CN219040524U - 大功率燃料电池双水泵冷却散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，包括：燃料电池电堆、第一冷却水循环水泵、散热器、三通阀、第二冷却水循环水泵以及冷却液过滤器。第一冷却水循环水泵的入口通过第一管路与燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接。散热器的入口通过第二管路与第一冷却水循环水泵的出口相连接。三通阀的第一入口通过第三管路与散热器的出口相连接。第二冷却水循环水泵的入口通过第四管路与三通阀的出口相连接。借此，本实用新型的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，解决了大功率燃料电池系统水泵布置的问题，避免了燃料电池电堆冷却腔压力过高或者内部因为压力过低形成气泡而造成导热不均的问题。

Description

大功率燃料电池双水泵冷却散热系统

技术领域

本实用新型是关于车用燃料电池系统热管理技术领域，特别是关于一种大功率燃料电池双水泵冷却散热系统。

背景技术

燃料电池系统是用于一种新能源汽车用的动力系统，以氢气作为燃料，空气作为氧化剂，产生电能的动力装置，排放物仅为水和热量。燃料电池系统包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、阀类零件、DCDC等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器、散热器等)、连接的管路接头、机械结构等。

燃料电池系统中最核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置，燃料电池电堆阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生空气的还原反应。燃料电池电堆不同于传统内燃机，是通过电化学反应产生电能，排放只有水。在电化学反应过程中，伴随着产热，需要通过冷却系统将燃料电池电堆反应的热量导出。因为燃料电池内部为电化学反应，必须进行均匀散热，以避免燃料电池电堆内部局部或整体过热。燃料电池电堆过热容易引起燃料电池电堆内的膜电极衰减，减少燃料电池电堆的寿命。故燃料电池电堆的热管理设计及架构至关重要。

为了冷却燃料电池电堆，冷却液需要通过燃料电池电堆中的双极板以导出热量。双极板与燃料电池电堆内的发电单元膜电极直接接触，冷却液通过双极板间接冷却膜电极。在燃料电池电堆运行的过程中，冷却液中需要避免出现气泡或者其他杂质，以防止因为气泡或者杂质造成局部区域的冷却传热不均，使得膜电极因为局部高温而损坏。另一方面，因为双极板冷却液腔的设计的原因，燃料电池电堆冷却腔的承压能力有限，通常最大允许压力只有250kPa～300kPa。

燃料电池系统内核心零件燃料电池电堆的冷却腔入口通常有压力限制。随着燃料电池系统功率增加，燃料电池系统热管理子系统中各个零件的压损越来越大，其中，燃料电池电堆的冷却腔压损为热管理子系统的主要压损。燃料电池系统中通常集成一个水泵，其扬程和流量也在逐渐增加。水泵扬程增大之后，使得水泵在燃料电池系统热管理中的布置变得比较困难：布置在燃料电池电堆的前方，会超出燃料电池电堆的压力限制；布置在燃料电池电堆的后方，燃料电池电堆压力可能出现低于大气压的情况，引入气泡使得燃料电池电堆双极板冷却不均匀，造成燃料电池电堆的损伤。

现有方案主要分为前置水泵和后置水泵两种燃料电池系统热管理子系统水泵布置方案。前置水泵是指将水泵布置在燃料电池电堆冷却腔入口前方，后置水泵是指将水泵布置在燃料电池电堆冷却腔出口后方。

如果采用前置水泵的方案，因为循环总压损较大，容易造成燃料电池电堆前压力过大；若采用后置方案，燃料电池电堆出口的压力容易出现过小情况，吸入空气产生气泡，使得双极板导热不均，影响燃料电池电堆的寿命。另外，因为燃料电池系统冷却液属于易损件，需要定期进行更换。在维护保养过程中，需要将冷却液全部排出之后再次加注。快速的冷却液排空方法，有助于提高燃料电池系统的维护保养效率。

如公开号为CN216624354U的专利文献提出一种燃料电池双水泵热管理系统，包括高压主水泵、低压副水泵。通过常闭电磁阀，设置在所述低压副水泵的上游，控制低压副水泵。该方案通过打开常闭电磁阀和低压副水泵提供额外的流量，水泵可以作为冷却液加注时的补水水泵使用，以及故障状态下作为备用水泵来循环冷却液降低电导率。该方案的低压副水泵仅仅作为备用水泵，并不能解决大功率燃料电池系统水泵布置问题，且额外的水泵会增加系统成本。

如公开号为CN113871651A和CN217114456U的专利文献提出一种大功率燃料电池系统的双水泵冷却子系统设计及快速排水功能，将主水泵设置于节温器第一出口与电堆入口之间，副水泵设置于散热器出口与主水泵入口之间。该方案通过增设副水泵，在燃料电池大功率运行时散热能力不足或者大循环压损过大时，提供额外的流量。该方案也是将副水泵作为备用水泵，解决散热需求过大时，或流阻过大时的流量提供问题，但额外的水泵会增加系统成本。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其解决了大功率燃料电池系统水泵布置的问题，避免了燃料电池电堆冷却腔压力过高或者内部因为压力过低形成气泡而造成导热不均的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，包括：燃料电池电堆、第一冷却水循环水泵、散热器、三通阀、第二冷却水循环水泵以及冷却液过滤器。第一冷却水循环水泵的入口通过第一管路与燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接。散热器的入口通过第二管路与第一冷却水循环水泵的出口相连接。三通阀的第一入口通过第三管路与散热器的出口相连接。第二冷却水循环水泵的入口通过第四管路与三通阀的出口相连接。冷却液过滤器的入口通过第五管路与第二冷却水循环水泵的出口相连接，且冷却液过滤器的出口通过第六管路与燃料电池电堆的冷却液腔的入口相连接。其中，燃料电池电堆、第一冷却水循环水泵、散热器、三通阀、第二冷却水循环水泵及冷却液过滤器的连接形成主回路循环。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括第一温度传感器，设置于第一管路上。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括压力传感器，设置于第一管路上，且压力传感器位于第一冷却水循环水泵与第一温度传感器之间。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括第二温度传感器，设置于第六管路上，且第二温度传感器位于燃料电池电堆与第二冷却水循环水泵之间。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括排水口以及去离子器。排水口的入口通过第七管路与第一冷却水循环水泵的出口相连接。以及去离子器的入口通过第八管路与排水口的出口相连接，且去离子器的出口通过第九管路与三通阀的第二入口相连接。其中，排水口和去离子器的连接形成第一支路。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括膨胀水箱，分别从散热器的入口处和第二温度传感器的入口处分出一冷却液支路，通过管路及接头汇流后连接至膨胀水箱的入口，且膨胀水箱的出口通过管路及接头连接至第一冷却水循环水泵的入口处，从而形成第二支路。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括阴极热交换器，第二冷却水循环水泵的出口处分出一冷却液支路，通过管路连接至阴极热交换器的入口，且阴极热交换器的出口通过管路连接至压力传感器的出口处，从而形成第三支路。

在本实用新型的一实施方式中，第一冷却水循环水泵和第二冷却水循环水泵均为离心式水泵。

与现有技术相比，根据本实用新型的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，通过双水泵的燃料电池热管理系统设计，解决了大功率燃料电池系统水泵布置的问题，避免了燃料电池电堆冷却腔压力过高或者内部因压力过低形成气泡而造成导热不均的问题。另外，通过冷却子系统中双水泵的控制，实现了快速排水功能。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施方式的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统的架构示意图；

图2是根据本实用新型一实施方式的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统的快速排水的流程示意图；

图3是根据本实用新型一实施方式的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统的流阻分布仿真示意图。

主要附图标记说明：

1-燃料电池电堆，2-第一冷却水循环水泵，3-散热器，4-三通阀，5-第二冷却水循环水泵，6-冷却液过滤器，7-第一温度传感器，8-压力传感器，9-第二温度传感器，10-阴极热交换器，11-排水口，12-去离子器，13-膨胀水箱。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1是根据本实用新型一实施方式的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统的架构示意图。图2是根据本实用新型一实施方式的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统的快速排水的流程示意图。

如图1至图2所示，根据本实用新型优选实施方式的一种大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，包括：燃料电池电堆1、第一冷却水循环水泵2、散热器3、三通阀4、第二冷却水循环水泵5以及冷却液过滤器6。第一冷却水循环水泵2的入口通过第一管路与燃料电池电堆1的冷却液腔的出口相连接。散热器3的入口通过第二管路与第一冷却水循环水泵2的出口相连接。三通阀4的第一入口通过第三管路与散热器3的出口相连接。第二冷却水循环水泵5的入口通过第四管路与三通阀4的出口相连接。冷却液过滤器6的入口通过第五管路与第二冷却水循环水泵5的出口相连接，且冷却液过滤器6的出口通过第六管路与燃料电池电堆1的冷却液腔的入口相连接。其中，燃料电池电堆1、第一冷却水循环水泵2、散热器3、三通阀4、第二冷却水循环水泵5及冷却液过滤器6的连接形成主回路循环。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括第一温度传感器7，设置于第一管路上。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括压力传感器8，设置于第一管路上，且压力传感器8位于第一冷却水循环水泵2与第一温度传感器7之间。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括第二温度传感器9，设置于第六管路上，且第二温度传感器9位于燃料电池电堆1与第二冷却水循环水泵5之间。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括排水口11以及去离子器12。排水口11的入口通过第七管路与第一冷却水循环水泵2的出口相连接。以及去离子器12的入口通过第八管路与排水口11的出口相连接，且去离子器12的出口通过第九管路与三通阀4的第二入口相连接。其中，排水口11和去离子器12的连接形成第一支路。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括膨胀水箱13，分别从散热器3的入口处和第二温度传感器9的入口处分出一冷却液支路，通过管路及接头汇流后连接至膨胀水箱13的入口，且膨胀水箱13的出口通过管路及接头连接至第一冷却水循环水泵2的入口处，从而形成第二支路。

在本实用新型的一实施方式中，大功率燃料电池双水泵冷却散热系统还包括阴极热交换器10，第二冷却水循环水泵5的出口处分出一冷却液支路，通过管路连接至阴极热交换器10的入口，且阴极热交换器10的出口通过管路连接至压力传感器8的出口处，从而形成第三支路。

在本实用新型的一实施方式中，第一冷却水循环水泵2和第二冷却水循环水泵5均为离心式水泵。

在实际应用中，本实用新型的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，燃料电池系统冷却子系统主回路由燃料电池电堆1、第一温度传感器7、第二温度传感器9、压力传感器8、散热器3、第一冷却水循环水泵2、第二冷却水循环水泵5、三通阀4和冷却液过滤器6组成。燃料电池电堆1的冷却液腔的入口通过管路、接头与第二温度传感器9相连接，燃料电池电堆1的冷却液腔的出口通过管路、接头与第一温度传感器7相连接。第一温度传感器7通过管路、接头与压力传感器8相连接。压力传感器8通过管路、接头与第一冷却水循环水泵2入口相连接。第一冷却水循环水泵2与散热器3入口相连接，散热器3出口通过管路、接头与三通阀4的第一入口相连接。三通阀4出口通过管路与第二冷却水循环水泵5的入口相连接，第二冷却水循环水泵5的出口通过管路、接头与冷却液过滤器6的入口相连接，冷却液过滤器6的出口通过第二温度传感器9与燃料电池电堆1冷却液腔入口相连，形成冷却子系统主回路循环。

其中，燃料电池系统冷却子系统第一支路，由去离子器12和排水口11组成。第一支路从第一冷却水循环水泵2的出口处分出，通过管路连接至排水口11的入口。排水口11的出口通过管路及接头连接去离子器12的入口，去离子器12的出口连接三通阀4的第二入口，与三通阀4的第一入口流入的冷却液混合后，从三通阀4的出口排出。

其中，燃料电池系统冷却子系统第二支路由膨胀水箱13组成，分别从散热器3入口处以及第二温度传感器9入口处分出一冷却液支路，通过管路及接头汇流后连接膨胀水箱13的入口，膨胀水箱13的出口通过管路及接头连接至第一冷却水循环水泵2的入口处。

其中，燃料电池系统冷却子系统第三支路，从第二冷却水循环水泵5的出口处分出一冷却液支路，通过管路连接至阴极热交换器10的入口，阴极热交换器10的出口通过管路连接至压力传感器8出口处。

冷却子系统主回路中，燃料电池电堆1为主要热源，燃料电池系统运行过程中通过电化学产生热量。燃料电池电堆1的冷却液腔入口温度、出口温度由第二温度传感器9和第一温度传感器7分别进行监测，在燃料电池系统运行过程中，燃料电池电堆1的出口温度高于入口温度。燃料电池电堆1的出口处压力由压力传感器8监测。燃料电池电堆1的冷却腔出口冷却液流入散热器3中冷却，通过热交换的方式降低冷却液温度。散热器3为车用风冷散热器3，通过风扇将热量导出冷却子系统主回路。第一冷却水循环水泵2和第二冷却水循环水泵5均为离心式水泵，通过旋转制造的离心力，循环冷却液并提升冷却液扬程。冷却液过滤器6通过内置的滤网去除冷却液中的颗粒物。其中，冷却子系统第一支路为旁通支路，通过旁通部分冷却液，调整经过散热器3冷却液的流量比例，控制三通阀4后方混合冷却液的温度。旁通第一支路内排水口11在冷却子系统需要清空冷却液时开启，设置于燃料电池系统底部，通过重力排出冷却液。旁通第一支路内去离子器12的作为是吸附冷却液中的离子，保持燃料电池系统冷却液电导率小于安全阈值。其中，冷却子系统第二支路为排气支路，冷却液流经膨胀水箱13，分离并去除冷却液中的气泡，并将分离后的冷却液补回第一冷却水循环水泵2的入口处。其中，冷却子系统第三支路为阴极热交换器10换热支路，通过热交换冷却燃料电池系统中加压后的空气(燃料电池系统空气子系统)。

本实用新型通过双水泵设计，可以同时有效避免燃料电池电堆1冷却腔压力过低的问题，以及燃料电池电堆1入口压力超出限制的问题。前期仿真结果表明(如图3所示)，燃料电池电堆1入口压力仅为190kPa，小于燃料电池电堆1冷却腔限制250kPa～300kPa；燃料电池电堆1出口压力为124kPa，高于大气压，可以有效避免因压力过低引入气泡造成的散热不均。

如图2所示，当燃料电池系统冷却子系统快速排水功能启动时，调整三通阀4的开度，使冷却液完全通过冷却子系统主回路。同时开启第二冷却水循环水泵5和第一冷却水循环水泵2，并设定为预设转速1，使得燃料电池系统冷却子系统冷却液在主回路中循环。开启排水口11，开始将燃料电池系统中冷却子系统的冷却液排出。等待膨胀水箱13中的水位下降到最低位置时，调整三通阀4的开度，使冷却液完全通过冷却子系统第一支路，关闭第二冷却水循环水泵5，并将第一冷却水循环水泵2的转速设定为预设转速2。等待冷却液排空或第一冷却水循环水泵2出现空转故障时，关闭第一冷却水循环水泵2，快速排水过程结束。

总之，本实用新型的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，通过双水泵的燃料电池热管理系统设计，解决了大功率燃料电池系统水泵布置的问题，避免了燃料电池电堆1冷却腔压力过高或者内部因压力过低形成气泡而造成导热不均的问题。另外，通过冷却子系统中双水泵的控制，实现了快速排水功能，有效减少了燃料电池系统排空所需时间。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，包括：

燃料电池电堆；

第一冷却水循环水泵，所述第一冷却水循环水泵的入口通过第一管路与所述燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接；

散热器，所述散热器的入口通过第二管路与所述第一冷却水循环水泵的出口相连接；

三通阀，所述三通阀的第一入口通过第三管路与所述散热器的出口相连接；

第二冷却水循环水泵，所述第二冷却水循环水泵的入口通过第四管路与所述三通阀的出口相连接；以及

冷却液过滤器，所述冷却液过滤器的入口通过第五管路与所述第二冷却水循环水泵的出口相连接，且所述冷却液过滤器的出口通过第六管路与所述燃料电池电堆的冷却液腔的入口相连接；

其中，所述燃料电池电堆、所述第一冷却水循环水泵、所述散热器、所述三通阀、所述第二冷却水循环水泵及所述冷却液过滤器的连接形成主回路循环。

2.如权利要求1所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，还包括第一温度传感器，设置于所述第一管路上。

3.如权利要求2所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，还包括压力传感器，设置于所述第一管路上，且所述压力传感器位于所述第一冷却水循环水泵与所述第一温度传感器之间。

4.如权利要求3所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，还包括第二温度传感器，设置于所述第六管路上，且所述第二温度传感器位于所述燃料电池电堆与所述第二冷却水循环水泵之间。

5.如权利要求4所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，还包括：

排水口，所述排水口的入口通过第七管路与所述第一冷却水循环水泵的出口相连接；以及

去离子器，所述去离子器的入口通过第八管路与所述排水口的出口相连接，且所述去离子器的出口通过第九管路与所述三通阀的第二入口相连接；

其中，所述排水口和所述去离子器的连接形成第一支路。

6.如权利要求5所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，还包括膨胀水箱，分别从所述散热器的入口处和所述第二温度传感器的入口处分出一冷却液支路，通过管路及接头汇流后连接至所述膨胀水箱的入口，且所述膨胀水箱的出口通过管路及接头连接至所述第一冷却水循环水泵的入口处，从而形成第二支路。

7.如权利要求6所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，还包括阴极热交换器，所述第二冷却水循环水泵的出口处分出一冷却液支路，通过管路连接至所述阴极热交换器的入口，且所述阴极热交换器的出口通过管路连接至所述压力传感器的出口处，从而形成第三支路。

8.如权利要求7所述的大功率燃料电池双水泵冷却散热系统，其特征在于，所述第一冷却水循环水泵和所述第二冷却水循环水泵均为离心式水泵。

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