CN211829036U - 一种燃料电池冷却系统、氢燃料电池及氢燃料电池发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池冷却系统、氢燃料电池及氢燃料电池发动机。燃料电池冷却系统包括对电池电堆阴极进气进行冷却的进气冷却系统，所述进气冷却系统包括进气换热器，所述进气换热器内部形成有阴极气体流路和冷却介质流路；所述进气换热器的阴极气体流路出口与所述电池电堆的阴极进气口连通，所述进气换热器的冷却介质流路入口与所述电池电堆的阴极排气口连通，以将所述阴极排气口排放的尾气引入所述进气换热器内对所述阴极进气进行冷却。本实用新型简化了阴极进气冷却系统的结构，并提高了电池系统的能效。

Description

一种燃料电池冷却系统、氢燃料电池及氢燃料电池发动机

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷却系统、氢燃料电池及氢燃料电池发动机。

背景技术

氢燃料电池(亦质子交换膜燃料电池)是一种将氢气的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。质子交换膜燃料电池运行过程中约会产生40％-50％的热能,使电池温度上升,若多余的热量不能及时排出使电池温度水平保持稳定，极易使电解质膜脱水、收缩甚至造成破裂等不可逆转的损伤，降低电池的稳定性和耐久性。

可见，燃料电池的热管理水平对电池输出性能、稳定性和耐久性等方面都具有极其重要的影响。合理的热管理方案和冷却系统设计能及时排出电池废热保持合理稳定电池温度水平，保证电堆平稳高效的输出特性。燃料电池系统通常包括电堆、冷却系统、加湿系统、供氧系统和供氢系统等。冷却系统一般包括冷却水箱、冷却水泵、散热器和冷却风扇等，而冷却水泵和冷却风扇也是系统最主要的耗功部分之一，且系统部件消耗的功率是由电堆发电供给的，燃料电池系统部件自身工作消耗的功率统称为寄生功率，寄生功率越小则电堆发电能向外输出的功率越高。如何在保证电堆稳定的温度水平前提下尽可能减少寄生功率、提高电堆输出性能也是一个重要的研究优化方向。

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，因此需要将入堆空气先用空压机进行加压，但是经过空压机压缩后空气温度通常在150℃以上，不能直接进电堆反应，以防损坏膜电极，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。中冷器实际上是换热器，通过冷却介质对入堆空气进行冷却。

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。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供一种燃料电池冷却系统、氢燃料电池及氢燃料电池发动机，至少用于解决现有技术中燃料电池阴极进气冷却系统结构复杂、能耗高的技术问题，具体地：

第一方面，提供一种燃料电池冷却系统，包括对电池电堆阴极进气进行冷却的进气冷却系统，所述进气冷却系统包括进气换热器，所述进气换热器内部形成有阴极气体流路和冷却介质流路；

所述进气换热器的阴极气体流路出口与所述电池电堆的阴极进气口连通，所述进气换热器的冷却介质流路入口与所述电池电堆的阴极排气口连通，以将所述阴极排气口排放的尾气引入所述进气换热器内对所述阴极进气进行冷却。

进一步可选地，所述阴极气体流路出口与所述阴极进气口之间还设置有加湿器，所述阴极气体流路的入口连接有空气压缩机。

进一步可选地，所述进气换热器为中冷器。

进一步可选地，所述燃料电池冷却系统还包括电堆冷却系统，所述电池电堆内部形成冷媒流路，所述电堆冷却系统与所述冷媒流路连通。

进一步可选地，所述电堆冷却系统包括第一冷媒储液罐、第一冷媒泵和第一冷媒换热器，

所述第一冷媒储液罐、第一冷媒泵、电堆冷媒流路、第一冷媒换热器依次连通形成第一冷媒循环回路。

进一步可选地，所述第一冷媒换热器为管束式换热器。

进一步可选地，所述电堆冷却系统还包括第二冷媒储液罐、第二冷媒泵、第二冷媒换热器，

所述第二冷媒储液罐、第二冷媒泵、第一冷媒换热器、第二冷媒换热器依次连通形成第二冷媒循环回路。

进一步可选地，所述第二冷媒换热器为鼓风式换热器。

第二方面，提供一种氢燃料电池，包括电池电堆和上述燃料电池冷却系统，所述电池电堆的冷媒流路与所述电堆冷却系统相连，所述电池电堆的阴极入口和阴极出口与所述进气冷却系统相连。

第三方面，提供一种氢燃料电池发动机，包括上述燃料电池冷却系统，或上述氢燃料电池。

本实用新型通过利用阴极尾气作为冷源，对阴极进气进行冷却，一方面减缓了阴极进气冷却系统的结构，另一方面更加充分的利用了电池电堆的能源，提高了能效。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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示出本实用新型实施例中燃料电池冷却系统示意图。

图中：

10-电池电堆；21-进气换热器；22-空气压缩机；23-加湿器；311-第一冷媒储液罐；312-第一冷媒泵；313-第一冷媒换热器；321-第二冷媒储液罐；322-第二冷媒泵；323-第二冷媒换热器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

本实用新型利用电堆阴极尾气对电堆阴极进气进行冷却，简化了阴极进气冷却系统的结构，减少了零部件的数量，降低了冷却装置的能耗，并且充分利用了电堆尾气冷量的利用，节约能源，提高整体能效。本实用新型适用于任何燃料的电池应用场景，尤其适用采用燃料电池发动机的汽车中，通过简化燃料电池的结构、减少零部件的数量，使发动机结构更加紧凑、简单，体积和重量也能够减小。

实施例1

如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，提供一种燃料电池冷却系统，包括与电池电堆10相连的电堆冷却系统和进气冷却系统，电堆冷却系统与电堆的冷媒流路相连，用于对电池电堆10进行冷却，进气冷却系统包括进气换热器21，进气换热器21的阴极气体流路与电池电堆10的阴极入口连通，进气换热器21的冷却介质流路与电池电堆10的阴极出口连通，在进气换热器21内，阴极出口排放的尾气对阴极气体流路内的空气进行冷却，避免进入电池电堆10的空气温度过高。

具体地，

阴极入口连接有空气压缩机22和加湿器23，进气换热器21优选为中冷器，包括阴极气体流路和冷却介质流路，阴极气体流路的入口与空气压缩机22的出口相连，阴极气体流路的出口与加湿器23入口相连，加湿器23的出口与阴极入口相连；冷却介质流路的入口与阴极出口相连，冷却介质流路的出口与大气连通。

空气经空气压缩机22压缩提高压力之后输入电池电堆10内，同时为了避免流速较大的空气直接进入电池电堆10，将质子交换膜吹干，在空气压缩机22和阴极入口之间设置加湿器23，对空气进行加湿。

空气压缩机22压缩后的空气温度较高，大约在150℃以上，而电池电堆10的工作温度一般在60℃-80℃之间，压力在2bar-3bar，为了使电池电堆10稳定高效的输出，其反应工质的入堆温度应该与电池电堆10的工作参数相匹配，即进入到电池电堆10的空气的温度应该在60℃-80℃之间。因此设置进气换热器21对空气压缩机22输出的空气进行冷却。

进气换热器21的阴极气体流路连通至空气压缩机22和加湿器23之间，空气压缩机22输出的压缩空气流入到进气换热器21的阴极气体流路，电池电堆10的阴极出口流出的尾气进入到进气换热器21的冷却回路。

空气从阴极入口进入，空气中的氧气在质子膜上与阳极侧通入的氢气反应，生产水和热量，进入电池电堆10内的空气的量比反应所需的量要多，例如，通入的空气量至少是反应所需空气量的1.5-2倍，因此，进入电池电堆10内的空气未完全参与反应，而未反应的空气，例如空气中不参与反应的氮气、未完全反应的氧气等，携带着反应产物(气态和液态的水)从阴极出口流出，形成尾气，尾气温度一般为电池电堆10的工作温度，即60℃-80℃，其低于压缩机输出的压缩空气的温度150℃。因此，尾气和压缩空气在进气换热器21内进行换热，并且尾气中携带的液态水部分汽化吸热，使压缩机空气温度降低至60℃-80℃，或接近60℃-80℃，从而达到降低阴极入口的进气温度的效果。

本实施例中电池电堆10的阴极出口与进气换热器21的冷却介质流路连通，只需要同管路进行连接即可，减少了冷却部分的零部件数量。同时，利用电池电堆10阴极出口排出的尾气对压缩空气进行冷却，减少了外界冷却介质的使用，又充分利用了电池电堆10自身的能量，提高了电池电堆10整体系统能量的利用率。

电堆冷却系统包括第一冷媒循环回路，第一冷媒循环回路包括第一冷媒储液罐311、第一冷媒泵312和第一冷媒换热器313，第一冷媒储液罐311、第一冷媒泵312、电堆冷媒流路、第一冷媒换热器313依次连通形成第一冷媒循环回路。具体地，第一冷媒换热器313为管束式换热器、板式换热器等，包括第一冷媒通路和第二冷媒通路，第一冷媒储液罐311的出口连接至第一冷媒泵312的入口，第一冷媒泵312的出口连接至电池电堆10冷媒流路的入口，电池电堆10冷媒流路的出口连接至第一冷媒换热器313的第一冷媒通路入口，第一冷媒换热器313的第一冷媒通路的出口连接至第一冷媒储液罐311的入口。

第一冷媒储液罐311中低温的第一冷媒在第一冷媒泵312的作用下流入到电池电堆10的冷媒流路内，在电池电堆10内流动过程中，第一冷媒吸收电池电堆10的热量，使电池电堆10温度降低并保持在适合工作的温度(例如，60℃-80℃)，从电池电堆10流出温度升高的第一冷媒流入第一冷媒换热器313的第一冷媒通路，并在第一冷媒换热器313内进行换热降温后，流回到第一冷媒储液罐311内，然后再次流入到电池电堆10，第一冷媒如此循环对电池电堆10进行冷却。优选地，第一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。

电堆冷却系统还包括第二冷媒循环回路，第二冷媒循环回路包括第二冷媒储液罐321、第二冷媒泵322、第二冷媒换热器323，第二冷媒储液罐321、第二冷媒泵322、第一冷媒换热器313、第二冷媒换热器323依次连通形成第二冷媒循环回路。具体地，第二冷媒换热器323为鼓风式换热器，包括第三冷媒通路和冷却风扇，第二冷媒储液罐321的出口连接至第二冷媒泵322的入口，第二冷媒泵322的出口连接至第以冷媒换热器的第二冷媒通路的入口，第二冷媒通路的出口连接至第二冷媒换热器323的第三冷媒通路的入口，第三冷媒通路的出口连接至第二冷媒储液罐321的入口。

第二冷媒储液罐321中低温的第二冷媒在第二冷媒泵322的作用下流入到第一冷媒换热器313的第二冷媒通路中，在第一冷媒换热器313内，第二冷媒通路内低温的第二冷媒与第一冷媒通路中从电池电堆10中流出的高温的第一冷媒换热，使第一冷媒温度降低，第二冷媒的温度升高，低温的第一冷媒流入第一冷媒储液罐311。高温的第二冷媒流入到第二冷媒换热器323的第三冷媒通路内，第二冷媒换热器323的冷却风扇向第三冷媒通路吹风，加快第三冷媒通路的散热，使第三冷媒通路内的高温的第二冷媒降温，从第三冷媒通路流出的降温后的低温第二冷媒流回到第二冷媒储液罐321内，然后再次通过第二冷媒泵322流入第一冷媒换热器313，第二冷媒如此循环对第一冷媒进行冷却。优选地，第二冷媒为水。

优选地，当第一冷媒换热器313设置为鼓风式换热器时，可以只设置第一冷媒循环回路，以简化整体结构。或者，当第二冷媒换热器323设置为管束式换热器时，还可以设置第三冷媒循环回路等，以提高冷却效率。

实施例2

在本实用新型的另一实施例中还提供一种氢燃料电池，包括电池电堆和上述实施例中提供的燃料电池冷却系统，电池电堆的冷媒流路与电堆冷却系统相连，电池电堆的阴极入口和阴极出口与进气冷却系统相连。

实施例3

在本实用新型的另一实施例中还提供一种氢燃料电池发动机，包括上述燃料电池冷却系统或氢燃料电池，通过采用阴极尾气作为冷源对阴极进气进行冷却，简化了阴极进气冷却系统的结构，采用连接管将进气换热器和阴极出口连接即可，尾气冷却管路较短、部件较少，有利于发动机的紧凑化设计，减低发动机的复杂度和体积。

综上，本实用新型提供的燃料电池冷却系统利用电池电堆10阴极排出的尾气作为冷源，对进气阴极的空气进行降温，提高了系统能量的利用率，减少了进气换热器的换热部分能耗，不需要单独设置冷源，也不需要额外的能耗，进一步地减少了系统整体的零部件数量，简化了结构。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷却系统，其特征在于，包括对电池电堆的阴极进气进行冷却的进气冷却系统，所述进气冷却系统包括进气换热器，所述进气换热器内部形成有阴极气体流路和冷却介质流路；

所述进气换热器的阴极气体流路出口与所述电池电堆的阴极进气口连通，所述进气换热器的冷却介质流路入口与所述电池电堆的阴极排气口连通，以将所述阴极排气口排放的尾气引入所述进气换热器内对所述阴极进气进行冷却。

2.根据权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述阴极气体流路出口与所述阴极进气口之间还设置有加湿器，所述阴极气体流路的入口连接有空气压缩机。

3.根据权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述进气换热器为中冷器。

4.根据权利要求2所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述燃料电池冷却系统还包括电堆冷却系统，所述电池电堆内部形成冷媒流路，所述电堆冷却系统与所述冷媒流路连通。

5.根据权利要求4所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述电堆冷却系统包括第一冷媒储液罐、第一冷媒泵和第一冷媒换热器，

所述第一冷媒储液罐、第一冷媒泵、电堆冷媒流路、第一冷媒换热器依次连通形成第一冷媒循环回路。

6.根据权利要求5所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述第一冷媒换热器为管束式换热器或板式换热器。

7.根据权利要求5所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述电堆冷却系统还包括第二冷媒储液罐、第二冷媒泵、第二冷媒换热器，

所述第二冷媒储液罐、第二冷媒泵、第一冷媒换热器、第二冷媒换热器依次连通形成第二冷媒循环回路。

8.根据权利要求7所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述第二冷媒换热器为鼓风式换热器。

9.一种氢燃料电池，其特征在于，包括电池电堆和权利要求4-8任一项所述的燃料电池冷却系统，所述电池电堆的冷媒流路与所述电堆冷却系统相连，所述电池电堆的阴极入口和阴极出口与所述进气冷却系统相连。

10.一种氢燃料电池发动机，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的燃料电池冷却系统，或权利要求9所述的氢燃料电池。

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