CN114864994A - 一种燃料电池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池冷却系统，包括：主冷却回路、补液支路、排气支路；主冷却回路依次设置有电堆、水泵、节温器、散热器；补液支路依次设置有去离子罐、膨胀水箱，散热器出口的部分冷却液依次经过所述去离子罐、膨胀水箱，返回水泵入口形成补液支路；排气支路设置有排气水箱，电堆冷却路水气接口出来的气体经排气水箱、膨胀水箱形成排气支路。多个排气接口和双补液口可以提高系统补液速度，提高系统的交付速度，解决冷却系统局部聚气和排气困难的问题，提高系统的匹配性，有利于系统冷启动实验，可以减小膨胀水箱在环境舱外造成的影响。

Description

一种燃料电池冷却系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池冷却系统。

背景技术

燃料电池系统在工作时产生大量的热，需要设计冷却路进行散热。设计时除了考虑散热能力外，还需要考虑到整个系统的补水排气的速度，更高效的补水排气可以缩短系统运行前的准备时间，更快速地使系统投入工作。冷却系统是燃料电池系统中用于给电堆降温的冷却子系统；补水排气路是燃料电池系统中冷却子系统用于补水和排气的支路；中冷器是冷却系统中用于给空气降温的部件；氢换热器是冷却系统中用于给氢气换热的部件。

现有技术燃料电池冷却系统的补水排气速度较慢，特别当系统较为复杂时，如电堆采用双堆甚至多堆工作，用于热交换的模块较多时无法满足系统补水排气速度的需求，甚至冷却系统出现聚集的气体无法排出。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃料电池冷却系统，包括：主冷却回路、补液支路、排气支路；

所述主冷却回路依次设置有电堆、水泵、节温器、散热器，所述电堆具有电堆冷却路水气接口、电堆冷却液出口、电堆冷却液入口，所述节温器具有节温器第一出口、节温器第二出口，所述节温器第一出口与所述散热器入口相连，所述散热器出口与所述电堆冷却液入口相连，电堆冷却液出口的高温冷却液依次经过所述水泵、节温器、散热器，返回电堆冷却液入口形成主冷却回路，这是大循环；

所述散热器出口处连接有所述补液支路，补液支路依次设置有去离子罐、膨胀水箱，散热器出口处的部分冷却液依次经过所述去离子罐、膨胀水箱，返回水泵入口形成补液支路；

所述排气支路设置有排气水箱，所述排气水箱具有高位接口、排气水箱排气口、排气水箱排液口，所述高位接口连接所述电堆的冷却路水气接口，所述排气水箱排气口连接所述膨胀水箱的进气口，所述排气水箱排液口连接水泵入口，电堆的冷却路水气接口出来的气体经排气水箱、膨胀水箱形成排气支路。

具体的，所述节温器第二出口连接所述散热器出口与电堆冷却液入口之间的主冷却回路管路，节温器第二出口的冷却液返回电堆冷却液入口形成冷却回路，这是小循环。

具体的，所述散热器出口与电堆冷却液入口之间的主冷却回路管路上，电堆冷却液入口处设置有中冷器，与电堆并联设置，所述主冷却回路的部分冷却液经过所述中冷器返回所述水泵入口。

具体的，所述散热器出口与电堆冷却液入口之间的主冷却回路管路上，电堆冷却液入口处设置有氢换热器，与电堆并联设置，所述主冷却回路的部分冷却液经过所述氢换热器返回所述水泵入口。

具体的，所述排气水箱具有低位接口，所述中冷器具有中冷器排气口，所述氢换热器具有氢换热器排气口，所述低位接口分别连接所述中冷器排气口、氢换热器排气口。

具体的，所述排气水箱高位接口数量和口径与电堆冷却路水气接口的数量和口径匹配设置，所述排气水箱低位接口数量和口径与中冷器排气口、氢换热器排气口的数量和口径匹配设置。

更具体的，所述排气水箱高度低于所述膨胀水箱。所述排气水箱竖直放置。所述排气水箱排气口设置在排气水箱顶端，排气水箱排液口设置在排气水箱底端。

冷却系统中，电堆冷却路水气接口，用于排出冷却路可能存在的气体；中冷器，用于给空气系统的空气降温；水泵，用于给冷却系统的循环液提供动力；节温器，通过控制不同开度调节冷却液流经大小不同循环回路的流量；散热器，用于将冷却系统的热量排出到环境中；去离子罐，用于降低冷却液的电导率；膨胀水箱，对冷却系统进行补液和排气；氢换热器，用于调节入堆氢气的温度；排气水箱，具有一定高度的水箱，用于排气和补液。

作为一级排气，该排气水箱具有竖直方向的高度，在水箱上端存在不同的接口，最顶端的排气口连接膨胀水箱，用于将排气水箱的气体排入膨胀水箱；位于较高处高位接口，分别连接电堆冷却路水气接口，将电堆的气体引入排气水箱；较低处低位接口连接散热模块的排气口，如中冷器、氢换热器等，将换热模块的气体引入排气水箱；底端的排液口连接水泵入口，将排气水箱中的冷却液通向水泵；实际应用中排气水箱各位置的接口数量需要视情况而定，需要匹配具体的电堆数量，散热模块的数量，提高系统的匹配性，排气水箱的高度应低于膨胀水箱，更有利于排气。

本发明多个排气接口和双补水口可以提高系统排气补水速度，提高系统的交付速度，每个电堆和部件都设计有排气接口，解决冷却系统局部聚气和排气困难的问题，提高系统的匹配性，电堆及换热部件的排气接口可以适当放开，仅需要计算排气水箱上各接口的尺寸便可以实现流量的精确控制，有利于系统冷启动实验，可以将排气水箱放置在环境舱内，经过精确计算，理论上可以实现大部分冷却液经过排气水箱实现内循环，可以减小膨胀水箱在环境舱外造成的影响。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明实施例中的一种燃料电池冷却系统；

图2示出了本发明实施例中的一种燃料电池冷却系统中的排气水箱。

附图标记：1-电堆；2-电堆冷却路水气接口；21-电堆冷却液出口；22-电堆冷却液入口；3-中冷器；31-中冷器排气口；4-水泵；41-水泵入口；5-节温器；51-节温器第一出口；52-节温器第二出口；6-散热器；61-散热器出口；62-补液支路；7-去离子罐；8-膨胀水箱；9-氢换热器；91-氢换热器排气口；10-排气水箱；11-第一接口；12第二接口；13-第三接口；14-第四接口；15-排气水箱排气口；16-排气水箱排液口。

注：箭头方向为气体、液体流动方向。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如图1所示，一种燃料电池冷却系统，包括：主冷却回路、补液支路、排气支路；

所述主冷却回路依次设置有电堆1、水泵4、节温器5、散热器6，所述电堆具有电堆冷却路水气接口2、电堆冷却液出口21、电堆冷却液入口22，所述节温器5具有节温器第一出口51、节温器第二出口52，所述节温器第一出口51与所述散热器6入口相连，所述散热器出口61与所述电堆冷却液入口22相连，电堆冷却液出口21的高温冷却液依次经过所述水泵4、节温器5、散热器6，返回电堆冷却液入口22形成主冷却回路，这是大循环；

所述散热器出口61处连接有所述补液支路62，补液支路依次设置有去离子罐7、膨胀水箱8，散热器出口61处的部分冷却液依次经过所述去离子罐7、膨胀水箱8，返回水泵入口41形成补液支路；

所述排气支路设置有排气水箱10，所述排气水箱10具有高位接口第一接口11、第二接口12、排气水箱排气口15、排气水箱排液口16，所述高位接口第一接口11、第二接口12连接所述电堆冷却路水气接口2，所述排气水箱排气口15连接所述膨胀水箱8的进气口，所述排气水箱排液口16连接水泵入口41，电堆冷却路水气接口2出来的气体经排气水箱10、膨胀水箱8形成排气支路。

所述节温器第二出口52连接所述散热器出口61与电堆冷却液入口22之间的主冷却回路管路，节温器第二出口52的冷却液返回电堆冷却液入口22形成冷却回路，这是小循环。

所述散热器出口61与电堆1冷却液入口22之间的主冷却回路管路上，电堆冷却液入口22处，设置有中冷器3，与电堆1并联设置，所述主冷却回路的部分冷却液经过所述中冷器3返回所述水泵入口41。

所述散热器出口61与电堆1冷却液入口22之间的主冷却回路管路上，电堆冷却液入口22处，设置有氢换热器9，与电堆1并联设置，所述主冷却回路的部分冷却液经过所述氢换热器9返回所述水泵入口41。

所述排气水箱10具有低位接口第三接口13、第四接口14，所述中冷器具有中冷器排气口31，所述氢换热器9具有氢换热器排气口91，所述低位接口第三接口13、第四接口14分别连接所述中冷器排气口31、氢换热器排气口91。

所述排气水箱高位接口数量和口径与电堆冷却路水气接口的数量和口径匹配设置，所述排气水箱低位接口数量和口径与中冷器排气口、氢换热器排气口的数量和口径匹配设置。

所述排气水箱高度低于所述膨胀水箱。所述排气水箱竖直放置。所述排气水箱排气口15设置在排气水箱10顶端，排气水箱排液口16设置在排气水箱10底端。

冷却系统运行时，首先给膨胀水箱8加水，膨胀水箱8连接水泵入口41的一路为补液支路；冷却液经过水泵4后流向节温器5，经过节温器5的第一出口51、第二出口52进行分流，分流比视需求决定；冷却液流向散热器6的一路视为大循环，另一路视为小循环；随后汇流入电堆1，经过电堆1后再流向水泵4；中冷器3和氢换热器9与电堆1并联连接，分流一定的流量；电堆1的冷却路设置有电堆冷却路水气接口2，位于入堆前或出堆后，具体位置不同的设计方案会有不同，堆内的气泡和部分冷却液通过电堆冷却路水气接口2流向排气水箱10、膨胀水箱8，此为排气支路，散热器出口61连接补液支路62，流向去离子罐7，用于降低冷却系统的电导率，流向膨胀水箱8后返回水泵入口41。

冷却系统中，电堆冷却路水气接口2，用于排出冷却路可能存在的气体；中冷器3，用于给空气系统的空气降温；水泵4，用于给冷却系统的循环液提供动力；节温器5，通过控制不同开度调节冷却液流经不同循环回路的流量；散热器6，用于将冷却系统的热量排出到环境中；去离子罐7，用于降低冷却液的电导率；膨胀水箱8，对冷却系统进行补液和排气；氢换热器9，用于调节入堆氢气的温度；排气水箱10，具有一定高度的水箱，用于排气和补液。箭头方向为气体、液体流动方向。

如图2所示，一种燃料电池冷却系统中的排气水箱。

排气水箱排气口15连接膨胀水箱的排气口；高位接口第一接口11、第二接口12连接电堆冷却路水气接口；低位接口第三接口13、第四接口14连接氢散热器和中冷器排气口；排气水箱排液口16连接水泵入口。箭头方向为气体、液体流动方向。

作为一级排气，该排气水箱10具有竖直方向的高度，在水箱上端存在不同的接口，最顶端的排气水箱排气口15连接膨胀水箱，用于将排气水箱10的气体排入膨胀水箱；位于较高处高位接口第一接口11、第二接口12，分别连接电堆冷却路水气接口，将电堆的气体引入排气水箱；较低处低位接口第三接口13、第四接口14，连接散热模块的排气口，如中冷器、氢换热器等，将换热模块的气体引入排气水箱10；底端的排气水箱排液口16连接水泵入口，将排气水箱10中的冷却液通向水泵；实际应用中排气水箱各位置的开口数量需要视情况而定，需要匹配具体的电堆数量，散热模块的数量，排气水箱10的高度应低于膨胀水箱，更有利于排气。

本发明多个排气接口和双补水口可以提高系统补水速度，提高系统的交付速度，每个电堆和部件都设计有排气接口，解决冷却系统局部聚气和排气困难的问题，提高系统的匹配性，电堆及换热部件的排气接口可以适当放开，仅需要计算排气水箱上各排气接口的尺寸便可以实现流量的精确控制，有利于系统冷启动实验，可以将排气水箱放置在环境舱内，经过精确计算，理论上可以实现大部分冷却液经过排气水箱实现内循环，可以减小膨胀水箱在环境舱外造成的影响。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种燃料电池冷却系统，其特征在于，包括：主冷却回路、补液支路、排气支路；

所述主冷却回路依次设置有电堆、水泵、节温器、散热器，所述电堆具有电堆冷却路水气接口、电堆冷却液出口、电堆冷却液入口，所述节温器具有节温器第一出口、节温器第二出口，所述节温器第一出口与所述散热器入口相连，所述散热器出口与所述电堆冷却液入口相连，所述电堆冷却液出口的高温冷却液依次经过所述水泵、节温器、散热器，返回电堆冷却液入口形成主冷却回路；

所述散热器出口处连接有所述补液支路，补液支路依次设置有去离子罐、膨胀水箱，散热器出口处的部分冷却液依次经过所述去离子罐、膨胀水箱，返回水泵入口形成补液支路；

所述排气支路设置有排气水箱，所述排气水箱具有高位接口、排气水箱排气口、排气水箱排液口，所述高位接口连接所述电堆冷却路水气接口，所述排气水箱排气口连接所述膨胀水箱的进气口，所述排气水箱排液口连接水泵入口，电堆的冷却路水气接口出来的气体经排气水箱、膨胀水箱形成排气支路。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述节温器第二出口连接所述散热器出口与电堆冷却液入口之间的主冷却回路管路，节温器第二出口的冷却液返回电堆冷却液入口形成冷却回路。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述电堆冷却液入口处设置有中冷器，与电堆并联设置，部分冷却液经过所述中冷器返回所述水泵入口。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述电堆冷却液入口处设置有氢换热器，与电堆并联设置，部分冷却液经过所述氢换热器返回所述水泵入口。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述排气水箱具有低位接口，所述中冷器具有中冷器排气口，所述氢换热器具有氢换热器排气口，所述低位接口分别连接所述中冷器排气口、氢换热器排气口。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述排气水箱高位接口数量和口径与电堆冷却路水气接口的数量和口径匹配设置，所述排气水箱低位接口数量和口径与中冷器排气口、氢换热器排气口的数量和口径匹配设置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述排气水箱高度低于所述膨胀水箱。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述排气水箱竖直放置。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池冷却系统，其特征在于，所述排气水箱排气口设置在排气水箱顶端，排气水箱排液口设置在排气水箱底端。

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