CN117393796A - 一种具有双重冷却模式的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有双重冷却模式的燃料电池系统，包括电堆、双重模式冷却子系统、空气路子系统和氢气路子系统，通过设置双重冷却模式，在燃料电池系统低载运行时，采用风冷冷却模式对电堆进行冷却，提高燃料电池系统在低载工作中的效率，在燃料电池系统高载运行时，采用水冷冷却模式对电堆进行冷却，保证冷却效果，电堆温度分布均匀，通过将传统水冷冷却方式的散热器设置成特定结构，可起到风冷冷却方式中供气和冷却的双重作用，而无需额外设置风冷冷却结构，减小系统体积。

Description

一种具有双重冷却模式的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有双重冷却模式的燃料电池系统。
背景技术
现有燃料电池系统的冷却模式主要有两种，分别是水冷燃料电池和风冷燃料电池，对于水冷燃料电池，其优点在于供应气体流量大，系统温度分布均匀等；对于风冷燃料电池，由于其简化了冷却系统和阴极供气系统，仅用风扇则可同时供应阴极反应气体和冷却电堆，因此结构简单，附着功耗低，更适合小功率电堆使用。
然而上述两种冷却方式均存在一些问题，对于水冷燃料电池，由于其各子系统结构复杂，附着能耗高，极大影响系统净输出功率，且水冷燃料电池中的空压机在低流量区域容易形成喘振，对空压机造成不可逆损伤，因此通常需要采用过量的空气流量供应燃料电池系统，使燃料电池效率下降，即水冷燃料电池系统低载条件下附着能耗高导致的效率低的问题；对于风冷燃料电池，因为其冷却系统仅由风扇完成，因此电堆内部温度分布极其不均匀，从而导致电堆内部湿度分布、电流密度分布亦分布不均，限制了系统性能，同时大大缩短了系统使用寿命。
综上可知，亟待提出一种新的燃料电池系统冷却模式来解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有双重冷却模式的燃料电池系统，目的在于，通过设置双重冷却模式，使燃料电池系统在运行时充分冷却，从而保证燃料电池系统性能，增加使用寿命。
为达上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种具有双重冷却模式的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括电堆、双重模式冷却子系统、空气路子系统和氢气路子系统；
所述电堆上设置有冷却液入口、冷却液出口、第一空气进出口、第二空气进出口、氢气入口和氢气出口；
所述双重模式冷却子系统包括第一电磁阀、第二电磁阀、散热器、三通阀、水泵和去离子器，所述散热器设置有气体出入口、液体入口和液体出口；冷却液从散热器的液体出口流出，依次经过水泵和去离子器后，由冷却液入口进入电堆；冷却液从冷却液出口流出电堆后，进入三通阀的输入端，三通阀的第一输出端与散热器的液体入口连接，三通阀的第二输出端通过管路连接在散热器的液体出口与水泵之间的管路上；散热器的气体出入口处连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第一电磁阀，第一电磁阀用于控制外界空气是否进入，T型管道的另一个分支连接第二电磁阀的一端，第二电磁阀的另一端通过管路连接电堆的第一空气进出口。
进一步的，所述空气路子系统包括第三电磁阀、第一过滤器、空压机、增湿器、第一尾排阀和第四电磁阀，空气依次经过第三电磁阀、第一过滤器、空压机、增湿器后，由第一空气进出口进入电堆，电堆的第二空气进出口连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第四电磁阀，第四电磁阀用于控制外界空气是否进入；T型管道的另一分支上设置有第一尾排阀，尾排气体经过第一尾排阀后，先进入增湿器，再排出。
进一步的，所述氢气路子系统包括氢源、第二过滤器、第五电磁阀、回流泵和第二尾排阀，氢源提供的氢气依次经过第二过滤器和第五电磁阀后，由氢气入口进入电堆，电堆的氢气出口连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第二尾排阀，T型管道的另一分支上设置有回流泵，部分氢气经回流泵后再次进入电堆。
进一步的，所述散热器包括气流缓冲壳、供气散热风扇、散热器壳体、翅片和冷却液管道。
进一步的，所述冷却液管道套设有若干片翅片，套设有翅片的冷却液管道固定于散热器壳体内。
进一步的，散热器壳体的一侧上设置有至少四个通孔，所述通孔用于安装供气散热风扇。
进一步的，所述气流缓冲壳设置在散热器壳体安装供气散热风扇的一侧，气流缓冲壳内形成气流缓冲区。
进一步的，所述气体出入口设置在气流缓冲壳上，冷却液管道一端连接液体入口，冷却液管道另一端连接液体出口。
进一步的，所述电堆包括电堆壳体、若干片单电池、冷却液分配组件、氢气分配组件和空气分配组件，若干片单电池堆叠在一起后固定于电堆壳体内的中部，冷却液分配组件和氢气分配组件穿过若干片单电池。
进一步的，所述空气分配组件包括第一空气分配腔和第二空气分配腔，第一空气分配腔和第二空气分配腔对称设置在若干片单电池的两侧，气体通过第一空气进出口进出第一空气分配腔，气体通过第二空气进出口进出第二空气分配腔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）通过设置双重冷却模式，在燃料电池系统低载运行时，采用风冷冷却模式对电堆进行冷却，提高燃料电池系统在低载工作中的效率，在燃料电池系统高载运行时，采用水冷冷却模式对电堆进行冷却，保证冷却效果，电堆温度分布均匀。
（2）通过将水冷模式的散热器设置成具有气流缓冲壳、供气散热风扇、散热器壳体、翅片和冷却液管道的特定结构，配合电磁阀的使用，使气流缓冲区能形成负压区，从而在风冷模式下，可起到为电堆阴极供气和使电堆冷却的双重作用，即通过将传统水冷冷却方式的散热器设置成特定结构，可起到风冷冷却方式中供气和冷却的双重作用，而无需额外设置风冷冷却结构，减小系统体积。
（3）通过将电堆的空气分配组件设置为具有第一空气分配腔和第二空气分配腔，且第一空气分配腔和第二空气分配腔堆成设置在若干片单电池的两侧的特定结构，使得燃料电池系统水冷冷却模式的空气入口和空气出口，在切换成风冷冷却模式时，可作为空气出口和空气入口，两种不同的空气供应方式共用同样的空气进出口，有效减少系统零部件，从而降低成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1示出了本发明实施例具有双重冷却模式的燃料电池系统在低载条件下运行时的系统示意图；
图2示出了本发明实施例具有双重冷却模式的燃料电池系统在高载条件下运行时的系统示意图；
图3示出了本发明实施例具有双重冷却模式的燃料电池系统的散热器的三维爆炸图；
图4示出了本发明实施例散热器的气流缓冲壳的立体图；
图5示出了本发明实施例散热器的散热器壳体的立体图；
图6示出了本发明实施例散热器的翅片和冷却液管道的立体图；
图7示出了本发明实施例具有双重冷却模式的燃料电池系统的电堆的立体图；
图8示出了本发明实施例电堆的俯视图；
图9示出了沿图8的A-A线的剖视图。
图中：1、第三电磁阀；2、第一过滤器；3、空压机；4、增湿器； 5、第一尾排阀；6、第四电磁阀；7、电堆；7-1、冷却液入口；7-2、冷却液出口；7-3、第一空气进出口；7-4、第二空气进出口；7-5、氢气入口；7-6、氢气出口；7-7、电堆壳体；7-8、单电池；7-9、第一空气分配腔；7-10、第二空气分配腔；8、第一电磁阀；9、第二电磁阀；10、散热器；10-1、气流缓冲壳；10-2、供气散热风扇；10-3、散热器壳体；10-4、翅片；10-5、冷却液管道；10-6、通孔；10-7、气体出入口；10-8、液体入口；10-9、液体出口；11、三通阀；12、水泵；13、去离子器；14、氢源；15、第二过滤器；16、第五电磁阀；17、回流泵；18、第二尾排阀。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明实施例提出了一种具有双重冷却模式的燃料电池系统，如附图1-9所示，包括电堆7、双重模式冷却子系统、空气路子系统和氢气路子系统；
所述电堆7上设置有冷却液入口7-1、冷却液出口7-2、第一空气进出口7-3、第二空气进出口7-4、氢气入口7-5和氢气出口7-6。
所述双重模式冷却子系统包括第一电磁阀8、第二电磁阀9、散热器10、三通阀11、水泵12和去离子器13，所述散热器10设置有气体出入口10-7、液体入口10-8和液体出口10-9；冷却液从散热器10的液体出口10-9流出，依次经过水泵12和去离子器13后，由冷却液入口7-1进入电堆7；冷却液从冷却液出口7-2流出电堆7后，进入三通阀11的输入端，三通阀11的第一输出端与散热器10的液体入口10-8连接，三通阀11的第二输出端通过管路连接在散热器10的液体出口10-9与水泵12之间的管路上；散热器10的气体出入口10-7处连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第一电磁阀8，第一电磁阀8用于控制外界空气是否进入，T型管道的另一个分支连接第二电磁阀9的一端，第二电磁阀9的另一端通过管路连接电堆7的第一空气进出口7-3；
所述空气路子系统包括第三电磁阀1、第一过滤器2、空压机3、增湿器4、第一尾排阀5和第四电磁阀6，空气依次经过第三电磁阀1、第一过滤器2、空压机3、增湿器4后，由第一空气进出口7-3进入电堆7，电堆7的第二空气进出口7-4连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第四电磁阀6，第四电磁阀6用于控制外界空气是否进入；T型管道的另一分支上设置有第一尾排阀5，尾排气体经过第一尾排阀5后，先进入增湿器4，再排出；
所述氢气路子系统包括氢源14、第二过滤器15、第五电磁阀16、回流泵17和第二尾排阀18，氢源14提供的氢气依次经过第二过滤器15和第五电磁阀16后，由氢气入口7-5进入电堆7，电堆7的氢气出口7-6连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第二尾排阀18，T型管道的另一分支上设置有回流泵17，部分氢气经回流泵17后再次进入电堆7。
所述散热器10包括气流缓冲壳10-1、供气散热风扇10-2、散热器壳体10-3、翅片10-4和冷却液管道10-5；
所述冷却液管道10-5套设有若干片翅片10-4，套设有翅片10-4的冷却液管道10-5固定于散热器壳体10-3内；
散热器壳体10-3的一侧上设置有至少四个通孔10-6，所述通孔10-6用于安装供气散热风扇10-2；
所述气流缓冲壳10-1设置在散热器壳体10-3安装供气散热风扇10-2的一侧，气流缓冲壳10-1内形成气流缓冲区。
所述气体出入口10-7设置在气流缓冲壳10-1上，冷却液管道10-5一端连接液体入口10-8，冷却液管道10-5另一端连接液体出口10-9。
所述电堆7包括电堆壳体7-7、若干片单电池7-8、冷却液分配组件、氢气分配组件和空气分配组件，若干片单电池7-8堆叠在一起后固定于电堆壳体7-7内的中部，冷却液分配组件和氢气分配组件穿过若干片单电池7-8。
所述空气分配组件包括第一空气分配腔7-9和第二空气分配腔7-10，第一空气分配腔7-9和第二空气分配腔7-10对称设置在若干片单电池7-8的两侧，气体通过第一空气进出口7-3进出第一空气分配腔7-9，气体通过第二空气进出口7-4进出第二空气分配腔7-10。
冷却液入口7-1、冷却液出口7-2、第一空气进出口7-3、第二空气进出口7-4、氢气入口7-5和氢气出口7-6设置在电堆壳体7-7上。
所述具有双重冷却模式的燃料电池系统的工作原理如下：
燃料电池系统在低载条件下运行时，主要通过风冷冷却模式对电堆进行冷却，此时打开第二电磁阀9和第四电磁阀6，关闭第一电磁阀8、第三电磁阀1和第一尾排阀5；供气散热风扇10-2运转，将气流缓冲区中的空气抽出，吹入翅片中，气流缓冲壳10-1内形成负压，将电堆内的废气从电堆中抽出，电堆内形成负压区域，外界空气通过第四电磁阀6进入电堆内；与此同时，关闭三通阀11的第一输出端，打开三通阀11的第二输出端，冷却液从电堆7的冷却液出口7-1流出后，通过三通阀11的第二输出端，经水泵12和去离子器13后，由冷却液入口7-2进入电堆7，即冷却液以低流速小循环流动，附着能耗低，进一步保证电堆内温度分布均匀。
燃料电池系统在高载条件下运行时，主要通过水冷冷却模式对电堆进行冷却，此时打开第一电磁阀8、第三电磁阀1和第一尾排阀5，关闭第二电磁阀9和第四电磁阀6；空气通过第三电磁阀1，经第一过滤器2、空压机3、增湿器4后由第一空气进出口7-3进入电堆7，电堆内的废气由第二空气进出口7-4流出，经第一尾排阀5和增湿器4后排出；此时关闭三通阀11的第二输出端，打开三通阀11的第一输出端，冷却液从电堆7的冷却液出口7-1流出后，通过三通阀11的第一输出端，流入散热器10，此时供气散热风扇10-2高速运转，通过第一电磁阀8使外界空气吹向翅片，使冷却液迅速降温，再经水泵12和去离子器13，由冷却液入口7-2进入电堆7，即冷却液以高流速大循环流动。水冷冷却模式下，空气供应气体流量大，冷却效果好，系统温度分布均匀。
通过设置双重冷却模式，在燃料电池系统低载运行时，采用风冷冷却模式对电堆进行冷却，提高燃料电池系统在低载工作中的效率，在燃料电池系统高载运行时，采用水冷冷却模式对电堆进行冷却，保证冷却效果，电堆温度分布均匀。
通过将水冷模式的散热器设置成具有气流缓冲壳、供气散热风扇、散热器壳体、翅片和冷却液管道的特定结构，配合电磁阀的使用，使气流缓冲区能形成负压区，从而在风冷模式下，可起到为电堆阴极供气和使电堆冷却的双重作用，即通过将传统水冷冷却方式的散热器设置成特定结构，可起到风冷冷却方式中供气和冷却的双重作用，而无需额外设置风冷冷却结构，减小系统体积。
通过将电堆的空气分配组件设置为具有第一空气分配腔和第二空气分配腔，且第一空气分配腔和第二空气分配腔对称设置在若干片单电池的两侧的特定结构，使得燃料电池系统水冷冷却模式的空气入口和空气出口，在切换成风冷冷却模式时，可作为空气出口和空气入口，两种不同的空气供应方式共用同样的空气进出口，有效减少系统零部件，从而降低成本。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括电堆（7）、双重模式冷却子系统、空气路子系统和氢气路子系统；
所述电堆（7）上设置有冷却液入口（7-1）、冷却液出口（7-2）、第一空气进出口（7-3）、第二空气进出口（7-4）、氢气入口（7-5）和氢气出口（7-6）；
所述双重模式冷却子系统包括第一电磁阀（8）、第二电磁阀（9）、散热器（10）、三通阀（11）、水泵（12）和去离子器（13），所述散热器（10）设置有气体出入口（10-7）、液体入口（10-8）和液体出口（10-9）；冷却液从散热器（10）的液体出口（10-9）流出，依次经过水泵（12）和去离子器（13）后，由冷却液入口（7-1）进入电堆（7）；冷却液从冷却液出口（7-2）流出电堆（7）后，进入三通阀（11）的输入端，三通阀（11）的第一输出端与散热器（10）的液体入口（10-8）连接，三通阀（11）的第二输出端通过管路连接在散热器（10）的液体出口（10-9）与水泵（12）之间的管路上；散热器（10）的气体出入口（10-7）处连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第一电磁阀（8），第一电磁阀（8）用于控制外界空气是否进入，T型管道的另一个分支连接第二电磁阀（9）的一端，第二电磁阀（9）的另一端通过管路连接电堆（7）的第一空气进出口（7-3）；
所述散热器（10）包括气流缓冲壳（10-1）、供气散热风扇（10-2）、散热器壳体（10-3）、翅片（10-4）和冷却液管道（10-5）。
2.如权利要求1所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述空气路子系统包括第三电磁阀（1）、第一过滤器（2）、空压机（3）、增湿器（4）、第一尾排阀（5）和第四电磁阀（6），空气依次经过第三电磁阀（1）、第一过滤器（2）、空压机（3）、增湿器（4）后，由第一空气进出口（7-3）进入电堆（7），电堆（7）的第二空气进出口（7-4）连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第四电磁阀（6），第四电磁阀（6）用于控制外界空气是否进入；T型管道的另一分支上设置有第一尾排阀（5），尾排气体经过第一尾排阀（5）后，先进入增湿器（4），再排出。
3.如权利要求1所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气路子系统包括氢源（14）、第二过滤器（15）、第五电磁阀（16）、回流泵（17）和第二尾排阀（18），氢源（14）提供的氢气依次经过第二过滤器（15）和第五电磁阀（16）后，由氢气入口（7-5）进入电堆（7），电堆（7）的氢气出口（7-6）连接T型管道，T型管道的一个分支上设置有第二尾排阀（18），T型管道的另一分支上设置有回流泵（17），部分氢气经回流泵（17）后再次进入电堆（7）。
4.如权利要求1所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却液管道（10-5）套设有若干片翅片（10-4），套设有翅片（10-4）的冷却液管道（10-5）固定于散热器壳体（10-3）内。
5.如权利要求4所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，散热器壳体（10-3）的一侧上设置有至少四个通孔（10-6），所述通孔（10-6）用于安装供气散热风扇（10-2）。
6.如权利要求5所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述气流缓冲壳（10-1）设置在散热器壳体（10-3）安装供气散热风扇（10-2）的一侧，气流缓冲壳（10-1）内形成气流缓冲区。
7.如权利要求6所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述气体出入口（10-7）设置在气流缓冲壳（10-1）上，冷却液管道（10-5）一端连接液体入口（10-8），冷却液管道（10-5）另一端连接液体出口（10-9）。
8.如权利要求1所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆（7）包括电堆壳体（7-7）、若干片单电池（7-8）、冷却液分配组件、氢气分配组件和空气分配组件，若干片单电池（7-8）堆叠在一起后固定于电堆壳体（7-7）内的中部，冷却液分配组件和氢气分配组件穿过若干片单电池（7-8）。
9.如权利要求8所述的具有双重冷却模式的燃料电池系统，其特征在于，所述空气分配组件包括第一空气分配腔（7-9）和第二空气分配腔（7-10），第一空气分配腔（7-9）和第二空气分配腔（7-10）对称设置在若干片单电池（7-8）的两侧，气体通过第一空气进出口（7-3）进出第一空气分配腔（7-9），气体通过第二空气进出口（7-4）进出第二空气分配腔（7-10）。
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