CN217655913U - 一种燃料电池的加热和冷却系统 - Google Patents

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谢佳平
朱维
杨事成
李建伟
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Abstract

本实用新型提出一种燃料电池的加热和冷却系统，包括循环泵、风冷散热器、去离子器和加热冷却装置，循环泵的进液端经管路连接至冷却液进口，循环泵的出液端经管路依次连接三通阀、散热器、第一单向阀和去离子器，去离子器的出液端连接至冷却液出口；加热冷却装置的进液端连接三通阀，加热冷却装置的出液端经过单向阀后连接至去离子器和第一单向阀之间的管路上。本实用新型可同时实现对燃料电池冷却液进行加热和冷却，在燃料电池冷启动时，对冷却液进行加热，实现燃料电池的快速启动；在燃料电池以高负荷运行时，协助风冷散热器对冷却液进行冷却，确保燃料电池内部温度在设定区间内。

Description

一种燃料电池的加热和冷却系统
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的加热和冷却系统。
背景技术
氢燃料电池是一种以氢气作为燃料，以空气作为氧化剂，实现化学能向电能转换的装置。其生成物仅为水，且不受卡诺循环的限制，具有环保、高效的优点，目前在交通领域已初步实现商业化示范应用。
燃料电池在低于零度的温度条件下启动时，其反应初期生成的水极易发生结冰的现象，造成燃料电池性能下降，导致燃料电池系统无法启动或者启动时间过长。现有的应对策略主要是通过外部预热的方式，如燃料电池外部配备PTC电加热器对冷却液进行加热。同时由于电化学极化的存在，在反应过程中，会生成大量的热量，如果不及时进行有效散热，过高的温度可能会导致膜电极脱水甚至破裂，针对此问题，通常配备大功率风冷散热器对燃料电池的冷却液进行散热，但大功率风扇在工作过程中会产生较大的噪音。
实用新型内容
本实用新型针对现有的燃料电池零下温度条件下启动困难，以及风冷散热器噪音大的技术问题，提出一种具有可同时实现对燃料电池冷却液进行加热和冷却的燃料电池的加热和冷却系统及控制方法。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种燃料电池的加热和冷却系统，包括循环泵、风冷散热器、去离子器和加热冷却装置，循环泵的进液端经管路连接至冷却液进口，循环泵的出液端经管路依次连接三通阀、散热器、第一单向阀和去离子器，去离子器的出液端连接至冷却液出口；加热冷却装置的进液端连接三通阀，加热冷却装置的出液端经过单向阀后连接至去离子器和第一单向阀之间的管路上。
作为优选，所述加热冷却装置为半导体加热冷却器。
作为优选，所述半导体加热冷却器包括箱体，箱体上设置有进液口和出液口，箱体侧壁安装有半导体片和散热翅片，箱体两端均安装有散热风扇。
作为优选，半导体片与箱体侧壁之间、半导体片与散热翅片之间均设置有导热硅胶。
作为优选，所述散热翅片的长度方向与半导体加热冷却器内冷却液的流动方向相同。
作为优选，两个散热风扇的风向相同且与散热翅片长度方向相同。
作为优选，所述进液口设置在箱体下部，出液口设置在箱体上部。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：
1、该燃料电池的加热和冷却系统利用半导体片制热效率大于100％及冷热端可互换的特点，设计出可同时实现对燃料电池冷却液进行加热和冷却的装置。在燃料电池冷启动时，对冷却液进行加热，实现燃料电池的快速启动；在燃料电池以高负荷运行时，协助风冷散热器对冷却液进行冷却，确保燃料电池内部温度在设定区间内。
2、风冷冷却与半导体冷却协同冷却模式可以降低风冷散热器的设计功率，从而降低燃料电池高负荷运行时系统的噪音。因半导体片制冷效率较低，当热量负荷较低时，燃料电池冷却液仅通过风冷冷却管单独进行冷却，而不启动半导体片，可降低冷却系统的能量消耗。
附图说明
图1为本实用新型燃料电池的加热和冷却系统的结构示意图；
图2为本实用新型燃料电池的加热和冷却系统的加热冷却装置正视图；
图3为本实用新型燃料电池的加热和冷却系统的加热冷却装置剖视图；
图4为本实用新型燃料电池的加热和冷却系统的应用状态图；
图5为本实用新型燃料电池的加热和冷却系统的控制逻辑图；
以上各图中：A、冷却液进口；B、冷却液出口；10、冷却液进液管；11、循环泵；12、三通阀；121、第一接口；122、第二接口；123、第三接口；13、半导体加热冷却管；14、半导体加热冷却器；140、箱体；141、半导体片；142、散热翅片；143、导热硅胶；144、散热风扇；145、进液口；146、出液口；15、第二单向阀；16、风冷冷却管；17、风冷散热器；18、第一单向阀；19、去离子器；20、冷却液出液管。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例一：
如图1-4所示，一种燃料电池的加热和冷却系统，包括循环泵11、风冷散热器17、去离子器19和半导体加热冷却器14，循环泵11的进液端经冷却液进液管10路连接至冷却液进口A，冷却液进口A连接至燃料电池冷却液出口。循环泵11的出液端经冷却液进液管10路依次连接三通阀12的第一接口121、第二接口122，三通阀12的第二接口122经风冷冷却管16连接至风冷散热器17，风冷散热器17连接第一单向阀18和去离子器19。去离子器19的出液端经冷却液出液管20连接至冷却液出口B，冷却液出口B连接至燃料电池冷却液进口。半导体加热冷却器14的进液端经半导体加热冷却管13路连接三通阀12的第三接口123，加热冷却装置的出液端经过第二单向阀15后连接至去离子器19和第一单向阀18之间的管路上。
所述半导体加热冷却器14包括以长方体结构的箱体140，箱体140上设置有进液口145和出液口146，箱体140的四个侧壁的外侧安装有半导体片141，半导体片141外侧贴合散热翅片142，并且半导体片141与燃料电池辅助电源通过电路相连。半导体片141制热效率大于100％，并且冷热端可互换，该半导体加热冷却器14可同时实现对燃料电池冷却液的加热和冷却。
为增加散热效果，所述箱体140的顶面和底面上均安装有散热风扇144，通过风扇帮助半导体加热冷却器14快速散热。并且两个风扇的风向相同且与翅片长度方向平行，以一吹一吸的方式对翅片散热。同时半导体片141与箱体140侧壁之间、半导体片141与散热翅片142之间均设置有导热硅胶143，保证半导体片141产生的热量或冷量良好的经散热翅片142传导出去，保证半导体片141的制热或制冷效果。
进一步的，所述散热翅片142的长度方向与半导体加热冷却器14内冷却液的流动方向相同，所述进液口145设置在箱体140下部，出液口146设置在箱体140上部，进液口145位置低于出液口146位置，使冷却液的流动方向为下进上出，是冷却液充分进行热交换。
该燃料电池的加热及冷却系统依据系统工作场景的不同，可进行不同工作模式的切换，各工作模式运行情况如下：
(1)半导体加热模式
在该模式下，调整三通阀12的转向，连通冷却液进液管10与半导体加热/冷却管路13，半导体加热冷却器14单独运行，并且与矩形箱体140外表面相贴的半导体片141表面为热端。位于箱体140四个侧面的半导体片141对矩形箱体140加热，冷却液在冷却液循环泵11的助力下，流经箱体140，经箱体140加热后的冷却液进入到燃料电池中，提高燃料电池内部温度，缩短燃料电池冷启动时间；
(2)风冷单独冷却模式
因半导体片141制冷效率相对较低，因此在低热量负荷时，仅通过风冷散热器17对冷却液进行冷却散热。在该模式下，调整三通阀12的转向，连通冷却液进液管10与风冷冷却管16，半导体不通电。冷却液在冷却液循环泵11的助力下，流经风冷散热器17，经散热器冷却后的冷却液进入到燃料电池中，确保燃料电池内部温度在设定区间内；
(3)协同冷却模式
在该模式下，调整三通阀12的转向，连通冷却液进液管10与风冷冷却管16、半导体加热/冷却管路13，并且通过改变电流方向，使与矩形箱体140外表面相贴的半导体片141表面为冷端。位于箱体140四个侧面的半导体片141对矩形箱体140冷却，冷却液在冷却液循环泵11的助力下，通过三通阀12调节，按一定比例分别流经风冷冷却管16、半导体加热/冷却管路，并在去离子器19进口汇合，由风冷散热器17和半导体加热冷却器14同时对冷却液进行冷却，经冷却后的冷却液进入到燃料电池中，确保燃料电池内部温度在设定区间内。
本实施例所述的燃料电池的加热和冷却系统利用半导体片141制热效率大于100％及冷热端可互换的特点，设计出可同时实现对燃料电池冷却液进行加热和冷却的装置。在燃料电池冷启动时，对冷却液进行加热，实现燃料电池的快速启动；在燃料电池以高负荷运行时，协助风冷散热器17对冷却液进行冷却，确保燃料电池内部温度在设定区间内。风冷冷却与半导体冷却协同冷却模式可以降低风冷散热器17的设计功率，从而降低燃料电池高负荷运行时系统的噪音因半导体片制冷效率较低，当热量负荷较低时，燃料电池冷却液仅通过风冷冷却管单独进行冷却，而不启动半导体片，可降低冷却系统的能量消耗。
该燃料电池的加热和冷却系统的控制方法如下，包括如下步骤：
S1、燃料电池启动信号输入；
S2、设定FC冷启动温度T1、FC正常工作温度T2、FC高温工作温度T3，冷启动温度T1通常设定在0℃以下，正常工作温度T2为燃料电池最优工作温度区间的某一值，高温工作温度T3也为燃料电池最优工作温度区间的某一值，但高于T2，低于最优工作温度区间的上限；
设定FC中间功率P1，以该功率值为界，划分燃料电池低工作功率区间和高工作功率区间；
S3、测量燃料电池出口处冷却液温度T，测量FC输出净功率P；
S4、比较T与T1的大小，如果T小于T1，加热和冷却系统运行半导体加热模式，即调整三通阀的转向，使冷却液只流经半导体加热冷却器，由半导体片进行加热，实现燃料电池的快速启动，否则，转为S5；
S5、比较T与T2的大小，如果T小于T2，为保证燃料电池工作温度的快速上升，此时加热及冷却系统不工作；否则，转为S6；
S6、比较T与T3的大小，如果T大于T3，或者T小于T3但FC输出净功率P大于P1，加热及冷却系统转为协同冷却模式，即调整三通阀的转向，冷却液同时流经风冷散热器和半导体加热冷却器，并且通过改变电流方向使与矩形箱体外表面相贴的半导体片表面为冷端；
如果T小于T3且FC输出净功率P小于P1，加热及冷却系统转为风冷单独冷却模式，即调整三通阀的转向，使冷却液只流经风冷散热器，半导体加热冷却器不工作。
通过该方法控制加热和冷却系统自动切换工作模式，在燃料电池冷启动时，对冷却液进行加热，实现燃料电池的快速启动；在燃料电池以高负荷运行时，加热冷却装置协助风冷散热器对冷却液进行冷却，确保燃料电池内部温度在设定区间内。通过增设对燃料电池输出净功率的判断，可实现对燃料电池工作温度的前馈控制，防止冷却不及时对燃料电池造成高温损坏。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：包括循环泵、风冷散热器、去离子器和加热冷却装置，循环泵的进液端经管路连接至冷却液进口，循环泵的出液端经管路依次连接三通阀、散热器、第一单向阀和去离子器，去离子器的出液端连接至冷却液出口；加热冷却装置的进液端连接三通阀，加热冷却装置的出液端连接至去离子器和第一单向阀之间的管路上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：所述加热冷却装置为半导体加热冷却器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：所述半导体加热冷却器包括箱体，箱体上设置有进液口和出液口，箱体侧壁安装有半导体片和散热翅片，箱体两端均安装有散热风扇。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：所述半导体片与箱体侧壁之间、半导体片与散热翅片之间均设置有导热硅胶。
5.根据权利要求3所述的燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：所述散热翅片的长度方向与半导体加热冷却器内冷却液的流动方向相同。
6.根据权利要求3所述的燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：两个散热风扇的风向相同且与散热翅片长度方向相同。
7.根据权利要求3所述的燃料电池的加热和冷却系统，其特征在于：所述进液口设置在箱体下部，出液口设置在箱体上部。
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