CN220873631U - 燃料电池热管理系统及车辆 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及燃料电池技术领域，公开了燃料电池热管理系统及车辆，燃料电池热管理系统包括电池堆、第一散热器、第一管路、压缩机、中冷器、第二管路和第二散热器，电池堆适于将化学能转化为电能，第一管路连接电池堆与第一散热器，压缩机适于压缩空气，中冷器连接压缩机与电池堆，适于对压缩后空气换热后输入电池堆，第二管路连接中冷器与第一管路，第二散热器设置在第二管路上，本实用新型通过在第二管路上设置第二散热器，可进一步降低第二管路中冷却介质的温度，当中冷器对冷却介质和压缩气体换热时，可将压缩气体温度降至更低，以确保压缩气体进入电池堆温度满足工况要求，从而提高了电池堆的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及燃料电池热管理系统及车辆。
背景技术
燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高，燃料电池用燃料和氧气作为原料，因此排放出的有害气体极少。燃料电池的燃料一般采用氢气、甲醇、甲烷等，以空气或氧气等为氧化剂，在燃料电池的电池堆由若干双极板和若干膜电极配合连接叠堆组成，氧气和氢气在从双极板进来后在膜电极上进行反应生成水，然后将生成的水和尾气从电池堆内部排放出去。
燃料电池中压缩机压缩气体及电池堆反应时，会产生热量，产生的热量如果不及时转移出去会使产热部件的温度超过规定温度从而影响到燃料电池的性能及寿命。
现有技术中，通常采用冷却水循环的方式带走电池堆的热量，并利用中冷器带走压缩空气中的热量，再通过散热器将冷却水中的热量散发到大气中。这种换热方式换热后流向电池堆与中冷器中的冷却水温度相同，不能对中冷器内的高温压缩空气冷却至更低温度，达不到当前对电池堆空气入口温度要求，导致空气进堆相对湿度较低，影响燃料电池寿命。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种燃料电池热管理系统及车辆，以解决现有技术无法将压缩气体的温度降至更低，导致气体进入电池堆温度较高的问题。
第一方面，本实用新型提供了一种燃料电池热管理系统，包括电池堆、第一散热器、第一管路、压缩机、中冷器、第二管路和第二散热器，电池堆适于将化学能转化为电能，第一管路连接电池堆与第一散热器，压缩机适于压缩空气，中冷器连接压缩机与电池堆，适于对压缩后空气换热后输入电池堆，第二管路连接中冷器与第一管路，第二散热器设置在第二管路上。
有益效果：通过在第二管路上设置第二散热器，可进一步降低第二管路中冷却介质的温度，使得流向中冷器中的冷却介质温度低于流向电池堆中冷却介质的温度，当中冷器对冷却介质和压缩气体换热时，可将压缩气体温度降至更低，提高了压缩气体的湿度，以确保压缩气体进入电池堆温度满足工况要求，从而提高了电池堆的使用寿命。
在一种可选的实施方式中，第一散热器上设置第一风扇，第二散热器上设有第二风扇。
有益效果：通过在第一散热器和第二散热器上设置第一风扇与第二风扇，通过调节风扇的转速，以实现对第一管路和第二管路中换热介质不同的散热温度，当提高第二风扇转速时，可加快第二管路中换热介质的散热，从而使其在中冷器中与压缩空气换热至更低的温度。
在一种可选的实施方式中，还包括水泵和水箱，水泵连接第一管路和第二管路，适于将与电池堆和中冷器换热后的冷却介质输送至第一散热器，水箱与水泵相连接。
有益效果：通过设置水箱，可向第一管路中补充冷却介质，避免冷却介质减少影响换热效果。
在一种可选的实施方式中，还包括连接中冷器与电池堆的增湿器。
有益效果：由于电池堆在反应过程中，质子交换膜需维持一定的湿度以保证较高的反应效率，通过设置增湿器可提高压缩空气进入电池堆时的含水量，从而提高了电池堆的反应效率。
在一种可选的实施方式中，还包括与压缩机相连接的第一过滤器，适于过滤空气中的杂质。
有意效果：通过设置第一过滤器，可过滤去除空气中的颗粒及气体杂质，减少杂质进入管路及电池堆，避免颗粒物堵塞管路，以及减少杂质气体对电池堆反应性能的影响。
在一种可选的实施方式中，还包括设置在第一过滤器与压缩机之间的流量计，适于检测进入压缩机空气流量。
在一种可选的实施方式中，还包括与增湿器相连接的消音器，适于降低排放尾气的噪声。
有益效果：通过在增湿器远离中冷器的一端设置消音器，在排放尾气时可降低噪音。
在一种可选的实施方式中，还包括设置在增湿器与消音器之间的控制阀，适于控制尾气排放流量。
在一种可选的实施方式中，还包括设置在第一管路上的第二过滤器。
有益效果：可将冷却介质中的杂质离子去除，从而保证燃料电池的安全稳定运行。
第二方面，本实用新型提供了一种车辆，包括上述的燃料电池热管理系统。
因为车辆包括了本实用新型中的燃料电池热管理系统，因此具有与燃料电池热管理系统相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例的一种燃料电池热管理系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、电池堆；101、冷却介质入口；102、冷却介质出口；103、进气口；104、出气口；105、箱体；
2、第一散热器；201、第一风扇；
3、第一管路；
4、压缩机；
5、中冷器；
6、第二管路；
7、第二散热器；701、第二风扇；
8、增湿器；
9、第一过滤器；
10、消音器；
11、流量计；
12、控制阀；
13、水泵；
14、第二过滤器；
15、水箱。
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中的附图，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，本领域技术人员在没有做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。
下面结合图1，描述本实用新型的实施例。
根据本实用新型的实施例，一方面，提供了一种燃料电池热管理系统，如图1所示，包括电池堆1、第一散热器2、第一管路3、压缩机4、中冷器5、第二管路6和第二散热器7，电池堆1适于将化学能转化为电能，第一管路3连接电池堆1与第一散热器2，压缩机4适于压缩空气，中冷器5连接压缩机4与电池堆1，适于对压缩后空气换热后输入电池堆1，第二管路6连接中冷器5与第一管路3，第二散热器7设置在第二管路6上。
具体地，本实施例中电池堆1采用多个电池单池串联而成堆栈结构，电池单池最中间一层为质子交换膜(又称电解质膜)，然后两侧对称地依次为阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层和阴/阳极双极板，相邻单电池间用双极板隔开，双极板用来串联前后单电池和提供单电池的气体流路。
优选的，本实施例中采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，在其他一些实施例中也可采用碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。本实施例中燃料电池可采用氢气、天然气、石油、煤炭等化石产物、沼气、酒精、甲醇等含有氢原子的物质作为燃料。
本实施例中，电池堆1上设有冷却介质入口101和冷却介质出口102，第一管路3连通冷却介质入口101和冷却介质出口102，电池堆1上还设有进气口103与出气口104，增湿器8连通进气口103与出气口104，电池堆1设置在箱体105中。
本实施例中，第一管路3连通电池堆1与第一散热器2，第二管路6与第一管路3相连通，且第二管路6与中冷器5相连接，第一管路3中的冷却介质在电池堆1中换热后输送至第一散热器2中散热降温，降温后的冷却介质再经第一管路3输送至电池堆1和第二管路6中，第二管路6上的第二散热器7将第二管路6中的冷却介质再次降温后输送至中冷器5中与压缩机4压缩后的气体换热，使压缩气体温度降低，中冷器5中换热后的冷却介质回流至第一管路3中。
本实施例中，第二管路6位于如图1所示A处虚线框内。
本实施例中对冷却介质不做具体限定，为符合现实情况，本实施例中冷却介质可采用乙二醇型防冻剂或丙二醇型防冻剂添加非离子型缓蚀剂等原料复配而成，在其他一些未示出的实施例中，冷却介质也可采用冷却油或水等。
本实施例中，压缩机4压缩的气体为空气，在其他一些实施例中压缩的气体也可以是氧气。
通过在第二管路6上设置第二散热器7，可进一步降低第二管路6中冷却介质的温度，使得流向中冷器5中的冷却介质温度低于流向电池堆1中冷却介质的温度，当中冷器5对冷却介质和压缩气体换热时，可将压缩气体温度降至更低，减少了压缩空气中水分的蒸发提高了压缩气体的湿度，以确保压缩气体进入电池堆1温度满足工况要求，从而提高了电池堆1的使用寿命。
在一个实施例中，第一散热器2上设置第一风扇201，第二散热器7上设有第二风扇701。
具体地，本实施例中电池堆1上的冷却介质入口101和进气口103处分别设有第一测温器和第二测温器，适于检测进入电池堆1冷却介质的温度和进入电池堆1压缩气体的温度，第一测温器、第二测温器、第一风扇201、第二风扇701与控制器信号连接，当第一测温器和第二测温器检测到进入电池堆1的冷却介质和气体温度与预设值不符时，保持第一管路3中冷却介质流量为一定值，根据冷却介质入口101温度要求通过控制器调节第一风扇201转速实现对第一管路3中冷却介质温度进行调节；保持第二管路6中冷却介质流量为一定值，根据进气口103温度要求通过控制器调节第二风扇701转速实现对第二管路6中冷却介质温度进行调节。
通过在第一散热器2和第二散热器7上设置第一风扇201与第二风扇701，通过调节风扇的转速，以实现对第一管路3和第二管路6中换热介质不同的散热温度，当提高第二风扇701转速时，可加快第二管路6中换热介质的散热，从而使其在中冷器5中与压缩空气换热至更低的温度。
在一个实施例中，还包括连接中冷器5与电池堆1的增湿器8。
由于电池堆1在反应过程中，质子交换膜需维持一定的湿度以保证较高的反应效率，通过设置增湿器8可提高压缩空气进入电池堆1时的含水量，从而提高了电池堆1的反应效率。
在一个实施例中，还包括与压缩机4相连接的第一过滤器9，适于过滤空气中的杂质。
具体地，本实施例中第一过滤器9采用空滤清器，当第一过滤器9吸入空气时，可将空气中的杂质颗粒及SO2、NOx，H2S等杂质气体过滤。
通过设置第一过滤器9，可过滤去除空气中的颗粒及气体杂质，减少杂质进入管路及电池堆1，避免颗粒物堵塞管路，以及减少杂质气体对电池堆1反应性能的影响。
在一个实施例中，还包括与增湿器8相连接的消音器10，适于降低排放尾气的噪声。
具体地，本实施例中压缩气体在增湿器8中增湿后输入电池堆1参与反应，反应后产生的水蒸气及尾气由电池堆1的出气口104经增湿器8后输入消音器10后排放至外界环境。
优选的，本实施例中消音器10采用抗性消声器，在消音器10的管道上连接界面设有突变的管道或者旁接共振腔，利用声波在突变截面发生反射、干涉等，进而达到消声的目的。
通过在增湿器8远离中冷器5的一端设置消音器10，在排放尾气时可降低噪音。
在一个实施例中，还包括设置在第一过滤器9与压缩机4之间的流量计11，适于检测进入压缩机4空气流量。
通过设置流量计11用来测量进入空气管道的空气流量，进而用于标定进入燃料电池阴极的氧气的过量系数。
在一个实施例中，还包括设置在增湿器8与消音器10之间的控制阀12，适于控制尾气排放流量。
具体地，本实施例中控制阀12采用背压阀，用于为电池堆1的空气路提供稳定的压力，背压阀可结合压缩机4为电池堆1提供适当压力的反应气，以提高燃料电池的输出性能。
在一个实施例中，还包括水泵13和水箱15，水泵13连接第一管路3和第二管路6，适于将与电池堆1和中冷器5换热后的冷却介质输送至第一散热器2，水箱15与水泵13相连接，适于向第一管路3补充冷却介质。
具体地，本实施例中水泵13通过改变冷却液流量，来控制电池堆1的温度，使电池堆1的工作温度处于相对适合的区间内，通常控制燃料电池堆1维持在80℃左右，控制电堆的冷却液进出口温度温差在10℃以内，5℃更佳。
本实施例中，水泵13采用三进一出的水泵13，三个输入端分别连接水箱15、第一管路3上电池堆1的输出侧和第二管路6上中冷器5的输出侧，一个输出端连接第一散热器2。
通过设置水箱15，可向第一管路3中补充冷却介质，避免冷却介质减少影响换热效果。
在一个实施例中，还包括设置在第一管路3上的第二过滤器14。
具体地，本实施例中第二过滤器14采用颗粒过滤器或去离子器，由于电池堆1在运行过程中，双极板上会产生高电压，但同时要求此电压不会通过双极板中间的冷却介质传递到整个冷却循环流道内，因此要求冷却介质不能够导电，通过在冷却介质进入电池堆1前端设置第二过滤器14，可将冷却介质中的带电离子如钙、钠离子等等吸附到第二过滤器14中，使冷却介质中导电离子浓度大幅降低，保证燃料电池安全稳定运行，第二过滤器14中去离子器的活性物质是具有多孔立体结构的树脂吸附剂。
通过设置第二过滤器14，可将冷却介质中的杂质离子去除，从而保证燃料电池的安全稳定运行。
根据本实用新型的实施例，另一方面，提供了一种车辆，包括本实施例中的燃料电池热管理系统。
通过在第二管路6上设置第二散热器7，可进一步降低第二管路6中冷却介质的温度，使得流向中冷器5中的冷却介质温度低于流向电池堆1中冷却介质的温度，当中冷器5对冷却介质和压缩气体换热时，可将压缩气体温度降至更低，减少了压缩空气中水分的蒸发提高了压缩气体的湿度，以确保压缩气体进入电池堆1温度满足工况要求，从而提高了电池堆1的使用寿命，进而提高了车辆的续航能力。
本实施例中，对车辆不做具体限定，车辆可以是仅设置燃料电池的电动车，也可以是燃油与燃料电池混合动力的车辆，车辆可以是新能源代步车辆，也可以是载货车辆、载客车辆或作业车辆等。
虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，包括：
电池堆(1)，适于将化学能转化为电能；
第一散热器(2)；
第一管路(3)，连接所述电池堆(1)与所述第一散热器(2)；
压缩机(4)，适于压缩空气；
中冷器(5)，连接所述压缩机(4)与所述电池堆(1)，适于对压缩后空气换热后输入所述电池堆(1)；
第二管路(6)，连接所述中冷器(5)与所述第一管路(3)，所述第一管路(3)与所述第二管路(6)中设有冷却介质；
第二散热器(7)，设置在所述第二管路(6)上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述第一散热器(2)上设置第一风扇(201)，所述第二散热器上设有第二风扇(701)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
水泵(13)，连接所述第一管路(3)和所述第二管路(6)，适于将与所述电池堆(1)和所述中冷器(5)换热后的所述冷却介质输送至所述第一散热器(2)；
水箱(15)，与所述水泵(13)相连接。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
增湿器(8)，连接所述中冷器(5)与所述电池堆(1)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
第一过滤器(9)，与所述压缩机(4)相连接，适于过滤空气中的杂质。
6.根据权利要求5所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
流量计(11)，设置在所述第一过滤器(9)与所述压缩机(4)之间，适于检测进入所述压缩机(4)空气流量。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
消音器(10)，与所述增湿器(8)相连接，适于降低排放尾气的噪声。
8.根据权利要求7所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
控制阀(12)，设置在所述增湿器(8)与所述消音器(10)之间，适于控制尾气排放流量。
9.根据权利要求8所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，还包括：
第二过滤器(14)，设置在所述第一管路(3)上。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的燃料电池热管理系统。
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| CN202322593259.9U Active CN220873631U (zh) | 2023-09-22 | 2023-09-22 | 燃料电池热管理系统及车辆 |
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-
2023
- 2023-09-22 CN CN202322593259.9U patent/CN220873631U/zh active Active
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |