CN113809355B - 一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，包括压气机，所述压气机的排气口通过管路与空空中冷器一侧的高温空气进口相连，空空中冷器一侧的低温空气出口通过管路与燃料电池电堆的空气进口相连，燃料电池电堆的空气出口通过管路与冷凝器的高温空气进口相连，膨胀机的低温排气口通过管路与水空中冷器的空气进口相连，水空中冷器的进水口通过管路经水泵与燃料电池电堆的循环水出口相连，水空中冷器的出水口通过管路与水箱相连，水箱通过管路与燃料电池电堆的循环水进口相连。本发明有效的利用了膨胀机出口的低温空气，在水空中冷器内与燃料电池电堆的循环水进行热交换，减少了能耗，提高了燃电效率，减少了用电损耗。

Description

一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统
技术领域：
本发明涉及一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统。
背景技术：
目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节，为了保障燃料电池发动机正常工作，燃料电池发动机一般需要氢气供应系统、空气供应系统和循环水冷却管理系统等辅助系统。其中，在循环水冷却管理系统中，一般都是通过风扇对水箱进行散热，水箱体积大，占空间大，且风扇的散热效果差，冷却速度慢，因此只能采用大功率水泵，增加循环速度，以提升冷却效率，大功率水泵无疑增加了燃料电池电堆产生的电能消耗。另外，在空气供应系统中，为了保证燃料电池电堆内空气的供应量，一般都会使用到压气机，用于对空气进行增压以提高供气效率，但压气机的排气温度一般是80-90℃，而燃料电池电堆要求的进气温度一般不能高于80℃，因此，在高温空气进入燃料电池电堆之前，一般需要使用冷凝器，用于对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆的进气温度要求。压气机和冷凝器的设置，都需要额外消耗燃料电池电堆产生的电能，其中的压气机转速很高，功率大，耗电多；其中的冷凝器，现在一般都是电冷凝器或水冷凝器，水冷凝器还需额外增加水泵，能耗高，大大增加了燃料电池电堆产生的电能消耗。
综上所述，燃料电池循环水冷却系统的耗能问题，已成为行业内亟需解决的技术难题。
发明内容：
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，解决了以往的水箱体积大、占空间大的问题，解决了以往的风扇散热效果差、冷却速度慢的问题，解决了以往的大功率水泵电能消耗过大的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，包括压气机，所述压气机的排气口通过管路与空空中冷器一侧的高温空气进口相连，空空中冷器一侧的低温空气出口通过管路与燃料电池电堆的空气进口相连，燃料电池电堆的空气出口通过管路与冷凝器的高温空气进口相连，冷凝器的低温空气出口通过管路与空空中冷器另一侧的低温空气进口相连，空空中冷器另一侧的高温空气出口通过管路与膨胀机的高温进气口相连，膨胀机的低温排气口通过管路与水空中冷器的空气进口相连，水空中冷器的进水口通过管路经水泵与燃料电池电堆的循环水出口相连，水空中冷器的出水口通过管路与水箱相连，水箱通过管路与燃料电池电堆的循环水进口相连。
所述空空中冷器利用冷凝器的低温空气出口排出的低温空气与压气机的排气口排出的高温空气进行热交换，将进入燃料电池电堆的空气进口的高温空气进行降温，将进入膨胀机的高温进气口的空气温度升高。
所述水空中冷器利用膨胀机的低温排气口排出的低温空气与燃料电池电堆的循环水进行热交换，将燃料电池电堆的循环水出口排出的高温水进行降温。
所述压气机的进气口通过管路与空气滤清器相连。
所述膨胀机的动力轴与压气机的转轴相连用于给压气机提供助力。
所述膨胀机的动力轴与压气机的转轴通过联轴器相连或一体连接。
所述水箱上设有散热风扇。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
通过增加膨胀机和空空中冷器、水空中冷器，压气机排出的高温空气经空空中冷器降温后进入燃料电池电堆，从燃料电池电堆排出的气体内含有大量水蒸气并进入冷凝器，冷凝器将气体降温使这些水蒸气凝结成水后排出，冷凝器排出的气体再进入空空中冷器进行升温，然后排出进入膨胀机，进入膨胀机的高温气体水蒸气含量很少，避免了膨胀机水淹，而且高温气体给膨胀机提供热源动力，膨胀机将这些热源转化为动能经动力轴向外输出，膨胀机的动力轴与压气机的转轴相连用于给压气机提供助力，从而减小了压气机的功率，减小了能耗；膨胀机排出的低温气体再进入水空中冷器进行热交换，将燃料电池电堆的循环水出口排出的高温水进行降温，循环水的冷却速度大大加快，足以满足对燃料电池电堆的冷却，因此可减小水箱体积，节省空间，减小水泵功率，降低能耗，从水空中冷器排出的气体温度较低可通向车内或其他需要低温气体的部件进行再利用，本发明有效的利用了膨胀机出口的低温空气，在水空中冷器内与燃料电池电堆的循环水进行热交换，减少了能耗，提高了燃电效率，减少了用电损耗。
附图说明：
图1为本发明的结构原理示意图。
图中，1、压气机，2、空空中冷器，3、燃料电池电堆，4、冷凝器，5、膨胀机，6、空气滤清器，7、水空中冷器，8、水泵，9、水箱，10、散热风扇。
具体实施方式：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
如图1所示，一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，包括压气机1，所述压气机1的排气口通过管路与空空中冷器2一侧的高温空气进口相连，空空中冷器2一侧的低温空气出口通过管路与燃料电池电堆3的空气进口相连，燃料电池电堆3的空气出口通过管路与冷凝器4的高温空气进口相连，冷凝器4的低温空气出口通过管路与空空中冷器2另一侧的低温空气进口相连，空空中冷器2另一侧的高温空气出口通过管路与膨胀机5的高温进气口相连，膨胀机5的低温排气口通过管路与水空中冷器7的空气进口相连，水空中冷器7的进水口通过管路经水泵8与燃料电池电堆的循环水出口相连，水空中冷器7的出水口通过管路与水箱9相连，水箱9通过管路与燃料电池电堆3的循环水进口相连。
所述空空中冷器2利用冷凝器4的低温空气出口排出的低温空气与压气机1的排气口排出的高温空气进行热交换，将进入燃料电池电堆3的空气进口的高温空气进行降温，将进入膨胀机5的高温进气口的空气温度升高。
所述水空中冷器7利用膨胀机5的低温排气口排出的低温空气与燃料电池电堆的3循环水进行热交换，将燃料电池电堆3的循环水出口排出的高温水进行降温。
所述压气机1的进气口通过管路与空气滤清器6相连，用于清除空气中的微粒杂质。
所述膨胀机5的动力轴与压气机1的转轴相连用于给压气机提供助力，从而减小了压气机1的功率，减小了能耗。
所述膨胀机5的动力轴与压气机1的转轴通过联轴器相连或一体连接。
所述水箱9上设有散热风扇10，可用于辅助散热。
工作原理：
空气经空气滤清器6进入压气机1，在压气机1内增压后，从压气机1排出的高温空气温度高达80-90℃，这些高温空气进入空空中冷器2进行热交换，经空空中冷器2降温后温度低于80℃进入燃料电池电堆3，从燃料电池电堆3排出的气体温度大约70℃且气体内含有大量水蒸气，这些气体进入冷凝器4内进行热交换，经冷凝器4将气体降温至约40℃使气体内的水蒸气凝结成水后排出，气体内的水蒸气含量大大降低，经冷凝器4排出的气体再进入空空中冷器2进行热交换升温至约80℃，然后排出进入膨胀机5，进入膨胀机5的高温气体水蒸气含量很少，避免了膨胀机5水淹，而且高温气体给膨胀机5提供热源动力，膨胀机5将这些热源转化为动能经动力轴向外输出，膨胀机5的动力轴与压气机1的转轴相连用于给压气机1提供助力，从而减小了压气机1的功率，减小了能耗，膨胀机5排出的低温气体温度约0-10℃，再进入水空中冷器7内与燃料电池电堆的循环水进行热交换，将燃料电池电堆的循环水出口排出的高温水进行降温，循环水的冷却速度大大加快，从水空中冷器7的空气出口排出的气体温度也比较低，可通向车内或其他需要低温气体的部件进行再利用。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，其特征在于：包括压气机，所述压气机的排气口通过管路与空空中冷器一侧的高温空气进口相连，空空中冷器一侧的低温空气出口通过管路与燃料电池电堆的空气进口相连，燃料电池电堆的空气出口通过管路与冷凝器的高温空气进口相连，冷凝器的低温空气出口通过管路与空空中冷器另一侧的低温空气进口相连，空空中冷器另一侧的高温空气出口通过管路与膨胀机的高温进气口相连，膨胀机的低温排气口通过管路与水空中冷器的空气进口相连，水空中冷器的进水口通过管路经水泵与燃料电池电堆的循环水出口相连，水空中冷器的出水口通过管路与水箱相连，水箱通过管路与燃料电池电堆的循环水进口相连；
所述空空中冷器利用冷凝器的低温空气出口排出的低温空气与压气机的排气口排出的高温空气进行热交换，将进入燃料电池电堆的空气进口的高温空气进行降温，将进入膨胀机的高温进气口的空气温度升高；
所述水空中冷器利用膨胀机的低温排气口排出的低温空气与燃料电池电堆的循环水进行热交换，将燃料电池电堆的循环水出口排出的高温水进行降温；
空气在压气机内增压后，从压气机排出的高温空气温度高达80-90℃，这些高温空气进入空空中冷器进行热交换，经空空中冷器降温后温度低于80℃进入燃料电池电堆，从燃料电池电堆排出的气体温度为70℃且气体内含有大量水蒸气，这些气体进入冷凝器内进行热交换，经冷凝器将气体降温至40℃使气体内的水蒸气凝结成水后排出，经冷凝器排出的气体再进入空空中冷器进行热交换升温至80℃，然后排出进入膨胀机，进入膨胀机的高温气体水蒸气含量很少，避免了膨胀机水淹，膨胀机排出的低温气体温度为0-10℃，再进入水空中冷器内与燃料电池电堆的循环水进行热交换，将燃料电池电堆的循环水出口排出的高温水进行降温。
2.根据权利要求1所述的一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，其特征在于：所述压气机的进气口通过管路与空气滤清器相连。
3.根据权利要求1所述的一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，其特征在于：所述膨胀机的动力轴与压气机的转轴相连用于给压气机提供助力。
4.根据权利要求3所述的一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，其特征在于：所述膨胀机的动力轴与压气机的转轴通过联轴器相连或一体连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用膨胀机出口冷空气的燃料电池循环水冷却系统，其特征在于：所述水箱上设有散热风扇。
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