CN114597440A - 一种氢燃料电池热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池热管理系统,包括进气冷却换热器、第一冷媒泵、第一冷媒储液罐和燃料换热器,所述进气冷却换热器内部形成有阴极气体流路和第一冷媒吸热流路;所述燃料换热器内部形成有燃料流路和第一冷媒放热流路,所述第一冷媒储液罐、所述第一冷媒泵、所述进气冷却换热器和所述燃料换热器依次连通形成第一冷媒循环回路。本发明有效解决了燃料电池的冷却结构较为复杂,系统能效不高的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池氢能汽车领域,尤其涉及一种氢燃料电池热管理系统。
背景技术
氢能汽车其工作原理使将氢能汽车的储氢装置中的氢气导入氢能汽车的燃料电池的电堆中,然后与空气中的氧气反应产生电能从而驱动能汽车的行驶。当氢燃料电池发动机匹配液氢或者高压氢气系统时,液氢或高压氢气在进入燃料电池电堆之前首先需要进行减压、汽化或升温到50℃左右,此过程需要吸收大量的热。燃料电池电堆在工作过程中会产生大量的余热,通常采用冷却液对电堆进行散热,以使电堆内部温度始终处于高效的工作温度范围内。为保证燃料电池电堆的功率,需要对进入电堆的空气进行增压,采用鼓风机等增压装置压缩空气后会使空气温度升高,在压缩空气进入电堆之前进行冷却,可增加进气的密度同时又可以使空气在进堆之前温度降低。
燃料电池的工作温度一般在60-80℃,大功率电堆工作压力通常要达到2-3个大气压,经过空压机压缩后空气温度通常在150℃以上,为了防止损坏膜电极,因此还需要在空压机后、电堆前设置中冷器对空气进行冷却。
现有技术中针对燃料电池的冷却结构一般较为复杂,例如采用冷却液分流冷却的方案,依靠增加冷却液旁路和温控阀等装置来实现的,结构较为复杂,系统能效不高。
发明内容
本发明实施例提供一种氢燃料电池热管理系统,有效解决燃料电池的冷却结构较为复杂,系统能效不高的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明实施例公开了一种氢燃料电池热管理系统,包括进气冷却换热器、第一冷媒泵、第一冷媒储液罐和燃料换热器,所述进气冷却换热器内部形成有阴极气体流路和第一冷媒吸热流路;所述燃料换热器内部形成有燃料流路和第一冷媒放热流路,所述第一冷媒储液罐、所述第一冷媒泵、所述进气冷却换热器和所述燃料换热器依次连通形成第一冷媒循环回路。
进一步地,所述阴极气体流路的入口连接有空气压缩机,所述阴极气体流路的出口与所述电池电堆的阴极进气口连通。
进一步地,所述阴极气体流路的出口与所述阴极进气口之间设有加湿器。
进一步地,所述燃料流路的入口与储氢罐连接。
进一步地,所述氢燃料电池热管理系统还包括电堆冷却系统,所述电堆冷却系统包括第二冷媒泵、第二冷媒换热器和第二冷媒储液罐,所述第二冷媒储液罐、所述第二冷媒泵、所述第二冷媒换热器和所述燃料换热器依次连通形成第二冷媒循环回路。
进一步地,所述氢燃料电池热管理系统还包括三通阀,所述第一冷媒吸热流路的出口和所述第二冷媒换热器的输出口分别连通所述三通阀的两个输入口,所述三通阀的输出口与所述第一冷媒放热流路的入口相连通。
进一步地,所述电堆冷却系统还包括节温器和FCE散热器。
进一步地,所述氢燃料电池热管理系统还包括中冷器,所述中冷器的输入端与所述第一冷媒泵相连,所述所述中冷器的输出端与所述第一冷媒吸热流路的入口相连。
实施本发明,具有如下有益效果:
本发明公开的氢燃料电池热管理系统,包括进气冷却换热器、第一冷媒泵、第一冷媒储液罐和燃料换热器,所述进气冷却换热器内部形成有阴极气体流路和第一冷媒吸热流路;所述燃料换热器内部形成有燃料流路和第一冷媒放热流路,所述第一冷媒储液罐、所述第一冷媒泵、所述进气冷却换热器和所述燃料换热器依次连通形成第一冷媒循环回路。通过将进气冷却换热器和燃料换热器均置于第一冷媒循环回路中,使得第一冷媒放热流路和第一冷媒吸热流路相连通,由于第一冷媒吸热流路是通过第一冷媒来吸收阴极气体的热量,燃料的汽化潜热通过第一冷媒放热流路与第一冷媒进行热交换,能够实现阴极气体的热量和燃料的热交换,且通过第一冷媒进行上述热量交换,保证了热量交换过程中的可靠性,避免了氢气燃料与阴极气体直接交换热量的不可控性,通过第一冷媒作为传热媒介,使得作为阴极气体的高温压缩空气能够充分放热,作为燃料的氢气能够充分吸热进行汽化,提升了换热过程的可控性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明一实施例提供的氢燃料电池热管理系统的示意图。
图2是本发明另一实施例提供的氢燃料电池热管理系统的示意图。
其中,图中附图标记对应为:11-进气冷却换热器,12-第一冷媒泵,13-第一冷媒储液罐,14-燃料换热器,21-第二冷媒泵,22-第二冷媒换热器,23-第二冷媒储液罐,30-空气压缩机,40-电堆,50-储氢罐,51-第一阀门,52-第二阀门,60-加湿器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,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”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量,由此限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征,在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
图1为本发明一实施例提供的氢燃料电池热管理系统的示意图,参考图1,本发明氢燃料电池热管理系统,包括进气冷却换热器11、第一冷媒泵12、第一冷媒储液罐13和燃料换热器14,所述进气冷却换热器11内部形成有阴极气体流路和第一冷媒吸热流路;所述燃料换热器14内部形成有燃料流路和第一冷媒放热流路,在本发明实施例中,所述阴极气体为压缩空气,由于大功率的电堆40工作压力通常需要2-3个大气压,因此需要将进入电堆40的空气先通过空气压缩机30进行加压,但是经过空气压缩机30压缩后的空气温度通常在150℃以上,而电堆40的反应温度一般在60-80℃,故压缩后的空气需要冷却后才能进入电堆40反应。图1中箭头方向为热量传导方向,压缩空气进入进气冷却换热器11后,通过阴极气体流路换热,与第一冷媒进行热交换后,压缩空气的热量传导至第一冷媒,压缩空气的温度降低,进入电堆40进行反应,第一冷媒通过第一冷媒吸热流路吸热后温度升高,继续流入燃料换热器14的第一冷媒放热流路。
在燃料换热器14中,升温后的第一冷媒通过第一冷媒放热流路与来自储氢罐50中的氢气进行热交换,在燃料流路中的氢气吸热后发生汽化且温度升高。
所述第一冷媒储液罐13、所述第一冷媒泵12、所述进气冷却换热器11和所述燃料换热器14依次连通形成第一冷媒循环回路。通过控制第一冷媒泵12,可以控制所述压缩空气和所述储氢罐50中的氢气以第一冷媒作为热交换介质进行交换热量,通过将进气冷却换热器11和燃料换热器14均置于第一冷媒循环回路中,使得第一冷媒放热流路和第一冷媒吸热流路相连通,由于第一冷媒吸热流路是通过第一冷媒来吸收阴极气体的热量,燃料的汽化潜热通过第一冷媒放热流路与第一冷媒进行热交换,能够实现阴极气体的热量和燃料的热交换,且通过第一冷媒进行上述热量交换,保证了热量交换过程中的可靠性,避免了氢气燃料与阴极气体直接交换热量的不可控性,通过第一冷媒作为传热媒介,使得作为阴极气体的高温压缩空气能够充分放热,作为燃料的氢气能够充分吸热进行汽化,提升了换热过程的可控性。
在本发明一实施例中,所述进气冷却换热器11和所述燃料换热器14为板式换热器或管式换热器,本发明对此不作限定。
继续参考图1,在本发明一实施例中,所述阴极气体流路的入口连接有空气压缩机30,所述阴极气体流路的出口与所述电池电堆40的阴极进气口连通,以为电池电堆40提供压缩空气。
继续参考图1,在本发明一实施例中,所述阴极气体流路的出口与所述阴极进气口之间设有加湿器60。通过所述加湿器60对压缩空气进行加湿,避免了流速较大的空气直接进入电池电推,将质子交换膜吹干,保护了氢燃料电池的性能。
继续参考图1,在本发明一实施例中,所述燃料流路的入口与储氢罐50连接。储氢罐50为所述燃料换热器14的燃料流路提供氢气。
继续参考图1,在本发明一实施例中,所述氢燃料电池热管理系统还包括电堆冷却系统,所述电堆冷却系统包括第二冷媒泵21、第二冷媒换热器22和第二冷媒储液罐23,所述第二冷媒储液罐23、所述第二冷媒泵21和所述第二冷媒换热器22依次连通形成第二冷媒循环回路。图2中箭头方向为热量传导方向,第二冷媒储液罐23中低温的第二冷媒在第二冷媒泵21的作用下流入到电池电堆40的冷媒流路内,在电池电堆40内流动过程中,第二冷媒吸收电池电堆40的热量,使电池电堆40温度降低并保持在适合工作的温度(例如,60℃-80℃),从电池电堆40流出温度升高的第二冷媒流入第二冷媒换热器22,并在第二冷媒换热器22内与氢燃料进行换热降温后,流回到第二冷媒储液罐23内,然后再次流入到电池电堆40,第二冷媒如此循环对电池电堆40进行冷却。优选地,第二冷媒为去离子水或水和乙二醇的混合液或在此基础上添加有纳米颗粒的纳米流体冷却剂。在本发明实施例中,所述储氢罐50中的液氢可以通过第二冷媒循环回路中的第二冷媒换热器22进行汽化升温,也可以通过第一冷媒循环回路中的燃料换热器14进行汽化升温,所述储氢罐50的出口分别设置第一阀门51和第二阀门52,用来控制不同循环回路中的氢燃料的输出。在本发明实施例中,所述第二冷媒换热器22通过对储氢罐50中的液氢进行汽化加热,进而对第二冷媒进行降温。如图1所示,箭头的方向为热量传导的方向。
图2为本发明另一实施例提供的氢燃料电池热管理系统的示意图,在本发明一实施例中,所述氢燃料电池热管理系统还包括电堆冷却系统,所述电堆冷却系统包括第二冷媒泵21、第二冷媒换热器22和第二冷媒储液罐23,所述第二冷媒储液罐23、所述第二冷媒泵21、所述第二冷媒换热器22和所述燃料换热器14依次连通形成第二冷媒循环回路。第二冷媒储液罐23中低温的第二冷媒在第二冷媒泵21的作用下流入到电池电堆40的冷媒流路内,在电池电堆40内流动过程中,第一冷媒吸收电池电堆40的热量,使电池电堆40温度降低并保持在适合工作的温度(例如,60℃-80℃),从电池电堆40流出温度升高的第二冷媒经过燃料换热器中的第一冷媒放热流路,流入第二冷媒换热器22,并在第二冷媒换热器22内进行换热降温后,流回到第二冷媒储液罐23内,然后再次流入到电池电堆40,第二冷媒如此循环对电池电堆40进行冷却。优选地,第二冷媒为去离子水或水和乙二醇的混合液或在此基础上添加有纳米颗粒的纳米流体冷却剂。
在本发明一实施例中,所述氢燃料电池热管理系统还包括三通阀,所述第一冷媒吸热流路的出口和所述第二冷媒换热器22的输出口分别连通所述三通阀的两个输入口,所述三通阀的输出口与所述第一冷媒放热流路的入口相连通。可以通过控制三通阀的开闭状态,来调节与第一冷媒循环回路和第二冷媒循环回路中的氢燃料进行热交换的冷却介质,方便根据氢燃料电池的反应状态实时进行调节。
在本发明一实施例中,所述电堆冷却系统还包括节温器和FCE散热器。所述节温器和所述FCE散热器设置于所述第二冷媒循环回路中,以对电堆40中的反应热进行调节。
在本发明一实施例中,所述氢燃料电池热管理系统还包括中冷器,所述中冷器的输入端与所述第一冷媒泵12相连,所述所述中冷器的输出端与所述第一冷媒吸热流路的入口相连。所述中冷器的设置能够对所述压缩空气进行更好地降温。
实施本发明,具有如下有益效果:
本发明公开的氢燃料电池热管理系统,包括进气冷却换热器11、第一冷媒泵12、第一冷媒储液罐13和燃料换热器14,所述进气冷却换热器11内部形成有阴极气体流路和第一冷媒吸热流路;所述燃料换热器14内部形成有燃料流路和第一冷媒放热流路,所述第一冷媒储液罐13、所述第一冷媒泵12、所述进气冷却换热器11和所述燃料换热器14依次连通形成第一冷媒循环回路。通过将进气冷却换热器11和燃料换热器14均置于第一冷媒循环回路中,使得第一冷媒放热流路和第一冷媒吸热流路相连通,由于第一冷媒吸热流路是通过第一冷媒来吸收阴极气体的热量,燃料的汽化潜热通过第一冷媒放热流路与第一冷媒进行热交换,能够实现阴极气体的热量和燃料的热交换,且通过第一冷媒进行上述热量交换,保证了热量交换过程中的可靠性,避免了氢气燃料与阴极气体直接交换热量的不可控性,通过第一冷媒作为传热媒介,使得作为阴极气体的高温压缩空气能够充分放热,作为燃料的氢气能够充分吸热进行汽化,提升了换热过程的可控性。
以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种氢燃料电池热管理系统,其特征在于,包括进气冷却换热器(11)、第一冷媒泵(12)、第一冷媒储液罐(13)和燃料换热器(14),所述进气冷却换热器(11)内部形成有阴极气体流路和第一冷媒吸热流路;所述燃料换热器(14)内部形成有燃料流路和第一冷媒放热流路,所述第一冷媒储液罐(13)、所述第一冷媒泵(12)、所述进气冷却换热器(11)和所述燃料换热器(14)依次连通形成第一冷媒循环回路。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述阴极气体流路的入口连接有空气压缩机(30),所述阴极气体流路的出口与所述电池电堆(40)的阴极进气口连通。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述阴极气体流路的出口与所述阴极进气口之间设有加湿器(60)。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述燃料流路的入口与储氢罐(50)连接。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述氢燃料电池热管理系统还包括电堆冷却系统,所述电堆冷却系统包括第二冷媒泵(21)、第二冷媒换热器(22)和第二冷媒储液罐(23),所述第二冷媒储液罐(23)、所述第二冷媒泵(21)、所述第二冷媒换热器(22)和所述燃料换热器(14)依次连通形成第二冷媒循环回路。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述氢燃料电池热管理系统还包括三通阀,所述第一冷媒吸热流路的出口和所述第二冷媒换热器(22)的输出口分别连通所述三通阀的两个输入口,所述三通阀的输出口与所述第一冷媒放热流路的入口相连通。
7.根据权利要求5所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述电堆冷却系统还包括节温器和FCE散热器。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池热管理系统,其特征在于,所述氢燃料电池热管理系统还包括中冷器,所述中冷器的输入端与所述第一冷媒泵(12)相连,所述所述中冷器的输出端与所述第一冷媒吸热流路的入口相连。
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- 2022-01-28 CN CN202210106113.4A patent/CN114597440A/zh not_active Withdrawn
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CN115621507B (zh) * | 2022-11-14 | 2023-03-10 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统 |
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