CN216084953U - 一种燃料电池冷却循环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池冷却循环系统，包括电堆、空气回路、冷却回路和压力回路；空气回路包括空压机，空压机压缩的空气自电堆的空气入口通入电堆，自电堆的空气出口排出电堆；冷却回路包括膨胀水箱和水泵，冷却液在水泵的作用下通入电堆，并自电堆回流至水泵进水口，膨胀水箱为冷却回路补充冷却液；压力回路包括输气管和单向阀，输气管连接电堆的空气出口和膨胀水箱，单向阀布置在电堆的空气出口与膨胀水箱之间。与现有技术相比，本实用新型将电堆空气出口处具有一定压力的气体通入膨胀水箱，降低了燃料电池对水泵扬程的需要，降低了燃料电池的成本，且较小扬程的水泵的功率也较小，从而增大了燃料电池的系统净输出功率。

Description

一种燃料电池冷却循环系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池冷却循环系统。

背景技术

在燃料电池系统中，为了保证电堆能够在相对理想的状态下运行，一般要求电堆冷却侧和电堆阳极与阴极之间保持一定的压差，从而避免电堆冷却侧与电堆阳极、阴极压差过大导致发生氢气、空气、冷却液的相互渗透。

目前，燃料电池的系统功率越做越大，为了保证冷却侧的压力，需要配置扬程比较大的水泵。但是，配置扬程较大的水泵会产生以下问题：水泵的功率增加，导致整个燃料电池系统的净输出功率降低；大扬程的水泵成本较高，会导致燃料电池的生产成本增加；大扬程水泵的可选型号比较少，造成燃料电池系统匹配困难。

中国专利CN210668556U中公开了一种燃料电池发动机冷却水压力控制系统，其基本构思是将电堆入口的压缩空气通入膨胀水箱，从而使得水泵入口处的压力增大，降低水泵消耗的功率。该系统的优点是能耗较低、压力控制稳定性能好等，但在实际应用时仍然存在不足之处：压缩空气通入膨胀水箱后，膨胀水箱具有一定的压力，当空压机停止运行或空气路压力小于膨胀水箱压力时，膨胀水箱内的水和气体会倒灌进空气路中，影响燃料电池的寿命；压缩空气通过输气管通入膨胀水箱，随着电堆功率的增加，电堆入口(空压机出口)的压力也会显著增加，需要在输气管上设置调压件等调节气压，这样导致了燃料电池系统的成本较高，而且占用了一定的体积和空间，不利于集成化设置。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池冷却循环系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池冷却循环系统，包括电堆、空气回路、冷却回路和压力回路；

所述空气回路包括空压机，所述空压机用于对空气进行压缩，压缩空气自电堆的空气入口通入电堆阴极，电堆内的压缩空气自电堆阴极的空气出口排出电堆；

所述冷却回路包括膨胀水箱和水泵，冷却液在水泵的作用下通入电堆，并自电堆回流至水泵进水口，膨胀水箱用于为冷却回路补充冷却液；

所述压力回路包括输气管和单向阀，所述输气管的一端连接至电堆的空气出口，所述输气管的另一端连接至膨胀水箱，所述单向阀布置在电堆的空气出口与膨胀水箱之间，用于导通空气出口至膨胀水箱并阻断膨胀水箱至空气出口。

进一步的，所述空气回路还包括进气管，进气管连接空压机和电堆的空气入口，空压机压缩的空气通过进气管通入电堆。

进一步的，所述空气回路还包括排气管，排气管连接电堆的空气出口，电堆内的压缩空气通过排气管排出，所述排气管上安装有调压阀，所述调压阀用于调节空气回路的气压。

进一步的，所述输气管的一端连接至排气管，且输气管与排气管的连接处位于调压阀的上游。

进一步的，电堆的空气出口至膨胀水箱之间的管路是斜朝上或竖直朝上的，避免管路先向下弯曲再朝上，从而防止了因电堆阴极出口的水积聚在管路内而导致的流阻增大。

进一步的，所述燃料电池冷却循环系统还包括支撑结构，所述支撑结构用于支撑电堆的空气出口至膨胀水箱之间的管路。

进一步的，所述冷却回路还包括进水管、出水管和补水管，水泵的出水口通过所述出水管连接至电堆的冷却液入口，电堆冷却液出口流出的冷却液经过冷却后通过所述进水管流回水泵的进水口，膨胀水箱通过所述补水管连接至水泵的进水口，为冷却回路补充冷却液。

进一步的，所述膨胀水箱包括箱体和压力盖，补水管连接至所述箱体，所述压力盖上设有泄压口。

进一步的，所述单向阀集成在膨胀水箱的箱体上。

进一步的，所述压力盖设置在箱体的顶部，所述单向阀集成在箱体的侧壁上，且单向阀的位置高于膨胀水箱的箱体内的最高液位，使得膨胀水箱内的冷却液均匀受压，以免搅动膨胀水箱内的冷却液。

进一步的，所述空气回路还包括过滤器、中冷器和加湿器，所述过滤器设置在空压机的上游，所述中冷器设置在空压机和电堆之间，所述加湿器设置在中冷器和电堆之间。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)将电堆空气出口处具有一定压力的气体通入膨胀水箱，从而降低了燃料电池对水泵扬程的需要，可以选用较小扬程的水泵，此时水泵的可选型范围广，相对于大扬程的水泵价格也更便宜，从而降低了燃料电池的成本，较小扬程的水泵的功率也较小，因此水泵消耗的功率会减小，从而增大了燃料电池的系统净输出功率。

(2)膨胀水箱上集成了单向阀，能够避免膨胀水箱内的水和气体发生倒灌，保证了燃料电池系统的安全性和使用寿命。

(3)电堆空气出口的气体压力平稳，基本没有压力波动，传递到膨胀水箱的压力也趋于平稳，有利于冷却回路的稳定，因此不需要在输气管上设置调压件，降低了成本，减少了体积，有利于燃料系统的集成化布置。

(4)电堆内部存在流阻，当电堆空气入口的压力升高时，电堆的空气出口压力也相应增加，但是，电堆的流阻同时也在不断增加，因此电堆空气出口的压力是缓慢增加的，这样就依靠电堆的流阻对膨胀水箱进行压力调节，不需要在输气管上设置调压件。

(5)电堆的空气出口至膨胀水箱之间的管路是斜朝上或竖直朝上的，避免管路先向下弯曲再朝上，从而防止了因电堆阴极出口的水积聚在管路内而导致的流阻增大。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为的流程图；

附图标记：1、电堆，2、空压机，3、空气调节阀，4、膨胀水箱，41、压力盖，42、单向阀，43、箱体，5、水泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种燃料电池冷却循环系统，如图1所示，包括电堆1、空气回路、冷却回路和压力回路；

空气回路包括空压机2，空压机2用于对空气进行压缩，压缩空气自电堆1阴极的空气入口通入电堆1，电堆1内的压缩空气自电堆1阴极的空气出口排出电堆1；为了保证燃料电池的正常工作，空气回路还包括过滤器、中冷器和加湿器，过滤器设置在空压机2的上游，用于过滤空气，中冷器设置在空压机2和电堆1之间，对压缩后的高温空气进行降温，加湿器设置在中冷器和电堆1之间，对空气进行加湿，加湿后的空气再通入电堆1。

空气回路还包括进气管和排气管，进气管连接空压机2和电堆1的空气入口，空压机2压缩的空气通过进气管通入电堆1；排气管连接电堆1的空气出口，电堆1内的压缩空气通过排气管排出，排气管上安装有调压阀3(即背压阀)，调压阀3用于调节空气回路的气压。

冷却回路包括膨胀水箱4、水泵5、进水管、出水管和补水管，冷却液在水泵5的作用下通入电堆1，并自电堆1回流至水泵5进水口，膨胀水箱4用于为冷却回路补充冷却液；本实施例中，冷却液为水。水泵5的出水口通过出水管连接至电堆1的冷却液入口，电堆1冷却液出口流出的冷却液经过冷却后通过进水管流回水泵5的进水口。本实施例中，电堆1冷却液出口流出的冷却液会先经过散热器进行散热，再通过进水管流回水泵5的进水口，再次对电堆1进行冷却。膨胀水箱4减小燃料电池冷却循环系统因冷却液的热胀冷缩而造成的水压波动，其表现形式为容纳冷却回路多余的冷却液或为冷却回路补充冷却液，本实施例中简单描述为膨胀水箱4为冷却回路补充冷却液。因此，膨胀水箱4通过补水管连接至水泵5的进水口。

压力回路包括输气管和单向阀42，输气管的一端连接至电堆1的空气出口，输气管的另一端连接至膨胀水箱4，单向阀42布置在电堆1的空气出口与膨胀水箱4之间，用于导通空气出口至膨胀水箱4并阻断膨胀水箱4至空气出口；具体的，调压阀3上游的压力即电堆1排出的空气的压力，一般为2个左右的大气压，调压阀3下游的压力即大气压，所以输气管的一端连接至排气管，且输气管与排气管的连接处位于调压阀3的上游。

进一步的，电堆1的空气出口至膨胀水箱4之间的管路是斜朝上或竖直朝上的，避免管路先向下弯曲再朝上，从而防止了因电堆阴极出口的水积聚在管路内而导致的流阻增大。本实施例中，燃料电池冷却循环系统还包括支撑结构，支撑结构用于支撑电堆1的空气出口至膨胀水箱4之间的管路，以使得电堆1的空气出口至膨胀水箱4之间的管路是斜朝上或竖直朝上的。

如图2所示，膨胀水箱4包括箱体43和压力盖41，补水管连接至箱体43，压力盖41上设有泄压口，单向阀42集成在膨胀水箱4的箱体43上，具体的，压力盖41设置在箱体43的顶部，单向阀42集成在箱体43的侧壁上，且单向阀42的位置高于膨胀水箱4的箱体43内的最高液位，使得膨胀水箱4内的冷却液均匀受压，以免搅动膨胀水箱4内的冷却液。

本申请的实用新型思路如下：

为了保证电堆1冷却侧与电堆1阳极、阴极的压差，需要配置扬程较大的水泵5，而水泵5的扬程与压力的关系如下：

其中，H表示水泵5的扬程，单位m；P₃表示水泵5出水口的压力，单位Pa；P₄表示水泵5进水口的压力，单位Pa；ρ表示冷却回路内流动的冷却液的密度，单位kg/m³；g表示重力加速度，单位m/s²；V₂表示水泵5出水口处的流速，单位m/s；V₁表示水泵进水口处的流速，单位m/s；Z₂表示水泵5出水口的高度，单位m；Z₁表示水泵进水口的高度，单位m；

保持冷却液流速V₁、V₂、进出水口高度Z₁、Z₂和出水口压力P₃不变的情况下，可以发现，水泵5的扬程H与进水口压力P₄成反比：

因此，如果增大水泵5进水口的压力P₄，则所需要的水泵5扬程H会降低。因此，实用新型人的研究思路是增大水泵5进水口的压力P₄。

在不考虑管道压损情况下，水泵5进水口的压力P₄等于膨胀水箱4内的压力P₀，如果在膨胀水箱4内增加一个增压设备来增大膨胀水箱4的压力，就可以增大水泵5进水口的压力P₄，但额外增加一个增压设备的成本较高，也增大了燃料电池系统的体积。

实用新型人经过研究分析后发现，空压机2压缩后的空气具有一定的压力，压缩空气自电堆1排出后仍然具有一定的压力，且高于膨胀水箱4内的压力。如果在电堆1的空气入口处将压缩空气通入膨胀水箱4，即专利CN210668556U中的做法，会出现以下不足：

(1)压缩空气通入膨胀水箱4后，膨胀水箱4内具有一定的压力，当空压机2停止运行时，膨胀水箱4内的水和气体会倒灌进空气回路中，影响燃料电池的寿命；因此专利CN210668556U实施时必须要先给膨胀水箱4泄压再停止空压机2，不仅操作繁琐，也不能避免膨胀水箱4内的水和气体在空气回路的压力小于膨胀水箱4的压力时倒灌进空气回路。

(2)空压机2出口、电堆1入口处的气体压力常常会出现波动，这种波动会被直接传递到膨胀水箱4中，导致冷却回路也出现压力波动，不利于冷却回路的水压温度；专利CN210668556U在输气管上设置了调压阀才能避免这种压力波动，但是这样同时导致了成本和体积的增加，不利于集成化布置燃料电池。

(3)电堆1入口处的空气流量与电堆1的功率正相关，空压机2的流量大小体现为压力的大小，简单来说，就是电堆1的功率越高、电堆1入口的空气压力就越大，这样就会导致膨胀水箱4的压力随电堆1功率的增大而增大.但是膨胀水箱4所能负载的压力是有限的，当电堆1的功率达到一定程度后，电堆1入口的空气压力也达到了一定大小，而膨胀水箱4内压力过大时会触发压力盖41泄压，释放气体，这样，也就是电堆1入口的空气压力达到一定程度后就会因为压力盖41的泄压而无法继续增加，使得电堆1的功率达到一定程度后无法继续提升。专利CN210668556U中在输气管上设置了压力传感器、调压阀等，但是这样同时导致了成本和体积的增加，不利于集成化布置燃料电池。

因此，如果在电堆1的空气入口处将压缩空气通入膨胀水箱4，那么虽然减小了水泵5的扬程，但是也带来了新的问题。

实用新型人进一步研究分析后，发现压缩空气通入电堆1后会被直接排出电堆1，即压缩空气在电堆1内部反应后从电堆1空气出口的排气管排出，为了保证空气回路具有一定的压力，排气管上会设置调压阀3，调压阀3上游的压力即电堆1排出的空气的压力，一般为2个左右的大气压，调压阀3下游的压力即大气压。

实用新型人研究后发现，压缩空气在电堆1内部反应后，虽然电堆1空气出口处的气体压力小于电堆1空气入口处的气体压力，但是空气出口处的压力仍然是高于膨胀水箱4的压力的，所以可以将电堆1空气入口处压缩空气通入膨胀水箱4，而且相较于专利CN210668556U，通入电堆1空气出口的压缩空气具有以下优点：

(1)空压机2压缩后的空气通过电堆1再排出后会趋于平稳，基本没有压力波动，传递到膨胀水箱4的压力也趋于平稳，这样有利于冷却回路的稳定，因此不需要在输气管上设置调压件。

(2)电堆1内部存在流阻，当空压机2的压力不断升高时，电堆1的空气入口压力不断升高，电堆1的空气出口压力也相应增加，但是，由于随着空气回路压力的增大，电堆1流阻也在不断增加，因此电堆1空气出口的压力是缓慢增加的，这样依靠电堆1的流阻进行压力调节，不需要在输气管上设置调压件。

(3)当电堆1功率不断上升后，即使膨胀水箱4因压力过大而泄压，对电堆1入口处的压力也几乎没有影响，配合排气管上的调压阀3，电堆1的功率可以继续增长。

(4)本申请在膨胀水箱4上集成了单向阀42，单向阀42使得空气出口至膨胀水箱4方向导通，并使得膨胀水箱4至空气出口方向阻断，有效避免了膨胀水箱4内的水和气体倒灌。

本申请有效降低了燃料电池系统对水泵5的扬程的需要，可以平衡冷却水侧与空气侧的压力，空气侧压力与冷却回路压力能够很好的保证在合理范围内，从而提高电堆1使用寿命。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，包括电堆(1)、空气回路、冷却回路和压力回路；

所述空气回路包括空压机(2)，所述空压机(2)用于对空气进行压缩，压缩空气自电堆(1)的空气入口通入电堆(1)，电堆(1)内的压缩空气自电堆(1)的空气出口排出电堆(1)；

所述冷却回路包括膨胀水箱(4)和水泵(5)，冷却液在水泵(5)的作用下通入电堆(1)，并自电堆(1)回流至水泵(5)进水口，膨胀水箱(4)用于为冷却回路补充冷却液；

所述压力回路包括输气管和单向阀(42)，所述输气管的一端连接至电堆(1)的空气出口，所述输气管的另一端连接至膨胀水箱(4)，所述单向阀(42)布置在电堆(1)的空气出口与膨胀水箱(4)之间，用于导通空气出口至膨胀水箱(4)并阻断膨胀水箱(4)至空气出口。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述空气回路还包括进气管，进气管连接空压机(2)和电堆(1)的空气入口，空压机(2)压缩的空气通过进气管通入电堆(1)。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述空气回路还包括排气管，排气管连接电堆(1)的空气出口，电堆(1)内的压缩空气通过排气管排出，所述排气管上安装有调压阀(3)，所述调压阀(3)用于调节空气回路的气压。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述输气管的一端连接至排气管，且输气管与排气管的连接处位于调压阀(3)的上游。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，电堆(1)的空气出口至膨胀水箱(4)之间的管路是斜朝上或竖直朝上的。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述燃料电池冷却循环系统还包括支撑结构，所述支撑结构用于支撑电堆(1)的空气出口至膨胀水箱(4)之间的管路。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述冷却回路还包括进水管、出水管和补水管，水泵(5)的出水口通过所述出水管连接至电堆(1)的冷却液入口，电堆(1)冷却液出口流出的冷却液经过冷却后通过所述进水管流回水泵(5)的进水口，膨胀水箱(4)通过所述补水管连接至水泵(5)的进水口，为冷却回路补充冷却液。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述膨胀水箱(4)包括箱体(43)和压力盖(41)，补水管连接至所述箱体(43)，所述压力盖(41)上设有泄压口。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述单向阀(42)集成在膨胀水箱(4)的箱体(43)上。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池冷却循环系统，其特征在于，所述压力盖(41)设置在箱体(43)的顶部，所述单向阀(42)集成在箱体(43)的侧壁上，且单向阀(42)的位置高于膨胀水箱(4)的箱体(43)内的最高液位。

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