一种燃料电池浸没式冷却系统及方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池浸没式冷却系统及方法。

背景技术

现有燃料电池冷却系统多采用单相液冷的方式，即不发生相变，仅通过冷却介质的温度变化来实现热量传递。现有燃料电池冷却系统采用的单相液冷方式换热系数低，导热速率低、效率低、能力弱，此外若发生热交换不及时的情况，冷却介质的局部温升也会导致电堆温度升高，难以稳定维持电堆工作温度，特别是电堆产热量突然大幅度增加时对电堆的工作状态、故障率、寿命等影响很大，无法完全适应电堆工作的各类工况、环境。

现有燃料电池冷却系统的特点是燃料电池电堆和产热辅助部件在同一个循环内，具体表现在燃料电池电堆和其他产热部件共用冷却介质，而燃料电池电堆对冷却介质绝缘性能的要求比其他产热部件高，从而导致冷却系统对冷却介质绝缘性能的整体要求较高，冷却介质的使用和维护成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池浸没式冷却系统及方法，导热速率高、效率高、能力强，能够稳定维持电堆工作温度，能够适应电堆工作的各类工况、环境；能够极大地减少高绝缘性能冷却介质的使用量以及延长使用周期，从而有效降低高绝缘性能冷却介质使用和维护成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池浸没式冷却方法，基于燃料电池浸没式冷却系统，包括冷却箱、辅助水泵、散热器和主水泵；所述冷却箱包括浸没腔和冷凝腔；浸没腔为密闭结构，在浸没腔内充斥有液态冷却介质；在浸没腔内安装燃料电池电堆和辅助水泵，且燃料电池电堆和辅助水泵浸没在液态冷却介质中，辅助水泵出口与燃料电池电堆的冷却液入口相连；在所述浸没腔和冷凝腔之间设置有导热板，浸没腔和冷凝腔之间通过导热板连接；所述冷凝腔上设置有冷却液出口和冷却液入口；冷凝腔的冷却液出口与散热器入口相连，散热器出口与主水泵入口相连，主水泵出口与冷凝腔的冷却液入口相连；

燃料电池浸没式冷却方法包括步骤：

燃料电池电堆产生热量温度升高，辅助水泵吸入液态冷却介质泵入燃料电池电堆冷却流道中；液态冷却介质在燃料电池电堆内冷却流道及燃料电池电堆表面吸收大量的热量汽化发生相变，电堆冷却液出口排出物混合着气态和液态冷却介质，电堆表面也发生沸腾有气泡产生；气体上浮遇冷雾化形成蒸汽在导热板上凝结成水滴又落回液态介质中形成循环，由气态相变为液态释放出大量的热通过导热板传递至冷凝腔；

主水泵吸入低温冷却液并泵入冷凝腔，冷凝腔内充斥着流动的冷却液，吸收导热板传递的热量变为高温冷却液；高温冷却水在散热器处将热量排到系统外变为低温冷却水，再被水泵重新吸入形成循环。

进一步的是，在所述冷凝腔和散热器的冷却回路上设置燃料电池系统中产热辅助部件；

主水泵吸入低温冷却液并泵入冷凝腔，冷凝腔内和燃料电池系统中产热辅助部件的冷却流道内充斥着流动的冷却液，吸收导热板传递的热量和产热辅助部件的热量变为高温冷却液；最终在散热器处将热量排到系统外变为低温冷却液，再被水泵重新吸入形成循环。

进一步的是，基于燃料电池浸没式冷却系统中设置主水泵出口温度传感器、散热器入口温度传感器和散热器出口温度传感器；

通过主水泵出口温度传感器、散热器入口温度传感器和散热器出口温度传感器分别测得主水泵出口温度T

主控制器接收各个温度传感器测得的温度数据并计算产热部件出入口温差ΔT＝T

主控制器通过查询T

主控制器将计算得到的散热器风扇目标转速r

进一步的是，在所述浸没腔内设置有箱体压力传感器，箱体压力传感器位于浸没腔内上方气体中；在所述浸没腔上设置有紧急泄压阀；

通过箱体压力传感器实时监测箱体气体压力P，若箱体气体压力P未超过预设阈值P

另一方面，本发明还提供了一种燃料电池浸没式冷却系统，包括冷却箱、辅助水泵、散热器和主水泵；

所述冷却箱包括浸没腔和冷凝腔；浸没腔为密闭结构，在浸没腔内充斥有液态冷却介质；在浸没腔内安装燃料电池电堆和辅助水泵，且燃料电池电堆和辅助水泵浸没在液态冷却介质中，辅助水泵出口与燃料电池电堆的冷却液入口相连；在所述浸没腔和冷凝腔之间设置有导热板，浸没腔和冷凝腔之间通过导热板连接；所述冷凝腔上设置有冷却液出口和冷却液入口；

冷凝腔的冷却液出口与散热器入口相连，散热器出口与主水泵入口相连，主水泵出口与冷凝腔的冷却液入口相连。

进一步的是，还包括去离子器，去离子器安装在浸没腔内且浸没在液态冷却介质中，去离子器与辅助水泵并联。利用去离子器是吸附冷却液中的离子，增加冷却液绝缘性能，延长冷却液使用周期。通过在水泵并联去离子器是为了驱动冷却液通过去离子器，同时尽量减小辅助水泵回路冷却液流动阻力。

进一步的是，在所述浸没腔内设置有箱体压力传感器，箱体压力传感器位于浸没腔内上方气体中。

进一步的是，在所述浸没腔上设置有紧急泄压阀，在箱体内气体压力过大时打开泄压，防止冷凝循环中断发生爆箱事件。

进一步的是，还包括主水泵出口温度传感器、散热器入口温度传感器和散热器出口温度传感器，主水泵出口温度传感器、散热器入口温度传感器和散热器出口温度传感器分别位于主水泵出口、散热器入口和散热器出口。

进一步的是，在所述冷凝腔和散热器的冷却回路上串联设置燃料电池系统中的产热辅助部件，冷凝腔的冷却液出口与燃料电池系统中产热辅助部件的冷却液入口相连，产热辅助部件的冷却液出口与散热器入口相连。

或者，在所述冷凝腔和散热器的冷却回路上并联设置燃料电池系统中产热辅助部件，所述燃料电池系统中产热辅助部件两端并联在冷凝腔两端。

在对燃料电池系统中主产热部件电堆进行两相冷却的同时，还可以利用外部散热相对燃料电池系统中其他产热辅助部件进行冷却，完成整个燃料电池系统的统一散热。

采用本技术方案的有益效果：

在本发明中由于对电堆这一主要热源采用的是两相液冷的方式，相对于现有单相液冷的燃料电池冷却系统，液态冷却介质在汽化过程吸收的热量比升温大得多，并且液态冷却介质浸没的方式也增强了电堆表面的散热能力，因此所述燃料电池浸没式冷却系统换热系数要高得多，导热速率高、效率高、能力强，且冷却介质吸热汽化后气态冷却介质上浮，液态冷却介质温度始终保持在沸点，能够将浸没在液态冷却介质中的电堆维持在稳定的工作温度下，特别是在应对电堆产热量突然大幅度增加时能够起到关键的缓冲作用，有着显著的优势，能够适应电堆工作的各类工况、环境。

在本发明中将电堆从主循环中独立出来，与主循环不共用和交换冷却介质，可极大地减少高绝缘性能冷却介质的使用量以及延长使用周期，从而有效降低高绝缘性能冷却介质的使用和维护成本。

在本发明中由于冷凝腔与密闭的浸没腔是相互独立的，因此主循环所采用的冷却液无需考虑绝缘性能，只需采用普通的冷却液即可作为换热时的冷却介质，因此所述燃料电池浸没式冷却系统的散热方式可极大地减少高绝缘性能冷却介质的使用量，同时由于浸没腔内的高绝缘性能冷却介质不参与主循环，因此浸没腔内的高绝缘性能冷却介质和去离子器的使用周期得以延长，从而有效降低高绝缘性能冷却介质和去离子器的使用和维护成本。

附图说明

图1为本发明的一种燃料电池浸没式冷却方法的流程示意图。

图2为本发明的一种燃料电池浸没式冷却系统的结构示意图；

图3为本发明一种优化实施方式中燃料电池浸没式冷却系统的结构示意图；

图4为本发明另一种优化实施方式中燃料电池浸没式冷却系统的结构示意图；

1—燃料电池电堆；2—辅助水泵；3—去离子器；4—箱体压力传感器；5—浸没腔；6—导热板；7—冷凝腔；8—产热辅助部件；9—散热器入口温度传感器；10—散热器；11—散热器出口温度传感器；12—主水泵；13—主水泵出口温度传感器；14—紧急泄压阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池浸没式冷却方法，基于燃料电池浸没式冷却系统，包括冷却箱、辅助水泵2、散热器10和主水泵12；所述冷却箱包括浸没腔5和冷凝腔7；浸没腔5为密闭结构，在浸没腔5内充斥有液态冷却介质；在浸没腔5内安装燃料电池电堆1和辅助水泵2，且燃料电池电堆1和辅助水泵2浸没在液态冷却介质中，辅助水泵2出口与燃料电池电堆1的冷却液入口相连；在所述浸没腔5和冷凝腔7之间设置有导热板6，浸没腔5和冷凝腔7之间通过导热板6连接；所述冷凝腔7上设置有冷却液出口和冷却液入口；冷凝腔7的冷却液出口与散热器10入口相连，散热器10出口与主水泵12入口相连，主水泵12出口与冷凝腔7的冷却液入口相连；

燃料电池浸没式冷却方法包括步骤：

燃料电池电堆1产生热量温度升高，辅助水泵2吸入液态冷却介质泵入燃料电池电堆1冷却流道中；液态冷却介质在燃料电池电堆1内冷却流道及燃料电池电堆1表面吸收大量的热量汽化发生相变，电堆冷却液出口排出物混合着气态和液态冷却介质，电堆表面也发生沸腾有气泡产生；气体上浮遇冷雾化形成蒸汽在导热板6上凝结成水滴又落回液态介质中形成循环，由气态相变为液态释放出大量的热通过导热板6传递至冷凝腔7；

主水泵12吸入低温冷却液并泵入冷凝腔7，冷凝腔7内充斥着流动的冷却液，吸收导热板6传递的热量变为高温冷却液；高温冷却水在散热器10处将热量排到系统外变为低温冷却水，再被水泵重新吸入形成循环。

作为上述燃料电池浸没式冷却方法实施例的优化方案1，在所述冷凝腔7和散热器10的冷却回路上设置燃料电池系统中产热辅助部件8；

主水泵12吸入低温冷却液并泵入冷凝腔7，冷凝腔7内和燃料电池系统中产热辅助部件8的冷却流道内充斥着流动的冷却液，吸收导热板6传递的热量和产热辅助部件8的热量变为高温冷却液；最终在散热器10处将热量排到系统外变为低温冷却液，再被水泵重新吸入形成循环。

作为上述燃料电池浸没式冷却方法实施例的优化方案2，基于燃料电池浸没式冷却系统中设置主水泵出口温度传感器13、散热器入口温度传感器9和散热器出口温度传感器11；

通过主水泵出口温度传感器13、散热器入口温度传感器9和散热器出口温度传感器11分别测得主水泵12出口温度T

主控制器接收各个温度传感器测得的温度数据并计算产热部件出入口温差ΔT＝T

主控制器通过查询T

主控制器将计算得到的散热器10风扇目标转速r

作为上述燃料电池浸没式冷却方法实施例的优化方案3，在所述浸没腔5内设置有箱体压力传感器4，箱体压力传感器4位于浸没腔5内上方气体中；在所述浸没腔5上设置有紧急泄压阀14；

通过箱体压力传感器4实时监测箱体气体压力P，若箱体气体压力P未超过预设阈值P

为配合本发明的实现，基于相同的发明构思，如图2所示，本发明还提供了一种燃料电池浸没式冷却系统，包括冷却箱、辅助水泵2、散热器10和主水泵12；

所述冷却箱包括浸没腔5和冷凝腔7；浸没腔5为密闭结构，在浸没腔5内充斥有液态冷却介质；在浸没腔5内安装燃料电池电堆1和辅助水泵2，且燃料电池电堆1和辅助水泵2浸没在液态冷却介质中，辅助水泵2出口与燃料电池电堆1的冷却液入口相连；在所述浸没腔5和冷凝腔7之间设置有导热板6，浸没腔5和冷凝腔7之间通过导热板6连接；所述冷凝腔7上设置有冷却液出口和冷却液入口；

冷凝腔7的冷却液出口与散热器10入口相连，散热器10出口与主水泵12入口相连，主水泵12出口与冷凝腔7的冷却液入口相连。

作为上述系统实施例的优化方案1，还包括去离子器3，去离子器3安装在浸没腔5内且浸没在液态冷却介质中，去离子器3与辅助水泵2并联。利用去离子器3是吸附冷却液中的离子，增加冷却液绝缘性能，延长冷却液使用周期。通过在水泵并联去离子器3是为了驱动冷却液通过去离子器3，同时尽量减小辅助水泵2回路冷却液流动阻力。

作为上述系统实施例的优化方案2，在所述浸没腔5内设置有箱体压力传感器4，箱体压力传感器4位于浸没腔5内上方气体中。

作为上述系统实施例的优化方案3，在所述浸没腔5上设置有紧急泄压阀14，在箱体内气体压力过大时打开泄压，防止冷凝循环中断发生爆箱事件。

作为上述系统实施例的优化方案4，还包括主水泵出口温度传感器13、散热器入口温度传感器9和散热器出口温度传感器11，主水泵出口温度传感器13、散热器入口温度传感器9和散热器出口温度传感器11分别位于主水泵12出口、散热器10入口和散热器10出口。实现介质温度的实时监控，便于冷却系统实现全自动调节。

作为上述系统实施例的优化方案5，如图3所示，在所述冷凝腔7和散热器10的冷却回路上串联设置燃料电池系统中的产热辅助部件8，冷凝腔7的冷却液出口与燃料电池系统中产热辅助部件8的冷却液入口相连，产热辅助部件8的冷却液出口与散热器10入口相连。产热辅助部件8是燃料电池系统中产生热量、需要冷却系统进行冷却的辅助系统部件的统称，包括中冷器、DC/DC变换器、空气压缩机及其控制器等。

作为上述系统实施例的优化方案6，如图4所示，在所述冷凝腔7和散热器10的冷却回路上并联设置燃料电池系统中产热辅助部件8，所述燃料电池系统中产热辅助部件8两端并联在冷凝腔7两端。

在对燃料电池系统中主产热部件电堆进行两相冷却的同时，还可以利用外部散热器对燃料电池系统中其他产热辅助部件8进行冷却，完成整个燃料电池系统的统一散热。

为了更好的理解本发明，下面对本发明的工作原理作一次完整的描述：

浸没腔5内的冷却介质有两个特性，一是冷却介质绝缘性能好，并设有去离子器3吸附冷却介质中的离子保证冷却介质在维护周期内的绝缘性能，二是冷却介质沸点温度能够保持电堆工作的适宜温度。工作时电堆产生热量温度升高，辅助水泵2吸入冷却介质泵入电堆中，加快换热速率，液态冷却介质在电堆内的冷却流道及电堆表面吸收大量的热量汽化发生相变，因此电堆出口排出物混合着气态和液态冷却介质，电堆表面也发生沸腾有气泡产生。这些气泡上浮遇冷雾化形成蒸汽最终在导热板6上凝结成水滴又落回液态冷却中形成循环，由气态相变为液态释放出大量的热通过导热板6传递至冷凝腔7。主循环采用的是单相液冷的方式，通过冷却液的温度变化来实现热量传递，主循环冷却液没有特别的要求，普通的水即可。主水泵12吸入低温冷却液泵入冷凝腔7和辅助部件，加快换热速率，冷凝腔7内和辅助部件冷却流道充斥着流动的冷却液，吸收电堆和辅助部件产生的热量变为高温冷却液，最终在散热器10处通过风扇将热量排到系统外变为低温冷却液，再被水泵重新吸入形成循环。

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。