CN220474668U - 一种车载燃料电池电堆被动式散热系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种车载燃料电池电堆被动式散热系统，包括阴极供气模块，阳极供氢模块和冷却控制模块，电堆内连接有用于散热的冷却管路，且冷却管路存在部分置于车体的外侧，与外界空气进行热交换；冷却管道上设有冷却水泵，冷却水泵用于将冷却液由冷却泵驱动进入电堆，将电堆中的废热带出。本实用新型采用的冷却液为氟化液氟碳溶剂(HFE‑7200)，通过冷却管路暴露在车体外侧，可实现被动散热，并且提高散热效果。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池散热技术，具体涉及一种车载燃料电池电堆被动式散热系统。
背景技术
低温PEM燃料电池的运行效率为50％左右，在发电的同时，会产生大致相同功率的热量。此过程中的热量有四个来源：反应的熵热，电化学反应的不可逆热，欧姆电阻产生的热量和水蒸气冷凝产生的热量。氢能车载燃料电堆目前利用散热器进行热量交换，散热效率低下，且散热器体积过大。
现有的燃料电池散热系统也是通过冷却管路进行散热，采用冷却液一般是水或50％的乙醇溶液，并且在散热的管路上，是通过延长或采用主动式的降温，包括风扇，翅片散热器，对于启动时候或满负荷情况下均有不同的散热方式。本实用新型针对车载的应用，进一步的优化散热系统，提高散热效率，优化电堆性能，简化电堆和系统在车载上的安装。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种车载燃料电池电堆被动式散热系统，提高散热效率，优化电堆性能，减少或取消车载上因安装主散热器所需的空间，特别是在高铁上的应用。
为实现上述的目的，本实用新型提供的技术方案如下。
一种车载燃料电池电堆被动式散热系统，包括阴极供气模块，阳极供氢模块和冷却控制模块；电堆内连接有用于散热的冷却管路，且冷却管路存在部分置于车体的外侧，与外界空气进行热交换；
所述的冷却管路上设有冷却水泵，冷却水泵用于将冷却液由冷却泵驱动进入电堆，将电堆中的废热带出。
所述的冷却液是氟化液氟碳溶剂。
进一步的额，本实用新型所述的散热系统中，冷却管路中冷却液流进或流出电堆的两管路之间设有去离子过滤器。所述的冷却管路上设有排液球阀和加液球阀，分别用于冷却管路中冷却液的排放和添加。
进一步的，对于本实用新型的应用，该散热系统位于车体外侧的冷却管路截面为半圆形，平面用于固定在车体上，弧面为散热面。
进一步的，所述的冷却管路上设有温度传感器，包括用于检测冷却液进出电堆温度的传感器。
进一步的，所述的散热系统还包括一级节温器、二级节温器、加热器、冷却水泵、散热器、冷却液箱和冷却液排气装置；
所述的散热系统包括用于散热、且可独立控制的小循环回路和大循环回路；
所述的小循环回路是冷却液由电堆流出，经过一级节温器、加热器和冷却水泵后流回至电堆中；
所述的大循环回路是冷却液由电堆流出，经一级节温器、二级节温器和冷却水泵后流回电堆，且在该冷却管路上设置有散热器、冷却液箱和冷却液排气装置。
更进一步的，所述的冷却液箱设有压力控制阀和液位计。
该散热系统的二级节温器引出另外一条管路至冷却液箱，且在该冷却管路上设置散热风扇。
更进一步的，所述的散热系统包括控制单元，所述的控制单元用于控制小循环回路和大循环回路的工作，包括对所述散热系统内温度的采集和排放冷却液控制。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型充分利用了相变材料两相表面传热系数高的特点，并且加上被动式冷却，对于在空间有限的交通载具上的应用，可以减少燃料电池系统的散热器体积甚至取消散热器，降低了燃料电池系统集成的难度,系统排布的灵活度增加，也简化了热管理控制策略。
附图说明
图1是本实用新型所述散热系统的冷却管路连接示意图(含有散热器)；
图2是本实用新型所述散热系统的冷却管路连接示意图(无散热器)；
图3是本实用新型所述的冷却管路布置在车窗的示意图，其中图3(a)是冷却管路环绕车窗的布设示意图，图3(b)是管道布设车体外侧的切面示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本实用新型公开的技术方案，下面结合说明书附图做进一步的阐述。
燃料电池系统主要由阴极供气模块，阳极供氢模块，水管理模块和散热模块所组成。散热模块中的冷却液由冷却泵驱动进入电堆(对于风冷是由风扇驱动气体进入电堆)，将电堆中的废热带出，然后进入主散热器与环境空气进行热交换。电堆需要在相对恒定的温度范围内运行，调节温度主要靠控制器根据温度感应器进行的。降温通过主散热器的风扇转速来调节，系统在常温启动时可启动在线的加热器提高运行温度。
本实用新型所提供的是一种车载燃料电池电堆被动式散热系统，图1和图2分别给出了包括散热器和不包含散热器的两种方案。参见附图可知，紧联电堆的一级节温器、加热器和压缩泵为主的管路称为小循环回路。小循环回路含有较少量的冷却剂，用于冷启动时快速加热电堆。从一级节温器的另一支路延伸经过二级节温器，留回电堆为新增加的被动冷却管路，可满足不经过散热器大部分工况的散热需求；从二级节温器的另一支路延伸成大循环回路，由散热器、冷却液箱和冷却液排气装置组成。大循环回路是用于电堆在额定或峰值功率下运行时冷却之用。
由于相变材料是利用核沸腾传热，在达到沸点温度时，进出堆温度为一样，不存在温差，因此不需要进堆温度压力反馈控制，只需要电堆出口温度反馈控制。另外，本实用新型采用的冷却液为HFE-7200溶液，相比现有大多数采用的50％乙二醇溶液是不同的，氟化液氟碳溶剂是相变材料。本实用新型由于被动冷却管路的存在，冷却液经过被动冷却管路已经带走一部分热量(预估30％以上，中车氢能高铁数据为例进行计算，中车是由6个功率为200kW燃料电池叠起来组成，这里只计算一个200kW的电堆数值：设计管路为直径60mm的半圆形管路，管路的长度2.86m根据Q＝KAΔt，A＝πdl/2，并在时速为250km/h的情况下进行换热计算：被动管路所带走的热量Q≈82.16kW)经过散热器的冷却液需要交换的热量相应减少，因此散热器可以采用单风扇小体积的散热器，如被动冷却管路足够长则可取消散热器。
结合图3，是本实用新型在高铁车窗上的布设结构示意图。本实用新型在交通载具上增加一圈绕窗户的冷却管路，冷却管路镶嵌在车厢壁内，为半圆形状，半圆在车厢里，平面直接与外车厢壁相连，这样不影响车辆的外观形状。在车辆运行时，冷却管路通过车厢壁进行冷却，减少散热器负荷，从而可以减少散热器体积。优选的，车载被动式散热器以车身表面的一部分或全部为基础，形成冷却剂夹层，便于燃料电池系统在大功率运行时的散热承载。
实施例1：在时速为250km/h的功率为600kW氢能高铁上的应用
采用本实用新型所述的散热系统，且将冷却剂50％乙二醇溶液更换为本实用新型中的相变材料HFE-7200溶液。基于凯特里卡通用关联式有如下计算：
αtp/α1＝C1(C0)C2(25Fr1)C5+C3(B0)C4Ff1
α1＝0.023[g(1-x)Di/μ1]0.8Pr1λ1/Di
C0＝(1-x/x)0.8(ρg/ρl)0.5
B0＝q/gr
式中：αtp表示管内沸腾的两相表面传热系数，单位为W/(m2·K)；α1表示液相单独流过管内的表面传热系数，单位为W/(m2·K)；C0是对应特征数；B0表示沸腾特征数2；Fr1表示液相弗劳德数；g代表质量流率，单位为kg/(m2·s)；x代表质量含气率(干度)；Di是管内径，单位为mm；μ1代表液相动力粘度，单位为Pa·s；λ1是液相热导率，单位为W/(m·K)；Pr1是液相普朗特数；ρg表示气相密度，单位为kg/m3，ρl是液相密度，单位为kg/m3；q代表热流密度，单位为W/m2；r是气化潜热，单位为J/kg；Ff1取决于制冷剂性质的无量纲系数，C1、C2、C3、C4和C5为常数，他们的值取决于C0的大小，
当C0<0.65，C1＝1.1360，C2＝-0.9，C3＝667.2，C4＝0.7，C5＝0.3；
当C0>0.65，C1＝0.6683，C2＝-0.2，C3＝1058.0，C4＝0.7，C5＝0.3；
罗森诺公式如下：
ηl为饱和液体的动力粘度(Pa·s)；r为沸腾液体的汽化潜热(kJ/kg)；γ为液体与饱和蒸汽界面上的表面张力(N/m)；ρl和ρv分别为饱和液和饱和蒸汽的密度(kg/m3)；cpl为饱和液体的比定压热容(J/kg·K)；Δt为壁面的过热度，即沸腾温差(℃)；s为经验指数，水s＝1，其他液体s＝1.7；Cwl为根据加热面与种类选取的经验常数。
在标准状况下，质量流量一致，液体压力一致的情况下，计算出50％的乙二醇溶液的单相表面传热系数为：0.068W/(m2K)，计算出HFE-7200溶液的两相表面传热系数为：0.105W/(m2K)。
根据结果可以看出两相传热对比乙二醇溶液传热系数提高了55％左右，在同样的条件下，换热量也会相应的提高；并且两相传热还需要吸收液体沸腾的汽化潜热，(7200汽化潜热为118kJ/kg)，因此在单位质量下要比乙二醇溶液多吸收118kJ的热量，整体需求散热量可以减少30％，从理论上可以确定HFE-7200的两相冷却法比乙二醇溶液冷却法等传统的冷却系统可以提高冷却性能。由于HFE-7200是核沸腾传热，在温度均匀性方面具有优势。
在600kW的氢能高铁上，所需要的最大散热量为600kW，根据散热器公式计算，在250km/h的速度下，乙二醇溶液和7200溶液散热器的体积如下：
| 溶液 | 所需散热量 | 散热器尺寸 |
| 50％乙二醇 | 600kW | 4041mm×368.5mm×46mm |
| HFE-7200 | 420kW | 3232mm×295mm×36mm |
实施例2：对于氢能高铁的应用
以中车氢能高铁数据为例做理论计算，6个功率为200kW燃料电池叠起来组成，这里只计算一个200kW的电堆数值。
根据热量公式Q＝cmΔt进行计算可算出从25到76℃所需7200的质量为30.7kg。设计管路为直径60mm的半圆形管路，根据Q＝KAΔt，A＝πdl/2计算管路的长度不应少于2.86m，才可以不用散热器的情况下满足散热需求。在时速为250km/h的情况下进行换热计算：被动管路所带走的热量Q≈82.16kW。对比50％的乙二醇溶液，由于没有被动冷却管路，大部分热量都集中在散热器上进行散热交换，对散热器的体积要求很大。更换为相变材料并加上被动冷却管路后，在节温器全都开启，经过散热器散热量可减少40％。
Claims (10)
1.一种车载燃料电池电堆被动式散热系统，包括阴极供气模块，阳极供氢模块和冷却控制模块；其特征在于：电堆内连接有用于散热的冷却管路，且冷却管路存在部分置于车体的外侧，与外界空气进行热交换；
所述的冷却管路上设有冷却水泵，冷却水泵用于将冷却液循环进入电堆，将电堆中的废热带出。
2.根据权利要求1所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的冷却液是氟化液氟碳溶剂。
3.根据权利要求1所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的冷却管路中，冷却液流进或流出电堆的两管路之间设有去离子过滤器。
4.根据权利要求1所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的冷却管路上设有排液球阀和加液球阀，分别用于控制冷却管路中冷却液的排放和添加。
5.根据权利要求1所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：位于车体外侧的冷却管路截面为半圆形，其平面部分用于固定在车体上，半圆形的弧面为散热面，与外界的空气接触。
6.根据权利要求1所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的冷却管路上设有温度传感器，包括用于检测冷却液进出电堆温度的传感器。
7.根据权利要求1所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的散热系统还包括一级节温器、二级节温器、加热器、冷却水泵、散热器、冷却液箱和冷却液排气装置；
所述的散热系统包括用于散热、且可独立控制的小循环回路和大循环回路；
所述的小循环回路是冷却液由电堆流出，经过一级节温器、加热器和冷却水泵后流回至电堆中；
所述的大循环回路是冷却液由电堆流出，经一级节温器、二级节温器和冷却水泵后流回电堆，且在该冷却管路上设置有散热器、冷却液箱和冷却液排气装置。
8.根据权利要求7所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的冷却液箱设有压力控制阀和液位计。
9.根据权利要求7所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：二级节温器引出另外一条管路至冷却液箱，且在该冷却管路上设置散热风扇。
10.根据权利要求7所述的车载燃料电池电堆被动式散热系统，其特征在于：所述的散热系统包括控制单元，所述的控制单元用于控制小循环回路和大循环回路的工作，包括对所述散热系统内温度的采集和排放冷却液控制。
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