[实用新型]一种燃料电池发动机冷却系统

说明书

本实用新型涉及一种燃料电池发动机冷却系统，包括以管道连接的内循环和外循环管路，内循环管路包括燃料电池堆、热交换器、冷却液泵和去离子过滤器，燃料电池堆的散热出口端依次连接到热交换器、冷却液泵、去离子过滤器，回到燃料电池堆的散热进口端，冷却液在管路里循环流动。外循环管路包括热交换器、四通阀、增压泵、整车散热器和膨胀阀，热交换器的吸热出口端依次连接四通阀、增压泵、整车散热器、膨胀阀，回到热交换器的吸热进口端，相变冷却剂在管路里循环流动。本实用新型引入热交换器，将传统的单冷却回路变成双循环冷却回路，避免了原有系统散热器面积过大、管路过长、离子析出难以控制等问题，冷却效果好，降低了冷却系统设计成本。

技术领域

本实用新型涉及燃料电池发动机子系统领域，具体是一种燃料电池发动机冷却系统。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，由于效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点，被广泛应用于固定式发电、交通运输以及便携式电源等领域。燃料电池发动机以燃料电池作为动力，替代传统的内燃机动力，不仅驱动效率明显提高，稳定性和可靠性高，而且排放能真正达到零污染。据有关数据统计，燃料电池发动机与传统的内燃发动机相比，石油资源消耗减少60％，二氧化碳排放量减少75％，有毒物质排放量减少99％，因此，燃料电动汽车被普遍认为是解决城市机动车排气污染的最有效途径。

燃料电池发动机冷却系统是燃料电池发动机系统重要的子系统，冷却系统的好坏决定了燃料电堆发电效率和寿命。燃料电池汽车通常通过冷却液循环系统将电堆的散热转移至散热器，再通过散热器风冷系统将散热量释放至大气环境中。目前主流的燃料电池发动机冷却系统如图1所示，该冷却系统由燃料电池堆11，冷却液泵12、去离子过滤器13、三向温控阀31、电堆专用散热器32、专用副水箱33组成，冷却液在管路中流动。三向温控阀31作为自动控温部件，当系统管道温度低于设定值、即系统冷启动时，阀门A、B导通，冷却系统处于内循环模式，燃料电池堆11需要较长时间冷启动，以达到正常工作状态下的温度。当系统管道温度逐渐达到设定值、即系统正常工作时，阀门A、C导通，燃料电池堆11散发的热量经由冷却液带到电堆专用散热器32，以实现循环散热的目的。目前的燃料电池发动机水冷方案，受限于汽车框架内空间布局、及多个热源的散热冷却钳制，使得在极端高温工况下，燃料电池堆散热效果并不理想，进而导致燃料电池发电能力下降，具体表现在：

1、现有的管路中为单循环冷却回路，燃料电池堆11直接连接电堆专用散热器32，由于目前普遍应用的是低温燃料电池，其最高散热温度不超过80℃，在极端高温的条件下，与燃料电池堆11直连的散热器与环境温度差别不大。散热器面积公式为其中，F_w为散热面积，Q_max为散热器最大散热需求，K_a为散热器总传热系数，Δt_a为散热器与环境温度的平均温差。由上式可以看出，散热器与环境温度差值Δt_a越小，其散热器面积就越大，即散热器体积就越大；

另一方面，低温燃料电池的发电效率一般在50-60％，剩余50-40％主要以热能形式出现，散热需求巨大。举例来说，50kw燃料电池发动机系统，在最恶劣的工况即环境温度45℃条件下，电堆出口的温度为75℃，下降10℃即65℃，经过计算，散热器的迎风面积需要约36m²，远大于传统内燃机的散热器大小。如果使用100kw燃料电池发动机系统则需要更大的散热器，这样大面积的散热器显然无法安装在体积有限的乘用车辆上。

2、整车上散热器位置一般较为固定，通常安装在车辆头部，需要将管路从燃料电池堆11引到车头，管路较长，冷却液需要在较长的管道内循环流动。而燃料电池的特性决定了燃料电池冷却液离子浓度必须保持在一定值(10μs/cm左右)，因此管路中需要设置去离子过滤器13，以解决离子析出问题。现有的冷却系统管道较长，结构复杂，管接头较多，离子析出问题难以控制，解决办法是，需要配制高成本的去离子过滤器13，而且过滤器寿命很短，加一步增加其使用成本。