有流量均匀,运行平稳且噪声小的特点。此外,叶片泵的结构紧凑,体积小,可以进一步减小燃料电池堆冷却系统的体积。
所述冷凝集水装置包括冷凝缓冲器2和水槽3,通过冷凝管道与燃料电池堆生成水出口相连。在燃料电池内部水的气液两相中存在一个动态平衡,在冷凝缓冲器2工作时,冷凝缓冲器处的水蒸气冷凝相变,由于燃料电池堆出口处的水蒸气浓度减小,从而促进燃料电池内部的液滴的蒸发,使得电池内部水分向冷凝缓冲器2转移,实现回收燃料电池反应生成水的目的,最后将收集的水储存于水槽3中作为喷雾冷却系统的冷却液的来源。
燃料电池排出的水温通常在60℃-70℃之间,温度较高,不能立即作为喷雾冷却系统的冷却液,需冷却后才能利用,因此本发明一优选实施方案在水槽3空间用隔板10隔开,从而形成多个分隔间,称为分隔式水槽。水槽中分隔间的数量根据燃料电池动力系统工况的需求而设置,可以设置为2,3,4个或更多,本实施例中采用1个隔板,2个分隔间,各个分隔间通过阀门独立控制其使用和关闭。
如图2所示的分隔式水槽控制方案,其包括了分隔间14、隔板10、出口单向阀11a和入口单向阀11b。冷凝缓冲器向水槽的每个分隔间传输生成水分的管路上分别设置入口单向阀11b,每个分隔间通过带有出口单向阀11a的管路连通所述喷雾冷却系统。入口单向阀11b用于控制冷凝缓冲器的生成水分是否进入相应的分隔间,出口单向阀11a用于控制所述分隔间中冷却水的使用与否。对于同一分隔间,进入反应生成水的同时,出口单向阀关闭。
图2所示方案在使用时,燃料电池动力系统运行时,打开分隔式水槽任一分隔间的入口单向阀收集水并同时进行冷却,待收集满之后关闭该入口单向阀(需要安装传感器进行液位检测),打开另一分隔间的入口单向阀进行收集和冷却。当燃料电池动力系统在额定工况运行时,散热量增大,此时打开已冷却好的分隔间的出口单向阀,给喷雾冷却系统提供冷却水,喷雾冷却系统开始工作,即可满足燃料电池动力系统在额定工况运行时的散热需求。
所述冷凝集水装置与喷雾冷却系统沿燃料电池堆排出水的水流方向通过管道依次相连;所述喷雾冷却系统包括水泵4和喷嘴7,本案例中设置了7个喷嘴,还可以进一步包括过滤器5和调压阀6;所述水泵4、过滤器5、调压阀6及喷嘴7通过管道沿燃料电池堆排出水方向依次串联;所述喷雾冷却系统管道上设置有第一温度传感器15和压力传感器16,燃料电池系统中燃料电池堆内部设置第二温度传感器;第一温度传感器15用于监控水循环温度,第二温度传感器用于监控燃料电池温度,通过温度监控决定喷雾时间和喷雾量;所述压力传感器16用于监控喷雾压力,依据喷雾压力校对调压阀并调整喷雾压力,即调整喷雾流量,在燃料电池堆工况发生变化时,系统的发热量也会随之变化,可根据对调压阀的控制改变喷雾流量的大小改变散热量。
根据以上说明,散热器8和喷雾冷却系统设置方案可以有如图3、图4两种。如图3所示顶置式结构为本案例所采用,7个喷嘴置于散热器上方,散热风扇12置于散热器8和喷嘴7上方。这种方案中,喷嘴7和散热风扇12置于同一侧,散热风扇12吹出的冷却风与喷雾液滴运动方向一致,可加速液滴蒸发冷却。此外,还可以有如图4所示侧置式结构,散热风扇12置于散热器8左侧,7个喷嘴置于散热器8斜左上方,这种方案中,风扇吹出的冷却风可均匀到达散热器8各个受热部位,散热器8热分布均匀性较好。
在上述燃料电池堆冷却系统中,采用液态水作为冷却工质,通过循环泵9的作用使冷却水在冷却水循环管道13中循环流动,温度较低的冷却水通过冷却水循环管道13流入所述燃料电池堆1,随后与燃料电池堆1发生热交换,冷却水升温,带走所述燃料电池堆1产生的反应热。升温后的冷却水随之流入散热器8,此时喷雾冷却系统开始工作,将反应生成水细化为喷雾并将喷雾喷洒在散热器8的翅片上,通过液膜蒸发和强迫对流等单相换热方式带走燃料电池堆1产生的热量。通常一般的风冷散热器是通过翅片与空气自然对流实现散热的,换热密度仅为10W/cm2左右,而通过喷雾冷却系统实现散热,换热密度可达到100W/cm2以上,可大幅度提高燃料电池堆1的冷却性能;可在保证燃料电池的平均温度不变的前提下使燃料电池堆1设计更少或者尺寸更小的冷却流道,或是可据此降低散热器8的体积、面积和散热风扇12的耗功。从而减少燃料电池堆1所占的体积,或在有限的空间中放置更多的反应单元,可以相应提高燃料电池动力系统的体积功率密度。
为了验证方案的可行性,本发明对60kW功率的燃料电池堆的产生水和喷雾冷却系统耗水量进行了计算。
由燃料电池原理及法拉第第一定律可得电化学中氢气的消耗速率:
其中参数的含义和数值根据下表选取
根据燃料电池内部化学反应式:
氢气的消耗速率(mol/s)即等于水的生成速率(mol/s),可计算电化学反应生产水的速率为:Qm,H2O=8.055g/s。
燃料电池堆产生的热量为反应的化学能减去实际输出的电能,以功率的形式可以表示为:
Q=σP(1-η)
式中,Q为电堆冷却系统散热量,σ表示冷却系统带走的热量占电堆散热量的百分比,通常取0.95,P为电堆的功率,选取60kW,一般燃料电池的效率在50%左右,取η为0.5。求得60kW燃料电池动力系统所需散热器散热功率为57kW。
假设喷雾在散热器上全部吸热蒸发,水的比热c为4.2kJ/(kg℃),水的汽化潜热γ为2260kJ/kg,则喷雾冷却系统散热功率为,
Qspr=cQm,H2OΔT+Qm,H2Oγ
求得Qspr=20.6kW,即喷雾冷却系统带走的功率为20.6kW,约为燃料电池堆散热功率的36.1%,即在设计60kW燃料电池的散热器时,若使用一般的风冷散热器,则需要散热器散热功率高达57kW。若冷却系统应用喷雾冷却技术,则仅需要36.4kW的散热器。结合散热器本身的散热功率既可满足燃料电池动力系统在额定工况的散热需求,又不需要外部水源也能维持喷雾冷却系统的运行,并可据此降低散热器的体积、面积和散热风扇的耗功。
燃料电池动力系统在运作时,电池堆内部时刻发生电化学反应并生成水分,如不加以利用直接排放到环境中,会造成浪费。本发明中设置了冷凝集水装置,利用冷凝相变的原理将反应水分收集并供给喷雾冷却系统利用,提高冷却系统冷却性能的同时还起到了节约水资源的作用。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理,该描述中的部件形状,名称可以不同,不受限制。所以,本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换;而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案,均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用喷雾冷却的燃料电池堆冷却系统,其特征在于,所述冷却系统包括燃料电池堆、冷却水循环装置、冷凝集水装置和喷雾冷却系统;
所述冷却水循环装置包括散热器、循环泵及冷却水循环管道;所述冷却水循环管道的入口连接至燃料电池堆冷却水出口,所述冷却水循环管道的出口连接至燃料电池堆冷却水入口;所述散热器及循环泵沿冷却水循环管道的水流方向设置在所述冷却水循环管道上;
所述冷凝集水装置通过冷凝管道与燃料电池堆生成水出口相连;所述冷凝集水装置与喷雾冷却系统沿燃料电池堆排出水的水流方向通过管道依次相连;
所述喷雾冷却系统通过喷嘴将冷凝水喷射在散热器上,通过液膜蒸发和强迫对流换热强化散热,实现所述燃料电池堆的冷却。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆冷却系统,其特征在于,所述散热器上设置有散热风扇。
3.如权利要求2所述的喷雾冷却系统,其特征在于,所述喷雾冷却系统的喷嘴和所述散热器的散热风扇布局方式为顶置式,散热风扇吹出的冷却风与喷雾液滴运动方向一致;
或者,所述喷雾冷却系统的喷嘴和所述散热器的散热风扇布局方式为侧置式,散热风扇置于散热器一侧,喷嘴置于散热风扇所在侧的散热器斜上方。
4.如权利要求1所述的燃料电池堆冷却系统,其特征在于,所述冷凝集水装置包括冷凝缓冲器和水槽,冷凝缓冲器用于冷凝液化燃料电池堆反应生成的水分;水槽用于储存反应生成的水,作为喷雾冷却系统的冷却液的来源。
5.如权利要求4所述的冷凝集水装置,其特征在于,所述水槽为分隔式水槽,包括多个分隔间;冷凝缓冲器向水槽的每个分隔间传送生成水分的管路上设置入口单向阀(11b),且每个分隔间通过带有出口单向阀(11a)的管路连通所述喷雾冷却系统;所述入口单向阀(11b)用于控制冷凝缓冲器的生成水分是否进入相应分隔间,所述出口单向阀(11a)用于控制所述分隔间中冷却水的使用与否;对于同一分隔间,进入反应生成水的同时,出口单向阀(11a)关闭。
6.如权利要求5所述的冷凝集水装置,其特征在于,所述分隔式水槽的分隔间数量随工况需求而进行调整。
7.如权利要求1所述的燃料电池堆冷却系统,其特征在于,所述喷雾冷却系统包括沿燃料电池堆排出水方向依次串联的水泵、过滤器、调压阀和喷嘴。
8.如权利要求7所述的喷雾冷却系统,其特征在于,所述喷雾冷却系统的管道上设置有第一温度传感器和压力传感器,所述燃料电池系统中燃料电池堆内部设置第二温度传感器;所述第一温度传感器和第二温度传感器分别用于监控水循环温度和燃料电池温度,决定喷雾时间和喷雾量;所述压力传感器用于监控喷雾压力,喷雾压力用于校对调压阀并提供调压阀调整喷雾压力的依据。
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