CN112993321A - 一种用于燃料电池的冷却液循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的冷却液循环系统，燃料电池包括电堆，冷却液循环系统包括：与电堆连接的阴极燃料供给回路，阴极燃料供给回路中设有增湿器；与增湿器连接的水汽分离及增压装置；以及与电堆连接的冷却液循环回路；其中，冷却液循环回路中设有置换装置，置换装置与所述水汽分离及增压装置连接，水汽分离及增压装置能够将电堆生产的水与通过阴极燃料供给回路排出的废气分离并进行收集，并对分离出的水进行增压，以保持水的压力与冷却液循环回路的压力一致，进而能够通过置换装置将水汽分离及增压装置分离出的水与冷却液循环回路中的冷却液进行实时置换，从而完成冷却液的实时更换。

Description

一种用于燃料电池的冷却液循环系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地涉及一种用于燃料电池的冷却液循环系统。

背景技术

近年来，燃料电池作为环保的能源，其应用越来越广泛。燃料电池的反应机理为催化剂将阳极的氢气与阴极的氧气分解为离子状态，阳极的氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子通过外部回路到达阴极并与阴极的氧离子进行结合，从而产生热量。燃料电池的反应为电子交换过程，如果燃料电池冷却液离子浓度高，将会对腐蚀电堆，并且导致电堆的绝缘性能大大降低，汽车用燃料电池产生的电压较高，存在安全隐患。随着燃料电池系统工作的时间越来越长，各种杂质会渗透至冷却系统中，冷却液的离子浓度会逐步升高，从而降低了燃料电池的绝缘性能和使用寿命，这需要定期更换去离子水(冷却液)，从而影响燃料电池的正常使用，且更换效率低。此外，现有的燃料电池的冷却系统回路中设有去离子器，这导致燃料电池的成本很高。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于燃料电池的冷却液循环系统，其能够持续的置换燃料电池冷却系统中的冷却液，从而使冷却液的离子浓度保持在一个合理水平，非常有利与延长燃料电池的寿命和保证燃料电池的绝缘性能。

为此，根据本发明提供了一种用于燃料电池的冷却液循环系统，所述燃料电池包括电堆，所述冷却液循环系统包括：与所述电堆连接的阴极燃料供给回路，所述阴极燃料供给回路中设有增湿器；与所述增湿器连接的水汽分离及增压装置；以及与所述电堆连接的冷却液循环回路；其中，所述冷却液循环回路中设有置换装置，所述置换装置与所述水汽分离及增压装置连接，所述水汽分离及增压装置能够将所述电堆生产的水与通过所述阴极燃料供给回路排出的废气分离并进行收集，并对分离出的水进行增压，以保持水的压力与所述冷却液循环回路的压力一致，进而能够通过所述置换装置将所述水汽分离及增压装置分离出的水与所述冷却液循环回路中的冷却液进行实时置换，从而完成冷却液的实时更换。

在一个实施例中，所述水汽分离及增压装置设有入口端、与所述入口端相对设置的废气排出端，以及用于排出分离出的水的增压出水口，所述入口端与所述增湿器连接，所述增压出水口与所述置换装置连接。

在一个实施例中，所述置换装置设有置换水入口和置换水出口，所述置换水入口与所述增压出水口相连，所述置换水出口与所述废气排出端相连且共同连接有混排口，所述混排口用于混合废气和置换出的冷却液并排出。

在一个实施例中，所述置换装置还设有第一连接口和第二连接口，所述置换装置通过所述第一连接口和所述第二连接口连接到所述冷却液循环回路中。

在一个实施例中，所述冷却液循环回路包括用于连接所述电堆的冷却液入口和冷却液出口，在所述冷却液入口和所述冷却液出口之间设有并联的加热器和散热器，所述加热器和所述散热器不同时工作，在第一工作状态下，所述加热器接入所述冷却液循环回路中而形成电堆内循环加热回路，用于提升所述电堆的内部工作温度，在第二工作状态下，所述散热器接入所述冷却液循环回路中而形成电堆外循环降温回路，用于降低冷却液的温度，从而降低所述电堆内的工作温度。

在一个实施例中，在所述加热器和所述散热器的入口设有节温器，所述节温器能够切换连通所述加热器或所述散热器，从而完成所述第一工作状态和所述第二工作状态之间的切换。

在一个实施例中，在所述冷却液出口与所述节温器之间设有水泵。

在一个实施例中，在所述散热器的出口连接有散热水箱。

在一个实施例中，还包括与所述电堆连接的阳极燃料供给回路，所述电堆设有用于连接所述阳极燃料供给回路的阳极入口和阳极出口，以及用于连接所述阴极燃料供给回路的阴极入口和阴极出口，所述阳极入口、所述阳极出口与所述阴极入口、所述阴极出口分别相对设置，且所述阴极入口和所述阴极出口分别与所述增湿器连接。

在一个实施例中，所述阴极燃料供给回路中还设有空压机及中冷器，所述空压机及中冷器的出口与所述增湿器相连。

与现有技术相比，本发明的优点之处在于：

根据本发明的用于燃料电池的冷却液循环系统利用燃料电池系统生成的水收集之后置换进入燃料电池电堆冷却循环系统，完成对原系统中的冷却液的替换，且其能够持续的置换燃料电池冷却系统中的冷却液，以使冷却液的离子浓度保持在一个合理水平，这非常有利与延长燃料电池的寿命和保证燃料电池的绝缘性能。并且，通过置换装置实时置换燃料电池冷却系统中的冷却液，能够避免定期更换去离子水，提高了更换效率，避免了对燃料电池的正常工作产生影响。此外，通过该冷却液循环系统能够避免在冷却液循环回路中使用去离子器，从而显著降低了成本。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的用于燃料电池的冷却液循环系统的结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

图1显示了根据本发明的用于燃料电池的冷却液循环系统100的结构。如图1所示，燃料电池包括电堆10。冷却液循环系统100用于对燃料电池的电堆10进行冷却。冷却液循环系统100包括与电堆10连接的阳极燃料供给回路和阴极燃料供给回路。阳极燃料供给回路用于给电堆提供阳极燃料(氢气)，阴极燃料供给回路用于给电堆提供阴极燃料(氧气)。电堆10设有用于连接阳极燃料供给回路的阳极入口11和阳极出口12，以及用于连接阴极燃料供给回路的阴极入口13和阴极出口14。在一个实施例中，阳极入口11和阳极出口12与阴极入口13和阴极出口14分别相对设置。

根据本发明，在阴极燃料供给回路中设有增湿器20。如图1所示，阴极入口13和阴极出口14均与增湿器20连接。阴极燃料供给回路中还设有空压机及中冷器70，其中，空压机为燃料电池提供所需要的氧气，中冷器为空压机出口的高压高温空气进行冷却，以使高压高温空达到燃料电池的工作温度。空压机及中冷器70的出口与增湿器20相连，由此，阴极燃料供给回路中向电堆10提供的氧气和从电堆10排出的废气均经过增湿器20。增湿器20用于加湿经空压机出口提供的空气，以使阴极燃料达到燃料电池电堆内部含水量的要求，从而延长电堆10的寿命，提高燃料电池的工作效率。增湿器20通过利用燃料电池电堆反应生成排出的高湿度废气来加湿空压机出口的空气，从而达到增加电堆入口空气湿度的效果，这一过程无需外部供给能量及提供纯净水用于加湿空气，显著提高了燃料电池的效率，降低了燃料电池的复杂度。

另外，阳极燃料供给回路为燃料电池提供所需的氢气经过阳极燃料供给回路后，提供燃料电池工作所需压力和流量的燃料，进而从阳极入口11进入电堆10。

根据本发明，冷却液循环系统100还包括水汽分离及增压装置30。如图1所示，水汽分离及增压装置30与增湿器20的出口相连。水汽分离及增压装置30设有入口端31、与入口端31相对设置的废气排出端32，以及增压出水口33。水汽分离及增压装置30的入口端31与增湿器20的出口连接。水汽分离及增压装置30用于将燃料电池生产的水与从阴极出口14排出的废气进行分离并收集，并通过水汽分离及增压装置30的内部的增压器对分离出的水进行增压。

如图1所示，冷却液循环系统100还包括冷却液循环回路40。冷却液循环回路40包括冷却液入口41和冷却液出口42，且冷却液循环回路40通过冷却液入口41和冷却液出口42与电堆10连接，从而通过冷却液循环回路40对电堆10进行冷却。

根据本发明，在冷却液循环回路中设有置换装置50。如图1所示，置换装置50连接在靠近冷却液入口41处，其用于置换冷却液循环回路中的冷却液。置换装置50设有用于连接到冷却液循环回路中第一连接口和第二连接口，第二连接口与冷却液入口41相连。此外，置换装置50还设有置换水入口51和置换水出口52，置换水入口51与水汽分离及增压装置30的增压出水口33相连。置换水出口52与废气排出端32相连。置换水出口52与废气排出端32共同连接有混排口60，混排口60用于混合废气和置换出的冷却液并排出。

在实际工作过程中，水汽分离及增压装置30将燃料电池生产的水与从阴极出口14排出的废气进行分离并收集，并通过水汽分离及增压装置30的内部的增压器对分离出的水进行增压，以保持水的压力与冷却液循环回路中的压力一致，进而通过置换装置50将水汽分离及增压装置30分离出的水与冷却液循环回路40中的冷却液进行实时置换，从而完成冷却液的实时更换。置换装置50能够保持冷却液置换持续地进行，使得冷却液循环回路40中的冷却液的离子浓度保持在一个合理水平，从而显著地延长了燃料电池的使用寿命，并能够有效保证燃料电池的绝缘性能。

根据本发明，冷却液循环回路40还包括加热器43和散热器44。如图1所示，加热器43和散热器44并联式连接在冷却液入口41和冷却液出口42之间。加热器43和散热器44的出口相连通，并且与置换装置50的第一连接口连通。在加热器43和散热器44的入口处设有节温器45，节温器45的出口分别与加热器43和散热器44的入口连通。节温器45为物理开关，用于切换连通加热器43或散热器44。冷却液循环回路40中还设有水泵46，水泵46连接在冷却液出口42与节温器45之间。水泵46用于调节冷却液循环回路40中的冷却液流速，并与散热器43共同稳定燃料电池电堆的工作温度，使燃料电池电堆的工作温度处于合理范围内。

加热器43和散热器44不同时工作。在第一工作状态下，加热器43接入到冷却液循环回路40中，从而使电堆10、水泵46、加热器43和置换装置50连通形成电堆内循环加热回路。此时，散热器43不工作。加热器43加热回路中流经加热器43的内部的冷却液，提升冷却液温度，从而快速提升燃料电池电堆内部的工作温度，有效提高了燃料电池的工作效率，缩短了燃料电池的启动时间。

在第二工作状态下，散热器44接入冷却液循环回路40中，从而使电堆10、水泵46、散热器44和置换装置50连通形成电堆外循环降温回路。此时，加热器43不工作。电堆外循环降温回路中的冷却液通过散热器44进行散热降温，从而维持燃料电池内部工作温度的稳定，以防止温度上升而损坏电堆或降低燃料电池的工作效率。

在本实施例中，第一工作状态和第二工作状态通过节温器45进行自动切换。具体地，当燃料电池内部工作温度小于设计温度时，节温器45连通加热器43，从而接通电堆内循环加热回路。此时，冷却液无法流过散热器。由此，加热器43加热回路中流经加热器43的内部的冷却液，提升冷却液温度，从而快速提升燃料电池电堆内部的工作温度。同理，当燃料电池内部工作温度大于设计温度时，节温器45连通散热器44，从而接通电堆外循环降温回路。此时，冷却液无法流过加热器。由此，散热器44对电堆外循环降温回路中的冷却液进行散热降温，从而维持燃料电池内部工作温度的稳定，以防止温度上升而损坏电堆或降低燃料电池的工作效率。

另外，散热器44还连接有散热器水箱70，散热器水箱连接在散热器44的出口端。

下面简述根据本发明的用于燃料电池的冷却液循环系统100的工作过程。首先，阳极燃料供给回路提供阳极燃料(氢气)，并通过阳极入口11输送给电堆10。同时，阴极燃料供给回路提供阴极燃料(来自空气的氧气)，并通过阴极入口13输送给电堆10，从而使电堆10反应发电。燃料电池生产的水和排出的废气通过阴极出口14排出而进入增湿器20。之后，进入水汽分离及增压装置30，从而分离出水和废气。水汽分离及增压装置30分离出的水经过增压达到冷却液循环回路40中的压力，并通过增压水出口33输出。而冷却液循环回路40中的冷却液经过循环使用后通过置换装置50，增压水出口33输出的水通过置换装置50的置换水入口51进入置换装置50，进而通过置换装置50持续地将水汽分离及增压装置30分离出的水与冷却液循环回路40中的冷却液进行等量实时置换。经过置换装置50置换出的水从置换水出口52输出，并与经过水汽分离及增压装置30分离出的废气共同输入混排口60，在混排口60中混合后排出。由此，完成冷却液的置换，使得冷却液循环回路40中的冷却液的离子浓度保持在一个合理的水平，从而延长了燃料电池的使用寿命，保证了燃料电池的绝缘性。

根据本发明的用于燃料电池的冷却液循环系统100，其通过水汽分离及增压装置30将燃料电池产生的水与阴极出口14排出的废气进行分离并收集，并通过置换装置50持续地将分离出的水与冷却液循环通道40中的冷却液进行等量实时置换，从而完成冷却液的置换，使得冷却液循环回路40中的冷却液的离子浓度能够保持在一个合理的水平。由此，显著延长了燃料电池的使用寿命，有效保证了燃料电池的绝缘性。并且，通过置换装置50实时置换燃料电池冷却系统中的冷却液，能够避免定期更换去离子水，提高了更换效率，避免了对燃料电池的正常工作产生影响。此外，冷却液循环系统100能够避免在冷却液循环回路40中使用去离子器，从而显著降低了成本。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的冷却液循环系统，所述燃料电池包括电堆(10)，所述冷却液循环系统包括：

与所述电堆连接的阴极燃料供给回路，所述阴极燃料供给回路中设有增湿器(20)；

与所述增湿器连接的水汽分离及增压装置(30)；以及

与所述电堆连接的冷却液循环回路(40)；

其中，所述冷却液循环回路中设有置换装置(50)，所述置换装置与所述水汽分离及增压装置连接，

所述水汽分离及增压装置能够将所述电堆生产的水与通过所述阴极燃料供给回路排出的废气分离并进行收集，并对分离出的水进行增压，以保持水的压力与所述冷却液循环回路的压力一致，进而能够通过所述置换装置将所述水汽分离及增压装置分离出的水与所述冷却液循环回路中的冷却液进行实时置换，从而完成冷却液的实时更换。

2.根据权利要求1所述的冷却液循环系统，其特征在于，所述水汽分离及增压装置设有入口端(31)、与所述入口端相对设置的废气排出端(32)，以及用于排出分离出的水的增压出水口(33)，

所述入口端与所述增湿器连接，所述增压出水口与所述置换装置连接。

3.根据权利要求2所述的冷却液循环系统，其特征在于，所述置换装置设有置换水入口(51)和置换水出口(52)，所述置换水入口与所述增压出水口相连，所述置换水出口与所述废气排出端相连且共同连接有混排口(60)，所述混排口用于混合废气和置换出的冷却液并排出。

4.根据权利要求3所述的冷却液循环系统，其特征在于，所述置换装置还设有第一连接口和第二连接口，所述置换装置通过所述第一连接口和所述第二连接口连接到所述冷却液循环回路中。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的冷却液循环系统，其特征在于，所述冷却液循环回路包括用于连接所述电堆的冷却液入口(41)和冷却液出口(42)，在所述冷却液入口和所述冷却液出口之间设有并联的加热器(43)和散热器(44)，所述加热器和所述散热器不同时工作，

在第一工作状态下，所述加热器接入所述冷却液循环回路中而形成电堆内循环加热回路，用于提升所述电堆的内部工作温度，

在第二工作状态下，所述散热器接入所述冷却液循环回路中而形成电堆外循环降温回路，用于降低冷却液的温度，从而降低所述电堆内的工作温度。

6.根据权利要求5所述的冷却液循环系统，其特征在于，在所述加热器和所述散热器的入口设有节温器(45)，所述节温器能够切换连通所述加热器或所述散热器，从而完成所述第一工作状态和所述第二工作状态之间的切换。

7.根据权利要求6所述的冷却液循环系统，其特征在于，在所述冷却液出口与所述节温器之间设有水泵(46)。

8.根据权利要求5所述的冷却液循环系统，其特征在于，在所述散热器的出口连接有散热水箱(47)。

9.根据权利要求1所述的冷却液循环系统，其特征在于，还包括与所述电堆连接的阳极燃料供给回路，所述电堆设有用于连接所述阳极燃料供给回路的阳极入口(11)和阳极出口(12)，以及用于连接所述阴极燃料供给回路的阴极入口(13)和阴极出口(14)，

所述阳极入口、所述阳极出口与所述阴极入口、所述阴极出口分别相对设置，且所述阴极入口和所述阴极出口分别与所述增湿器连接。

10.根据权利要求1或9所述的冷却液循环系统，其特征在于，所述阴极燃料供给回路中还设有空压机及中冷器(70)，所述空压机及中冷器的出口与所述增湿器相连。

Images