CN219832713U - 燃料电池测试系统的循环水冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开燃料电池测试系统的循环水冷却装置，包括膨胀罐、第一水泵、第一换热器、第二换热器，膨胀罐连接第一水泵，第一水泵的出水端分为两路，一路经过燃料电池电堆，另一路与燃料电池电堆并联直接连接燃料电池电堆的出水端，两路管道汇合后又分为两路，一路经过第一换热器，另一路与第一换热器并联连接第一换热器的出水端，第一换热器的出水端进入第一水泵的再次进入循环，第二换热器的两端分别连接燃料电池电堆的入口端和出口端。本实用新型的有益效果：利用电堆产生的热量来提高内循环回路中水的温度，避免了循环水的过冷和再加热带来的能源消耗，且在电堆测试完成后采用部分内循环水进行冷却，整个系统能效和节能效果显著提升。

Description

燃料电池测试系统的循环水冷却装置

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池领域，尤其涉及的是一种燃料电池测试系统用循环水冷却装置。

背景技术

燃料电池是一种零排放无污染、高转换效率、低噪声的能量转换装置。它的主要组成部件包括：膜电极、双极板、集流板、端板，其中膜电极为其核心部件。质子交换膜在湿润状态下才能发挥其最大的离子传导作用，同时提高电堆整体性能和寿命。为了测试燃料电池输出特性及使用寿命等关键参数，就需要准确模拟燃料电池可能遇到的各种工况条件，分析在使用不同温湿度气体并考虑水温散热时燃料电池的输出特性。内循环水系统在整个测试系统中占有重要位置，如何快速调节出入堆水温流量压力等参数，节约调试时间，压缩调试成本，这样就对燃料电池测试系统提出了更高的技术要求。

现有系统通常采用下面的方式堆控制温度：将经过电堆换热出来的高温液态水经过降温板换(降温板换的冷源为冷却塔中的冷却水或者冷水机组的冷冻水)。经过降温板换之后，将水温降到低于下一工况的入堆进水温度，再经过水箱里的电加热将水温加热到工况需要的进水温度。如公布号：CN113851672A，一种燃料电池冷却水系统的控制方法，该系统包括第一水泵、三通阀节温器、板式换热器和第二水泵，所述第一水泵的进水端与电堆出水端连通，所述板式换热器的热水管道进水端和所述三通阀节温器的第一进水端均与所述第一水泵的出水端连通，所述板式换热器的热水管道出水端与所述三通阀节温器的第二进水端连通，所述三通阀节温器的出水端与电堆进水端连通，所述第二水泵的出水端连通所述板式换热器的冷水管道进水端；其特征在于：所述方法包括：当燃料电池的动力系统进入工作状态时，实时获取所述电堆出水端的出水温度；根据所述出水温度所处的范围对应控制所述三通阀节温器的板式换热器侧开度、所述第一水泵的运行功率和所述第二水泵的运行功率，调节所述出水温度处于预期温度范围。这个过程容易水温过冷，将水温降低到离下一工况温度较远，此时需要投入更多的电加热来将水温升起来，此过程耗能多，而且不利于入堆温度的调节控制；达不到测试灵活调节的需要，也拉长了调节时间，不利于节能减排。

再者，现有进入电堆的水流量是通过变频水循环泵的转速来控制进入电堆的水流量。这里有一个限制就是变频循环水泵的频率不能无限制下降，这对于循环水流量的范围就有所限制。并且循环水泵的变频过程中会带来入堆压力的变化，不利于入堆压力的控制调节。以及，电堆测试完毕，往往电堆内部温度很高，拆堆时容易烫伤实验人员，自然冷却不利于工作效率的提升；使用内循环水降温，但下一测试工况水温提升会浪费更多能源与时间成本。

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已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中将对换热出来的高温水降温后再升温后进入下一工况时，耗能多、不利于温度调节控制、调控时间长的问题。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

燃料电池测试系统的循环水冷却装置，包括膨胀罐、第一水泵、第一换热器、第二换热器，所述膨胀罐连接第一水泵，所述第一水泵的出水端分为两路，其中一路经过燃料电池电堆，另一路与燃料电池电堆并联后直接连接燃料电池电堆的出水端，两路管道汇合后又分为两路，其中一路经过第一换热器，另一路与第一换热器并联后连接第一换热器的出水端，所述第一换热器的出水端连接所述第一水泵的入水端再次进入循环，所述第二换热器的两端分别连接燃料电池电堆的入口端和出口端。

本实用新型中膨胀罐内水经过第一水泵加压后分为两路，一路进入燃料电池电堆带走热负荷，一路从燃料电池电堆旁路经过，两路水混合后再次分为两路，一路进入第一换热器进行降温，一路则是混合水直接到达第一换热器的后端，通过这种分合分合的方式以此通过调节水流量的配比来达到电堆入口温度的调节控制；充分利用了电堆产生的热量来提高内循环回路中水的温度，没有采用电加热的方式，避免了循环水的过冷和再加热带来的能源消耗，系统能效和节能效果显著提升；再者，通过第二换热器并联在燃料电池电堆的两端，在电堆测试完毕后，通过使用部分内循环水将电堆降温，不仅使电堆测试工作的效率得到提升，而且避免了将全部内循环水冷却的方式，提高了系统能源利用效率。

优选的，还包括第一过滤器，所述第一过滤器连接所述膨胀罐与所述第一水泵之间。

优选的，还包括第一三通调节阀、第二三通调节阀，所述第一三通调节阀的一端与所述第一水泵的出水端连接，一端与所述燃料电池电堆的入水端连接，一端与所述燃料电池电堆的出水端连接；所述第二三通调节阀的一端与第一换热器的出水端连接，一端与第一换热器的并联管路连接，一端与所述第一水泵的入水端连接。

采用水泵和三通调节阀共同工作的方式控制循环水流量的大小，使控制的流量范围可以下降到很小的程度，避免了单纯采用变频水泵控制循环水流量导致控制范围窄的问题。

优选的，还包括流量计、第一气动球阀、第二气动球阀，所述流量计与所述第一气动球阀连接所述燃料电池电堆的入口管道上，所述第二气动球阀连接所述燃料电池电堆的出口管道上。

优选的，还包括第一冷却组件、第二水泵、第二过滤器，所述第一冷却组件、第二水泵与所述第一换热器通过环形管道连接，所述第二过滤器连接所述第二水泵与所述第一冷却组件之间的管道上。

优选的，还包括第二冷却组件，所述第二换热器与所述第二冷却组件连接。

优选的，还包括第三水泵、第三气动球阀、第四气动球阀，所述第三水泵连接所述第二换热器的出水管道上，所述第三气动球阀与所述第四气动球阀分别连接所述第二换热器的出水管道与入水管道上。

优选的，所述第二换热器与所述第一冷却组件连接。

优选的，所述第一冷却组件为冷却塔或冷水机组。

通过第二冷却组件与第二换热器连接，加速电堆快速冷却；还可以直接将第二换热器与第一冷却组件连接，减少两个冷却组件的投入使用。

优选的，

优选的，所述燃料电池电堆的入水端以及出水端均设有测压装置和测温装置。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型中膨胀罐内水经过第一水泵加压后分为两路，一路进入燃料电池电堆带走热负荷，一路从燃料电池电堆旁路经过，两路水混合后再次分为两路，一路进入第一换热器进行降温，一路则是混合水直接到达第一换热器的后端，通过这种分合分合的方式以此通过调节水流量的配比来达到电堆入口温度的调节控制；充分利用了电堆产生的热量来提高内循环回路中水的温度，没有采用电加热的方式，避免了循环水的过冷和再加热带来的能源消耗，系统能效和节能效果显著提升；再者，通过第二换热器并联在燃料电池电堆的两端，在电堆测试完毕后，通过使用部分内循环水将电堆降温，不仅使电堆测试工作的效率得到提升，而且避免了将全部内循环水冷却的方式，提高了系统能源利用效率；

(2)采用水泵和三通调节阀共同工作的方式控制循环水流量的大小，使控制的流量范围可以下降到很小的程度，避免了单纯采用变频水泵控制循环水流量导致控制范围窄的问题；

(3)通过第二冷却组件与第二换热器连接，加速电堆快速冷却；还可以直接将第二换热器与第一冷却组件连接，减少两个冷却组件的投入使用；

(4)本实用新型实现入堆水温度的快速升降、流量的宽范围精确控制和入堆压力的稳定调节，以达到测试需要的工况值，减少测试时间，提高测试效率、以及节约系统能耗；

(5)该测试系统能够有效的适应不同测试工况的要求，能够快速达到测试所需的工况条件，减少了测试时间提高了测试效率，且各状态波动不大，减小了能量的损耗。

(6)装置结构简单，外围附属设备少且易于控制，成本较低。

附图说明

图1是本实用新型实施例燃料电池测试系统的循环水冷却装置的结构示意图；

图中标号：

100、燃料电池电堆；

200、膨胀罐；201、第一过滤器；202、第一水泵；203、第一三通调节阀；204、流量计；205、第一气动球阀；206、第二气动球阀；207、第一换热器；208、第二三通调节阀；

300、第二水泵；301、第二过滤器；302、第一冷却组件；

400、第二换热器；401、第三水泵；402、第三气动球阀；403、第四气动球阀；

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，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作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。

实施例一：

如图1所示，燃料电池测试系统的循环水冷却装置，引用于燃料电池电堆100，整个内循环水路包括膨胀罐200、第一过滤器201、第一水泵202、第一三通调节阀203、流量计204、第一气动球阀205、第二气动球阀206、第一换热器207、第二三通调节阀208；

所述膨胀罐200的出水端通过管道依次连接第一过滤器201、第一水泵202，所述第一水泵202的出水端连接第一三通调节阀203，第一三通调节阀203将水路分为两路，其中一路依次经过流量计204、第一气动球阀205、燃料电池电堆100、第二气动球阀206，另一路与燃料电池电堆100并联后直接连接燃料电池电堆100的出水端，具体的连接在第二气动球阀206的后端，两路管道汇合后又分为两路，其中一路经过第一换热器207，另一路为与第一换热器207并联的旁通支路，直接连接第一换热器207的出水端，两路汇合后连接膨胀罐200的出水端，从而再次进入循环。

第一过滤器201用于过滤水中杂质等；第一水泵202用于为水循环提供动力；第一三通调节阀203用于对水流量进行分流；第一气动球阀205与第二气动球阀206用于控制水路的通断；第一换热器207对从燃料电池电堆100中流出的热水进行热交换，实现降温；第二三通调节阀208也是为了对水流量进行分流。

本实施例还包括外循环水路，用于对上述第一换热器207进行换热，具体的包括第二水泵300、第二过滤器301、第一冷却组件302，三者由环形的管道串联在一起，并连接第一换热器207，即由燃料电池电堆100出来的混合热水一部分进入第一换热器207后与第一冷却组件302的制冷剂通过第二水泵300流入第一换热器207内进行热交换。其中第一冷却组件302可以是冷却塔或冷水机组。

本实施例还包括电堆快速冷却循环水回路，具体包括第二换热器400、第三水泵401、第三气动球阀402、第四气动球阀403，所述第二换热器400并联所述燃料电池电堆100，所述第二换热器400的冷源可以来自第二冷却组件(图中未示出)，因电堆测试完成后，第一冷却组件302不再工作，此时第二换热器400的冷源也可以同样来自第一冷却组件302，即第二换热器400的冷却水入口和冷却水出口与第一冷却组件302连接，使得整个水循环系统的冷源均来自第一冷却组件302，减少冷源的投入；所述第三水泵401连接所述第二换热器400的出水管道上，所述第三气动球阀402与所述第四气动球阀403分别连接所述第二换热器400的出水管道与入水管道上。且电堆快速冷却循环水回路的两端分别位于第一气动球阀205之后以及第二气动球阀206之前。第三水泵401将冷却水打入被测燃料电池电堆100的入口，通过吸收热量将燃料电池电堆100降温，出口水温升高进第二换热器400，与第一冷却组件302过来的冷却水换热，从而达到快速降低电堆温度的效果，方便工作人员快速拆卸。通过第一冷却组件302与第二换热器400连接，增加了电堆快速冷却循环水回路，使用部分内循环水将电堆降温，不仅使电堆测试工作的效率得到提升，而且避免了将全部内循环水冷却的方式，提高了系统能源利用效率。

本实施例工作过程：

膨胀罐200内水依次经过第一过滤器201、第一水泵202加压后分为两路，一路进入燃料电池电堆100带走热负荷，一路从燃料电池电堆100旁路经过，两路水混合后再次分为两路，一路进入第一换热器207进行降温，一路则是混合水直接到达第一换热器207的后端，通过这种分合分合的方式以此通过调节水流量的配比来达到电堆入口温度的调节控制；充分利用了电堆产生的热量来提高内循环回路中水的温度，没有采用电加热的方式，避免了循环水的过冷和再加热带来的能源消耗，系统能效和节能效果显著提升。

实施例二：

如图1所示，在上述实施例一的基础上，所述燃料电池电堆100的入水端以及出水端均设有测压装置和测温装置，可以是压力计、温度传感器等；燃料电池电堆100的入堆温度为T1、入堆压力为P1，燃料电池电堆100的出堆温度为T2、出堆压力为P2。

本实施例采用上述燃料电池测试系统的循环水冷却装置的工作过程；具体为：

燃料电池电堆100发生电化学反应需要供应一定温湿度的气体(H2、O2)，电化学反应会产生热量，为了测试电堆工作在恒定温湿度下的反应特性，需要控制电堆入口冷却水的温度，将多余的热量带走。

①入堆温度T1--通过控制第二三通调节阀208的开度(即PID参数)实现：当入堆温度当前值低于设定温度值时，第二三通调节阀208缓慢关闭，经过第一换热器207的水流量会慢慢减小，第一换热器207的旁通支路的水流量会增多，冷却水带走的热负荷会慢慢降低，入堆温度当前值会慢慢升高直到达到设定温度值；反之，当入堆温度当前值高于设定温度值时，第二三通调节阀208缓慢开启，经过第一换热器207的水流量会慢慢增多，第一换热器207的旁通支路的水流量慢慢减少，冷却水带走的负荷慢慢增多，入堆温度当前值降低直至达到设定温度值；当第一换热器207带走的内循环水热负荷加上冷却水向空气发散的热量刚好等于燃料电池电堆100产生的热量时，内循环水系统达到热平衡状态。

PID程序参数调节，通过比例控制程序实现阀门的快速启闭，积分控制程序根据阀门启闭的运动状态来调整比例控制程序的比例值，使阀门快速接近目标值，微分控制程序是对目标值与实际值之间的偏差进行求导计算，从而预测未来，三者联合可以实现快速精确调节以减少等待时间。

不用增加多余的电加热负荷来达到热平衡，既节约了能源消耗又减少了温度波动带来的调节时间，提升了系统效率。

②入堆流量--通过控制第一三通调节阀203的开度(即PID参数)实现。通过将燃料电池电堆100进出口温度差(T2-T1)信号反馈给工控机，计算出所需流量即为设定流量值，第一水泵202以工频方式运转，当流量计204读取的流量当前值低于设定流量值时，第一三通调节阀203缓慢打开，旁通支路的水流量会慢慢减小，进入燃料电池电堆100的水流量会慢慢增多，直到流量计204读取的流量达到设定流量值；反之，当流量计204读取的流量当前值高于设定值时，第一三通调节阀203缓慢关闭，旁通支路的水流量会慢慢增加，进入燃料电池电堆100的水流量会慢慢减少，直到流量计204读取的流量达到设定流量值。

③入堆压力P1--通过向膨胀罐200内充入压缩空气实现。第一三通调节阀203、第二三通调节阀208的阀门位置的变动和水温度的变化都会影响入堆压力P1的稳定性，当入堆压力P1低于设定压力值时，通过向膨胀罐200内充入一定的压缩空气，使入堆压力P1慢慢增加直至达到设定压力值，当入堆压力P1高于设定值时，将膨胀罐200内的压缩空气通过减压阀排放，使入堆压力P1慢慢减少直至达到设定值。

④外循环水回路是用于将进入第一换热器207的热水降温的模块。第二水泵300将来自冷却塔或冷水机组来的冷却水送入第一换热器207，如此循环往复。

⑤电堆快速冷却循环水回路用于测试结束时快速冷却电堆。当测试结束准备更换被测燃料电池电堆100，此时的燃料电池电堆100温度过高，不利于拆装。如果将整个内循环水回路降温来使电堆冷却，会造成能源的浪费，下一次开机升温的等待时间也会增加，不利于工作效率的提升，所以单独增加了一个电堆快速冷却循环水回路，关闭燃料电池电堆100的第一气动球阀205和第二气动球阀206，打开第三气动球阀402和第四气动球阀403，打开第三水泵401，将燃料电池电堆100的热量通过第二换热器400传递到外部循环，将燃料电池电堆100内部和部分管路中的水进行冷却，从而来使燃料电池电堆100降温。而其他管路和膨胀器内的水温没有降低，这样既达到了降温目的，提升了工作效率，也没有造成能源的浪费现象。

本实施例实现入堆水温度的快速升降、流量的宽范围精确控制和入堆压力的稳定调节，以达到测试需要的工况值，减少测试时间，提高测试效率、以及节约系统能耗。

本实施例的该测试系统能够有效的适应不同测试工况的要求，能够快速达到测试所需的工况条件，减少了测试时间提高了测试效率，且各状态波动不大，减小了能量的损耗。该套装置结构简单，外围附属设备少且易于控制，成本较低。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，包括膨胀罐、第一水泵、第一换热器、第二换热器，所述膨胀罐连接第一水泵，所述第一水泵的出水端分为两路，其中一路经过燃料电池电堆，另一路与燃料电池电堆并联后直接连接燃料电池电堆的出水端，两路管道汇合后又分为两路，其中一路经过第一换热器，另一路与第一换热器并联后连接第一换热器的出水端，所述第一换热器的出水端连接所述第一水泵的入水端再次进入循环，所述第二换热器的两端分别连接燃料电池电堆的入口端和出口端。

2.根据权利要求1所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，还包括第一过滤器，所述第一过滤器连接所述膨胀罐与所述第一水泵之间。

3.根据权利要求1所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，还包括第一三通调节阀、第二三通调节阀，所述第一三通调节阀的一端与所述第一水泵的出水端连接，一端与所述燃料电池电堆的入水端连接，一端与所述燃料电池电堆的出水端连接；所述第二三通调节阀的一端与第一换热器的出水端连接，一端与第一换热器的并联管路连接，一端与所述第一水泵的入水端连接。

4.根据权利要求1所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，还包括流量计、第一气动球阀、第二气动球阀，所述流量计与所述第一气动球阀连接所述燃料电池电堆的入口管道上，所述第二气动球阀连接所述燃料电池电堆的出口管道上。

5.根据权利要求1所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，还包括第一冷却组件、第二水泵、第二过滤器，所述第一冷却组件、第二水泵与所述第一换热器通过环形管道连接，所述第二过滤器连接所述第二水泵与所述第一冷却组件之间的管道上。

6.根据权利要求1所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，还包括第二冷却组件，所述第二换热器与所述第二冷却组件连接。

7.根据权利要求6所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，还包括第三水泵、第三气动球阀、第四气动球阀，所述第三水泵连接所述第二换热器的出水管道上，所述第三气动球阀与所述第四气动球阀分别连接所述第二换热器的出水管道与入水管道上。

8.根据权利要求5所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，所述第二换热器与所述第一冷却组件连接。

9.根据权利要求5所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，所述第一冷却组件为冷却塔或冷水机组。

10.根据权利要求1所述的燃料电池测试系统的循环水冷却装置，其特征在于，所述燃料电池电堆的入水端以及出水端均设有测压装置和测温装置。