CN209912964U - 一种采用有机工质的燃料电池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种采用有机工质的燃料电池冷却系统，包括循环泵、燃料电池电堆、冷凝器、PTC加热器和控制装置，燃料电池电堆上设有进水口和出水口，燃料电池电堆内加入的冷却剂为低沸点的有机工质，冷凝器的出口与循环泵的入口连通，循环泵的出口与燃料电池电堆的进水口连通，燃料电池电堆的出水口与冷凝器的入口、PTC加热器的一端连通，PTC加热器的另一端与冷凝器的出口连通，控制装置控制PTC加热器和循环泵的打开或关闭；燃料电池电堆中的冷却剂的温度低于零度时，控制装置启动PTC加热器加热冷却剂；燃料电池电堆中的冷却剂的温度高于额定温度时，控制装置关闭PTC加热器，燃料电池电堆中的气态冷却剂流入冷凝器冷凝。

Description

一种采用有机工质的燃料电池冷却系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种采用有机工质的燃料电池冷却系统。

背景技术

燃料电池是一种高效率的能量转换装置，且使用过程中不产生任何污染物，有望成为未来理想的电能来源，其本质上是将储存在燃料(氢气)中的化学能转换为电能，理想转化效率为83％，目前实际效率一般在45～60％，而火电和核电的效率约为30～40％。燃料电池的反应生成物是水，基本不排放有害气体。

燃料电池需要合适的温度进行反应，温度过高或过低都会导致效率降低，因此，对燃料电池进行合理的热管理十分重要。一方面，在燃料电池将电能转换为电能的过程中会产生大量的热量，如果散热不及时则会对电堆的寿命和性能产生非常不利的影响。另一方面，燃料电池系统刚启动时温度较低(环境温度)，系统效率低；尤其当启动温度低于冰点时，电堆内反应生成的水可能会结冰，从而导致电堆永久性损坏；因此，燃料电池需要在启动阶段快速升温。

目前燃料电池散热方式以水冷和空冷为主，小功率电堆采用空冷即可满足散热需求，随着功率的提升，需要使用比热容更大的冷却水带走更多的热量，目前车用的燃料电池发动机系统主要使用水冷方式。随着燃料电池技术的进一步发展，功率和发热量不断攀升，冷却水用量越来越大，导致系统体积不断增加的同时，水泵的功率也不断增加。同时，冷却水量的快速增加对于系统快速启动十分不利，由于水的比热容较大，启动阶段需要提供大量的热量加热冷却水，冷启动时所需时间更长。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种采用有机工质的燃料电池冷却系统，该冷却系统能在确保燃料电池电堆散热的同时减小系统体积、降低循环泵功率、减少冷启动时间。

本实用新型提供一种采用有机工质的燃料电池冷却系统，包括循环泵、燃料电池电堆、冷凝器、PTC加热器和控制装置，所述燃料电池电堆上设有进水口和出水口，所述燃料电池电堆内加入的冷却剂为低沸点的有机工质，所述循环泵位于燃料电池电堆和冷凝器之间，所述冷凝器的出口与循环泵的入口连通，所述循环泵的出口与燃料电池电堆的进水口连通，所述燃料电池电堆的出水口与冷凝器的入口、PTC加热器的一端连通，所述PTC加热器的另一端与冷凝器的出口连通，所述控制装置控制PTC加热器和循环泵的打开或关闭；所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度低于零度时，控制装置启动循环泵和PTC加热器，在循环泵的作用下，从燃料电池电堆的出水口流出的冷却剂流经PTC加热器被加热，然后返回燃料电池电堆；所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度高于额定温度(额定温度为60-80℃)时，一部分汽化成为气态冷却剂，所述控制装置关闭PTC加热器，燃料电池电堆中的气态冷却剂流入冷凝器冷凝为液态冷却剂，然后在循环泵的作用下，液态冷却剂返回燃料电池电堆。

进一步地，所述循环泵与燃料电池电堆的进水口之间设置第一传感器，所述第一传感器用来检测流入循环电池电堆的冷却剂的温度和压力。

进一步地，所述燃料电池电堆的出水口与冷凝器之间设置第二传感器，所述第二传感器用来检测流出循环电池电堆的冷却剂的温度和压力。

进一步地，所述燃料电池冷却系统还包括数据接收装置，所述数据接收装置的接收端与第一传感器、第二传感器连接，所述数据接收装置的输出端与控制装置连接，所述数据接收装置用来接收第一传感器和第二传感器检测到的温度和压力数据，并将温度和压力数据发送给控制装置，所述控制装置根据接收的温度数据打开或关闭PTC加热器。

进一步地，所述冷凝器的出口处设有第一电磁阀，所述冷凝器的入口处设有第二电磁阀，所述第一电磁阀和第二电磁阀分别与控制装置连接，所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度低于零度时，所述控制装置关闭第一电磁阀和第二电磁阀；所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度高于额定温度时，所述控制装置打开第一电磁阀和第二电磁阀。

进一步地，所述燃料电池电堆内加入的冷却剂选用正己烷、正戊烷或其他混合工质。

进一步地，所述冷凝器的安装最低点高于燃料电池电堆的安装最高点。

进一步地，所述燃料电池电堆与冷凝器之间设置安全阀。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型使用有机工质相变换热代替传统的水的显热换热，可大大减少冷却剂用量，从而较少燃料电池系统重量，增加燃料电池汽车续航能力；冷却剂用量的减少能够降低循环泵的使用功率，增加系统净输出功率；由于相变换热的换热系数远大于强制对流换热，因此可以减小冷凝器体积；冷却剂用量的减少也可以减小系统管道的体积；由于冷却剂用量的减少以及有机工质比热容远小于水，因此系统启动时温升更快，可减少系统启动时间；有机工质不导电，增加系统绝缘性能。

附图说明

图1是本实用新型一种采用有机工质的燃料电池冷却系统的结构示意图。

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，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

实施例一：

请参考图1，本实用新型的实施例一提供了一种采用有机工质的燃料电池冷却系统，包括循环泵1、燃料电池电堆2、冷凝器3、PTC加热器4、数据接收装置(图中未示)和控制装置，循环泵1用来为燃料电池冷却系统提供流动动力和压力；冷凝器3能够使用强制风冷的方式将流入其内的气态冷却剂冷凝为液态冷却剂，冷凝器3可以是各种空冷或者液冷的换热设备；PTC加热器4具有恒温发热特性，其原理是PTC加热片加电后自热升温使阻值升高进入跃变区，PTC加热片表面温度将保持恒定值，该温度只与PTC加热片的居里温度和外加电压有关，而与环境温度基本无关，数据接收装置的输出端和控制装置无线连接。

燃料电池电堆2上设有进水口21和出水口22，循环泵1位于燃料电池电堆2和冷凝器3之间，冷凝器3的安装最低点高于燃料电池电堆2的安装最高点，冷凝器3的出口与循环泵1的入口通过第一管道10连通，循环泵1的出口与燃料电池电堆2的进水口21通过第二管道11连通，燃料电池电堆2的出水口22与冷凝器3的入口通过第三管道12连通，燃料电池电堆2的出水口22与PTC加热器4的一端通过第四管道13连通，PTC加热器4的另一端与冷凝器3的出口连通，向燃料电池电堆2中加入的冷却剂为低沸点的有机工质，例如正己烷，冷却剂在整个燃料电池冷却系统中流动，一实施例中，冷凝器3、第一管道10、第二管道11、第三管道12、第四管道13和燃料电池电堆2中流动的冷却剂均为正己烷，且燃料电池冷却系统中正己烷的液位高于燃料电池电堆2的最高点。

第一管道10上设置第一电磁阀5，第一电磁阀5设置在冷凝器3的出口处，位于循环泵1与PTC加热器4的管路交汇处的前端，第一电磁阀5打开时，循环泵1能够将冷凝器3中的冷却剂泵入燃料电池电堆2；第一电磁阀5关闭时，循环泵1无法将冷凝器3中的冷却剂泵入燃料电池电堆2；第二管道11上设置第一传感器6，第三管道12上设置第二传感器7、安全阀8和第二电磁阀9；第二电磁阀9设置在冷凝器3的入口处，位于燃料电池电堆2的出水口22与PTC加热器4的管路交汇处的后端，第二电磁阀9打开时，从燃料电池电堆2的出水口22流出的气态冷却剂流入冷凝器3，从燃料电池电堆2的出水口22流出的液态冷却剂在循环泵1的作用下返回燃料电池电堆2，第二电磁阀9关闭时，从燃料电池电堆2的出水口22流出的冷却剂无法流入冷凝器3；第一传感器6和第二传感器7分别与数据接收装置的接收端电路连接，第一传感器6用来检测第二管道11内的冷却剂的压力和温度，并将检测到的第二管道11内的压力和温度数据发送给数据接收装置；第二传感器7用来检测第三管道12内的冷却剂的压力和温度，并将检测到的第三管道12内的压力和温度数据发送给数据接收装置；第一传感器6和第二传感器7优选为温压一体传感器；第一电磁阀5、第二电磁阀9、循环泵1和PTC加热器4分别与控制装置电路连接，控制装置用来控制第一电磁阀5、第二电磁阀9、循环泵1和PTC加热器4的打开和关闭；安全阀8通常情况下处于关闭状态，当第二传感器7检测到的压力数据超过规定阈值时，可以打开安全阀8向外排放冷却剂；第一电磁阀5和第二电磁阀9可使用不同的电控方式，不限于液压、气动。

本实用新型提供的采用有机工质的燃料电池冷却系统的工作过程为：第一传感器6检测第二管道11内的冷却剂的压力和温度，并将检测到的压力和温度数据发送给数据接收装置，数据接收装置接收压力和温度数据，并将压力和温度数据发送给控制装置，控制装置判断温度数据是否低于零度，若温度数据低于零度，则控制装置关闭第一电磁阀5和第二电磁阀9，启动循环泵1和PTC加热器4，在循环泵1的作用下，燃料电池电堆2中的冷却剂流过PTC加热器4吸收热量，温度升高，然后在循环泵1的作用下，返回燃料电池电堆2使燃料电池电堆2中的冷却剂的温度升高；第二传感器7检测第三管道12内的冷却剂的温度和压力数据，并将检测到的温度和压力数据发送给数据接收装置，数据接收装置将接收到的温度和压力数据发送给控制装置，控制装置接收到温度数据后判断温度数据是否超过额定温度，若超过额定温度，控制装置关闭PTC加热器4，打开第一电磁阀5和第二电磁阀9，由于燃料电池电堆2的温度较高，其内的冷却剂吸收热量后有一部分汽化为气态冷却剂，气态冷却剂和液态冷却剂在出水口22处分离，液态冷却剂经重力驱动或循环泵1驱动重新进入燃料电池电堆2，气态冷却剂进入冷凝器3放热冷凝成液态之后在液位差或循环泵1的驱动下进入燃料电池电堆2，经此循环，燃料电池电堆2中的冷却剂的温度降低。

燃料电池刚启动时温度较低的状态下，本实用新型提供的燃料电池冷却系统通过PTC加热器4快速加热冷却剂，有效避免由于温度过低造成转化效率降低；燃料电池中产生大量的热量时，本实用新型提供的燃料电池冷却系统通过冷凝器3吸收冷却剂的热量，使燃料电池电堆2中的冷却剂温度降低，进而降低燃料电池电堆2的温度，有效避免由于温度过高造成转化效率降低。

实施例二:

本实用新型的实施例二与实施例一的区别仅在于：燃料电池电堆2上与出水口22相对的位置开设了一个排气孔，该排气孔与冷凝器3的出口连通，出水口22与PTC加热器4的一端连接，从燃料电池电堆2内流出的气态冷却剂通过排气孔流入冷凝器3被冷凝，从燃料电池电堆2内流出的液态冷却剂从出水口22流出，在循环泵1的作用下，返回燃料电池电堆2。

本实用新型提供的燃料电池冷却系统能够自动控制燃料电池电堆2在合适的温度下进行反应，延长燃料电池电堆2的使用寿命；本实用新型使用有机工质相变换热代替传统的水的显热换热，可大大减少冷却剂用量，从而较少燃料电池系统重量，增加燃料电池汽车续航能力；冷却剂用量的减少能够降低循环泵1的使用功率，增加系统净输出功率；由于相变换热的换热系数远大于强制对流换热，因此可以减小冷凝器3体积；冷却剂用量的减少也可以减小系统管道的体积；由于冷却剂用量的减少以及有机工质比热容远小于水，因此系统启动时温升更快，可减少系统启动时间；有机工质不导电，增加系统绝缘性能。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、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 (8)

1.一种采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，包括循环泵、燃料电池电堆、冷凝器、PTC加热器和控制装置，所述燃料电池电堆上设有进水口和出水口，所述燃料电池电堆内加入的冷却剂为低沸点的有机工质，所述循环泵位于燃料电池电堆和冷凝器之间，所述冷凝器的出口与循环泵的入口连通，所述循环泵的出口与燃料电池电堆的进水口连通，所述燃料电池电堆的出水口与冷凝器的入口、PTC加热器的一端连通，所述PTC加热器的另一端与冷凝器的出口连通，所述控制装置控制PTC加热器和循环泵的打开或关闭；所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度低于零度时，控制装置启动循环泵和PTC加热器，在循环泵的作用下，从燃料电池电堆的出水口流出的冷却剂流经PTC加热器被加热，然后返回燃料电池电堆；所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度高于额定温度时，一部分汽化成为气态冷却剂，所述控制装置关闭PTC加热器，燃料电池电堆中的气态冷却剂流入冷凝器冷凝为液态冷却剂，然后在循环泵的作用下，液态冷却剂返回燃料电池电堆。

2.根据权利要求1所述的采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述循环泵与燃料电池电堆的进水口之间设置第一传感器，所述第一传感器用来检测流入循环电池电堆的冷却剂的温度和压力。

3.根据权利要求2所述的采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述燃料电池电堆的出水口与冷凝器之间设置第二传感器，所述第二传感器用来检测流出循环电池电堆的冷却剂的温度和压力。

4.根据权利要求3所述的采用有机工质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数据接收装置，所述数据接收装置的接收端与第一传感器、第二传感器连接，所述数据接收装置的输出端与控制装置连接，所述数据接收装置用来接收第一传感器和第二传感器检测到的温度和压力数据，并将温度和压力数据发送给控制装置，所述控制装置根据接收的温度数据打开或关闭PTC加热器。

5.根据权利要求1所述的采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述冷凝器的出口处设有第一电磁阀，所述冷凝器的入口处设有第二电磁阀，所述第一电磁阀和第二电磁阀分别与控制装置连接，所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度低于零度时，所述控制装置关闭第一电磁阀和第二电磁阀；所述燃料电池电堆中的冷却剂的温度高于额定温度时，所述控制装置打开第一电磁阀和第二电磁阀。

6.根据权利要求1所述的采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述燃料电池电堆内加入的冷却剂选用正己烷或正戊烷。

7.根据权利要求1所述的采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述冷凝器的安装最低点高于燃料电池电堆的安装最高点。

8.根据权利要求1所述的采用有机工质的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述燃料电池电堆与冷凝器之间设置安全阀。

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