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CN111785990A - 一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统 - Google Patents

一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统 Download PDF

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许文燕
王国莹
陈晓飞
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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，包括支架和其上安装的冷却水泵、节温器、去离子过滤器二合一装置、PTC电加热器、散热器和冷却水管路，所述节温器的第一出口通过管路连接PTC电加热器，PTC电加热器连接三通的第一入口，所述节温器的第二出口通过管路连接散热器，所述散热器连接三通的第二入口，所述三通的出口通过去离子过滤器二合一装置连接冷却水泵的入口；所述电堆冷却液进口三通和电堆冷却液出口三通上均设有温度和压力传感器。本发明将冷却水泵集成在冷却系统上，脱离电堆系统，实现冷却系统集成化设计，可封装成箱体结构，减小电堆和氢系统、空气系统集成重量，实现高紧凑模块化设计。

Description

一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统
技术领域
本发明属于燃料电池电堆冷却技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。电堆并非实际电池堆放在一起，是指将多个燃料电池组成的电池堆，目的是为了获得实际应用的电压。质子交换膜燃料电池电堆工作时，产生电能的同时产生大量热量，即燃料电池在运行过程中释放热量，如果燃料电池工作时的热量不能及时排出，其工作温度将会持续上升，会影响质子交换膜燃料电池电堆运行的安全性。
常规的燃料电池发动机用于电堆冷却的冷却系统与电堆系统是整体布局设置的，不能独立出来，也没有单独的冷却水泵，结构复杂，安装不便，且电堆冷却效果不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，以提供一种结构简单、安装方便的集成系统，将冷却系统与电堆系统分别集成化。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，包括支架和其上安装的冷却水泵、节温器、去离子过滤器二合一装置、PTC电加热器和散热器，所述节温器的第一出口通过管路连接PTC电加热器，PTC电加热器连接三通的第一入口，所述节温器的第二出口通过管路连接散热器，所述散热器连接三通的第二入口，所述三通的出口通过去离子过滤器二合一装置连接冷却水泵的入口；所述节温器的入口通过电堆冷却液出口三通连接燃料电池电堆系统的冷却液出口；所述冷却水泵的出口通过电堆冷却液进口三通连接燃料电池电堆系统的冷却液入口，冷却液进入燃料电池电堆系统，对电堆进行冷却；所述电堆冷却液进口管和电堆冷却液出口管上均设有温压一体传感器。
进一步的，所述散热器包括膨胀水箱和散热风扇，所述支架包括底部支架和其两个对立面设置的对称的三角形支撑架，三角形支撑架与底部支架垂直的一侧固定安装水散热器，膨胀水箱集成设计在水散热器的上端，散热风扇安装在水散热器的一侧面。
进一步的，所述温度传感器为温压一体传感器。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明将冷却水泵集成在冷却系统上，脱离电堆系统，从而可以实现冷却系统集成化设计，可封装成箱体结构，只留与电堆进出口的接口；减小电堆和氢系统、空气系统集成重量，实现高紧凑模块化设计，结构简单，安装方便。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的质子交换膜氢燃料电池冷却系统的原理图，
图2为本发明实施例所述的质子交换膜氢燃料电池冷却系统的结构图。
附图标记说明：
1-冷却水泵，2-节温器，3-去离子过滤器二合一装置，4-PTC电加热器，5-散热器，6-温压一体传感器，7-电堆冷却液进口三通，8-电堆冷却液出口三通，9-支架，10-三通。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例的一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，如图1、图2所示，包括支架和其上安装的冷却水泵1、节温器2、去离子过滤器二合一装置3、PTC电加热器4、散热器5和传感器6，
所述节温器2的第一出口通过管路连接PTC电加热器4，PTC电加热器4连接三通10的第一入口，所述节温器2的第二出口通过管路连接散热器5，所述散热器5连接三通10的第二入口，所述三通10的出口通过去离子过滤器二合一装置3连接冷却水泵1的入口；所述节温器2的入口通过电堆冷却液出口三通8连接燃料电池电堆系统的冷却液出口；所述冷却水泵1的出口通过电堆冷却液进口三通7连接燃料电池电堆系统的冷却液入口，进入燃料电池电堆系统，对电堆进行冷却；所述电堆冷却液进口三通7和电堆冷却液出口三通8上均设有温压一体传感器。
工作时，冷却液依次经过去离子过滤器二合一装置3、冷却水泵1的出口、通过电堆冷却液进口三通7进入燃料电池电堆系统，对电堆进行冷却；从燃料电池电堆系统出来的冷却液通过电堆冷却液出口三通8进入节温器2；通过电堆冷却液出口三通8处的温压一体传感器6采集该处的冷却液温度：
当冷却液的温度低于节温器2的温度参数设定的下限阈值时，走小循环直接回到冷却水泵1，小循环管路设置PTC电加热器4，在电堆低温启动时，电堆冷却液通过节温器2的小循环回路进入PTC电加热器4，保证电堆能低温启动；
当冷却液的温度高于节温器2的温度参数设定的上限阈值时，走大循环进入散热器5，冷却后回到冷却水泵1；
当冷却液的温度在节温器2的温度参数设定的温度上限阈值和下限阈值的范围内时，一部分冷却液走小循环，另一部分冷却液走大循环。
冷却水泵1为电堆冷却液提供循环动力，保证其在冷却系统中循环流动。
节温器2是根据燃料电池电堆系统出口冷却水温度的高低自动调节节温器内部阀门开度从而控制通过大、小循环的冷却液流量，同时也可控制散热器的电子风扇转速来调节冷却系统的散热能力，从而保证燃料电池发动机在合适的温度范围内工作。
去离子过滤器二合一装置3一是过滤水中大颗粒杂质，避免杂质堵塞电堆内部冷却水流道，二是除去冷却系统去离子水中多余的导电离子，保证冷却液电导率处于合适的范围。
PTC电加热器4加热冷却液促进电堆内部迅速升温，实现电堆低温迅速起动。
散热器5带膨胀水箱和散热风扇，起到散热和降低冷却水温度的作用，散热风扇作用是提高流经散热器的空气的流速和流量，以增强散热器的散热能力，当散热器内冷却液受热膨胀时，部分冷却液流回膨胀水箱，当冷却液温度降低时，部分冷却液又流入散热器，保证冷却液不会溢失。
电堆冷却液入口、出口的温压一体传感器用于监测冷却系统的各参数是否在安全范围内，起到保护系统和辅助控制的作用。
本发明冷却系统与常规燃料电池发动机不同之处是将冷却水泵归结为此冷却系统中，脱离电堆系统，这样的冷却系统完全集成模块化设计，可封装成箱体结构，只留与电堆进出口的接口，独立于电堆系统。冷却系统集成模块冷却电堆，防止电堆运行过热。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，其特征在于，包括支架(9)和在其上安装的冷却水泵(1)、节温器(2)、去离子过滤器二合一装置(3)、PTC电加热器(4)和散热器(5)，
所述节温器(2)的第一出口通过管路连接PTC电加热器(4)，PTC电加热器(4)连接三通(10)的第一入口，所述节温器(2)的第二出口通过管路连接散热器(5)，所述散热器(5)连接三通(10)的第二入口，所述三通(10)的出口通过去离子过滤器二合一装置(3)连接冷却水泵(1)的入口；
所述节温器(2)的入口通过电堆冷却液出口三通(8)连接燃料电池电堆系统的冷却液出口；所述冷却水泵(1)的出口通过电堆冷却液进口三通(7)连接燃料电池电堆系统的冷却液入口，冷却液进入燃料电池电堆系统，对电堆进行冷却；所述电堆冷却液进口三通(7)和电堆冷却液出口三通(8)上均设有温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，其特征在于：所述散热器(5)包括膨胀水箱和散热风扇，所述支架(9)包括底部支架和其两个对立面设置的对称的三角形支撑架，三角形支撑架与底部支架垂直的一侧固定安装水散热器，膨胀水箱集成设计在水散热器的上端，散热风扇安装在水散热器的一侧面。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，其特征在于：所述温度传感器和压力传感器为温压一体传感器(6)。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜氢燃料电池冷却系统，其特征在于：电堆系统的冷却液依次通过节温器(2)、PTC电加热器(4)、去离子过滤器二合一装置(3)、冷却水泵(1)回到电堆系统构成小循环回路，电堆系统的冷却液依次通过节温器(2)、散热器(5)、去离子过滤器二合一装置(3)、冷却水泵(1)回到电堆系统构成大循环回路；通过电堆冷却液出口三通(7)处的温压一体传感器采集冷却液温度：
当冷却液的温度低于节温器(2)的温度参数设定的下限阈值时，走小循环回路；
当冷却液的温度高于节温器(2)的温度参数设定的上限阈值时，走大循环回路；
当冷却液的温度在节温器(2)的温度参数设定的温度上限阈值和下限阈值的范围内时，一部分冷却液走小循环，另一部分冷却液走大循环。
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