一种被动式燃料电池冷却系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种被动式燃料电池冷却系统及其实现方法，在整个冷却管路和电堆冷却流道中充满冷却液，由于电堆工作加热电堆里的冷却液，冷却液密度变小，体积变大，由于进口存在单向阀的原因，冷却液会由出口流出，随着电堆的工作加热，冷却液会形成压差，从而自动循环起来，进行热量交换。其中加热器是为冷启动时准备。本发明专利技术能够针对小功率的燃料电池提供高效的散热能力，并且节省了现有大量散热量和水泵作为水循环动力源的冗余问题。泵作为水循环动力源的冗余问题。泵作为水循环动力源的冗余问题。

【技术实现步骤摘要】
一种被动式燃料电池冷却系统及其实现方法


[0001]本专利技术属于燃料电池散热技术，具体涉及一种被动式燃料电池冷却系统及其实现方法。

技术介绍

[0002]燃料电池一般以氢燃料电池的使用居多，对于氢燃料电池，主要是有阳极板、阴极板和质子交换膜组成，阴极供应空气，阳极供应氢气，由储氢瓶和供气系统提供，气体经过管路进入到电池单体的内部，在质子交换膜上进行化学反应，由连通的电路进行电子移动，形成电流。在此过程中，发生氧化反应会产生热量，对于燃料电池而言，散热是关键性的问题。
[0003]低温PEM燃料电池的运行效率为50
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60％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。对于小功率(小于10kW)燃料电堆目前大部分都是用风冷进行冷却，散热效率低下，且散热器体积过大，本专利技术在没有改变电堆结构的前提下，提高散热效率，简化电堆和系统在交通载具上的安装。
[0004]现有技术大多数水冷的散热都会采用散热器和水泵等作为控制器，提供动力源实现水循环，对于风冷的则存在需要加大接触面积，然后用风扇提供气流的方式。现有技术(CN115224303A)还包括采用冷却液换向机构，通过换向、可逆泵、变流道机构，调整冷却液的流向、流速来提高散热效果，其主要的通过消除温差实现散热均匀的效果，一般较多使用在大功率的燃料电池上，对于小功率而言，其结构复杂，节能效果不好，且不实用。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述现有技术的不足，本专利技术的第一目的是提供一种被动式燃料电池冷却系统，针对该系统的散热实现方式，本专利技术还提供一种被动式燃料电池冷却系统的实现方法。
[0006]技术方案：一种被动式燃料电池冷却系统，包括冷却管路和加热器，所述的冷却管路连通电堆双极板之间冷却流道，包括进口和出口，冷却流道中的冷却液由出口流出电堆后，经加热器、单向阀再流进电堆双极板之间冷却流道中，以此实现冷却液循环；
[0007]所述的系统中，位于电堆外部的冷却管路包括设置风冷散热。单向阀位于加热器流出至电堆的冷却管路中，且靠近电堆的进口位置。冷却管路外侧包括设置有散热翅片。
[0008]更进一步的，所述的加热器为PTC加热器，配备有加热电池和控制开关，所述的开关包括设置为温控启动。
[0009]进一步的，所述系统中，电堆双极板冷却流道中冷却液出口低于进口，且电堆外部冷却管路以非水平设置，冷却管路的冷却液在重力下促进循环。在冷区管路外部采用散热翅片和散热板结合的方式，通过散热翅片支撑起散热板。
[0010]所述的系统中，位于电堆外部的冷却管路中包括设置冷却液储集腔，所述的冷却
液储集腔外侧包括设置散热翅片、散热板或风冷装置，所述的风冷装置包括设置风扇辅助散热。
[0011]更进一步的，所述的冷却管路为软管。
[0012]上述被动式燃料电池冷却系统的实现方法，所述系统在整个冷却管路和电堆冷却流道中充满冷却液，通过电堆工作加热电堆里的冷却液，冷却密度变小，体积变大，且通过单向阀控制流向，冷却液会由出口流出，随着电堆的工作加热，冷却液形成压差，从而实现冷却液自动循环，进行热量交换。
[0013]有益效果：与现有技术相比，本专利技术所述的系统适用于小功率的电堆冷却系统，可取消散热器，散热方式由风冷更换为冷却液冷却，加大散热效率。另一方面本专利技术充分利用了液体冷却比气体冷却效率高的特点，并且是被动式冷却，无需冷却循环泵，对于小功率燃料电池，可以取消主散热器和风扇，降低了移动载具中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
[0014]图1是本专利技术所述系统的结构示意图；
[0015]图2是本专利技术所述的电堆结构的示意图；
[0016]图3是氢能自行车被动冷却系统示意图；
[0017]图4是氢能快递三轮车被动冷却系统示意图。
具体实施方式
[0018]为详细说明本专利技术所公开的技术方案，下面结合说明书附图做进一步的描述。
[0019]本专利技术所针对的是小功率燃料电池电堆冷却问题，主要是小于10kW的电堆冷却系统。采用的被动式散热，即将冷却剂充满整个冷却管路，利用热能自循环冷却，提高散热效率，取消交通载具上因安装主散热器所需的空间。
[0020]具体的说，结合图1和图2所示。首先，对于电堆结构，如图1和图2所示的，电堆有燃料电池单体封装组成，燃料电池包括阳极和阴极，阳极供应的是氢气，阴极供应的是空气，中间为质子交换膜，质子交换膜仅允许通过水和质子，电离子绕过质子交换膜由电路移动，形成电流。在电堆中，因为氧化反应的存在，散热是重点问题，在某些电堆结构中，包括由阴极供气模块，阳极供氢模块，水管理模块和散热模块所组成，其中的散热模块为了实现散热，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，以上控制策略实质上将热管理的负担集中在主散热器和其风扇的配置上。所以选择主散热器时，会完全按照电堆峰值功率来配置。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。
[0021]本专利技术的所述系统是在小功率燃料电堆冷却系统中取消散热器，散热方式由风冷更换为冷却液冷却，加大散热效率，在整个冷却管路和电堆冷却流道中充满冷却液，由于电堆工作加热电堆里的冷却液，冷却液密度变小，体积变大，由于进口存在单向阀的原因，冷却液会由出口流出，随着电堆的工作加热，冷却液会形成压差，从而自动循环起来，进行热
量交换，并且在电堆外部的冷却通道外壁上加上翅片，加大散热量，从而达到需要的冷却效果。对于10kw以下的小功率燃料电池系统中，因为所需要散发的热量有限，系统的散热功能可以完全由被动冷却系统承担，即主散热器可以被完全取消。
[0022]本专利技术所述的一种被动式燃料电池冷却系统，包括冷却管路和加热器，所述的冷却管路连通电堆双极板之间冷却流道，包括进口和出口，冷却流道中的冷却液由出口流出电堆后，经加热器、单向阀再流进电堆双极板之间冷却流道中，以此实现冷却液循环；
[0023]图3和图4示意了本专利技术所述系统在自行车及快递三轮车的应用结构。
[0024]电堆位于自行车或三轮车的座椅下方，为了充分利用重力，冷却液出口端要低于进口端，上端冷却管路出口端高于入口端，冷却管路在自行车结构梁内，并通过冷却管路上的散热翅片与结构梁连接，从而增加散热面积；在整个冷却管路和电堆冷却流道中充满冷却液由于电堆工作加热电堆里的冷却液，冷却液密度变小，体积变大，由于进口存在单向阀的原因，冷却液会由出口流出，随着电堆的工作加热，冷却液会形成压差，从而自动循环起来，进行热量交换。考虑到冬季低温启动的问题，可以在冷却管路上加入PTC加热器(配备电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种被动式燃料电池冷却系统，包括冷却管路和加热器，其特征在于：所述的冷却管路连通电堆双极板之间冷却流道，包括进口和出口，冷却流道中的冷却液由出口流出电堆后，经加热器、单向阀再流进电堆双极板之间冷却流道中，以此实现冷却液循环；所述的系统中，位于电堆外部的冷却管路包括设置风冷散热。2.根据权利要求1所述的被动式燃料电池冷却系统，其特征在于：所述的单向阀位于加热器流出至电堆的冷却管路中，且靠近电堆的进口位置。3.根据权利要求1所述的被动式燃料电池冷却系统，其特征在于：所述的冷却管路外侧包括设置有散热翅片。4.根据权利要求1所述的被动式燃料电池冷却系统，其特征在于：所述的加热器为PTC加热器，配备有加热电池和控制开关，所述的开关包括设置为温控启动。5.根据权利要求1所述的被动式燃料电池冷却系统，其特征在于：所述系统中，电堆双极板冷却流道中冷却液出口低于进口，且电堆外部冷却管路...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦凌志，陈真，
申请(专利权)人：江苏氢璞创能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：