一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统。


背景技术：

2.目前燃料电池系统冷却系统主要有散热器、水泵、节温器、中冷器、水管、ptc和一些管路组成，因电堆冷却水道和双极板导热导电，为保证系统安全，系统要求所有冷却系统零部件对冷却液绝缘，此外要求冷却液控制电导率，系统中增加去离子设备，系统结构复杂，零部件工艺要求严格，现有技术有很多不足，具体如下：
3.1.现有技术将电堆和其他辅助系统零部件串在一起，结构复杂；
4.2.冷却液不能完全绝缘，影响系统性能，有安全隐患；
5.3.冷却液电导率要求，冷却液工艺成本高；
6.4.对所有冷却系统内零部件的电导率要求，零部件成本高；
7.5.进出电堆冷却液有较大温差，影响系统使用寿命；
8.6.对所有零部件有洁净度要求，工艺难度大，成本高。
9.因此，提出一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统来解决上述问题很有必要。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，包括电堆系统，所述电堆系统中设置有电堆冷却腔，所述电堆冷却腔中充满绝缘冷却液将电堆冷却腔与电堆系统的外部零部件完全隔绝，所述电堆冷却腔的外部设置有相变热交换器，电堆冷却腔中的绝缘冷却液经过气态管路后进入相变热交换器，进入相变热交换器中的绝缘冷却液经过液态管路重新进入电堆冷却腔，所述电堆冷却腔中分为用于存储绝缘冷却液的沸腾腔室和位于沸腾腔室上方的蒸汽腔室。
12.优选的，沸腾腔室中绝缘冷却液沸腾过程中相变吸收大量潜热，绝缘冷却液沸腾气化变成气态，受压力和密度影响进入蒸汽腔室。
13.优选的，所述沸腾腔室压力不变，绝缘冷却液沸点不变，电堆冷却腔内温度均匀，蒸汽腔室内气态绝缘冷却液聚集后，经过气态管路流向相变热交换器，相变热交换器中设置有冷凝腔室和中间换流通道。
14.优选的，在冷凝腔室内，气态的绝缘冷却液与中间换流道接触，被中间换流道内低温冷却流体吸收热量后，冷凝成液态的绝缘冷却液，受压力和重力作用下，液态的绝缘冷却液流到位于相变热交换器下端内部的积液室，积液室内液态的绝缘冷却液聚集，在压力和重力的作用下，顺着液态管路再次回到沸腾腔室。
15.优选的，所述中间换流通道的一端设置有供低温冷却流体进入的冷却液入口管，中间换流通道的另一端设置有供吸收热量后的低温冷却流体流出的冷却液出口管。
16.优选的，所述冷却液出口管与冷却循环泵连接，冷却循环泵与外部散热器连接，外部散热器与冷却液入口管连接，所述冷却循环泵与外部散热器之间设置有节温器，节温器上连接有加热器，加热器的一端连接外部散热器，另一端连接冷却液入口管。
17.优选的，所述外部散热器的一侧设置有冷却风机。
18.本发明的技术效果和优点：
19.1、燃料电池冷却系统分为内部相变循环系统和外部显热循环系统，结构简单，逻辑清晰；
20.2、内部相变循环系统采用绝缘冷却液，完全隔开电堆和外部零部件，能达到完全绝缘的目的，提高系统安全系数；
21.3、内部相变循环系统，采用绝缘冷却液，无需控制电导率；外部显热循环系统与内部电堆不接触，无需控制电导率；降低冷却液工艺成本；
22.4、无需控制冷却液电导率，降低冷却系统中零部件工艺要求，降低成本，电堆内部进行相变换热，提高换热效率，降低电堆内部换热面积，减小电堆体积，提高系统性能；
23.5、电堆内部进行相变换热，相变冷却液沸点不变，进出电堆冷却液温差小，提高电堆内部温度一致性，提高系统性能；
24.6、外部显热循环冷却系统与电堆不接触，没有洁净度要求，零部件工艺简单，成本低。
附图说明
25.图1为本发明具备绝缘功能的燃料电池整体冷却系统结构示意图。
26.图2为本发明具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统结构示意图。
27.图中：相变热交换器1、电堆冷却腔2、气态管路3、液态管路4、中间换流通道5、冷却循环泵6、节温器7、外部散热器8、冷却风机9、加热器10、电堆系统11、冷凝腔室12、积液室13、沸腾腔室14、蒸汽腔室15、冷却液出口管16、冷却液入口管17。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明提供了如图1-图2所示的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，包括电堆系统11，电堆系统11中设置有电堆冷却腔2，电堆冷却腔2中充满绝缘冷却液将电堆冷却腔2与电堆系统11的外部零部件完全隔绝，电堆冷却腔2的外部设置有相变热交换器1，电堆冷却腔2中的绝缘冷却液经过气态管路3后进入相变热交换器1，进入相变热交换器1中的绝缘冷却液经过液态管路4重新进入电堆冷却腔2，电堆冷却腔2中分为用于存储绝缘冷却液的沸腾腔室14和位于沸腾腔室14上方的蒸汽腔室15。
30.燃料电池系统绝缘过程：燃料电池系统中电堆冷却腔2内充满绝缘冷却液，绝缘冷
却液与电堆冷却腔2接触，将电堆冷却腔2与电堆系统11的外部零部件完全隔绝。绝缘冷却液从电堆冷却腔2流出，经过气态管路3后进入相变热交换器1，随后通过液态管路4重新进入电堆冷却腔2，如此循环往复。整个过程中，电堆系统11与外部其他零部件不接触，从而实现完全绝缘的功能。
31.燃料电池冷却系统相变过程：燃料电池系统正常运行时，电堆系统11产生热量，沸腾腔室14存在大量绝缘冷却液，被电堆系统11产生热量加热升温到沸点，开始沸腾，沸腾过程中相变吸收大量潜热，液态绝缘冷却液沸腾气化变成气态，受压力和密度影响进入蒸汽腔室15。沸腾腔室14压力不变，绝缘冷却液沸点不变，电堆冷却腔2内温度均匀。蒸汽腔室15内气态绝缘冷却液聚集后，经过气态管路3流向相变热交换器1，在冷凝腔室12内，气态绝缘冷却液与中间换流道5接触，被中间换流道5内低温冷却流体吸收热量后，冷凝成液态绝缘冷却液，受压力和重力作用下，液态绝缘冷却液流到积液室13，积液室13内液态绝缘冷却液聚集，在压力和重力的作用下，顺着液态管路4再次回到沸腾腔室14。如此循环往复，将电堆系统11产生热量转移到中间换流道5内的低温冷却流体中，中间换流道5内的低温冷却流体从冷却液入口管17进入中间换流道5，吸收热量后，从冷却液出口管16流出，带走系统热量。
32.燃料电池冷却系统：电堆系统11产生热量，在沸腾腔室14加热绝缘冷却液，绝缘冷却液沸腾吸热产生相变，热量从电堆系统11转移到绝缘冷却液中，吸收热量后的绝缘冷却液沸腾成气态后，从气态管路3进入到相变热交换器1，在冷凝腔室12内放热冷凝成液态，热量从绝缘冷却液转移到中间换流道5内的低温冷却流体中，中间换流道5内的低温冷却流体从冷却液入口管17进入中间换流道5，吸收热量后，从冷却液出口管16流出，在冷却循环泵6作用下，加压运送到节温器7。根据冷却液温度，调整节温器7开度，一部分热态冷却液径过节温器7进入外部散热器8，在冷却风机9运行作用下，将热量散掉，从而变为低温冷却液，另一部分热态冷却液经过节温器7进入加热器10，被加热调节温度后，与外部散热器8中流出的低温冷却液汇合，混合成需要的温度，再经过冷却液入口管17重新进入中间换流道5。如此循环往复。

技术特征：
1.一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：包括电堆系统(11)，所述电堆系统(11)中设置有电堆冷却腔(2)，所述电堆冷却腔(2)中充满绝缘冷却液将电堆冷却腔(2)与电堆系统(11)的外部零部件完全隔绝，所述电堆冷却腔(2)的外部设置有相变热交换器(1)，电堆冷却腔(2)中的绝缘冷却液经过气态管路(3)后进入相变热交换器(1)，进入相变热交换器(1)中的绝缘冷却液经过液态管路(4)重新进入电堆冷却腔(2)，所述电堆冷却腔(2)中分为用于存储绝缘冷却液的沸腾腔室(14)和位于沸腾腔室(14)上方的蒸汽腔室(15)。2.根据权利要求1所述的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：沸腾腔室(14)中绝缘冷却液沸腾过程中相变吸收大量潜热，绝缘冷却液沸腾气化变成气态，受压力和密度影响进入蒸汽腔室(15)。3.根据权利要求2所述的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：所述沸腾腔室(14)压力不变，绝缘冷却液沸点不变，电堆冷却腔(2)内温度均匀，蒸汽腔室(15)内气态绝缘冷却液聚集后，经过气态管路(3)流向相变热交换器(1)，相变热交换器(1)中设置有冷凝腔室(12)和中间换流通道(5)。4.根据权利要求3所述的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：在冷凝腔室(12)内，气态的绝缘冷却液与中间换流道(5)接触，被中间换流道(5)内低温冷却流体吸收热量后，冷凝成液态的绝缘冷却液，受压力和重力作用下，液态的绝缘冷却液流到位于相变热交换器(1)下端内部的积液室(13)，积液室(13)内液态的绝缘冷却液聚集，在压力和重力的作用下，顺着液态管路(4)再次回到沸腾腔室(14)。5.根据权利要求4所述的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：所述中间换流通道(5)的一端设置有供低温冷却流体进入的冷却液入口管(17)，中间换流通道(5)的另一端设置有供吸收热量后的低温冷却流体流出的冷却液出口管(16)。6.根据权利要求5所述的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：所述冷却液出口管(16)与冷却循环泵(6)连接，冷却循环泵(6)与外部散热器(8)连接，外部散热器(8)与冷却液入口管(17)连接，所述冷却循环泵(6)与外部散热器(8)之间设置有节温器(7)，节温器(7)上连接有加热器(10)，加热器(10)的一端连接外部散热器(8)，另一端连接冷却液入口管(17)。7.根据权利要求6所述的一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，其特征在于：所述外部散热器(8)的一侧设置有冷却风机(9)。

技术总结
本发明公开了一种具备绝缘功能的燃料电池相变冷却系统，涉及到燃料电池系统技术领域，包括电堆系统，所述电堆系统中设置有电堆冷却腔，所述电堆冷却腔中充满绝缘冷却液将电堆冷却腔与电堆系统的外部零部件完全隔绝，所述电堆冷却腔的外部设置有相变热交换器，电堆冷却腔中的绝缘冷却液经过气态管路后进入相变热交换器。本发明燃料电池冷却系统分为内部相变循环系统和外部显热循环系统，结构简单，逻辑清晰；内部相变循环系统采用绝缘冷却液，完全隔开电堆和外部零部件，能达到完全绝缘的目的，提高系统安全系数；内部相变循环系统，采用绝缘冷却液，无需控制电导率；外部显热循环系统与内部电堆不接触，无需控制电导率；降低冷却液工艺成本。冷却液工艺成本。冷却液工艺成本。


技术研发人员：胡章胜 李仕栋 樊丽丽 何雍 吴兵
受保护的技术使用者：上海鲲华新能源科技有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/19