CN208862092U - 燃料电池冷却系统及汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池冷却系统及汽车，燃料电池冷却系统包括：散热器，其包括进液口和排液口，排液口通过设置有循环泵的第一管道与燃料电池堆连通；温控阀，其包括进口以及可相互切换的第一出口和第二出口，进口与燃料电池堆通过第二管道连通，第一出口通过第三管道与第一管道连通；第二出口通过第四管道与进液口连通；第一热交换器，其设置在第一管道上，实现空气与冷却液之间热交换；储气瓶，其用于向燃料电池堆提供燃料气体，且设置有控制通断的减压阀；第二热交换器，其设置在第二管道上，其与储气瓶连通，实现燃料气体与冷却液之间热交换。本实用新型提供一种燃料电池冷却系统及汽车，提高冷却效率，同时避免减压阀结霜。

Description

燃料电池冷却系统及汽车

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池冷却系统及汽车。

背景技术

燃料电池是能源供应的重要组成部分，在电动车、可移动电源、固定电站等方面具有广阔的应用前景。以电动车为例，在车辆上安装燃料电池，需要使燃料电池在适宜温度范围内工作，通常，通过循环供应冷却液到燃料电池进行温度调整，采用燃料电池冷却系统对燃料电池进行冷却。

燃料电池冷却系统包括散热器、冷却液循环回路、旁路通道和温控阀。散热器用于对冷却液进行散热冷却，冷却液循环回路用于实现冷却液在燃料电池与散热器之间循环流动，旁路通道用于使冷却液绕过散热器流动，温控阀可根据冷却液的温度来切换流动通道，使冷却液流向散热器或旁路通道。使用时，通过利用温控阀进行冷却液流动通道的切换，对向燃料电池供应的冷却液的温度进行控制，从而将燃料电池保持在适当的温度范围内。

通常，室外的环境温度为-20℃～45℃，燃料电池堆的工作温度为4℃0～80℃。当采用50％乙二醇作为冷却液，由于要考虑极限工况，采用45℃的冷却液冷却燃料电池堆，使其工作温度保持在80℃以下，所需散热量较大。为满足散热要求，冷却液需求量及散热器面积会相应较大，造成安装空间的需求更高。为了降低冷却液需求量，提高冷却效率，采用气瓶高压液态氢进入阳极管路气化吸热方式，但是大功率时易导致减压阀结霜或冰晶，从而带来不利影响。

因此，需要一种燃料电池冷却系统及汽车，来解决上述问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种燃料电池冷却系统及汽车，通过与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，同时提高燃料气体温度避免出现减压阀结霜现象。

基于上述目的本实用新型提供的一种燃料电池冷却系统，包括：

散热器，所述散热器包括进液口和排液口，所述排液口通过设置有循环泵的第一管道与所述燃料电池堆连通；

温控阀，所述温控阀包括进口以及可相互切换的第一出口和第二出口，所述进口与所述燃料电池堆通过第二管道连通，所述第一出口通过第三管道与所述第一管道连通；所述第二出口通过第四管道与所述进液口连通；

第一热交换器，所述第一热交换器设置在所述第一管道上，所述第一热交换器用于实现空气与冷却液之间热交换；

储气瓶，所述储气瓶用于向所述燃料电池堆提供燃料气体，且设置有控制通断的减压阀；

第二热交换器，所述第二热交换器设置在所述第二管道上，所述第二热交换器与所述储气瓶连通，且用于实现燃料气体与冷却液之间热交换。

采用上述燃料电池冷却系统，通过冷却液与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，同时提高燃料气体温度避免出现减压阀结霜现象。

优选地，所述燃料电池冷却系统还包括：补给箱，所述补给箱与所述散热器连通，所述补给箱用于存储冷却液，且可向所述散热器提供冷却液。通过配置补给箱，以便为补充冷却液，确保系统内冷却液量充足，以便保证冷却效果。

优选地，所述补给箱与水源通过管道连通，所述管道上设置有控制通断的阀门。为方便配置冷却液，将补给箱与水源连通，在向补给箱内添加冷却液的同时添加冷水，待充分混匀后，提供到冷却系统。在管道上设置阀门，以便及时控制阀门的通断，方便准确控制配比。

优选地，所述燃料电池堆包括多个发电单元堆叠设置，所述发电单元包括膜电极结合体以及隔离件，所述膜电极结合体包括电解质膜以及在所述电解质膜上相对配置的阳极和阴极；所述隔离件夹持所述膜电极结合体，且所述隔离件的相对两侧分别向所述阳极和所述阴极提供燃料气体和氧化气体。膜电极结合体为固体高分子电解质膜，固体高分子电解质膜相对配置有阳极和阴极，阳极为接收燃料气体供应的燃料极，阴极为接收氧化剂气体的氧化剂极。燃料气体包括但不限于氢气，氧化气体包括但不限于氧气，通常采用空气，氢气和氧气反应后输出电能，燃料电池堆是高效、环境友好的发电装置。

优选地，所述隔离件设置有第一气路和第二气路，所述第一气路与所述储气瓶连通，且用于向所述阳极提供燃料气体；所述第二气路与用于提供氧化气体的设备连通，且用于为所述阴极提供氧化气体。通过第一气路和第二气路分别快速引导氢气和空气至阳极和阴极，以便氢气和氧气反应输出电能，保证电能输出效率。

优选地，所述发电单元设置有阳极入口、阳极出口、阴极入口、阴极出口、冷却液入口和冷却液出口；所述阳极入口和所述阳极出口分别与所述储气瓶和外部环境连通；所述阴极入口和所述阴极出口分别与用于提供氧化气体的设备和外部环境连通，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别与所述第一管道和所述第二管道连通。发电单元采用上述结构，使得氢气、氧气和冷却液按照预设路径，有序进入燃料电池堆进行相应的反应后，反应后的废气或多余的氢气或交换完热量的冷却液在按照预设路径排出进入后续循环或排出到外部环境中。

优选地，所述温控阀包括用于控制所述第一出口和所述第二出口通断的阀门、温度控制器和电子执行器，所述温度控制器与所述电子执行器电连接，所述温度控制器监测通过所述阀门的流体的温度，并根据预设温度对比结果发出指令，所述电子执行器与所述阀门连接，接受并根据所述温度控制器的指令控制所述阀门的开关。温控阀的结构简单，方便操作，能够实现冷却液的自动循环。

优选地，所述循环泵和所述燃料电池堆之间的管道上设置有第一传感器，所述第一传感器用于监测并提供管道内的压力。通过设置第一传感器监测循环泵的运行状态，及时掌握燃料电池冷却系统运行状态。

另外，优选地，所述燃料电池堆和所述第二热交换器之间的管道上设置有第二传感器，所述第二传感器用于监测并提供管道内的压力。通过设置第二传感器监测循环泵的运行状态，及时掌握燃料电池冷却系统运行状态。

本实用新型还提供一种汽车，所述汽车包括如上述的燃料电池冷却系统。汽车包括如上述燃料电池冷却系统，通过冷却液与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，同时提高燃料气体温度避免出现减压阀结霜现象。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的燃料电池冷却系统及汽车，与现有技术相比，具有以下优点：第一，通过设置第一热交换器，冷却液与空气进行热交换，冷却液可吸收空气中的热量，进一步降低空气的温度，使得进入燃料电池堆的温度得到调节。第二，通过设置第二热交换器，冷却液与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，提高燃料气体温度，避免出现减压阀结霜现象。第三，通过设置温控阀，可引导不同温度的冷却液进入不同的流动通道，以便控制进入冷却系统内的热量。

附图说明

通过下面结合附图对其实施例进行描述，本实用新型的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本实用新型具体实施例中采用的燃料电池冷却系统的示意图。

其中附图标记：

1：散热器；2：补给箱；3：温控阀；4：第一热交换器；

5：循环泵；6：燃料电池堆；7：第二热交换器；8：储气瓶。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为本实用新型具体实施例中采用的燃料电池冷却系统的示意图。如图1所示，燃料电池冷却系统包括：散热器1、温控阀3、第一热交换器4、储气瓶8和第二热交换器7。

散热器1包括进液口和排液口，排液口通过设置有循环泵5的第一管道与燃料电池堆6连通；散热器吸收冷却液的热量并释放到外部环境中。

温控阀3包括进口以及可相互切换的第一出口和第二出口，进口与燃料电池堆6通过第二管道连通，第一出口通过第三管道与第一管道连通；第二出口通过第四管道与进液口连通。

第一热交换器4设置在第一管道上，第一热交换器用于实现空气与冷却液之间热交换；冷却液通过第一热交换器4时，与提供给燃料电池堆6的氧化气体进行热交换，吸收空气的热量，降低空气温度。

储气瓶8用于向燃料电池堆6提供燃料气体，且设置有控制通断的减压阀。

第二热交换器7设置在第二管道上，第二热交换器7与储气瓶8连通，且用于实现燃料气体与冷却液之间热交换。从燃料电池堆6排出的冷却液进入第二热交换器7，与提供给燃料电池堆6的燃料气体进行热交换，释放热量给燃料气体，提高燃料气体的温度，进一步降低冷却液的温度。

在循环泵5的作用下，冷却液经过散热器1时放出热量，降低温度后的冷却液进入第一热交换器4，并与氧化气体(如空气)交换热量，来降低空气温度，以便进入燃料电池堆6的空气温度不会过高从而影响反应温度；经过燃料电池堆6反应后的冷却液带着反应产生的部分热量进入第二热交换器7，并与储气瓶8提供的低温燃料气体(如氢气)交换热量，提高氢气温度，避免大功率工作时减压阀出现结霜现象，放热后的冷却液进入温控阀3，当冷却液温度低于预设温度(如40℃)时，冷却液进入燃料电池堆6继续循环；当冷却液温度高于预设温度时，温控阀3开启，在第一出口和第二出口之间进行切换，冷却液进入散热器1放出热量，再进入第一热交换器4继续循环。采用上述燃料电池冷却系统，通过冷却液与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，同时提高燃料气体温度避免出现减压阀结霜现象。

优选地，燃料电池冷却系统还包括：补给箱2，补给箱2与散热器1连通，补给箱2用于存储冷却液，且可向散热器1提供冷却液。通过配置补给箱2，以便为补充冷却液，确保系统内冷却液量充足，以便保证冷却效果。

冷却液包括但不限于50％乙二醇，优选地，补给箱2与水源通过管道连通，管道上设置有控制通断的阀门。为方便配置冷却液，将补给箱2与水源连通，在向补给箱2内添加冷却液的同时添加冷水，待充分混匀后，提供到冷却系统。在管道上设置阀门，以便及时控制阀门的通断，方便准确控制配比。

优选地，燃料电池堆6包括多个发电单元堆叠设置，发电单元包括膜电极结合体以及隔离件，膜电极结合体包括电解质膜以及在电解质膜上相对配置的阳极和阴极；隔离件夹持膜电极结合体，且隔离件的相对两侧分别向阳极和阴极提供燃料气体和氧化气体。膜电极结合体为固体高分子电解质膜，固体高分子电解质膜相对配置有阳极和阴极，阳极为接收燃料气体供应的燃料极，阴极为接收氧化剂气体的氧化剂极。燃料气体包括但不限于氢气，氧化气体包括但不限于氧气，通常采用空气，燃料电池堆栈6向各个发电单元的燃料极侧供应含氢气的燃料气体，向氧化剂极侧供应含氧的氧化剂气体，从而各个离子以水分为介质在固体高分子电解质膜中移动并相接触，氢气和氧气反应后输出电能，燃料电池堆6是高效、环境友好的发电装置。

优选地，隔离件设置有第一气路和第二气路，第一气路与储气瓶连通，且用于向阳极提供燃料气体；第二气路与用于提供氧化气体的设备连通，且用于为阴极提供氧化气体。通过第一气路和第二气路分别快速引导氢气和空气至阳极和阴极，以便氢气和氧气反应输出电能，保证电能输出效率。

优选地，发电单元设置有阳极入口、阳极出口、阴极入口、阴极出口、冷却液入口和冷却液出口；阳极入口和阳极出口分别与储气瓶8和外部环境连通；阴极入口和阴极出口分别与用于提供氧化气体的设备和外部环境连通，冷却液入口和冷却液出口分别与第一管道和第二管道连通。氢气从储气瓶8通过阳极入口进入第一气路，传递至阳极发生反应后，多余的氢气以及废气从阳极出口排出；空气从外部设备通过阴极入口进入第二气路，传递至阴极发生反应后，废气从阴极出口排出。冷却液从冷却液入口进入，经过换热反应后，从冷却液出口排出。发电单元采用上述结构，使得氢气、氧气和冷却液按照预设路径，有序进入燃料电池堆6进行相应的反应后，反应后的废气或多余的氢气或交换完热量的冷却液在按照预设路径排出进入后续循环或排出到外部环境中。

温控阀通过调整阀门的启停，可引导不同温度的冷却液进入不同的流通通道。优选地，温控阀3包括用于控制第一出口和第二出口通断的阀门、温度控制器和电子执行器，温度控制器与电子执行器电连接，温度控制器监测通过阀门的流体的温度，并根据预设温度对比结果发出指令，电子执行器与阀门连接，接受并根据温度控制器的指令控制阀门的开关。温度控制器通过电子执行器控制阀门启停，来切换第一出口和第二出口的开关，以便引导冷却液进入不同的循环通道。为降低操作难度，保证过程的连续行，对温度控制器进行设置，当温度控制器监测通过阀门的流体的温度低于预设温度，温度控制器通过电子执行器控制第一出口开启，冷却液通过第三管道进入燃料电池堆6继续循环；当温度控制器监测通过阀门的流体的温度高于或等于预设温度，温度控制器通过电子执行器控制第二出口开启，冷却液通过第四通道进入散热器1放出热量，再进入第一热交换器4继续循环。温控阀3的结构简单，方便操作，能够实现冷却液的自动循环。

在本实施例中，温控阀的流量可根据系统设定，通常为150L/min。

为监测循环泵的运行状态，及时掌握燃料电池冷却系统运行状态，可使用传感器监测循环泵的出口压力，优选地，循环泵5和燃料电池堆6之间的管道上设置有第一传感器，第一传感器用于监测并提供管道内的压力。

同理，为进一步监测循环泵的运行状态，另外，优选地，燃料电池堆6和第二热交换器7之间的管道上设置有第二传感器，第二传感器用于监测并提供管道内的压力。

在本实施例中，第一传感器和第二传感器包括但不限于冷却压力传感器，冷却压力传感器的监测范围0～150kpa。

下面进一步介绍燃料电池冷却系统的使用过程。

在循环泵5的作用下，冷却液经过散热器1时放出热量，降低温度后的冷却液通过第一管道进入第一热交换器4，并与外部设备提供的空气交换热量，来降低空气温度，以便进入燃料电池堆6的空气温度不会过高从而影响反应温度。补给箱2与散热器1连通，补给箱2用于存储并提供冷却液。

经过燃料电池堆6反应后的冷却液带着反应产生的部分热量通过第二管道进入第二热交换器7，并与储气瓶8提供的低温氢气交换热量，提高氢气温度，避免大功率工作时减压阀出现结霜现象，放热后的冷却液进入温控阀3。

当温度控制器监测通过阀门的流体的温度低于40℃，温度控制器通过电子执行器控制第一出口开启，冷却液通过第三管道进入燃料电池堆6继续循环。

当温度控制器监测通过阀门的流体的温度高于或等于40℃，温度控制器通过电子执行器控制第二出口开启，冷却液通过第四通道进入散热器1放出热量，再进入第一热交换器4继续循环。

燃料电池堆栈6向各个发电单元的阳极供应氢气，向阴极供应空气，从而各个离子以水分为介质在固体高分子电解质膜中移动并相接触，氢气和氧气反应后输出电能。

本实用新型还提供一种汽车，汽车包括如上述的燃料电池冷却系统。汽车包括如上述燃料电池冷却系统，通过冷却液与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，同时提高燃料气体温度避免出现减压阀结霜现象。

从上面的描述和实践可知，本实用新型提供的燃料电池冷却系统及汽车，与现有技术相比，具有以下优点：第一，通过设置第一热交换器，冷却液与空气进行热交换，冷却液可吸收空气中的热量，进一步降低空气的温度，使得进入燃料电池堆的温度得到调节。第二，通过设置第二热交换器，冷却液与低温燃料气体交换热量，降低返回散热器的冷却液温度，从而提高冷却效率，减少冷却液需求量，达到减小冷却管路管径及散热器面积，提高燃料气体温度，避免出现减压阀结霜现象。第三，通过设置温控阀，可引导不同温度的冷却液进入不同的流动通道，以便控制进入冷却系统内的热量。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷却系统，其特征在于，包括：

散热器，所述散热器包括进液口和排液口，所述排液口通过设置有循环泵的第一管道与燃料电池堆连通；

温控阀，所述温控阀包括进口以及可相互切换的第一出口和第二出口，所述进口与所述燃料电池堆通过第二管道连通，所述第一出口通过第三管道与所述第一管道连通；所述第二出口通过第四管道与所述进液口连通；

第一热交换器，所述第一热交换器设置在所述第一管道上，所述第一热交换器用于实现空气与冷却液之间热交换；

储气瓶，所述储气瓶用于向所述燃料电池堆提供燃料气体，且设置有控制通断的减压阀；

第二热交换器，所述第二热交换器设置在所述第二管道上，所述第二热交换器与所述储气瓶连通，且用于实现燃料气体与冷却液之间热交换。

2.根据权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述燃料电池冷却系统还包括：补给箱，所述补给箱与所述散热器连通，所述补给箱用于存储冷却液，且可向所述散热器提供冷却液。

3.根据权利要求2所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述补给箱与水源通过管道连通，所述管道上设置有控制通断的阀门。

4.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述燃料电池堆包括多个发电单元堆叠设置，所述发电单元包括膜电极结合体以及隔离件，所述膜电极结合体包括电解质膜以及在所述电解质膜上相对配置的阳极和阴极；所述隔离件夹持所述膜电极结合体，且所述隔离件的相对两侧分别向所述阳极和所述阴极提供燃料气体和氧化气体。

5.根据权利要求4所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述隔离件设置有第一气路和第二气路，所述第一气路与所述储气瓶连通，且用于向所述阳极提供燃料气体；所述第二气路与用于提供氧化气体的设备连通，且用于为所述阴极提供氧化气体。

6.根据权利要求5所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述发电单元设置有阳极入口、阳极出口、阴极入口、阴极出口、冷却液入口和冷却液出口；所述阳极入口和所述阳极出口分别与所述储气瓶和外部环境连通；所述阴极入口和所述阴极出口分别与用于提供氧化气体的设备和外部环境连通，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别与所述第一管道和所述第二管道连通。

7.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述温控阀包括用于控制所述第一出口和所述第二出口通断的阀门、温度控制器和电子执行器，所述温度控制器与所述电子执行器电连接，所述温度控制器监测通过所述阀门的流体的温度，并根据预设温度对比结果发出指令，所述电子执行器与所述阀门连接，接受并根据所述温度控制器的指令控制所述阀门的开关。

8.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述循环泵和所述燃料电池堆之间的管道上设置有第一传感器，所述第一传感器用于监测并提供管道内的压力。

9.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，

所述燃料电池堆和所述第二热交换器之间的管道上设置有第二传感器，所述第二传感器用于监测并提供管道内的压力。

10.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括如权利要求1至9任一项所述的燃料电池冷却系统。