CN116169317A

CN116169317A - 一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法

Info

Publication number: CN116169317A
Application number: CN202211606851.1A
Authority: CN
Inventors: 陈真; 焦凌志
Original assignee: Jiangsu Nowogen Technology Co ltd; JIANGSU YAOYANG NEW ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Jiangsu Nowogen Technology Co ltd; JIANGSU YAOYANG NEW ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2022-12-14
Publication date: 2023-05-26

Abstract

本发明公开了一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法，包括阴极供气模块、阳极供氢模块、电堆和冷却组件，所述阴极供气模块和阳极供氢模块分别用于为电堆的阴极和阳极提供燃料电池的原料，并完成燃料电池的供电作业，所述冷却组件用于在电堆供电过程中对电堆进行冷却作业；本发明利用冷却液的相变潜热提高热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器尺寸，还充分利用了已有的外表面作为辅助散热面，使得散热器的尺寸进一步地降低，降低了移动载具中燃料电池系统集成的难度，增加了系统排布的灵活度，当散热量能完全由被动散热系统承担的情况时，这时能取消散热器和风扇，适合被广泛推广和使用。

Description

一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及移动燃料电池系统技术领域，特别涉及一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法。

背景技术

低温PEM燃料电池的运行效率为50-60%左右，在发电的同时，会产生大约相同功率的热量；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。但因为热量的温度在70-80°C，其热能的利用范围非常有限。一般来说，对于产生的热能有两种处理方式，一是用于加热室内空间（即热电联产），二是散发到环境中；前者多用于固定式发电应用，后者多用于对于移动发电的应用。移动发电是指燃料电池系统在电动车、汽车、机车、无人机或船舶等交通载具上的应用。

目前，交通载具上热管理的负担集中在散热器和其风扇的配置上，当选择散热器时，设计师会完全按照电堆峰值功率来配置，而这样的方案实际上夸大了移动载具的实际散热需求，因为移动载具，特别是车载燃料电池，在峰值功率时的几率非常低，多在高效率的巡航功率点附近运行，过多的散热冗余增加了对移动载具空间的需求，也增加了系统集成中的难度，且交通载具上用于安装散热器的空间极其有限，导致系统集成商普遍想要减少需要排放的热量，或减少散热器的尺寸；因此，需要设计一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法。

发明内容

本发明的主要目的是解决目前交通载具上用于安装散热器的空间极其有限，从而导致系统集成商普遍想要减少需要排放的热量，或减少散热器尺寸的问题；本发明提供了一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法，其实现了利用冷却液的相变潜热提高热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器尺寸，还充分利用了已有的外表面作为辅助散热面，使得散热器的尺寸进一步地降低，降低了移动载具中燃料电池系统集成的难度，增加了系统排布的灵活度，当散热量能完全由被动散热系统承担的情况时，这时能取消散热器和风扇。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法，包括阴极供气模块、阳极供氢模块、电堆和冷却组件，所述阴极供气模块和阳极供氢模块分别用于为电堆的阴极和阳极提供燃料电池的原料，并完成燃料电池的供电作业，所述冷却组件用于在电堆供电过程中对电堆进行冷却作业。

优选的，所述冷却组件包括节温器和膨胀液箱，所述电堆的冷却液输出口与节温器的进口连接，所述节温器的一条支路与散热器的进液口通过外接管道连接，且所述节温器的另一条支路与加热器的进液口连接，所述散热器外侧壁设置有风扇A和风扇B，其中所述风扇A5风扇B均用于对散热器进行散热作业，所述散热器的出液口通过设置有的管道与膨胀液箱流出的冷却液相汇合至水箱，所述水箱的出液口与加热器的进液口相连接，所述加热器的出液口流出的冷却液经压缩机输出至电堆的冷却液输入口，所述压缩机用于为冷却液提供动能和加压。

优选的，所述膨胀液箱外侧壁设置有液位计，且所述液位计用于观测膨胀液箱内部的液面高低，所述膨胀液箱上表面还设置有压力阀，且所述压力阀用于在膨胀液箱内部的气压大于30kpa时泄压。

优选的，所述加热器和压缩机中间位置还设置有加液阀，且所述加液阀用于从低点加冷却液，并使得管道内的气体从高点排出。

优选的，所述冷却液选用HFE-7100溶液或FC-72溶液，且所述冷却液的沸点为50℃-200℃之间。

优选的，所述电堆与节温器之间设置有出堆温度传感器T302，所述出堆温度传感器T302用于测量电堆流出的冷却液温度。

优选的，所述电堆与压缩机之间设置有进堆压力传感器P301和进堆温度传感器T301，所述进堆压力传感器P301用于测量回流至电堆的冷却液压力，所述进堆温度传感器T301用于测量回流至电堆的冷却液温度。

优选的，包括以下步骤：

步骤一，阳极供氢模块和阴极供气模块分别提供氢气和空气进入电堆，电堆开始工作并产生电流和热量；

步骤二，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度处于50℃及以下时，此时节温器处于关闭状态，冷却液经过节温器后依次进入加热器和压缩机，再回流至电堆内部形成小循环，并完成对电堆的冷却作业；

步骤三，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度高于50℃时，此时节温器处于打开状态，冷却液经节温器后进入散热器进行散热作业，再依次经过水箱、加热器和压缩机后回流至电堆1内部形成大循环，并完成对电堆的冷却作业，与此同时膨胀液箱内部的冷却液与经散热器散热后的冷却液在水箱内部相汇合；

步骤四，若在冷却液低温时启动电堆，通过加热器能对冷却液进行加温作业，这样能使得冷却液在温度升高后流入电堆，完成对电堆的加温作业，并使得电堆能在加温后启动；

步骤五，若进堆压力传感器P301测量冷却液压力较低时，此时压缩机处于加压工作状态，通过压缩机能对冷却液进行加压作业，这样能使得冷却液在压力升高后流入电堆。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用材料液-气态的相变潜热带走废热，采用小型压缩机控制输入电堆的冷却液压力，从而能精确地将燃料电池的运行温度控制在50-95°C之间；较常规50%乙二醇水溶液冷却剂，相变材料的优势在于其热容较大，并且与空气之间的热交换效率较高，从而大大减少了用于车载燃料电池系统的散热器的尺寸。

2、本发明选择了一种相变材料，包括但不限于HFE-7100溶液或FC-72溶液，用其代替常规的50%乙二醇水溶液，利用冷却液的相变潜热提高热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器尺寸；由于燃料电池最佳运行温度在60-80C，相变材料的选择要考虑其沸点处于这个范围的低端，这使得在这个温度区间内相变潜热得到充分利用，此外，沸点在60C左右对于平稳的汽化过程尤为关键，即核沸腾状态，能确保冷却过程的可控性；同时相变材料的沸点能根据压力的提高而提高，这对在大功率下控制合理的反应温度尤为重要，因为当燃料电池运行在大功率下，从电堆到散热器的导热需求也相应提高，相变冷却剂有良好的化学稳定性、绝缘性和无污染。

3、本发明充分利用了已有的外表面作为辅助散热面，使得散热器的尺寸进一步地降低，降低了移动载具中燃料电池系统集成的难度，增加了系统排布的灵活度，当散热量能完全由被动散热系统承担的情况时，这时能取消散热器和风扇，使得燃料电池系统的结构更加简洁，也简化了热管理控制策略。

附图说明

图1为本发明的系统整体框图。

图中：1、电堆；2、阳极供氢模块；3、阴极供气模块；4、节温器；5、风扇A；6、风扇B；7、散热器；8、膨胀液箱；9、液位计；10、加热器；11、加液阀；12、压缩机；13、水箱。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于相变冷却介质的燃料电池系统及其使用方法，包括阴极供气模块3、阳极供氢模块2、电堆1和冷却组件，所述阴极供气模块3和阳极供氢模块2分别用于为电堆1的阴极和阳极提供燃料电池的原料，并完成燃料电池的供电作业，所述冷却组件用于在电堆1供电过程中对电堆1进行冷却作业，通过设置有的冷却组件能利用冷却液的相变潜热提高热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器7尺寸。

具体地，所述冷却组件包括节温器4和膨胀液箱8，所述电堆1的冷却液输出口与节温器4的进口连接，所述节温器4的一条支路与散热器7的进液口通过外接管道连接，且所述节温器4的另一条支路与加热器10的进液口连接，所述散热器7外侧壁设置有风扇A5和风扇B6，其中所述风扇A5和风扇B6均用于对散热器7进行散热作业，所述散热器7的出液口通过设置有的管道与膨胀液箱8流出的冷却液相汇合至水箱13，所述水箱13的出液口与加热器10的进液口相连接，所述加热器10的出液口流出的冷却液经压缩机12输出至电堆1的冷却液输入口，所述压缩机12用于为冷却液提供动能和加压，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度高于50℃时，此时节温器4处于打开状态，冷却液经节温器4后进入散热器7进行散热作业，再依次经过水箱13、加热器10和压缩机12后回流至电堆1内部形成大循环，并完成对电堆1的冷却作业，与此同时膨胀液箱8内部的冷却液与经散热器7散热后的冷却液在水箱13内部相汇合。

具体地，所述膨胀液箱8外侧壁设置有液位计9，且所述液位计9用于观测膨胀液箱8内部的液面高低，所述膨胀液箱8上表面还设置有压力阀，且所述压力阀用于在膨胀液箱8内部的气压大于30kpa时泄压，通过设置有的压力阀能在膨胀液箱8内部的气压大于30kpa时泄压。

具体地，所述加热器10和压缩机12中间位置还设置有加液阀11，且所述加液阀11用于从低点加冷却液，并使得管道内的气体从高点排出，通过设置有的加液阀11能从低点加冷却液，并将冷却液管道内部的气体排出。

具体地，所述冷却液选用HFE-7100溶液或FC-72溶液，且所述冷却液的沸点为50℃-200℃之间，通过冷却液选用HFE-7100溶液或FC-72溶液及冷却液的沸点为50℃-200℃之间能实现冷却液具有的相变性能。

具体地，所述电堆1与节温器4之间设置有出堆温度传感器T302，所述出堆温度传感器T302用于测量电堆1流出的冷却液温度，通过设置有的出堆温度传感器T302能测量电堆1流出的冷却液温度。

具体地，所述电堆1与压缩机12之间设置有进堆压力传感器P301和进堆温度传感器T301，所述进堆压力传感器P301用于测量回流至电堆1的冷却液压力，所述进堆温度传感器T301用于测量回流至电堆1的冷却液温度，通过设置有的进堆压力传感器P301和进堆温度传感器T301能分别测量冷却液回流至电堆1内部的温度。

具体地，包括以下步骤：

步骤一，阳极供氢模块2和阴极供气模块3分别提供氢气和空气进入电堆1，电堆1开始工作并产生电流和热量，即使得电堆1具有其燃料电池的设计功能；

步骤二，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度处于50℃及以下时，此时节温器4处于关闭状态，冷却液经过节温器4后依次进入加热器10和压缩机12，再回流至电堆1内部形成小循环，并完成对电堆1的冷却作业，即使得在冷却液温度在低于50℃时，无需采用散热器7进行散热就可以对电堆1进行冷却作业；

步骤三，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度高于50℃时，此时节温器4处于打开状态，冷却液经节温器4后进入散热器7进行散热作业，再依次经过水箱13、加热器10和压缩机12后回流至电堆1内部形成大循环，并完成对电堆1的冷却作业，与此同时膨胀液箱8内部的冷却液与经散热器7散热后的冷却液在水箱13内部相汇合，即使得在冷却液温度高于50℃时，在散热器7的作用下能对电堆1进行冷却作业；

步骤四，若在冷却液低温时启动电堆1，通过加热器10能对冷却液进行加温作业，这样能使得冷却液在温度升高后流入电堆1，完成对电堆1的加温作业，并使得电堆1能在加温后启动，即使得在加热器10的作用下使得电堆1能在冷却液低温环境下启动；

步骤五，若进堆压力传感器P301测量冷却液压力较低时，此时压缩机12处于加压工作状态，通过压缩机12能对冷却液进行加压作业，这样能使得冷却液在压力升高后流入电堆1，即使得该燃料电池系统能对冷却液进行加压作业。

为进一步的阐述本发明的使用效果，下面介绍本发明的一个具体实施例。

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-7100溶液的两相表面传热系数为0.108W/(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50%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，因此可以确定HFE-7100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；且由于HFE-7100是核沸腾传热，在温度保持和温度均匀性方面具有优势。

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FC-72溶液的两相表面传热系数为：0.092W/(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45%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，因此可以确定FC-72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；且由于FC-72是核沸腾传热，在温度保持和温度均匀性方面具有优势。

综上所述，本发明实现了利用冷却液的相变潜热提高热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器7尺寸，还充分利用了已有的外表面作为辅助散热面，使得散热器7的尺寸进一步地降低，降低了移动载具中燃料电池系统集成的难度，增加了系统排布的灵活度，当散热量能完全由被动散热系统承担的情况时，这时能取消散热器7、风扇A5和风扇B6，使得燃料电池系统的结构更加简洁，也简化了热管理控制策略。

本发明所使用的电子部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，包括阴极供气模块（3）、阳极供氢模块（2）、电堆（1）和冷却组件，其特征在于：所述阴极供气模块（3）和阳极供氢模块（2）分别用于为电堆（1）的阴极和阳极提供燃料电池的原料，并完成燃料电池的供电作业，所述冷却组件用于在电堆（1）供电过程中对电堆（1）进行冷却作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，其特征在于：所述冷却组件包括节温器（4）和膨胀液箱（8），所述电堆（1）的冷却液输出口与节温器（4）的进口连接，所述节温器（4）的一条支路与散热器（7）的进液口通过外接管道连接，且所述节温器（4）的另一条支路与加热器（10）的进液口连接，所述散热器（7）外侧壁设置有风扇A（5）和风扇B（6），其中所述风扇A（5）和风扇B（6）均用于对散热器（7）进行散热作业，所述散热器（7）的出液口通过设置有的管道与膨胀液箱（8）流出的冷却液相汇合至水箱（13），所述水箱（13）的出液口与加热器（10）的进液口相连接，所述加热器（10）的出液口流出的冷却液经压缩机（12）输出至电堆（1）的冷却液输入口，所述压缩机（12）用于为冷却液提供动能和加压。

3.根据权利要求2所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，其特征在于：所述膨胀液箱（8）外侧壁设置有液位计（9），且所述液位计（9）用于观测膨胀液箱（8）内部的液面高低，所述膨胀液箱（8）上表面还设置有压力阀，且所述压力阀用于在膨胀液箱（8）内部的气压大于30kpa时泄压。

4.根据权利要求2所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，其特征在于：所述加热器（10）和压缩机（12）中间位置还设置有加液阀（11），且所述加液阀（11）用于从低点加冷却液，并使得管道内的气体从高点排出。

5.根据权利要求2所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，其特征在于：所述冷却液选用HFE-7100溶液或FC-72溶液，且所述冷却液的沸点为50℃-200℃之间。

6.根据权利要求2所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，其特征在于：所述电堆（1）与节温器（4）之间设置有出堆温度传感器T302，所述出堆温度传感器T302用于测量电堆（1）流出的冷却液温度。

7.根据权利要求2所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统，其特征在于：所述电堆（1）与压缩机（12）之间设置有进堆压力传感器P301和进堆温度传感器T301，所述进堆压力传感器P301用于测量回流至电堆（1）的冷却液压力，所述进堆温度传感器T301用于测量回流至电堆（1）的冷却液温度。

8.基于权利要求1-7任一项所述的一种基于相变冷却介质的燃料电池系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，阳极供氢模块（2）和阴极供气模块（3）分别提供氢气和空气进入电堆（1），电堆（1）开始工作并产生电流和热量；

步骤二，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度处于50℃及以下时，此时节温器（4）处于关闭状态，冷却液经过节温器（4）后依次进入加热器（10）和压缩机（12），再回流至电堆（1）内部形成小循环，并完成对电堆（1）的冷却作业；

步骤三，若出堆温度传感器T302测量冷却液温度高于50℃时，此时节温器（4）处于打开状态，冷却液经节温器（4）后进入散热器（7）进行散热作业，再依次经过水箱（13）、加热器（10）和压缩机（12）后回流至电堆（1）内部形成大循环，并完成对电堆（1）的冷却作业，与此同时膨胀液箱（8）内部的冷却液与经散热器（7）散热后的冷却液在水箱（13）内部相汇合；

步骤四，若在冷却液低温时启动电堆（1），通过加热器（10）能对冷却液进行加温作业，这样能使得冷却液在温度升高后流入电堆（1），完成对电堆（1）的加温作业，并使得电堆（1）能在加温后启动；

步骤五，若进堆压力传感器P301测量冷却液压力较低时，此时压缩机（12）处于加压工作状态，通过压缩机（12）能对冷却液进行加压作业，这样能使得冷却液在压力升高后流入电堆（1）。