一种大功率燃料电池发动机冷却系统的制作方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种大功率燃料电池发动机冷却系统。


背景技术：

2.燃料电池发动机的冷却系统要确保电堆及附件在适宜的温度范围内工作；温度较低或较高，均会导致电堆性能恶化；合理、完善地利用热能，有效地进行热管理及节能降耗，提高燃料电池发动机性能至关重要；
3.燃料电池发动机的电堆一般要求冷却液的电导率小于5μs/cm，否则会使电堆性能恶化；冷却液一般采用去离子水，在经过冷却系统各零部件后，会使其电导率超标；因此，在水泵出口进电堆前均并联设置了去离子器，一般需10％的冷却液流量流经去离子器被去离子，以满足进电堆总的冷却液电导率要求；而燃料电池发动机目前常用的冷却系统，其冷却回路采用并联或串联结构冷却电堆和附件；这种方式，对于大功率燃料电池发动机，其冷却液由于要流经的金属零部件较多且体积较大，会使冷却液的电导率远远超标；为了满足电堆对冷却液电导率的要求，则流经去离子器被去离子的冷却液流量将增大，因此，提高了对去离子器的流通、承压能力要求；目前市场上还缺乏满足大流量需求的去离子器；如果采用市场成熟的去离子器，则需要并联两个或以上的去离子器，才能满足要求；这样，将增加去离子器的选型难度，同时由于加大了冷却液流量和增加了去离子器，使成本由此增加。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种大功率燃料电池发动机冷却系统，以解决现有技术在冷起动时使那些不必要冷却的零部件(即空压机、变压器和中冷器)也冷却了、浪费能源、无法利用辅助加热功能的问题，并解决并联两个或两个以上去离子器以及增加去离子水的用量而导致的成本增加问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种大功率燃料电池发动机冷却系统，包括附件冷却单循环回路、冷却电堆双循环回路、空气滤清器和增湿器，空气滤清器通过附件冷却单循环回路管路连通至增湿器的第一进气端，增湿器的出气端通过第二管路连接至电堆的进气端，第二管路上分别安装空气进堆温度传感器、空气进堆压力传感器，增湿器的第二进气端通过第三管路连接至电堆的出气端，第三管路上安装空气出堆压力传感器，冷却电堆双循环回路分别管路连通至电堆的进水端、出水端，附件冷却单循环回路的变压器的正极、负极分别导线连接至电堆的正极、负极，附件冷却单循环回路、冷却电堆双循环回路分别信号连接至控制器。
7.进一步的，空气滤清器通过第一管路连通至增湿器的第一进气端，第一管路上自空气滤清器至增湿器的第一进气端依次安装流量计、附件冷却单循环回路的空压机、附件冷却单循环回路的中冷器，流量计信号连接至控制器，空压机信号连接至附件冷却单循环回路的空压机控制器。
8.进一步的，附件冷却单循环回路还包括第一水泵、第一散热器、第一水箱和第一风扇，散热器一端通过第四管路连通至中冷器的出水端，第四管路上安装散热器进口温度传感器，第一散热器另一端通过第五管路连通至中冷器的进水端，第五管路上自第一散热器至中冷器的进水端依次安装第一水泵、散热器出口温度传感器，第一水泵通过第六管路连通至第五管路，第六管路与第五管路连通处比第一水泵更靠近第一散热器，第一散热器上安装第一风扇，第五管路分别通过第七管路、第八管路连通至第四管路，第七管路上安装变压器，第八管路上分别安装空压机、空压机控制器，散热器进口温度传感器、散热器出口温度传感器、第一水泵、第一散热器、第一风扇、空压机控制器分别信号连接至控制器。
9.进一步的，冷却电堆双循环回路包括第二水泵、第二散热器、滤网、去离子器、第二水箱、ptc加热器、节温器和第二风扇，第二散热器上安装第二风扇，第二散热器一端通过第九管路连通至电堆的进水端，第九管路上自第二散热器至电堆的进水端依次安装第二水泵、电堆进堆温度传感器、电堆进堆压力传感器，第二水箱通过第十一管路连通至第九管路，且第十一管路与第九管路连通处比第二水泵更靠近第二散热器，第二散热器另一端通过第十管路连通至去离子器的出水端，第十管路上自第二散热器至去离子器的出水端依次安装电堆出堆温度传感器、节温器，去离子器的进水端通过第十二管路连通至电堆的出水端，第十二管路上安装滤网，节温器为三通电磁阀，节温器的第三端通过第十三管路连通至第九管路，第十三管路上安装ptc加热器，第十三管路、第九管路连通处比十一管路、第九管路连通处更靠近第二散热器，电堆进堆温度传感器、电堆进堆压力传感器、电堆出堆温度传感器、第二水泵、第二散热器、ptc加热器、节温器、第二风扇分别信号连接至控制器。
10.相对于现有技术，本发明所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统具有以下有益效果：
11.(1)本发明所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统，在冷起动时起辅助加热功能，使那些冷起动时不必要冷却的部件(即空压机、变压器和中冷器)不冷却，与常用冷却系统比，减少了去离子水的用量，兼具冷起动时辅助加热功能，充分完善了燃料电池发动机热管理系统，并合理利用了空压机压后热能，满足了冷却散热及节能降耗目标，且为低温冷起动提供了有利条件。
12.(2)本发明所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统，降低了对去离子器流通能力的要求，当零下低温冷起动不需要对其冷却时，控制器控制关闭附件冷却单循环回路，这样正好可利用空压机压后的热空气辅助加热电堆，结合控制器同时分别控制节温器、ptc加热器开始工作，使得冷却液经 ptc加热器来加热，辅助加热电堆，使电堆升温，省去现有技术所需要的进气加热装置，节约了冷却液加热及循环能耗。
附图说明
13.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
14.图1为本发明实施例所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统的示意图；
15.图2为本发明实施例所述的冷却电堆双循环回路的示意图；
16.图3为本发明实施例所述的附件冷却单循环回路的示意图。
17.附图标记说明：
tem01251-1，变压器14型号为ntfc120kw，第二散热器22和第二风扇为一体结构，且型号为nefc02-srq1,第二水箱25型号为nefc-sx1，第一水泵13 型号为02.03.522.0050，第一散热器16和第一风扇为一体结构，且型号 nefc02-srq2,第一水箱17型号为nefc-sx2，在冷起动时起辅助加热功能，使那些冷起动时不必要冷却的部件(即空压机11、变压器14和中冷器11) 不冷却，与常用冷却系统比，减少了去离子水的用量，兼具冷起动时辅助加热功能，充分完善了燃料电池发动机热管理系统，并合理利用了空压机11 压后热能，满足了冷却散热及节能降耗目标，且为低温冷起动提供了有利条件。
24.如图1和图3所示，空气滤清器3通过第一管路连通至增湿器5的第一进气端，第一管路上自空气滤清器3至增湿器5的第一进气端依次安装流量计4、附件冷却单循环回路1的空压机11、附件冷却单循环回路1的中冷器 12，流量计4信号连接至控制器，空压机11信号连接至附件冷却单循环回路1的空压机控制器15，保证空气能够依次经过空气滤清器3、空压机11、中冷器12、增湿器5后进入电堆6；
25.附件冷却单循环回路1还包括第一水泵13、第一散热器16、第一水箱 17和第一风扇，散热器16一端通过第四管路连通至中冷器12的出水端，第四管路上安装散热器进口温度传感器，第一散热器16另一端通过第五管路连通至中冷器12的进水端，第五管路上自第一散热器16至中冷器12的进水端依次安装第一水泵13、散热器出口温度传感器，第一水泵13通过第六管路连通至第五管路，第六管路与第五管路连通处比第一水泵13更靠近第一散热器16，第一散热器16上安装第一风扇，第五管路分别通过第七管路、第八管路连通至第四管路，第七管路上安装变压器14，第八管路上分别安装空压机11、空压机控制器15，散热器进口温度传感器、散热器出口温度传感器、第一水泵13、第一散热器16、第一风扇、空压机控制器15分别信号连接至控制器，控制器控制第一水泵13停止工作，附件冷却单循环回路1 关闭，这样正好可利用空压机11压后的热空气辅助加热电堆6，在冷起动时起辅助加热功能，使那些冷起动时不必要冷却的部件(即空压机11、变压器 14和中冷器12)不冷却，合理利用了空压机11压后热能，满足了冷却散热及节能降耗目标。
26.如图1-2所示，冷却电堆双循环回路2包括第二水泵21、第二散热器 22、滤网23、去离子器24、第二水箱25、ptc加热器26、节温器27和第二风扇，第二散热器22上安装第二风扇，第二散热器22一端通过第九管路连通至电堆6的进水端，第九管路上自第二散热器22至电堆6的进水端依次安装第二水泵21、电堆进堆温度传感器、电堆进堆压力传感器，第二水箱25通过第十一管路连通至第九管路，且第十一管路与第九管路连通处比第二水泵21更靠近第二散热器22，第二散热器22另一端通过第十管路连通至去离子器24的出水端，第十管路上自第二散热器22至去离子器24的出水端依次安装电堆出堆温度传感器、节温器27，去离子器24的进水端通过第十二管路连通至电堆6的出水端，第十二管路上安装滤网23，节温器27为三通电磁阀，节温器27的第三端通过第十三管路连通至第九管路，第十三管路上安装ptc加热器26，第十三管路、第九管路连通处比十一管路、第九管路连通处更靠近第二散热器22，电堆进堆温度传感器、电堆进堆压力传感器、电堆出堆温度传感器、第二水泵21、第二散热器22、ptc加热器26、节温器27、第二风扇分别信号连接至控制器，降低了对去离子器流通能力的要求 (因为第二散热器22另一端通过第十管路连通至去离子器24的出水端，第十管路上自第二散热器22至去离子器24的出水端依次安装电堆出堆温度传感器、节温器27，去离子器24的进水端通过第十二管路连通至电堆6的出水端，第十二管路上安装滤网
23)，ptc加热器26用于为冷却液加热，节温器27用于使冷却液能够顺利被ptc加热器26加热。
27.本发明 的工作原理：冷却电堆双循环回路2的冷却液采用去离子水，零下低温冷起动电堆6不需要散热时，控制器控制节温器27第三端开启，同时控制ptc加热器26开始工作，使得冷却液经ptc加热器26来加热，辅助加热电堆6，使电堆6升温；
28.附件冷却单循环回路1的冷却液采用水，当零下低温冷起动不需要对其冷却时，控制器控制第一水泵13停止工作，附件冷却单循环回路1关闭，这样正好可利用空压机11压后的热空气辅助加热电堆6，结合上述冷却液加热等方法，为冷起动提供条件，省去现有技术所需要的进气加热装置，节约了冷却液加热及循环能耗。
29.本发明的控制方式是通过控制器来控制的，控制器的控制电路通过本领域的技术人员编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
30.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大功率燃料电池发动机冷却系统，其特征在于：包括附件冷却单循环回路(1)、冷却电堆双循环回路(2)、空气滤清器(3)和增湿器(5)，空气滤清器(3)通过附件冷却单循环回路(1)管路连通至增湿器(5)的第一进气端，增湿器(5)的出气端通过第二管路连接至电堆(6)的进气端，第二管路上分别安装空气进堆温度传感器、空气进堆压力传感器，增湿器(5)的第二进气端通过第三管路连接至电堆(6)的出气端，第三管路上安装空气出堆压力传感器，冷却电堆双循环回路(2)分别管路连通至电堆(6)的进水端、出水端，附件冷却单循环回路(1)的变压器(14)的正极、负极分别导线连接至电堆(6)的正极、负极，附件冷却单循环回路(1)、冷却电堆双循环回路(2)分别信号连接至控制器。2.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统，其特征在于：空气滤清器(3)通过第一管路连通至增湿器(5)的第一进气端，第一管路上自空气滤清器(3)至增湿器(5)的第一进气端依次安装流量计(4)、附件冷却单循环回路(1)的空压机(11)、附件冷却单循环回路(1)的中冷器(12)，流量计(4)信号连接至控制器，空压机(11)信号连接至附件冷却单循环回路(1)的空压机控制器(15)。3.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统，其特征在于：附件冷却单循环回路(1)还包括第一水泵(13)、第一散热器(16)、第一水箱(17)和第一风扇，散热器(16)一端通过第四管路连通至中冷器(12)的出水端，第四管路上安装散热器进口温度传感器，第一散热器(16)另一端通过第五管路连通至中冷器(12)的进水端，第五管路上自第一散热器(16)至中冷器(12)的进水端依次安装第一水泵(13)、散热器出口温度传感器，第一水泵(13)通过第六管路连通至第五管路，第六管路与第五管路连通处比第一水泵(13)更靠近第一散热器(16)，第一散热器(16)上安装第一风扇，第五管路分别通过第七管路、第八管路连通至第四管路，第七管路上安装变压器(14)，第八管路上分别安装空压机(11)、空压机控制器(15)，散热器进口温度传感器、散热器出口温度传感器、第一水泵(13)、第一散热器(16)、第一风扇、空压机控制器(15)分别信号连接至控制器。4.根据权利要求3所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统，其特征在于：冷却电堆双循环回路(2)包括第二水泵(21)、第二散热器(22)、滤网(23)、去离子器(24)、第二水箱(25)、ptc加热器(26)、节温器(27)和第二风扇，第二散热器(22)上安装第二风扇，第二散热器(22)一端通过第九管路连通至电堆(6)的进水端，第九管路上自第二散热器(22)至电堆(6)的进水端依次安装第二水泵(21)、电堆进堆温度传感器、电堆进堆压力传感器，第二水箱(25)通过第十一管路连通至第九管路，且第十一管路与第九管路连通处比第二水泵(21)更靠近第二散热器(22)，第二散热器(22)另一端通过第十管路连通至去离子器(24)的出水端，第十管路上自第二散热器(22)至去离子器(24)的出水端依次安装电堆出堆温度传感器、节温器(27)，去离子器(24)的进水端通过第十二管路连通至电堆(6)的出水端，第十二管路上安装滤网(23)，节温器(27)为三通电磁阀，节温器(27)的第三端通过第十三管路连通至第九管路，第十三管路上安装ptc加热器(26)，第十三管路、第九管路连通处比十一管路、第九管路连通处更靠近第二散热器(22)，电堆进堆温度传感器、电堆进堆压力传感器、电堆出堆温度传感器、第二水泵(21)、第二散热器(22)、ptc加热器(26)、节温器(27)、第二风扇分别信号连接至控制器。

技术总结
本发明提供了一种大功率燃料电池发动机冷却系统，空气滤清器通过附件冷却单循环回路管路连通至增湿器的第一进气端，增湿器的出气端通过第二管路连接至电堆的进气端，增湿器的第二进气端通过第三管路连接至电堆的出气端，第三管路上安装空气出堆压力传感器，冷却电堆双循环回路分别管路连通至电堆的进水端、出水端，本发明所述的一种大功率燃料电池发动机冷却系统，减少了去离子水的用量，降低了对去离子器流通能力的要求，兼具冷起动时辅助加热功能，充分完善了燃料电池发动机热管理系统，并合理利用了空压机压后热能，满足了冷却散热及节能降耗目标，且为低温冷起动提供了有利条件。件。件。


技术研发人员：袁永先 仲蕾 陈晓飞 吴波 刘长振 任庆霜 董江峰 徐广辉
受保护的技术使用者：中国北方发动机研究所（天津）
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2022/3/7