CN111071072A - 燃料电池冷却模块及燃料电池冷却*** - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源车辆技术领域，具体涉及一种燃料电池冷却模块及燃料电池冷却***，该燃料电池冷却模块包括第一制冷器和第一散热器，第一制冷器设置成降低气体温度，沿气体的流动方向，第一散热器设置在第一制冷器后，且第一散热器设置成用于与燃料电池连接并冷却燃料电池，其中，气体被降温后沿第一制冷器流向第一散热器，气体设置成冷却第一散热器。根据本发明实施例的燃料电池冷却模块，通过第一散热器使冷却液与周围气体进行热交换以降低冷却液的温度进而冷却燃料电池，通过第一制冷器降低流向第一散热器的气体的温度，增大气体与冷却液之间的温差，解决了高温天气下气体与冷却液之间温差小导致的散热效果差的问题。

Description

燃料电池冷却模块及燃料电池冷却***

技术领域

本发明属于新能源车辆技术领域，具体涉及一种燃料电池冷却模块及燃料电池冷却***。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

燃料电池发电效率在50％左右，燃料电池在进行供电时会产生大量的热量，对于该部分热量若不及时进行散失会影响燃料电池的运行，因此在燃料电池的周围设置有冷却部件，包括中冷器、空压机及控制器等，并且这些热源要求水温极限值低，即要求冷却模块在液气温差低的条件下散走大量的热量。

现有技术燃料电池车型常见的冷却模块布置依次是进气格栅、空调冷凝器、低温散热器、燃料电池散热器和风扇。在夏季高温天气下，气体的初始温度为T1，气体经过冷凝器和低温散热器会先与冷凝器进行热交换，将冷凝器的热量带走，此时的气体温度升高至T2，T2＞T1，气体再经过低温散热器与低温散热器进行热交换，将低温散热器的热量带走，此时的气体温度升高至T3，T3＞T2，最终与燃料电池散热器进行热交换，将燃料电池散热器的热量带走实现对燃料电池的冷却，该种设置方式降低了气体与燃料电池散热器之间的温差，不利于燃料电池的冷却。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有技术中高温天气下气体与冷却液之间的温差小导致的散热效果差的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种燃料电池冷却模块，包括：

第一制冷器，所述第一制冷器设置成降低气体温度；

第一散热器，沿所述气体的流动方向，所述第一散热器设置在所述第一制冷器后，且所述第一散热器设置成用于与燃料电池连接并冷却所述燃料电池；

其中，所述气体被降温后沿所述第一制冷器流向所述第一散热器，所述气体设置成冷却所述第一散热器。

根据本发明实施例的燃料电池冷却模块，第一散热器与燃料电池连接，将燃料电池运行过程中产生的热量转移至第一散热器的冷却液上，通过第一散热器实现冷却液与外界环境中的气体进行热交换使冷却液降温，从而实现对燃料电池的冷却，沿气体的流动方向，在第一散热器的前方设置有第一制冷器，通过第一制冷器可以降低流向第一散热器的气体的温度，降温后的气体与冷却液之间的温差增大，能够提高第一散热器的散热功率，解决了高温天气下气体与冷却液之间温差小导致的散热效果差的问题，且该种设置方式相比较于现有技术，仅是将冷凝器替换为第一制冷器，一方面，降低了改动的成本，另一方面，在车辆有限的空间内能够满足燃料电池的冷却需求。

在本发明的一些实施例中，所述燃料电池冷却模块还包括：

风扇，所述风扇设置在所述第一散热器和所述燃料电池之间。

在本发明的一些实施例中，所述燃料电池冷却模块还包括：

格栅，沿所述气体流动的方向，所述格栅设置在所述第一制冷器之前。

在本发明的一些实施例中，所述第一制冷器为蒸发器。

本发明的第二方面提出了一种燃料电池冷却***，包括第一回路、第二回路和如权利要求1-4任一项所述的燃料电池冷却模块：

所述第一散热器和所述燃料电池设置在所述第一回路上，所述第一回路设置成对所述燃料电池进行温度调节；

所述第一制冷器设置在所述第二回路上，所述第二回路设置成冷却所述第一制冷器和车辆驾驶舱。

根据本发明实施例的燃料电池冷却***与上述燃料电池冷却模块具有相同的优势，在此不再赘述，另外，第一回路和第二回路除了在高温天气下加强对燃料电池的冷却，第一回路还能实现在低温天气下提高燃料电池的温度以保证燃料电池正常运行，第二回路上设置的第一制冷器在高温天气下还能对车辆驾驶舱提供冷却功能，提高驾驶员和乘客对所处环境的舒适度。

在本发明的一些实施例中，所述第一回路中充满冷却液，且所述第一回路包括第一主路、第一支路、第二支路和第三支路；

沿所述冷却液的流动方向，所述第一主路上设置有第一水泵和所述燃料电池，所述第一支路上设置有所述第一散热器，所述第二支路上设置有PTC加热器，且所述第一支路和所述第二支路并联在所述第一主路上，所述第三支路上设置有离子过滤器，且所述第三支路连接所述第一主路和所述第二支路。

在本发明的一些实施例中，所述第二回路中充满制冷剂，且第二回路包括第二主路、第四支路和第五支路；

沿所述制冷剂的流动方向，所述第二主路上设置有压缩机和冷凝器，所述第四支路上设置有第一阀门和所述第一制冷器，所述第五支路上设置有第二阀门和第二制冷器，且所述第四支路和第五支路并联在所述第二主路上。

在本发明的一些实施例中，所述燃料电池冷却***还包括第三回路，且所述第三回路中充满冷却液；

沿所述冷却液的流动方向，所述第三回路上设置有第二散热器、第二水泵、空压机、空压机控制器、电机控制器、电压转换器和电机；

所述第二散热器设置在所述第一制冷器和所述第一散热器之间；

所述空压机控制器并联在所述空压机上。

在本发明的一些实施例中，所述第一回路上还设置有第一膨胀箱，所述第一膨胀箱设置在所述第一散热器和所述第一水泵之间。

在本发明的一些实施例中，所述第三回路上还设置有第二膨胀箱，所述第二膨胀箱设置在所述电机和所述第二水泵之间。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的燃料电池冷却模块的俯视图；

图2为图1所示的俯视图。

附图中各标记表示如下：

1、第一制冷器；

2、第一散热器；

3、风扇；

4、格栅；

5、第一回路；51、第一主路；52、第一支路；53、第二支路；54、第三支路；511、第一水泵；512、燃料电池；521、第一膨胀箱；531、PTC加热器；541、离子过滤器。

6、第二回路；61、第二主路；62、第四支路；63、第五支路；611、压缩机；612、冷凝器；621、第一阀门；631、第二阀门；632、第二制冷器；

7、第三回路；71、第二散热器；72、第二水泵；73、空压机；74、空压机控制器；75、电机控制器；76、电压转换器；77、电机；78、第二膨胀箱。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1所示，根据本发明一个实施例的燃料电池冷却模块，包括：

第一制冷器1，所述第一制冷器1设置成降低气体温度；

第一散热器2，沿所述气体的流动方向，所述第一散热器2设置在所述第一制冷器1后，且所述第一散热器2设置成用于与燃料电池512连接并冷却所述燃料电池512；

其中，所述气体被降温后沿所述第一制冷器1流向所述第一散热器2，所述气体设置成冷却所述第一散热器2。

根据本发明实施例的燃料电池冷却模块，第一散热器2与燃料电池512连接，将燃料电池512运行过程中产生的热量转移至第一散热器2的冷却液上，通过第一散热器2实现冷却液与外界环境中的气体进行热交换使冷却液降温，从而实现对燃料电池512的冷却，沿气体的流动方向，在第一散热器2的前方设置有第一制冷器1，通过第一制冷器1可以降低流向第一散热器2的气体的温度，降温后的气体与冷却液之间的温差增大，能够提高第一散热器2的散热功率，解决了高温天气下气体与冷却液之间温差小导致的散热效果差的问题，且该种设置方式相比较于现有技术，仅是将冷凝器612替换为第一制冷器1，一方面，降低了改动的成本，另一方面，无需将第一散热器2的尺寸改大，在车辆有限的空间内能够满足燃料电池512的冷却需求。

在本发明的一些实施例中，燃料电池冷却模块还包括风扇3，沿气体的流动方向，风扇3设置在第一散热器2后面，即第一散热器2和燃料电池512之间，风扇3能够加快第一散热器2周围气体的流动速度，进而加快第一散热器2与外界环境的热交换的速度，提高第一散热器2的散热功率。

在本发明的一些实施例中，燃料电池冷却模块还包括格栅4，沿气体的流动方向，格栅4设置在第一制冷器1的前面，即沿气体的流动方向，燃料电池冷却模块依次包括格栅4、第一制冷器1、第一散热器2、风扇3和燃料电池512，格栅4即为车辆前方的进气格栅4，通过设置格栅4有以下几个作用，第一，能够保护第一制冷器1、第一散热器2、风扇3和燃料电池512，通过格栅4能够将尺寸较大的异物阻挡在格栅4外侧，防止异物进入造成某一部件损坏，第二，格栅4能够保证气体的不断输送，在车辆行驶的过程中，气体由车辆外侧经由格栅4进入，进而被第一制冷器1降温。

在本发明的一些实施例中，第一制冷器1为蒸发器、半导体制冷器等，在一个实施例中，第一制冷器1为蒸发器，在蒸发器内充有制冷剂，制冷剂与外界环境中的气体进行热交换，降低气体的温度。

如图2所示，根据本发明一个实施例的燃料电池冷却***，包括第一回路5、第二回路6和如权利要求1-4任一项所述的燃料电池冷却模块：

所述第一散热器2和所述燃料电池512设置在所述第一回路5上，所述第一回路5设置成对所述燃料电池512进行温度调节；

所述第一制冷器1设置在所述第二回路6上，所述第二回路6设置成冷却所述第一制冷器1和车辆驾驶舱。

根据本发明实施例的燃料电池冷却***与上述燃料电池冷却模块具有相同的优势，在此不再赘述，另外，第一回路5和第二回路6除了在高温天气下加强对燃料电池512的冷却，第一回路5还能实现在低温天气下提高燃料电池512的温度以保证燃料电池512正常运行，第二回路6中设置有制冷剂，制冷剂不断循环持续对第一制冷器1进行冷却并同时在高温天气下还能对车辆驾驶舱提供冷却功能，使第一散热器2对提高驾驶员和乘客对所处环境的舒适度。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，箭头表示冷却液的流向，第一回路5除了可以在高温天气下对燃料电池512进行冷却，还能在低温天气下提高燃料电池512的温度以保证燃料电池512正常运行，在第一回路5中充满冷却液，第一回路5包括第一主路51、第一支路52、第二支路53和第三支路54，沿冷却液的流动方向，第一主路51上设置有第一水泵511和燃料电池512，燃料电池512作为整车的动力源，为车辆提供电能，第一水泵511用于驱动第一回路5中的冷却液冷却燃料电池512并进行快速循环，第一散热器2设置在第一支路52上，对燃料电池512冷却后的冷却液由第一主路51进入第一支路52中，在第一散热器2的位置与被第一制冷器1降温后的气体进行热交换，再流向第一主路51对燃料电池512进行冷却，第二支路53上设置有PTC(Positive Temperature Coefficient正温度系数热敏电阻)加热器，在高温天气下PTC加热器531处于非工作状态，在低温天气下，PTC加热器531工作，对冷却液进行加热，便于燃料电池512的低温冷启动和保持燃料电池512在低温情况下的正常运行，PTC的是否工作可通过设置温度传感器检测外界温度实现，冷却液由第一主路51进入第二支路53中，PTC加热器531对冷却液进行加热，加热后的冷却液再进入第一主路51中对燃料电池512进行加热，PTC加热器531与第一制冷器1在任何情况下仅有一者处于工作状态，即高温天气下第一制冷器1工作，低温天气下PTC加热器531工作，第一支路52和第二支路53均并联在第一主路51上，第三支路54上设置有离子过滤器541，通过设置离子过滤器541对冷却液进行离子过滤，第三支路54连接第一主路51和第二支路53，具体的，第三支路54连接第一主路51燃料电池512的后端和第二支路53PTC加热器531的前端。

其中，第一回路5上还设置有第一膨胀箱521，第一膨胀箱521设置在第一散热器2和所述第一水泵511之间，通过设置第一膨胀箱521能够排除第一回路5中冷却液中的气体，实现气液分离。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，箭头表示制冷剂的流向，第二回路6为制冷回路，第二回路6中充满制冷剂，第二回路6包括第二主路61、第四支路62和第五支路63，沿制冷剂的流动方向，第二主路61上设置有压缩机611和冷凝器612，压缩机611对第二主路61中的制冷剂进行压缩，使制冷剂变为高压高温气体，高温高压气体流经冷凝器612，通过与外界环境进行热交换，热量散失，变为低温高压液体，低温高压液体分为两路，第一路进入第四支路62中，对由格栅4进入的气体进行降温，加强与第一散热器2之间的热交换，第四支路62上设置有第一阀门621和第一制冷器1，通过第一阀门621低温高压液体变为低温低压液体，低温低压液体流至第一制冷器1对由格栅4进入的气体进行降温，另一路进入第五支路63中，第五支路63用于对驾驶舱内进行降温，作为高温天气下的空调进行制冷，第五支路63上设置有第二阀门631，和第二制冷器632，通过第二阀门631低温高压液体变为低温低压液体，低温低压液体流至第二制冷器632对驾驶舱内进行降温，车辆空调与燃料电池冷却***共用制冷设备，进一步降低了成本，制冷剂在第二回路6中不断循环流动，从第二主路61出来的制冷剂分为两路分别进入第四支路62和第五支路63，经过第四支路62和第五支路63后再回到第二主路61中经过压缩机611和冷凝器612由低温低压液体变为高压高温气体不断循环。

其中，第一阀门621和第二阀门631为电子膨胀阀，可以按照预设程序调节第一制冷器1和第二制冷器632所需的制冷剂的供应量，第二制冷器632为蒸发器、半导体制冷器等，在一个实施例中，第二制冷器632为蒸发器。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，箭头表示冷却液的流向，燃料电池冷却***还包括第三回路7，第三回路7中充满冷却液，沿冷却液的流动方向，第三回路7上设置有第二散热器71、第二水泵72、空压机73、空压机控制器74、电机控制器75、电压转换器76和电机77，第三回路7是对车辆的其他部件进行冷却，进行冷却时借助第一制冷器1实现，第二散热器71设置在第一制冷器1和第一散热器2之间，第一制冷器1对气体进行降温后，气体先经过第二散热器71与第二散热器71进行热交换，使第三回路7中的冷却液的温度降低，冷却液再对空压机73、电机77等进行冷却，第二水泵72用于驱动第三回路7中的冷却液对第三回路7上的部件进行冷却并快速循环，空压机73压缩空气，空压机控制器74控制空压机73工作，电机77驱动车辆行驶，电机控制器75控制电机77工作，电压转换器76将燃料电池512所产生的电能的电压转化为电机77所需的电压值，第二水泵72、空压机73、电机77等在运行过程中均会产生热量，通过设置第三回路7对部件进行冷却，保证冷却***的正常运行。

其中，空压机控制器74并联在空压机73上，在第三回路7上还设置有第二膨胀箱78，第二膨胀箱78设置在电机77和第二水泵72之间，通过设置第二膨胀箱78能够排除第三回路7中冷却液中的气体，实现气液分离。

下面对本申请与现有技术的效果进行数据说明：

现有技术中，通过冷凝器612的散热量为4KW-6KW，经计算通过冷凝器612后空气温升5℃-8℃。通过低温散热器的散热量为20kW，经计算通过低温散热器后空气温升到6℃-7.5℃，冷却空气通过冷凝器612和低温散热器温度上升11℃-15.5℃，即燃料电池512散热器的液气温差下降11℃-15.5℃，假设原燃料电池512散热器液气温差要求为30℃，冷却空气被空调冷凝器612和低温散热器加热11℃-15.5℃，燃料电池512散热器的性能约下降37％-52％，只能将低温散热器尺寸和风扇3尺寸做相应的加大，才能满足燃料电池512的冷却需求，但车辆的布置空间不能满足低温散热器尺寸和风扇3尺寸加大的要求；

车辆所处环境温度为40℃，湿度50％，第一制冷器1的芯体尺寸为300mm*300mm，根据湿空气焓湿图得出第一制冷器1入口焓值h1为104kj/kg，通过第一制冷器1的空气质量为m，m＝密度*体积，体积＝风速*第一制冷器1面积，气体进入格栅4后的风速范围：5.7-6.8m/s，环境温度40℃时空气密度1.113kg/m³，热量公式为Q＝h*m，Q1＝104*1.113*(5.7-6.8)*0.09＝60.5kW-72.5kW；

第一制冷器1要求温度为30℃，湿度50％，查询湿空气焓湿图获取焓值h2＝64.1kj/kg，环境温度30℃时空气密度1.165kg/m³，Q2＝64.1*1.165*(5.7-6.8)*0.09＝38kW-45.7kW；

经计算，第一制冷器1散热量Q3＝Q1-Q2(第一制冷器1吸热量＝第一制冷器1外部前端高热量-第一制冷器1外部后端低热量为22.5kW-26.8kW，空气通过第一制冷器1温度可降低Δt＝Q3/(C*M)，C为空气的定压比热，M为空气质量，经计算Δt＝8℃-8.5℃，即第一散热器2的液气温差可增加≥8℃；

假设原液气温差要求为Δt1＝30℃，本申请液气温差Δt2≥38℃，原燃料电池512散热模块散热量为Q1，本申请燃料电池512散热模块散热量为Q2，根据公式Q＝C*M*Δt，Q2比Q1大26.7％，即在同尺寸同性能的情况下，采用本申请的燃料电池冷却模块换热性能提升26.7％。

根据上述数据对比，本申请不仅可用于小功率的燃料电池512车辆，还可用于大功率的燃料电池512车辆，大功率输出的燃料电池512所产生的热量大，采用本申请的技术方案能够有效增大气体与冷却液之间的温差，冷却效果明显。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷却模块，其特征在于，包括：

第一制冷器，所述第一制冷器设置成降低气体温度；

第一散热器，沿所述气体的流动方向，所述第一散热器设置在所述第一制冷器后，且所述第一散热器设置成用于与燃料电池连接并冷却所述燃料电池；

其中，所述气体被降温后沿所述第一制冷器流向所述第一散热器，所述气体设置成冷却所述第一散热器。

2.根据权利要求1所述的燃料电池冷却模块，其特征在于，所述燃料电池冷却模块还包括：

风扇，所述风扇设置在所述第一散热器和所述燃料电池之间。

3.根据权利要求1所述的燃料电池冷却模块，其特征在于，所述燃料电池冷却模块还包括：

格栅，沿所述气体流动的方向，所述格栅设置在所述第一制冷器之前。

4.根据权利要求1所述的燃料电池冷却模块，其特征在于，所述第一制冷器为蒸发器。

5.一种燃料电池冷却***，其特征在于，包括第一回路、第二回路和如权利要求1-4任一项所述的燃料电池冷却模块：

所述第一散热器和所述燃料电池设置在所述第一回路上，所述第一回路设置成对所述燃料电池进行温度调节；

所述第一制冷器设置在所述第二回路上，所述第二回路设置成冷却所述第一制冷器和车辆驾驶舱。

6.根据权利要求5所述的燃料电池冷却***，其特征在于，所述第一回路中充满冷却液，且所述第一回路包括第一主路、第一支路、第二支路和第三支路；

沿所述冷却液的流动方向，所述第一主路上设置有第一水泵和所述燃料电池，所述第一支路上设置有所述第一散热器，所述第二支路上设置有PTC加热器，且所述第一支路和所述第二支路并联在所述第一主路上，所述第三支路上设置有离子过滤器，且所述第三支路连接所述第一主路和所述第二支路。

7.根据权利要求5所述的燃料电池冷却***，其特征在于，所述第二回路中充满制冷剂，且第二回路包括第二主路、第四支路和第五支路；

沿所述制冷剂的流动方向，所述第二主路上设置有压缩机和冷凝器，所述第四支路上设置有第一阀门和所述第一制冷器，所述第五支路上设置有第二阀门和第二制冷器，且所述第四支路和第五支路并联在所述第二主路上。

8.根据权利要求5所述的燃料电池冷却***，其特征在于，所述燃料电池冷却***还包括第三回路，且所述第三回路中充满冷却液；

沿所述冷却液的流动方向，所述第三回路上设置有第二散热器、第二水泵、空压机、空压机控制器、电机控制器、电压转换器和电机；

所述第二散热器设置在所述第一制冷器和所述第一散热器之间；

所述空压机控制器并联在所述空压机上。

9.根据权利要求6所述的燃料电池冷却***，其特征在于，所述第一回路上还设置有第一膨胀箱，所述第一膨胀箱设置在所述第一散热器和所述第一水泵之间。

10.根据权利要求8所述的燃料电池冷却***，其特征在于，所述第三回路上还设置有第二膨胀箱，所述第二膨胀箱设置在所述电机和所述第二水泵之间。

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