CN220456457U - 一种液冷燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种液冷燃料电池堆，包括：电堆、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统；所述电堆分别与空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统连通；所述氢气系统包括进氢组件、汽水分离器、氢气循环泵组件；所述进氢组件与电堆的进氢口连通，用于将氢气输送至电堆内；所述汽水分离器与电堆的出氢口连通，用于分离出未反应完全的氢气和产物水；所述氢气循环泵组件还分别与汽水分离器、电堆的进氢口连通，用于将汽水分离器分离的氢气输送至电堆。本实用新型散热效果好，电堆工作环境好、受外界变化影响幅度小、结构紧凑、空间利用率高、应用前景广、使用寿命长，实现了液冷燃料电池堆的高效稳定工作，并保持在最佳工况。

Description

一种液冷燃料电池堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种液冷燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种非燃烧过程的电化学能转换装置，将氢气和氧气的化学能连续不断地转换为电能。与传统电池最大不同之处是燃料电池是发电设备而不是储能设备。氢燃料电池与常见的锂电池相比，系统更为复杂，为了维持电堆的正常工作，氢燃料电池系统还需要氢气供应系统、水管理系统、空气系统等外部辅助子系统的协同配合，对应的系统部件有氢循环泵、氢瓶、空气压缩机。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性(与其他性能)决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面。

温度对燃料电池的热管理影响比较大，工作状态下，燃料电池对工作温度区间有一定要求。那一定要采取相应的散热措施来保证电池的工作温度，目前最普及的方案是风冷和液冷。

液冷和风冷的散热效率完全不是一个量极的；首先，导热系数完全不同，冷却液的导热系数是空气的几十倍，因此作为热量载体和风冷相比较液冷先天具备载热量打，流阻低，换热效率高，这也决定了风冷系统在最大散热能力上是没什么可能匹敌液冷的；其次，风冷和液冷的散热效率不同，在高温下，液冷系统可以为燃料电池更快的散热，从而维持合适的温度，从而保持氢燃料电池的最高效率、最稳定运行功况。

燃料电池技术是氢能发展的重中之重，从零部件生产到系统的自主研发，再到乘用车、商用车的整合，燃料电池技术的发展之路坎坷艰难但仍旧有所突破。随着技术的发展，未来燃料电池发展空间将有望超越锂电。

由于全球性能源紧缺问题日趋突出以及环境保护和可持续发展的迫切要求，燃料电池因其突出的优越性得到了蓬勃的发展；目前，洁净电站、便携式电源即将进入商业化阶段，燃料电池的应用进入实验阶段。

低碳减排是国家能源战略转变的发展路径之一，现在我国已经从自行车大国在逐渐向电动车大国发展，而氢能拥有零排放、无污染的优势，例如氢能自行车在行驶的时候排放的只有水，既能满足环保方面的要求，还能保证城市里的快速通勤需求，可谓是一举两得。

从使用需求来看，在自行车上搭载氢能作为动力源首先要保证氢燃料电池满足自行车的功率需求，具有一定的动力性；其次在空间布置上要尽可能体积小，提高载具的空间利用率；最后要保证氢燃料电池质量要小，从而不至于使得自行车的整备质量过大，导致能量利用率低。因此在氢能自行车领域，小功率燃料电池是最佳使用设备。

现有的小功率燃料电池设备中主要是采用风冷方案，但风冷的使用是以快速且低温的气体流动带走燃料电池堆的热量，自行车的一般行驶速度为3～5m/s，在这种空气流速下，风冷方案一般不能满足燃料电池堆的散热需求；再者空气速度的不稳定状态同样会影响不容易控制氢燃料电池堆的温度和湿度不能最大程度上使燃料电池工作在最佳工况。空冷堆需要舍弃外围设备，精简系统整体，直面外界环境，以使得空气流通，但同时流动的空气中杂质颗粒、灰尘等摧残氢燃料电池堆的工作环境，追求环境缺乏可控性时的性能。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种液冷燃料电池堆。

为了实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

本实用新型提供一种液冷燃料电池堆，包括：电堆、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统；所述电堆分别与空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统连通；

所述氢气系统包括进氢组件、汽水分离器、氢气循环泵组件；所述进氢组件与电堆的进氢口连通，用于将氢气输送至电堆内；所述汽水分离器与电堆的出氢口连通，用于分离出未反应完全的氢气和产物水；所述氢气循环泵组件还分别与汽水分离器、电堆的进氢口连通，用于将汽水分离器分离的氢气输送至电堆，所述汽水分离器还与尾排管道系统连通，用于将水产物输送至尾排管道系统排出；所述尾排管道系统还与电堆的排气口连通；

所述空气系统包括鼓风机、过滤组件、空气压力组件、空气背压阀；所述鼓风机分别与过滤组件、空气压力组件连通，用于将过滤组件过滤后的空气输送至空气压力组件，所述空气压力组件还与电堆的空气入口连通；所述空气背压阀设置在尾排管道系统上；

所述水热管理系统包括循环水泵组件、设置在循环水泵组件上的进水温度组件、出水温度组件；所述循环水泵组件还与电堆连通。

优选的，所述液冷燃料电池堆还包括框架，所述电堆、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统均设置设置在框架内。

优选的，所述氢气循环泵组件包括氢气循环泵、与氢气循环泵连通的氢管一和氢管二；所述氢管一与汽水分离器的出氢气口连通，所述氢管二与电堆的进氢口连通，用于将汽水分离器分离的氢气输送至电堆。

优选的，所述进氢组件包括储氢瓶、与储氢瓶连通的进氢管，所述进氢管另一端与电堆的进氢口连通。

优选的，所述过滤组件设为空气滤芯，用于空滤去除气体杂质。

优选的，所述空气压力组件包括空气压力泵、与空气压力泵连通的进气压力管和出气压力管；所述进气压力管与鼓风机连通；所述出气压力管与电堆的空气入口连通。

优选的，所述循环水泵组件包括循环水泵、与循环水泵连通的两位三通阀、与两位三通阀连通的进水管和出水管；所述两位三通阀一端经进水管与电堆的进水口，另一端经出水管与电堆的出水口连通；所述进水温度组件设置在进水管上，用于检测进水的温度，所述出水温度组件设置在出水管上，用于检测出水温度。

优选的，所述进水温度组件包括进水温度传感器，所述出水温度组件包括出水温度传感器。

采用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

本实用新型方案与小功率风冷燃料电池堆系统或其他形式液冷燃料电池堆的方案相比较具有散热效果好，电堆的工作环境好、受外界变化影响幅度小、结构紧凑、空间利用率高、应用前景广、使用寿命长，实现了液冷燃料电池堆的高效稳定工作，并保持在最佳工况，达到了预期效果，成本低廉，能够达到氢能自行车搭载的小功率水冷燃料电池系统的需求。

本实用新型包含燃料电池系统台架、燃料电池堆、空气路系统组件、氢气路系统组件、水热管理系统组件，采用自主研发的整体布置策略将液冷散热的燃料电池堆和辅助子系统的零部件以及电控系统集成在体积比较小的台架上。根据燃料电池系统运行的实际工况通过储氢瓶中释放出的氢气以及空滤器进入的空气来到电堆内部流道通过膜电极实现电化学反应产生电能对外做功。反应产物只有水，清洁环保，并且生成的水预留有专门的排水管路与液冷热管理系统相联系，不会影响系统内的正常运作。

本方案改善了以往小功率风冷堆的工作环境较为恶劣，提升燃料电池的结构紧凑性、电堆及零部件的耐久性和寿命等至关重要的因素，使微型水冷燃料电池系统得以推广；液冷散热能够接受由电子信号传来的温度信息策略性开闭大小循环通道，能够更加迅速调节环境引起的工作温度波动，使得燃料电池堆更加稳定的在工作温度区间内运行。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图一；

图2为本实用新型结构示意图二；

图3为本实用新型结构示意图三。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之

“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1至图3，本实用新型提供一种液冷燃料电池堆，包括：电堆1、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统9；所述电堆分别与空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统9连通；所述液冷燃料电池堆还包括框架10，所述电堆1、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统9均设置设置在框架1内；所述电堆1上设有液冷燃料电池。

本实施例中氢气系统工作原理：氢气首先从储氢瓶释放出来到进氢管然后进入电堆1的进氢口，在电堆1内参与反应后剩余的氢气从电堆1的出口经过汽水分离器分离5出未反应完全的氢气和产物水，随后这些氢气由氢气循环泵组件7的作用回到进氢口侧继续参与反应，反应产物水则通过9尾排管道系统排出；所述氢气系统包括进氢组件2、汽水分离器5、氢气循环泵组件7；所述进氢组件2与电堆1的进氢口连通，用于将氢气输送至电堆内；所述进氢组件2包括储氢瓶、与储氢瓶连通的进氢管，所述进氢管另一端与电堆1的进氢口连通，所述储氢瓶用于存储氢气，储氢瓶送人的氢气经过进氢管后通入电堆1的进氢口；所述汽水分离器5与电堆1的出氢口连通，用于分离出未反应完全的氢气和产物水；所述氢气循环泵组件7还分别与汽水分离器5、电堆1的进氢口连通，用于将汽水分离器5分离的氢气输送至电堆1，所述汽水分离器5还与尾排管道系统9连通，用于将水产物输送至尾排管道系统排出；所述尾排管道系统9还与电堆1的排气口连通，该尾排管道系统9包括尾排管道；所述氢气循环泵组件7包括氢气循环泵、与氢气循环泵连通的氢管一和氢管二；所述氢管一与汽水分离器5的出氢气口连通，所述氢管二与电堆的进氢口连通，用于将汽水分离器5分离的氢气输送至电堆。

本实施例中空气系统工作原理：空气首先经过过滤组件11进气空滤去除气体杂质后由微型高速鼓风机3给空气增压从而得以保证系统中足够量的氧气供给，然后到空进压力组件13进入电堆1的空气入口，反应完成后的余量空气由空气背压阀6在电控系统的控制作用下开闭阀门，阀门闭合时可以保持空气系统的压力水平，阀门开启时剩余空气从此处排出；所述空气系统包括鼓风机3、过滤组件11、空气压力组件13、空气背压阀6；所述鼓风机3分别与过滤组件11、空气压力组件13连通，用于将过滤组件11过滤后的空气输送至空气压力组件13，所述空气压力组件13还与电堆1的空气入口连通；所述空气背压阀6设置在尾排管道上；所述过滤组件11设为空气滤芯，用于空滤去除气体杂质；所述鼓风机3设为微型高速鼓风机；所述空气压力组件13包括空气压力泵、与空气压力泵连通的进气压力管和出气压力管；所述进气压力管与鼓风机3连通；所述出气压力管与电堆1的空气入口连通。

本实施例中水热管理系统工作原理：由循环水泵作为动力源驱动管路中的冷却液带走电堆的热量，在冷却液进入电堆1前还设置有进水温度组件15读取进水温度，出电堆1同样有出水温度组件14读取出口水温，这两种数据传递到电控系统，系统发出指令以掌控和调节电堆温度的稳定，以及控制两位三通阀8的开闭来选择散热的大小循环；所述水热管理系统包括循环水泵组件4、设置在循环水泵组件4上的进水温度组件15、出水温度组件14；所述循环水泵组件4还与电堆1连通；所述循环水泵组件4包括循环水泵、与循环水泵连通的两位三通阀8、与两位三通阀8连通的进水管和出水管；所述进水管对应与电堆1的进水口连通，所述出水管对应与电堆的出水口连通；所述进水温度组件15设置在进水管上，用于检测进水的温度，所述出水温度组件14设置在出水管上，用于检测出水温度；所述进水温度组件15包括进水温度传感器，所述出水温度组件14包括出水温度传感器。

本实用新型工作原理：

本实施例中氢气系统工作原理：氢气首先从进氢组件2储氢瓶释放出来到进氢管然后进入电堆1的进氢口，在电堆1内参与反应后剩余的氢气从电堆1的出口经过汽水分离器分离5出未反应完全的氢气和产物水，随后这些氢气由氢气循环泵组件7的作用回到进氢口侧继续参与反应，反应产物水则通过9尾排管道系统排出；

本实施例中空气系统工作原理：空气首先经过过滤组件11进气空滤去除气体杂质后由微型高速鼓风机3给空气增压从而得以保证系统中足够量的氧气供给，然后到空进压力组件13进入电堆1的空气入口，反应完成后的余量空气由空气背压阀6在电控系统的控制作用下开闭阀门，阀门闭合时可以保持空气系统的压力水平，阀门开启时剩余空气从此处排出；

本实施例中水热管理系统工作原理：由循环水泵作为动力源驱动管路中的冷却液带走电堆的热量，在冷却液进入电堆1前还设置有进水温度组件15读取进水温度，出电堆1同样有出水温度组件14读取出口水温，这两种数据传递到电控系统，系统发出指令以掌控和调节电堆温度的稳定，以及控制两位三通阀8的开闭来选择散热的大小循环。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种液冷燃料电池堆，其特征在于，包括：电堆、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统；所述电堆分别与空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统连通；

所述氢气系统包括进氢组件、汽水分离器、氢气循环泵组件；所述进氢组件与电堆的进氢口连通，用于将氢气输送至电堆内；所述汽水分离器与电堆的出氢口连通，用于分离出未反应完全的氢气和产物水；所述氢气循环泵组件还分别与汽水分离器、电堆的进氢口连通，用于将汽水分离器分离的氢气输送至电堆，所述汽水分离器还与尾排管道系统连通，用于将水产物输送至尾排管道系统排出；所述尾排管道系统还与电堆的排气口连通；

所述空气系统包括鼓风机、过滤组件、空气压力组件、空气背压阀；所述鼓风机分别与过滤组件、空气压力组件连通，用于将过滤组件过滤后的空气输送至空气压力组件，所述空气压力组件还与电堆的空气入口连通；所述空气背压阀设置在尾排管道系统上；

所述水热管理系统包括循环水泵组件、设置在循环水泵组件上的进水温度组件、出水温度组件；所述循环水泵组件还与电堆连通。

2.根据权利要求1所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述液冷燃料电池堆还包括框架，所述电堆、空气系统、氢气系统和水热管理系统、尾排管道系统均设置在框架内。

3.根据权利要求2所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述氢气循环泵组件包括氢气循环泵、与氢气循环泵连通的氢管一和氢管二；所述氢管一与汽水分离器的出氢气口连通，所述氢管二与电堆的进氢口连通，用于将汽水分离器分离的氢气输送至电堆。

4.根据权利要求3所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述进氢组件包括储氢瓶、与储氢瓶连通的进氢管，所述进氢管另一端与电堆的进氢口连通。

5.根据权利要求1所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述过滤组件设为空气滤芯，用于空滤去除气体杂质。

6.根据权利要求1所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述空气压力组件包括空气压力泵、与空气压力泵连通的进气压力管和出气压力管；所述进气压力管与鼓风机连通；所述出气压力管与电堆的空气入口连通。

7.根据权利要求2所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述循环水泵组件包括循环水泵、与循环水泵连通的两位三通阀、与两位三通阀连通的进水管和出水管；所述两位三通阀一端经进水管与电堆的进水口，另一端经出水管与电堆的出水口连通；所述进水温度组件设置在进水管上，用于检测进水的温度，所述出水温度组件设置在出水管上，用于检测出水温度。

8.根据权利要求7所述的液冷燃料电池堆，其特征在于，所述进水温度组件包括进水温度传感器，所述出水温度组件包括出水温度传感器。