CN114220989A - 一种燃料电池电堆的散热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池电堆散热技术领域，公开了一种燃料电池电堆的散热系统，通过在中冷器以及辅助回路DCDC转换器和空压机之间设置三通阀，实现对于各子回路的流量控制，从而提高系统的环境适应性，同时也可以增加管道设计过程中的容错率，并且实现了主散热系统和辅助散热系统冷却回路共用一个散热器，从而在保证两个回路冷却液独立流通的前提下减小了散热系统的体积。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池电堆散热技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆的散热系统。
背景技术
氢燃料电池是一种不经过化学燃烧过程而直接以电化学反应方式将氢气和氧气中的化学能直接转化为电能的装置，因而燃料电池发动机的效率相对于燃油机高很多，这对于解决当前世界石油短缺等能源危机问题开辟了一个新的方向。另外，氢燃料电池发动机反应产物只有水，不会排放氮氧化物、硫化物等对于环境有较大危害的物质，因此燃料电池的推广有助于解决日益严重的环境污染问题。
由于燃料电池对于电堆内部反应的温度要求非常严格，一个高效可靠的燃料电池散热系统是保证其安全运行的前提。电堆内部温度过高会导致质子交换膜的损坏，过低的温度会导致电堆内部反应效率过低。为了更好地控制电堆内部的温度，通常采用水冷的方式。现有的燃料电池散热系统普遍采用将散热系统分为主散热系统和辅助散热系统两个独立的散热系统。这种设计方案需要两个散热器，因而会造成散热系统占据很大的空间，这严重影响了燃料电池的应用。
现有主流设计方案普遍采用图2所示的设计方式，将散热系统分为主散热系统和辅助散热系统，两个散热系统采用独立的冷却回路，因而采用两个散热器。由于冷却系统所占空间主要取决于散热器的尺寸，因而这种设计方法会导致散热系统占据很大的空间。另外图2的设计方法中将中冷器直接并联在电堆位置，这种方法无法控制进入中冷器的冷却液的流量，因此当从空压机流出的空气温度变化比较大时，由于进入中冷器的流量是无法控制的，因而会导致进入燃料电池电堆的空气的温度也会变化特别大，从而导致燃料电池电堆系统的损坏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池电堆的散热系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池电堆的散热系统，包括用于对电堆散热的主散热系统、用于对DCDC转换器、空压机散热的辅助散热系统；所述主散热系统包括主散热器、主水泵、中冷器、三通阀一、三通阀二；所述辅助散热系统包括辅助水泵、辅助散热器以及三通阀三；
所述主水泵的出水口与三通阀一的第一水口连通，三通阀一的第三水口与主散热器入水口连通，主散热器出水口、三通阀一的第二水口与三通阀二的第一水口连通；三通阀二的第二水口与中冷器入水口连通，三通阀二的第三水口与电堆的入水口连通；中冷器出水口、电堆出水口与主水泵入水口连通；
辅助水泵的出水口与辅助散热器入水口连通，辅助散热器出水口与三通阀三的第一水口连通，三通阀三的第二水口与空压机入水口连通，三通阀三的第三水口与DCDC转换器入水口连通；DCDC转换器出水口、空压机出水口与辅助水泵的入水口连通。
主散热系统主要分为大循环和小循环，大循环即由电堆出水口流出的高温冷却液通过散热器将热量散发到环境中；小循环即当所需散热量较低时由三通阀一控制冷却液不经过散热器直接回到电堆入水口，即将三通阀一作为节温器使用。
冷却液进入大循环、小循环的比例通过三通阀一的阀门开度进行控制，三通阀一的阀门可以在0～90度之间变化。
如图3，在中冷器入水口位置增加一个三通阀二，通过控制三通阀二阀门的开度从而达到控制进入中冷器的冷却液流量的目的。考虑到辅助回路中，DCDC转换器和空压机所需的散热量不同，如果串联连接，会导致流过DCDC转换器和空压机的冷却液流量相同，因此无法做到DCDC转换器和空压机分别控制，同时串联连接也会导致流过一个高温组件的冷却液直接与下游部件接触，从而有可能造成下游部件的损坏。因此将DCDC转换器与空压机并联安装，其入水口位置使用三通阀三来控制，当其中一个部件温度过高时，三通阀三的开度会向流向该回路开度增大的方向旋转。
进一步地，将上面方案中的主散热器与辅助散热器集成为共用散热器，所述共用散热器包括供主散热系统冷却液通过的主散热通道，以及供辅助散热系统冷却液通过的辅助散热通道。
考虑到散热器占据整个电堆冷却系统的主要尺寸空间，传统设计方案中，主散热系统与辅助散热系统分别使用两个独立的散热器，这种设计会造成整个散热系统体积庞大而且系统分散。为了简化散热器，很多专利中将主散热系统与辅助散热系统共用一个冷却液回路，但是考虑到空压机、DCDC仅仅只需要冷却以使得其温度不至于过高而损坏，而电堆稳定运行时冷却液温度至少要稳定在65℃以上，这个温度显然不利于DCDC转换器、空压机的快速散热。同时，集成化、强耦合的设计还会增加控制系统的复杂度。为了达到在冷却液回路独立同时减小散热系统体积的目的，如图4所示，设计将主散热器与辅助散热器集成在一起，共用同一个散热器和散热风扇，而主散热系统和辅助散热系统中的冷却液分别流过各自独立的散热通道。这种设计方案使得主散热系统和辅助散热系统互不干扰，同时减少了散热风扇和散热器的体积。
进一步地，包括水暖PTC；所述水暖PTC的入水口与三通阀一的第二水口连通，且出水口与三通阀二的第一水口连通。
水暖PTC放置在与散热器并联的小循环回路中，用于在低温环境下冷启动时使得冷却液快速升温以减小启动时间。
进一步地，包括去离子器；所述去离子器的入水口与主水泵出水口连通，且出水口与三通阀二的第一水口连通。
如图1所示，考虑到去离子器在电堆并联位置会导致冷却液分流，从而增加主水泵的负担，因此设计将去离子器放置在主水泵的出水口，使得其与散热器并联，这种设计方式可以使得流经主水泵的冷却液完全流经电堆，从而提高电堆的散热效率。
进一步地，包括与主水泵并联的主备用水泵；主备用水泵入水口与主水泵入水口之间设置有第一止回阀，主备用水泵出水口与主水泵出水口之间设置有第二止回阀。
考虑到当电堆超过额定功率运行时现有的散热系统无法满足散热量的要求，主水泵有可能会动力不足，为了解决冷却液流量不足的问题，如图1所示，在主水泵的并联位置增加一个主备用水泵，主备用水泵与主水泵之间附加两个止回阀，在电堆正常运行时，止回阀关闭，备用水泵不工作。当散热系统无法满足电堆散热量要求时，打开止回阀，启动主备用水泵。
进一步地，包括与辅助水泵并联的辅助备用水泵；辅助备用水泵入水口与辅助水泵入水口之间设置有第三止回阀，辅助备用水泵出水口与辅助水泵出水口之间设置有第四止回阀。
在辅助水泵的并联位置放置一个辅助备用水泵,当辅助水泵全功率运转，而空压机和DCDC转换器仍然无法满足散热需求时，打开止回阀，辅助备用水泵开始工作。
本发明中，三通阀均具有三个水口，分别为第一水口、第二水口、第三水口。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
通过在中冷器以及辅助回路DCDC转换器和空压机之间设置三通阀，实现对于各子回路的流量控制，从而提高系统的环境适应性，同时也可以增加管道设计过程中的容错率，并且实现了主散热系统和辅助散热系统冷却回路共用一个散热器，从而在保证两个回路冷却液独立流通的前提下减小了散热系统的体积。
附图说明
图1为本发明散热系统其中一种设计的结构示意图；
图2为现有技术中散热系统的结构示意图；
图3为本发明散热系统其中一种设计的结构示意图；
图4为本发明散热系统其中一种设计的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，燃料电池电堆3的散热系统包括主散热系统、辅助散热系统。
主散热系统包括主水泵8、中冷器4、主补水箱9、去离子器10、水暖PTC6、三通阀一7、三通阀二14、过滤器12，辅助散热系统包括DCDC转换器1、辅助水泵11、空压机2、辅助补水箱13以及三通阀三15；本实施例中，主散热系统和辅助散热系统使用共用散热器516。共用散热器516为辅助散热器16与主散热器5集成而来，共用散热器516中具有主散热通道和辅助散热通道，依次分别供主散热系统冷却液、辅助散热系统冷却液流过。
主补水箱9与主散热系统的冷却回路连通，辅助补水箱13与辅助散热系统的冷却回路连通，均用于向冷却回路中补充冷却液。
在燃料电池电堆3实际运行过程中，电堆3进水口、出水口位置分别放置一个过滤器12，用于去除冷却回路中的颗粒物杂质。
主水泵8和辅助水泵11均为电子水泵。主水泵8安装在电堆3出水口位置，从而使得高温冷却液在进入共用散热器516之前先经过主水泵8完成预散热，从而减小共用散热器516的散热负担；本发明中的冷却液采用水，当然也可以采用其他成分的冷却液。
当燃料电池汽车在低温环境下启动时，三通阀一7通过控制阀门开度使得冷却液全部流经小循环，不通过共用散热器516。同时在小循环回路中打开水暖PTC6的电源开关，采用电加热方式使得冷却液快速升温达到电堆3稳定运行的最低温度要求，从而实现电堆3快速启动的目的。
随着燃料电池汽车的运行，电堆3所需散热量持续增加，此时，三通阀一7的阀门开度逐渐向流向共用散热器516的方向打开，使得冷却液的热量更多地通过共用散热器516排放到空气环境中。在散热系统正常工作过程中，一般水泵的流量是固定不变的，因为电堆3的进水口、出水口温度要维持在固定值，而散热量大小主要通过控制三通阀一7的开度以改变冷却液进入共用散热器516的流量进行控制。
中冷器4入水口连接在散热器出水口位置，在连接处安装一个三通阀二14，当外界环境温度较低，空压机2压缩后的空气温度较低时，中冷器4所需冷却液的流量较小，此时三通阀二14阀门开度较小。当外界环境温度较高，空压机2压缩后的空气温度较高时，三通阀二14的阀门开度增大，从而使得进入中冷器4的冷却液流量增加。这种设计方案相对于传统方式可以使得中冷器4更好地控制进入电堆3的空气的温度，从而提高电堆3对于环境的适应性，另外还可以增加中冷器4管道设计的容错率。
去离子器10连接在主水泵8的出水口位置并与散热器并联，这种结构可以使得流经主水泵8的流量完全流过电堆3，这种方式可以避免流过电堆3的冷却液的分流，从而降低主水泵8的供能压力。
在辅助散热系统中，考虑到DCDC转换器1与空压机2所需散热量不同，如果使用一个串联回路无法做到两个散热部件的散热权衡，因此将DCDC转换器1与空压机2并联连接，接口位置使用三通阀三15控制，这种设计方案中，当其中一个部件温度过高时，三通阀三15的阀门开度向流过该部件的方向旋转，从而避免一个部件单独过热的现象。
当电堆3正常运行时，主备用水泵81并不工作，当燃料电池过载运行，主备用水泵81全功率运行仍然无法满足电堆3的散热需求时，打开第一止回阀18和第二止回阀181，启动主备用水泵81，此时两个水泵同时给主散热系统冷却回路提供动力，这种方式可以减小电堆3散热能力不足的问题，从而避免燃料电池电堆3在过载运行时，散热系统无法满足需求的风险。在辅助散热系统的辅助水泵11的并联位置放置一个辅助备用水泵111,当辅助水泵11全功率运转，而空压机2和DCDC转换器1仍然无法满足散热需求时，打开第三止回阀17和第四止回阀171，辅助备用水泵111开始工作。
考虑到主散热系统和辅助散热系统分别使用两个散热器会导致散热系统占用空间过大，同时电堆3正常运行时冷却液的温度高于DCDC转换器1和空压机2所要求的温度上限，因此为了在保证散热系统安全性的前提下减小系统所占用的空间，主散热系统流经的主散热通道、辅助散热系统流经的辅助散热通道相互独立，但主散热通道和辅助散热通道集成在一个散热器中，并使用同一套散热风扇。这种设计方式可以减小散热器总成的体积，并且避免了结构分散带来的安装困难。
燃料电池电堆3进水口、出水口温差主要通过主水泵8的流量来控制，当冷却液在电堆3进水口、出水口温差过大时，则减小主水泵8的功率。而冷却液进入电堆3的入水口温度主要通过散热器风扇控制，当电堆3入水口温度过高时，则需要增加散热系统的散热量，此时可以增加三通阀7流向共用散热器516的阀门开度，以使更多地冷却液流过共用散热器516，如果三通阀7已经开到最大，此时仍然无法达到散热要求，则需要增加散热风扇的转速，从而加速冷却液向外界环境中的散热。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种燃料电池电堆的散热系统，包括用于对电堆散热的主散热系统、用于对DCDC转换器、空压机散热的辅助散热系统；其特征在于：所述主散热系统包括主散热器、主水泵、中冷器、三通阀一、三通阀二；所述辅助散热系统包括辅助水泵、辅助散热器以及三通阀三；
所述主水泵的出水口与三通阀一的第一水口连通，三通阀一的第三水口与主散热器入水口连通，主散热器出水口、三通阀一的第二水口与三通阀二的第一水口连通；三通阀二的第二水口与中冷器入水口连通，三通阀二的第三水口与电堆的入水口连通；中冷器出水口、电堆出水口与主水泵入水口连通；
辅助水泵的出水口与辅助散热器入水口连通，辅助散热器出水口与三通阀三的第一水口连通，三通阀三的第二水口与空压机入水口连通，三通阀三的第三水口与DCDC转换器入水口连通；DCDC转换器出水口、空压机出水口与辅助水泵的入水口连通。
2.根据权利要求1所述燃料电池电堆的散热系统，其特征在于：将权利要求1中的主散热器与辅助散热器集成为共用散热器，所述共用散热器包括供主散热系统冷却液通过的主散热通道，以及供辅助散热系统冷却液通过的辅助散热通道。
3.根据权利要求1或2所述燃料电池电堆的散热系统，其特征在于：包括水暖PTC；所述水暖PTC的入水口与三通阀一的第二水口连通，且出水口与三通阀二的第一水口连通。
4.根据权利要求1或2所述燃料电池电堆的散热系统，其特征在于：包括去离子器；所述去离子器的入水口与主水泵出水口连通，且出水口与三通阀二的第一水口连通。
5.根据权利要求1或2所述燃料电池电堆的散热系统，其特征在于：包括与主水泵并联的主备用水泵；主备用水泵入水口与主水泵入水口之间设置有第一止回阀，主备用水泵出水口与主水泵出水口之间设置有第二止回阀。
6.根据权利要求1或2所述燃料电池电堆的散热系统，其特征在于：包括与辅助水泵并联的辅助备用水泵；辅助备用水泵入水口与辅助水泵入水口之间设置有第三止回阀，辅助备用水泵出水口与辅助水泵出水口之间设置有第四止回阀。
7.根据权利要求1或2所述燃料电池电堆的散热系统，其特征在于：三通阀一、三通阀二、三通阀三的阀门能够在0～90度之间变化。
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