CN113707907B - 一种集成式燃料电池系统和燃料电池汽车 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池汽车技术领域，公开了一种集成式燃料电池系统和燃料电池汽车，集成式燃料电池系统包括燃料电池、散热器和过滤冷却器，散热器的入口连通燃料电池的冷却液出口；过滤冷却器包括相互独立的气体通道和液体流道，气体通道的两端分别连通空压机压缩后的空气和燃料电池的空气入口，液体流道内设有离子吸附剂，液体流道的两端分别连通散热器的出口和入口。本发明取消了现有燃料电池系统中的中冷器和去离子器，将二者功能集成在一个过滤冷却器中，同时实现空气冷却降温和冷却液的去离子过程，降低了燃料电池系统的部件数量，利于提高发动机的体积比功率，并可以实现对离子吸附剂的快速更换，减少系统维护成本。

Description

一种集成式燃料电池系统和燃料电池汽车

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车技术领域，尤其涉及一种集成式燃料电池系统和燃料电池汽车。

背景技术

燃料电池系统的核心为燃料电池膜，为了保证燃料电池的化学反应正常高效的运行，通常设置空气供应子系统和热管理子系统，来保证燃料电池电堆阴极的空气满足一定的温度要求，离子浓度得到控制。若空气温度不满足要求，使得化学反应不能高效的进行，严重会损伤质子交换膜，降低燃料电池系统寿命。若热管理子系统中的离子浓度超标，会因离子存在导电产生内部短路现象，严重影响燃料电池电堆的正常运行。因此，为满足燃料电池电堆需求，空气供应子系统需要具备温度调节功能，热管理子系统需要具备离子浓度控制功能。现有技术当中，温度调节通过中冷器实现，离子浓度控制通过去离子器来实现，中冷器和过滤器为两个较大的部件，体积较大，导致燃料电池系统的整体集成度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池系统和燃料电池汽车，以解决燃料电池系统部件数量多和集成度差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成式燃料电池系统，包括：

燃料电池，所述燃料电池设有冷却液出口、空气出口、冷却液入口和空气入口；

散热器，所述散热器连通在所述冷却液出口和所述冷却液入口之间以对冷却液进行散热降温；

过滤冷却器，包括相互独立的气体通道和液体流道，所述气体通道的两端分别连通空压机压缩后的空气和所述空气入口，所述液体流道内设有离子吸附剂，液体流道的两端分别连通所述散热器的出口和入口。

可选地，所述过滤冷却器还包括壳体，所述壳体的两端分别设有盖板，两个所述盖板上分别设置气体通道入口和气体通道出口；所述气体通道设有多个，每个所述气体通道的两端分别连通所述气体通道入口和所述气体通道出口，多个所述气体通道的外侧壁之间的间隙形成所述液体流道，所述壳体的相对的两个侧壁上设有液体流道入口和液体流道出口；所述离子吸附剂固定于所述壳体的内侧壁上。

可选地，所述集成式燃料电池系统还包括第一三通阀，所述第一三通阀的入口连通所述散热器的出口，所述第一三通阀的两个出口分别连通所述液体流道入口和所述冷却液入口。

可选地，所述集成式燃料电池系统还包括第二三通阀，所述第二三通阀的两个入口分别连通所述液体流道出口和所述冷却液出口，所述第二三通阀的出口连通所述散热器的入口。

可选地，所述离子吸附剂包裹在多个集成块中，每个所述集成块的侧壁设有通孔，所述通孔的孔径小于所述离子吸附剂的外径。

可选地，所述集成块包括纱布、纱网和多孔塑料，所述离子吸附剂包括树脂。

可选地，多个所述集成块间隔设置在所述液体流道中。

可选地，所述气体通道的两端与两个所述盖板之间均为可拆卸式连接。

可选地，所述集成式燃料电池系统还包括翅片，所述翅片呈波纹状，所述翅片设于所述液体流道内且固定于所述气体通道的外侧壁上。

本发明还提供一种燃料电池汽车，包括所述集成式燃料电池系统。

本发明的有益效果：

本发明的集成式燃料电池系统，通过设置过滤冷却器，取消了现有燃料电池系统中的中冷器和去离子器，将中冷器和去离子器的功能集成在一个过滤冷却器中，同时实现空气冷却降温和冷却液的去离子过程，降低了燃料电池系统的部件数量，利于提高发动机的体积比功率。

本发明的燃料电池汽车，通过在燃料电池系统内设置过滤冷却器以取代现有的中冷器和去离子器，将二者的功能集成化设计，同时实现高压空气的冷却降温以及冷却液中的去离子过程，降低了燃料电池系统的部件数量，利于提高发动机的体积比功率。

附图说明

图1是本发明的一种集成式燃料电池系统的原理示意图；

图2是本发明的一种集成式燃料电池系统中过滤冷却器内气体通道和液体流道的结构示意图；

图3是本发明的一种集成式燃料电池系统中过滤冷却器的外观结构示意图；

图4是本发明的一种集成式燃料电池系统中过滤冷却器的局部剖开结构示意图；

图5是图4中A区域放大示意图。

图中：

100.空滤；200.空压机；300.水泵；400.电子节气门；500.尾排处理装置；600.流量计；700.控制器；

1.燃料电池；11.冷却液出口；12.空气出口；13.冷却液入口；14.空气入口；2.散热器；3.冷却过滤器；31.气体通道；311.气体通道入口；312.气体通道出口；32.液体流道；321.液体流道入口；322.液体流道出口；33.离子吸附剂；34.壳体；35.盖板；4.第一三通阀；5.第二三通阀；6.翅片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。

本发明提供一种集成式燃料电池系统，如图1和图2所示，包括燃料电池1、散热器2和过滤冷却器3，燃料电池1设有冷却液出口11、空气出口12、冷却液入口13和空气入口14；散热器2连通在冷却液出口11和冷却液入口13之间以对冷却液进行散热降温；过滤冷却器3包括相互独立的气体通道31和液体流道32，气体通道31的两端分别连通空压机200压缩后的空气和空气入口14，液体流道32内设有离子吸附剂33，液体流道32的两端分别连通散热器2的出口和入口。

现有技术中的燃料电池系统，如图1所示，燃料电池1设置有冷却液出口11、空气出口12、冷却液入口13和空气入口14，当然，还设有氢气入口和氢气出口，空气出口12连接排出管路，排出管路上设置电子节气门400和尾排处理装置500以对气体进行处理后排出，避免空气污染，具体过程在本发明中不涉及，因此不再展开。常规燃料电池1的冷却液出口11和冷却液入口13之间设置散热器2，对冷却液通过散热冷却后再次通过冷却液入口13输送至燃料电池1，其中，冷却液在散热冷却的过程中还需要设置去离子器对冷却液中的离子进行浓度控制。如图1所示，外界空气经过空滤100过滤、空压机200增压，然后经过中冷器的冷却后，通过空气入口14供给燃料电池1。可见，现有技术中空气的温度调节通过中冷器实现，离子浓度的调节通过去离子器实现，而且两个设备均为大体积设备，导致燃料电池系统的整体集成度低，装配空间大。

作为改进地，本发明将中冷器和去离子器进行了集成式设计，通过设置过滤冷却器3，取消了现有燃料电池系统中的中冷器和去离子器，将中冷器和去离子器的功能集成在一个过滤冷却器3中，空压机200压缩后的空气通过过滤冷却器3冷却后进入燃料电池1，冷却液通过过滤冷却器3的同时实现对高温空气的冷却降温，实现冷却液的有效再利用，如图3，在冷却过滤器3中的液体流道32内设置离子吸附剂33，实现对冷却液中的离子浓度的调节。可见，本发明不但降低了燃料电池系统的部件数量，实现集成化设计，而且有利于提高发动机的体积比功率。

可选地，集成式燃料电池系统还包括第一三通阀4，第一三通阀4的入口连通散热器2的出口，第一三通阀4的两个出口分别连通液体流道入口321和冷却液入口13。

结合图1和如图3所示，冷却过滤器3的气体通道31设有气体通道入口311和气体通道出口312，液体流道32设有液体流道入口321和液体流道出口322，其中，气体通道入口311连接空压机200的输出端，气体通道出口312连接燃料电池1的空气入口14，液体流道入口321连接散热器2的出口，液体流道出口322连接散热器2的入口，通过设置第一三通阀4，第一三通阀4为分流阀，即一个入口两个出口，散热器2的出口排出的低温冷却液，一部分通过冷却液入口13回到燃料电池1，另一部分进入冷却过滤器3的液体流道32，利用冷却液的低温，对气体通道31内的高温气体进行降温，然后再经过散热器2进行降温实现循环。为了实现冷却液的连续供应和流动，散热器2的入口管路上设置水泵300，用于提供液体流动的动力，如图1，空压机200、水泵300、电子节气门400，以及设置在空滤100和空压机200之间的流量计600，均与控制器700电连接，以便于接收电子信号和发送控制指令，实现燃料电池系统的自动控制。

可选地，集成式燃料电池系统还包括第二三通阀5，第二三通阀5的两个入口分别连通液体流道出口322和冷却液出口11，第二三通阀5的出口连通散热器2的入口。

如图1所示，通过第二三通阀5，冷却液出口11排出的高温冷却液可以进入散热器2进行降温，同时，经过冷却过滤器3的冷却液从液体流道32排出后，通过第二三通阀5再次回到散热器2进行冷却降温，可以理解，第二三通阀5为回流阀，将两路高温冷却液汇流至散热器2实现冷却降温。可见，第一三通阀4和第二三通阀5具有简化管路设置和实现汇流和分流的作用。

可选地，过滤冷却器3还包括壳体34，壳体34的两端分别设有盖板35，两个盖板35上分别设置气体通道入口311和气体通道出口312；气体通道31设有多个，每个气体通道31的两端分别连通气体通道入口311和气体通道出口312，多个气体通道31的外侧壁之间的间隙形成液体流道32，壳体34的相对的两个侧壁上设有液体流道入口321和液体流道出口322；离子吸附剂33固定于壳体34的内侧壁上。

结合图2和图3所示实施例，过滤冷却器3为封闭的壳体结构，气体通道31为多个独立的管道，每个管道的两端均连通壳体34两端的两个盖板35，相邻的两个气体通道31的外侧壁之间为液体流道32，可以理解，将离子吸附剂33设置在液体流道32内，可以对冷却液中的离子浓度进行调节。气体通道31内的高温气体与液体流道32内的冷却液发生热交换，实现对高温气体的降温作用。需要解释说明的是，本发明中，离子吸附剂33如图2所示为长条状贯穿液体流道32，离子吸附剂33的一端固定于一侧的壳体34上，壳体34拆装的同时可以带动离子吸附剂33的安装和拆卸，实现对离子吸附剂33的快速更换，减少系统维护成本。

可选地，离子吸附剂33包裹在多个集成块中，每个集成块的侧壁设有通孔，通孔的孔径小于离子吸附剂33的外径。

可以理解，将离子吸附剂33包裹在集成块中，利于固定和拆装，当冷却液经过集成块时，可以通过侧壁上的通孔进入内部与离子吸附剂33接触实现对冷却液内离子的去除。设置通孔的孔径小于离子吸附剂33的外径，是为了避免离子吸附剂33在使用一段时间后体积变小以至于散落至液体流道32内，污染冷却液，因此，作为优选地，本实施例中，集成块包括但不限于纱布、纱网和多孔塑料，离子吸附剂33包括但不限于树脂，具有较好的冷却液渗透效果，去离子效率高。

可选地，多个集成块间隔设置在液体流道32中。

如图2所示，在本实施例中，多个集成块分成多组，每组包括多个集成块，间隔设置在液体流到32内，作为一种可选方案，集成块的厚度等于液体流道32的宽度，确保冷却液在液体流道32内流过时能够经过离子吸附剂33，确保去离子效果。每个集成块的一端固定于壳体34的一侧内壁上，当离子吸附剂33满载需要更换或处理时，可以将一侧的壳体34拆卸，将集成块一同取出，统一更换和处理，大大提高了离子吸附剂33的拆装或更换效率。

可选地，气体通道31的两端与两个盖板35之间均为可拆卸式连接，拆装方便且效率高。当然，气体通道31的两端与盖板35之间的连接关系不限于螺栓连接等可拆卸的连接方式，也可以采用焊接等固定连接方式，前提是需要确保气体通道31的气密性。

可选地，集成式燃料电池系统还包括翅片6，翅片6呈波纹状，翅片6设于液体流道32内且固定于气体通道31的外侧壁上。

结合图4和图5，翅片6为波纹状覆盖在气体通道31的外侧壁上，即位于液体流道32内，可以起到辅助散热的效果。在一些优选实施例中，翅片6上每一个波纹的侧壁均为凹凸设置，即也呈波纹状，利于增加散热效果。

本发明还提供一种燃料电池汽车，包括上述实施例提供的集成式燃料电池系统。本发明的燃料电池汽车，通过在燃料电池系统内设置过滤冷却器3以取代现有的中冷器和去离子器，将二者的功能集成化设计，同时实现高温空气的冷却降温以及冷却液中的去离子过程，降低了燃料电池系统的部件数量，利于提高发动机的体积比功率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成式燃料电池系统，其特征在于，包括：

燃料电池(1)，所述燃料电池(1)设有冷却液出口(11)、空气出口(12)、冷却液入口(13)和空气入口(14)；

散热器(2)，所述散热器(2)连通在所述冷却液出口(11)和所述冷却液入口(13)之间以对冷却液进行散热降温；

过滤冷却器(3)，包括相互独立的气体通道(31)和液体流道(32)，所述气体通道(31)的两端分别连通空压机(200)压缩后的空气和所述空气入口(14)，所述液体流道(32)内设有离子吸附剂(33)，液体流道(32)的两端分别连通所述散热器(2)的出口和入口；

所述过滤冷却器(3)还包括壳体(34)，所述壳体(34)的两端分别设有盖板(35)，两个所述盖板(35)上分别设置气体通道入口(311)和气体通道出口(312)；所述气体通道(31)设有多个，每个所述气体通道(31)的两端分别连通所述气体通道入口(311)和所述气体通道出口(312)，多个所述气体通道(31)的外侧壁之间的间隙形成所述液体流道(32)，所述壳体(34)的相对的两个侧壁上设有液体流道入口(321)和液体流道出口(322)；所述离子吸附剂(33)固定于所述壳体(34)的内侧壁上。

2.根据权利要求1所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，还包括第一三通阀(4)，所述第一三通阀(4)的入口连通所述散热器(2)的出口，所述第一三通阀(4)的两个出口分别连通所述液体流道入口(321)和所述冷却液入口(13)。

3.根据权利要求1所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，还包括第二三通阀(5)，所述第二三通阀(5)的两个入口分别连通所述液体流道出口(322)和所述冷却液出口(11)，所述第二三通阀(5)的出口连通所述散热器(2)的入口。

4.根据权利要求3所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，所述离子吸附剂(33)包裹在多个集成块中，每个所述集成块的侧壁设有通孔，所述通孔的孔径小于所述离子吸附剂(33)的外径。

5.根据权利要求4所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，所述集成块包括纱布、纱网和多孔塑料，所述离子吸附剂(33)包括树脂。

6.根据权利要求4所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，多个所述集成块间隔设置在所述液体流道(32)中。

7.根据权利要求3所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，所述气体通道(31)的两端与两个所述盖板(35)之间均为可拆卸式连接。

8.根据权利要求1所述的集成式燃料电池系统，其特征在于，还包括翅片(6)，所述翅片(6)呈波纹状，所述翅片(6)设于所述液体流道(32)内且固定于所述气体通道(31)的外侧壁上。

9.一种燃料电池汽车，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述集成式燃料电池系统。

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