CN217214788U - 一种燃料电池冷却系统及氢能汽车 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种燃料电池冷却系统及氢能汽车，电堆上设有空气进气管、空气出气管，增湿器通过空气进气管和空气出气管与电堆相连；空压机和中冷器设于空气进气管的前端；第一换向装置和第二换向装置均使主冷却系统、中冷器和辅冷系统选择性地两两连通；主冷却系统与电堆连通，用于提高低功率时中冷器中的空气温度；辅冷却系统用于降低大功率运行期间中冷器中的空气温度。通过设置两个冷却系统，调整第一换向装置和第二换向装置的连通方向，使得主冷却系统和辅冷却系统交叉使用，从而精确控制进电堆空气的温度。
Description
技术领域
本实用新型涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷却系统及氢能汽车。
背景技术
燃料电池系统中，空气进气系统的动力源为空压机，空压机进行多级压缩后把空气送入电堆作为氧化剂。而压缩后的空气温度可达180℃，尤其是随着燃料电池系统功率的不断提升，压缩后的空气温度会越来越高。但是进入电堆的空气温度却要求与冷却水温度(70℃)相当，过低的空气温度不利于带出电堆反应产的水，容易发生水淹；过高的空气温度又容易影响质子交换膜的机械结构，同时容易把膜吹干。
目前大多采用水空中冷器(CAC)对进堆空气进行散热。多数厂家要么将CAC布置在电堆冷却路上，要么布置在辅助冷却路上。前者布置方案由于进堆水温达到70℃，很难将高温的空气冷却到70℃，同时该布置方案会增加主水泵的工作压力；后者布置方案中由于电源(DCDC)、空压机及其控制器和氢气循环泵所需冷却的温度较低，且对温度敏感性低，不需要进行温度的精确的控制，只需进口冷却温度低于60℃(DCDC冷却要求冷却液进口温度≤60℃)即可，所以如果将中冷器(出气温度需要精确控制在70℃左右)布置在辅助冷却回路上会增加控制难度，并且有将进堆空气温度过冷却的风险。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种燃料电池冷却系统，旨在精确控制进入电堆的空气温度在70℃左右。
本实用新型的实施例提供一种燃料电池冷却系统，包括电堆、增湿器、空压机、中冷器、第一换向装置、第二换向装置、主冷却系统以及辅冷却系统；其中，
所述电堆上设置有空气进气管、空气出气管；
所述增湿器通过所述空气进气管和所述空气出气管与所述电堆相连；
所述空压机和所述中冷器依次布设在所述空气进气管上，并且位于所述增湿器的前端；
所述第一换向装置和所述第二换向装置均使所述主冷却系统、所述中冷器和所述辅冷系统选择性地两两连通；；
所述主冷却系统与电堆连通，用于冷却电推，并提高低功率时所述中冷器中的空气温度；
所述辅冷却系统用于降低大功率运行期间所述中冷器中的空气温度。
可选地，所述主冷却系统包括主水泵、主散热器、节温器、加热器和两个温度传感器；其中，
所述主散热器和所述加热器并联；
电堆出口、所述主水泵、所述主散热器、所述节温器、电堆入口构成第一冷却回路；
电堆出口、所述主水泵、所述加热器、所述节温器、电堆入口构成第一加热回路；
两个所述温度传感器分别设于所述电堆出口和所述电堆入口处，用于测量所述电堆出口和所述电堆入口的温度；
所述节温器与所述第一换向装置连通。
可选地，所述主冷却系统还包括第一去离子器和主膨胀水壶，所述第一去离子器设于所述主散热器和所述主膨胀水壶之间，且所述电堆出口与所述主膨胀水壶连通，用于排气；
所述主膨胀水壶的出口还与所述第二换向装置连通。
可选地，所述辅冷却系统包括辅助水泵、辅助散热器、电源、氢气循环泵；其中，
所述电源与所述电堆连接；
所述辅助水泵、所述电源、所述辅助散热器构成第二冷却回路；
所述第二换向装置和所述空压机分别与所述辅助散热器连接，以并联在所述第二冷却回路上；
所述氢气循环泵一端与所述第一换向装置连通，另一端与所述空压机连通。
可选地，所述辅助冷却系统还包括副膨胀水壶和第二去离子器，所述第二去离子器设于所述辅助散热器和所述副膨胀水壶之间，用于排气；
所述副膨胀水壶的出口还与所述辅助水泵连通。
可选地，所述第二冷却回路上还设有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器均设于所述辅助水泵的出口处。
可选地，所述空气进气管和所述空气出气管上均安装有节气门和温压一体传感器，所述节气门和所述温压一体传感器均设于所述电堆与所述增湿器之间。
可选地，所述空气进气管入口处还设有一空气过滤器，所述空气过滤器过滤进入电堆中的空气中的杂质。
可选地，所述空气进气管上还设有一空气流量计，所述空气流量计位于所述空气过滤器与所述空压机之间，所述空气流量计用于感测所述空气进气管的总进气量。
本实用新型还提供一种氢能汽车，包括如上所述的燃料电池冷却系统。
本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型的燃料电池系统通过设置两个冷却系统，在主冷却系统和辅冷却系统之间增加第一换向装置和第二换向装置，调整第一换向装置和第二换向装置的连通方向，从而控制主冷却系统和辅冷却系统之间的配合，使得主冷却系统和辅冷却系统交叉使用，从而精确控制进电堆空气的温度，使其不会过高也不会过低。
附图说明
图1是本实用新型提供的燃料电池冷却系统一实施例的结构示意图。
图中：燃料电池冷却系统100、电堆1、增湿器2、空压机3、中冷器4、第一换向装置5、第二换向装置6、主冷却系统7、主水泵71、主散热器72、节温器73、加热器74、温度传感器75、第一去离子器76、主膨胀水壶77、辅冷却系统8、辅助水泵81、辅助散热器82、电源83、氢气循环泵84、副膨胀水壶85、第二去离子器86、压力传感器87、节气门9、温压一体传感器10、空气过滤器11、空气流量计12。
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。
本实用新型提供一种氢能汽车，包括一种燃料电池冷却系统100，只要包含所述燃料电池冷却系统100的氢能汽车都属于本实用新型所保护的氢能汽车。
请参考图1，本实用新型提供的一种燃料电池冷却系统100，包括电堆1、增湿器2、空压机3、中冷器4、第一换向装置5、第二换向装置6、主冷却系统7以及辅冷却系统8；其中，所述电堆1上设置有空气进气管、空气出气管；所述增湿器2通过所述空气进气管和所述空气出气管与所述电堆1相连；所述空压机3和所述中冷器4依次布设在所述空气进气管上，并且位于所述增湿器2的前端；所述第一换向装置5和所述第二换向装置6均使所述主冷却系统7、所述中冷器4和所述辅冷系统8选择性地两两连通；
所述主冷却系统7与电堆1连通，用于冷却电推，并提高低功率时所述中冷器4中的空气温度；所述辅冷却系统8用于降低大功率运行期间所述中冷器4中的空气温度。
通过设置两个冷却系统，在主冷却系统7和辅冷却系统8之间增加第一换向装置5和第二换向装置6，调整第一换向装置5和第二换向装置6的连通方向，从而控制主冷却系统7和辅冷却系统8之间的配合，使得主冷却系统7和辅冷却系统8交叉使用，从而精确控制进电堆1空气的温度，使其不会过高也不会过低。
值得注意的是，在主冷却系统7和辅冷却系统8交叉使用时，冷却液会有交融，所以辅冷却系统8中的冷却液的导电率为小于等于5μs/cm。本领领域中，小于20％额定功率的功率为低功率，高于80％额定功率的功率为高功率。
具体地，第一换向装5和第二换向装置6均包括三个通道来分别连接主冷却系统7、辅冷却系统8和中冷器4，其中，所述第一换向装置5包括A、B、C三个通道，所述A通道与所述主冷却系统7连通，所述B通道与所述中冷器4连通，所述C通道与所述辅冷系统8连通；所述第二换向装置6包括a、b、c三个通道，所述a通道与所述主冷却系统7连通，所述b通道与所述中冷器4连通，所述c通道与所述辅冷却系统8连通。
在本实施例中，所述第一换向装置5和所述第二换向装置6均设置为电子三通阀，第一换向装置5和第二换向装置6的三个通道对应为电子三通阀的三个阀门。通过设置第一换向装置5和第二换向装置6均为电子三通阀，可以调整控制主冷却系统7和辅冷却系统8之间的配合，使得主冷却系统7和辅冷却系统8交叉使用，从而精确控制进电堆1空气的温度，使其不会过高也不会过低。以下第一换向装置5和第二换向装置6均以电子三通阀为例进行说明，即三个通道对应三个阀门，具体可参照图1所示。
当然，在另一实施例中，第一换向装置5和第二换向装置6均可以设置为三条支路，分别对应三个通道，然后在每条支路上分别设置一个电磁阀，通过控制每条支路上电磁阀的开关来控制三条支路之间的通断，从而控制主冷却系统7和辅冷却系统8之间的配合。
进一步地，所述主冷却系统7包括主水泵71、主散热器72、节温器73、加热器74和两个温度传感器75；其中，所述主散热器72和所述加热器74并联；电堆1出口、所述主水泵71、所述主散热器72、所述节温器73、电堆1入口构成第一冷却回路；电堆1出口、所述主水泵71、所述加热器74、所述节温器73、电堆1入口构成第一加热回路；两个所述温度传感器75分别设于所述电堆1出口和所述电堆1入口处，用于测量所述电堆1出口和所述电堆1入口的温度；所述节温器73与所述A通道连通。
主冷却系统7中通过主水泵71和主散热器72与电堆1的出口和入口形成的第一冷却回路，主要用于给电堆1散热，而在主散热器72上并联加热器74，通过节温器73连接，形成第一加热回路，可以在电堆1温度较低时，通过调节节温器73的路径，可以通过加热器74加热，加热器74为PTC加热器74。当燃料电池系统的运行功率较小时，空压机3出口的温度不高，此时中冷器4空冷(没有冷却液，中冷器4内部的空气通过中冷器4向外界换热)都能将进气温度将冷却到很低时，可以通过调节第一换向装置5和第二换向装置6的通道通断，使得A通道与B通道之间连通，A通道与C通道之间关闭，b通道与a通道之间连通，b通道与c通道之间关闭，从而使得主冷却系统7中进入电堆1的冷却液流经中冷器4对空气进行升温，防止由于进堆空气温度过低，防止出现的水淹和单低现象。此处，冷却液的流动方向如图1中的箭头所指的方向。
进一步地，所述主冷却系统7还包括第一去离子器76和主膨胀水壶77，所述第一去离子器76设于所述主散热器72和所述主膨胀水壶77之间，且所述电堆1出口与所述主膨胀水壶77连通，用于排气；所述主膨胀水壶77的出口还与所述a通道连通。
通过在主冷却系统7中设置第一去离子器76和主膨胀水壶77，从而形成排气通路，可以用于排气。
进一步地，所述辅冷却系统8包括辅助水泵81、辅助散热器82、电源83、氢气循环泵84；其中，所述电源83与所述电堆1连接；所述辅助水泵81、所述电源83、所述辅助散热器82构成第二冷却回路；所述c通道和所述空压机3分别与所述辅助散热器82连接，以并联在所述第二冷却回路上；所述氢气循环泵84一端与所述C通道连通，另一端与所述空压机3连通。
在电池燃料系统中，由于氢气循环泵84、空压机3、电源83(DCDC)等控制部件工作时要求的水温较低，从而设置辅冷却系统8中的第一冷却回路和第二冷却回路分别为其进行降温，通过第一换向装置5和第二换向装置6的通道开关控制，避免其将进堆空气过渡冷却。此处，空压机3包括相连接的空压机本体和空压机控制器。当系统功率较大时，空压机3出口的温度较高，主冷却回路中进入电堆1的冷却液温度达到70℃，已经不能将高温的空气温度冷却至70℃了，所以通过设置辅冷却系统8与第一换向装置5和第二换向装置6连接，调节第一换向装置5的A通道与B通道关闭，A通道与C通道连通。调节第二换向装置6的b通道与a通道关闭，b通道与c通道连通。从而使辅冷却系统8中的冷却液流经中冷器4对空气进行降温，防止由于进堆空气温度过高，造成进堆空气加湿量不够和电堆1膜被吹干的风险。
进一步地，所述辅助冷却系统还包括副膨胀水壶85和第二去离子器86，所述第二去离子器86设于所述辅助散热器82和所述副膨胀水壶85之间，用于排气；所述副膨胀水壶85的出口还与所述辅助水泵81连通。
进一步地，所述第二冷却回路上还设有温度传感器75和压力传感器87，所述温度传感器75和所述压力传感器87均设于所述辅助水泵81的出口处。
通过在辅助水泵81出口处设置温度传感器75和压力传感器87，可以检测辅助水泵81流出的冷却液的温度和压力。
进一步地，所述空气进气管和所述空气出气管上均安装有节气门9和温压一体传感器10，所述节气门9和所述温压一体传感器10均设于所述电堆1与所述增湿器2之间。通过在空气进气管上设置节气门9和温压一体传感器10，可以检测进堆空气的温度和压力，从而为调节第一换向装置5和第二换向装置6的通道调节开度提供依据。通过调节第一换向装置5和第二换向装置6的通道开度可以调节冷却液的流量，通过调节第一换向装置和第二换向装置的不同通道之间的的通路关系，可以调节主冷却系统7和辅冷却系统8的配合关系来满足进气温度在70℃左右，以满足要求。值得注意的是，在调节电子三通阀时，必须保证第一换向装置5的电子三通阀和第二换向装置6的电子三通阀的开度一致，流通方向一致。
进一步地，所述空气进气管入口处还设有一空气过滤器11，所述空气过滤器11过滤进入电堆1中的空气中的杂质。所述空气进气管上还设有一空气流量计12，所述空气流量计12位于所述空气过滤器11与所述空压机3之间，所述空气流量计12用于感测所述空气进气管的总进气量。本实施例中，在节温器73与电堆1入口之间，在辅助散热器82与辅助水泵81之间也设有空气过滤器11。
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 (10)
1.一种燃料电池冷却系统，其特征在于，包括电堆、增湿器、空压机、中冷器、第一换向装置、第二换向装置、主冷却系统以及辅冷却系统；其中，
所述电堆上设置有空气进气管、空气出气管；
所述增湿器通过所述空气进气管和所述空气出气管与所述电堆相连；
所述空压机和所述中冷器依次布设在所述空气进气管上，并且位于所述增湿器的前端；
所述第一换向装置和所述第二换向装置均使所述主冷却系统、所述中冷器和所述辅冷系统选择性地两两连通；
所述主冷却系统与电堆连通，用于冷却电推，并提高低功率时所述中冷器中的空气温度；
所述辅冷却系统用于降低大功率运行期间所述中冷器中的空气温度。
2.如权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述主冷却系统包括主水泵、主散热器、节温器、加热器和两个温度传感器；其中，
所述主散热器和所述加热器并联；
电堆出口、所述主水泵、所述主散热器、所述节温器、电堆入口构成第一冷却回路；
电堆出口、所述主水泵、所述加热器、所述节温器、电堆入口构成第一加热回路；
两个所述温度传感器分别设于所述电堆出口和所述电堆入口处，用于测量所述电堆出口和所述电堆入口的温度；
所述节温器与所述第一换向装置连通。
3.如权利要求2所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述主冷却系统还包括第一去离子器和主膨胀水壶，所述第一去离子器设于所述主散热器和所述主膨胀水壶之间，且所述电堆出口与所述主膨胀水壶连通，用于排气；
所述主膨胀水壶的出口还与所述第二换向装置连通。
4.如权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述辅冷却系统包括辅助水泵、辅助散热器、电源、氢气循环泵；其中，
所述电源与所述电堆连接；
所述辅助水泵、所述电源、所述辅助散热器构成第二冷却回路；
所述第二换向装置和所述空压机分别与所述辅助散热器连接，以并联在所述第二冷却回路上；
所述氢气循环泵一端与所述第一换向装置连通，另一端与所述空压机连通。
5.如权利要求4所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述辅冷却系统还包括副膨胀水壶和第二去离子器，所述第二去离子器设于所述辅助散热器和所述副膨胀水壶之间，用于排气；
所述副膨胀水壶的出口还与所述辅助水泵连通。
6.如权利要求4所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述第二冷却回路上还设有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器均设于所述辅助水泵的出口处。
7.如权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述空气进气管和所述空气出气管上均安装有节气门和温压一体传感器，所述节气门和所述温压一体传感器均设于所述电堆与所述增湿器之间。
8.如权利要求1所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述空气进气管入口处还设有一空气过滤器，所述空气过滤器过滤进入电堆中的空气中的杂质。
9.如权利要求8所述的燃料电池冷却系统，其特征在于，所述空气进气管上还设有一空气流量计，所述空气流量计位于所述空气过滤器与所述空压机之间，所述空气流量计用于感测所述空气进气管的总进气量。
10.一种氢能汽车，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的燃料电池冷却系统。
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| CN117117241B (zh) * | 2023-10-18 | 2024-03-12 | 深圳市氢蓝时代动力科技有限公司 | 燃料电池的散热管理系统及电动汽车 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 430000 Building 1, No. 99, Weilai Third Road, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Patentee after: Grove Hydrogen Energy Technology Group Co.,Ltd. Address before: 430000 Building 1, No. 99, Weilai Third Road, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Patentee before: WUHAN LUOGEFU HYDROGEN ENERGY AUTOMOBILE Co.,Ltd. |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: A fuel cell cooling system and hydrogen powered vehicles Granted publication date: 20220816 Pledgee: Jinan Luneng Kaiyuan Group Co.,Ltd. Pledgor: Grove Hydrogen Energy Technology Group Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009137 |