CN218385290U - 一种燃料电池相变强化散热*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种燃料电池相变强化散热***，包括电堆、冷却液泵、散热器、相变热端、相变冷端、相变材料储液罐；电堆冷却液出口连接冷却液泵的冷却液入口，冷却液泵的冷却液出口连接散热器冷却液入口，散热器的冷却液出口连接相变热端一次侧入口，相变热端一次侧出口连接电堆冷却液入口，形成燃料电池冷却液循环；相变热端二次侧出口连接相变冷端入口，相变冷端出口连接相变材料储液罐的入口，相变材料储液罐出口连接相变热端二次侧入口，形成相变材料冷却循环。本实用新型通过电堆热管理***结合散热性能要求进行改进，利用相变材料潜热大幅增加散热能力，结合相变材料换热器性能强化散热，改善燃料电池在高温、高海拔、干燥恶劣环境下的工作性能。

Description

一种燃料电池相变强化散热***

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池相变强化散热***。

背景技术

氢燃料电池因拥有能量密度高、噪声低、零排放的优点，并且产物只有水，被认为是氢能利用的最佳方式。其中，质子交换膜燃料(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)因其工作温度低、启动快、功率密度高、模块化便于推广等优点成为研究热点，是目前应用领域最为广泛的燃料电池。

可靠性和耐久性一直是制约PEMFC进一步应用和商业化的重要因素，热管理被视为燃料电池性能与耐久性的重要影响因素，其中散热是高温环境下大功率运行面临的主要挑战，尤其是在高温、高海拔、干燥恶劣环境下往往散热能力无法满足要求，散热寄生能耗占比高，导致燃料电池性能差、运行效率低。

对于大功率水冷型燃料电池***，一般采用液冷散热方式，将电堆产热通过去离子水、去离子水和乙二醇溶液、含纳米颗粒的纳米流体、相变材料等液体冷却工质带出，再释放到外部环境或被利用。现有相变材料冷却是将沸点与电堆正常工作温度相近的液体相变材料作为冷却工质，通入电堆冷却流道，利用相变吸热原理与电堆换热实现散热目的。此外，热管技术也被应用到燃料电池电堆散热中，现有技术是降热管的热端通过特殊工艺集成于电堆内部中，实现电堆散热。

但是，现有相变材料冷却直接作为冷却工质，发生相变，可能影响导热系数、压力平衡，甚至给膨胀水箱设计带来困难；而现有热管技术将热端集成在电堆内，改变了电堆结构，增加了电堆体积和重量，并且热管与电堆接触同样带来冷却液密封问题和固固热传导困难问题。

实用新型内容

为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种燃料电池相变强化散热***，通过燃料电池电堆***结合散热性能要求进行改进，利用相变材料潜热大幅增加散热能力，结合相变材料换热器性能强化散热，改善燃料电池在高温、高海拔、干燥恶劣环境下的工作性能。

为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种燃料电池相变强化散热***，包括燃料电池电堆、冷却液泵、散热器、相变热端、相变冷端、相变材料储液罐；

所述燃料电池电堆冷却液出口连接所述冷却液泵的冷却液入口，所述冷却液泵的冷却液出口连接所述散热器冷却液入口，所述散热器的冷却液出口连接所述相变热端一次侧入口，所述相变热端一次侧出口连接燃料电池电堆冷却液入口，形成燃料电池冷却液循环；

所述相变热端二次侧出口连接所述相变冷端入口，所述相变冷端出口连接所述相变材料储液罐的入口，所述相变材料储液罐出口连接所述相变热端二次侧入口，形成相变材料冷却循环。

进一步的是，还包括喷雾装置和水回收装置，所述水回收装置入口与燃料电池电堆排水口相连，所述水回收装置出口与所述喷雾装置入口相连，所述喷雾装置产生的水雾送往所述散热器空气流道入口。

进一步的是，所述冷却液泵出口与所述燃料电池电堆入口间设置带旁路阀Ⅰ的旁路。

进一步的是，所述散热器进出口间设置带旁路阀Ⅱ的旁路。

进一步的是，所述相变材料储液罐出口经调节阀连接所述相变热端二次侧入口。

进一步的是，所述燃料电池电堆冷却液出口设置温度传感器T1、入口设置温度传感器T2，所述相变冷端出口设置温度传感器T3。

进一步的是，还包括控制器，所述控制器与温度传感器T1、温度传感器T2和温度传感器T3、旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、废水回收装置和喷雾装置相连进行信息交互；所述控制器接收温度传感器T1、温度传感器T2和温度传感器T3的采集信号控制旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、废水回收装置和喷雾装置的工况。

进一步的是，所述相变热端安置于低处，所述相变冷端安置于高处，所述相变材料储液罐处于两者之间，所述相变热端中的相变材料被冷却液加热相变后，流向所述相变冷端散热冷却后变回液态，靠自身重力流回所述相变材料储液罐和相变热端，形成相变材料冷却循环。

进一步的是，所述相变冷端利用自然冷却、迎风效应冷却、风机强制冷却或空调废排风冷却，实现冷端散热。

采用本技术方案的有益效果：

本实用新型充分利用燃料电池热管理拓扑结构并进行改进，实现物质实现能量物质的综合利用，提高燃料电池整体能源利用率。通引入相变材料循环形成分体式热管，充分利用热管较高的换热效率与相变材料相变潜热，可以大幅度强化散热能力，改善燃料电池在高温、高海拔、干燥恶劣环境下的工作性能。

附图说明

图1为本实用新型的一种燃料电池相变强化散热***的结构示意图；

图2为本实用新型的一种燃料电池相变强化散热***的顶部示意图；

图3为本实用新型的一种燃料电池相变强化散热***的控制连接示意图。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，一种燃料电池相变强化散热***，包括燃料电池电堆、冷却液泵、散热器、相变热端、相变冷端、相变材料储液罐；

所述燃料电池电堆冷却液出口连接所述冷却液泵的冷却液入口，所述冷却液泵的冷却液出口连接所述散热器冷却液入口，所述散热器的冷却液出口连接所述相变热端一次侧入口，所述相变热端一次侧出口连接燃料电池电堆冷却液入口，形成燃料电池冷却液循环；

所述相变热端二次侧出口连接所述相变冷端入口，所述相变冷端出口连接所述相变材料储液罐的入口，所述相变材料储液罐出口连接所述相变热端二次侧入口，形成相变材料冷却循环。

作为上述实施例的优化方案1，如图2所示，还包括喷雾装置和水回收装置，所述水回收装置入口与燃料电池电堆排水口相连，所述水回收装置出口与所述喷雾装置入口相连，所述喷雾装置产生的水雾送往所述散热器空气流道入口。

所述水回收装置随所述燃料电池电堆工作，所述燃料电池电堆中产生的尾气废水经所述水回收装置处理并储存，待需要时经所述喷雾装置用以喷雾冷却。

雾化后水由于其汽化潜热而有较好的冷却效果，同时增加通过散热器芯体内空气湿度进而增加其比热，可以提高散热器性能，同时可以减少散热器寄生损耗，减少散热器工作噪声。

作为上述实施例的优化方案2，如图3所示，所述冷却液泵出口与所述燃料电池电堆入口间设置带旁路阀Ⅰ(M1)的旁路。

所述散热器进出口间设置带旁路阀Ⅱ(M2)的旁路。

所述相变材料储液罐出口经调节阀(M3)连接所述相变热端二次侧入口。

所述燃料电池电堆冷却液出口设置温度传感器T1、入口设置温度传感器T2，所述相变冷端出口设置温度传感器T3。

控制器与温度传感器T1、温度传感器T2和温度传感器T3、旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、废水回收装置和喷雾装置相连进行信息交互；所述控制器接收温度传感器T1、温度传感器T2和温度传感器T3的采集信号控制旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、废水回收装置和喷雾装置的工况。

所述控制策略，通过所述控制器控制旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、喷雾装置，使得燃料电池电堆冷却液进出口温度满足要求。

作为上述实施例的优化方案3，所述相变热端安置于低处，所述相变冷端安置于高处，所述相变材料储液罐处于两者之间，所述相变热端中的相变材料被冷却液加热相变后，流向所述相变冷端散热冷却后变回液态，靠自身重力流回所述相变材料储液罐和相变热端，形成相变材料冷却循环。

所述相变冷端利用自然冷却、迎风效应冷却或风机强制冷却，实现冷端散热。

相变冷端可以自我调节，使得相变冷端C口温度低于相变材料相变温度；

为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：

冷却液泵带动燃料电池冷却液带走电堆热量，冷却液通过旁路阀与散热器支路流入相变热端，之后流回电堆；相变材料储液罐中相变材料通过调节阀M3流入相变热端二次侧与一次侧冷却液换热，相变汽化后流入相变冷端，在自然空气、迎风效应、风机、空调废排风作用下冷却，之后流回储液罐进行下一次循环。

燃料电池***启停过程中，燃料电池电堆冷却液出入口侧温度低于燃料电池额定工作温度时，冷却液泵启动，旁路阀Ⅰ打开，冷却液通过旁路阀Ⅰ支路流回电堆，不经过散热器与相变换热，***不进行散热，以便电堆更高效启停。

燃料电池电堆达到正常工作温度后，旁路阀Ⅰ关闭，旁路阀Ⅱ、调节阀打开，冷却液通过旁路阀Ⅱ旁路流经相变热端，相变材料储液罐中的相变材料通过调节阀M3流向相变热端，并与相变热端一次侧的冷却液进行换热。调节调节阀M3开度，使得更多冷却液、相变材料流向换热器，增强***换热能力，保证相变材料流量与相变热端HE一次侧冷却液流量匹配在合理范围内。

当无源换热能力达到一定程度，即调节阀开度一定时，需要降低旁路阀Ⅱ开度，使得更多冷却液流经散热器进行有源散热。当燃料电池电堆冷却液出口侧温度升高，则增大散热器风机转速以提高散热能力；燃料电池电堆冷却液出口侧温度下降，则降低散热器风机转速。

该控制方式以水循环为基础，采用以相变材料为工质的分体式热管为无源散热方式并强化电堆散热能力，其冷却能力与水、相变材料汽化潜热有关，无源散热辅助电堆可以减少***的寄生损耗。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，包括燃料电池电堆、冷却液泵、散热器、相变热端、相变冷端、相变材料储液罐；

所述燃料电池电堆冷却液出口连接所述冷却液泵的冷却液入口，所述冷却液泵的冷却液出口连接所述散热器冷却液入口，所述散热器的冷却液出口连接所述相变热端一次侧入口，所述相变热端一次侧出口连接燃料电池电堆冷却液入口，形成燃料电池冷却液循环；

所述相变热端二次侧出口连接所述相变冷端入口，所述相变冷端出口连接所述相变材料储液罐的入口，所述相变材料储液罐出口连接所述相变热端二次侧入口，形成相变材料冷却循环。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，还包括喷雾装置和水回收装置，所述水回收装置入口与燃料电池电堆排水口相连，所述水回收装置出口与所述喷雾装置入口相连，所述喷雾装置产生的水雾送往所述散热器空气流道入口。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，所述冷却液泵出口与所述燃料电池电堆入口间设置带旁路阀Ⅰ的旁路。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，所述散热器进出口间设置带旁路阀Ⅱ的旁路。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，所述相变材料储液罐出口经调节阀连接所述相变热端二次侧入口。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，所述燃料电池电堆冷却液出口设置温度传感器T1、入口设置温度传感器T2，所述相变冷端出口设置温度传感器T3。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与温度传感器T1、温度传感器T2和温度传感器T3、旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、废水回收装置和喷雾装置相连进行信息交互；所述控制器接收温度传感器T1、温度传感器T2和温度传感器T3的采集信号控制旁路阀Ⅰ、旁路阀Ⅱ、调节阀、冷却液泵、散热器、废水回收装置和喷雾装置的工况。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，所述相变热端安置于低处，所述相变冷端安置于高处，所述相变材料储液罐处于两者之间，所述相变热端中的相变材料被冷却液加热相变后，流向所述相变冷端散热冷却后变回液态，靠自身重力流回所述相变材料储液罐和相变热端，形成相变材料冷却循环。

9.根据权利要求1或8所述的一种燃料电池相变强化散热***，其特征在于，所述相变冷端利用自然冷却、迎风效应冷却、风机强制冷却或空调废排风冷却，实现冷端散热。

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