车辆、燃料电池发动机及其散热系统的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种车辆、燃料电池发动机及其散热系统。


背景技术：

2.燃料电池的工作温度一般在60-80℃，大功率电堆工作压力通常要达到2-3个大气压，因此需要将入堆空气先用空压机进行加压，但是经过空压机压缩后空气温度通常在150℃以上，不能直接进电堆反应，以防损坏膜电极，因此还需要在空压机后、电堆前设置中冷器对空气进行冷却。中冷器实际上是换热器，通过冷却介质对入堆空气进行冷却。
3.现有的燃料电池发动机的散热结构一般较为复杂，例如采用冷却液分流冷却的方案，依靠增加冷却液旁路和温控阀等装置来实现的，结构较为复杂，系统能效不高。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有的燃料电池发动机的散热结构复杂且散热效果差的问题，提供一种车辆、燃料电池发动机及其散热系统。
5.一种燃料电池发动机的散热系统，包括：
6.散热器；
7.喷淋机构，连接于所述散热器；
8.集液机构，与所述喷淋机构、燃料电池发动机的尾排管路分别连通，所述集液机构收集所述尾排管路排出的废水，所述喷淋机构将所述废水喷洒至所述散热器；
9.其中，所述集液机构具有集液通道，所述集液通道与所述喷淋机构、燃料电池发动机的尾排管路分别连通，且所述集液通道至少部分外露于外部空气中。
10.上述的燃料电池发动机的散热系统，通过在集液机构内设置集液通道，且集液通道至少部分外露于外部空气中，集液通道收集废水的同时能够与外部空气进行热交换，而使收集于集液通道内的废水冷却，以提高散热器的换热性能，加强燃料电池发动机的换热效率。
11.在其中一个实施例中，还包括集液管，所述集液管分别连通所述燃料电池发动机的尾排管路及所述集液通道。
12.在其中一个实施例中，所述集液管具有第一开口端及第二开口端，所述第一开口端连通所述燃料电池发动机的尾排管路，所述第二开口端连通所述集液通道，所述第一开口端的内径大于所述第二开口端的内径。
13.在其中一个实施例中，还包括连接管及驱动泵，所述连接管连通所述集液通道及所述喷淋机构，所述驱动泵设于所述连接管。
14.在其中一个实施例中，所述喷淋机构包括固定架及喷头，所述固定架固定于所述散热器，所述喷头连接于所述固定架且朝向所述散热器。
15.在其中一个实施例中，所述喷头的数量为至少两个，且各所述喷头呈阵列排布。
16.在其中一个实施例中，所述散热器呈长条状，且所述散热器的高度大于所述散热器的宽度。
17.在其中一个实施例中，所述散热器的数量为至少两个，各所述散热器沿同一方向并排设置。
18.在其中一个实施例中，所述集液通道呈波浪形。
19.一种燃料电池发动机，包括上述的燃料电池发动机的散热系统。上述的燃料电池发动机，散热系统的换热性能好，燃料电池发动机的换热效率高。
20.一种车辆，包括上述的燃料电池发动机。上述的车辆，换热效率高。
附图说明
21.图1为一实施例中燃料电池发动机的散热系统的示意图；
22.图2为图1所示散热系统中喷淋机构的示意图；
23.图3为图1所示散热系统中散热器的第一示意图；
24.图4为图1所示散热系统中散热器的第二示意图。
25.附图标记：
26.10、尾排管路；20、电池堆；100、散热器；200、喷淋机构；210、固定架；220、喷头；300、集液机构；301、集液通道；400、集液管；500、连接管；600、驱动泵；700、风扇；800、防风罩。
具体实施方式
27.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
28.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
30.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“初始”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
31.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以
是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
33.燃料电池的热管理水平对电池输出性能、稳定性和耐久性等方面都具有极其重要的影响。合理的热管理方案和冷却系统设计能及时排出电池废热保持合理稳定电池温度水平，保证电堆平稳高效的输出特性。燃料电池系统通常包括电堆、冷却系统、加湿系统、供氧系统和供氢系统等。冷却系统一般包括冷却水箱、冷却水泵、散热器和冷却风扇等，而冷却水泵和冷却风扇也是系统最主要的耗功部分之一，且系统部件消耗的功率是由电堆发电供给的，燃料电池系统部件自身工作消耗的功率统称为寄生功率，寄生功率越小则电堆发电能向外输出的功率越高。如何在保证电堆稳定的温度水平前提下尽可能减少寄生功率、提高电堆输出性能也是一个重要的研究优化方向。
34.燃料电池的工作温度一般在60-80℃，大功率电堆工作压力通常要达到2-3个大气压，因此需要将入堆空气先用空压机进行加压，但是经过空压机压缩后空气温度通常在150℃以上，不能直接进电堆反应，以防损坏膜电极，因此还需要在空压机后、电堆前设置中冷器对空气进行冷却。中冷器实际上是换热器，通过冷却介质对入堆空气进行冷却。
35.燃料电池发动机的热效率大约在45％-60％之间，而其不像传统发动机的水温可以控制到115℃，燃料电池发动机的出水温度最高只有90℃，并且排气带走的热量以及辐射热量非常少，因此燃料发动机产生的热量基本依靠散热器带走，使得整车冷却系统的散热负荷非常大，通常同功率的燃料电池发动机与传统柴油机相比，冷却液带走的散热量是传统柴油机的两倍有余。使得整车散热器的散热面积、风扇的风量、前围有效通风面积等都要相应增大，导致整车设计、散热器的布置很困难。
36.尤其是氢燃料电池发动机中，利用氢燃料电池供能，氢燃料电池(亦质子交换膜燃料电池)是一种将氢气的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。质子交换膜燃料电池运行过程中约会产生40％-50％的热能，使电池温度上升，若多余的热量不能及时排出使电池温度水平保持稳定，极易使电解质膜脱水、收缩甚至造成破裂等不可逆转的损伤，降低电池的稳定性和耐久性。
37.现有的燃料电池发动机的散热结构一般较为复杂，例如采用冷却液分流冷却的方案，依靠增加冷却液旁路和温控阀等装置来实现的，结构较为复杂，系统能效不高。
38.基于上述考虑，经深入研究，设计了一种车辆、燃料电池发动机及其散热系统。在散热系统中，通过在集液机构内设置集液通道，且集液通道至少部分外露于外部空气中，集液通道收集废水的同时能够与外部空气进行热交换，而使收集于集液通道内的废水冷却，以提高散热器的换热性能，加强燃料电池发动机的换热效率。
39.请参考图1，一实施例中的燃料电池发动机的散热系统包括散热器100、喷淋机构200及集液机构300，喷淋机构200连接于散热器100，集液机构300与喷淋机构200、燃料电池发动机的尾排管路10分别连通，集液机构300收集尾排管路10排出的废水，喷淋机构200将废水喷洒至散热器100。
40.其中，集液机构300具有集液通道301，集液通道301与喷淋机构200、燃料电池发动机的尾排管路10分别连通，且集液通道301至少部分外露于外部空气中。
41.上述的燃料电池发动机的散热系统，通过在集液机构300内设置集液通道301，且集液通道301至少部分外露于外部空气中，集液通道301收集废水的同时能够与外部空气进行热交换，而使收集于集液通道301内的废水冷却，以提高散热器100的换热性能，加强燃料电池发动机的换热效率。
42.此处，燃料电池发动机中的燃料电池为氢电池堆20，由尾排管路10排出的全部为水，未包含其他有害液体，从而能够有效利用尾排管路10排出的废水，使用安全，避免造成安全隐患。
43.在本实施例中，集液机构300的数量为一。在其他实施例中，集液机构300的数量还可以为至少两个，各集液机构300并排布设，以加快对尾排管路10排出的废水的收集效率。
44.在本实施例中，集液机构300的材质为铝，导热效率高。在其他实施例中，集液机构300的材质还可以为不锈钢或其他材质。
45.根据本技术中的一些实施例，请参考图1，燃料电池发动机的散热系统还包括集液管400，集液管400分别连通燃料电池发动机的尾排管路10及集液通道301。通过该设置，能够使燃料电池发动机的尾排管路10及集液通道301顺畅地连通。
46.具体地，参考图1，集液管400具有第一开口端及第二开口端，第一开口端连通于燃料电池发动机的尾排管路10，第二开口端连通于集液通道301，第一开口端的内径大于第二开口端的内径。如此，能够使尾排管路10的废水通过集液管400快速流向集液通道301。
47.在本实施例中，集液管400的第一开口端呈喇叭状，且集液管400的第一开口端以自身中心轴线外扩。在其他实施例中，集液管400的第一开口端还可以呈其他形状。
48.在本实施例中，集液管400与燃料电池发动机的尾排管路10、集液机构300均通过焊接方式固定连接。在其他实施例中，集液管400与燃料电池发动机的尾排管路10、集液机构300还可以通过铆接方式固定连接，或者集液管400与燃料电池发动机的尾排管路10、集液机构300三者为一体成型结构，整体性好且机械强度高，便于快速拆装。
49.根据本技术中的一些实施例，请参考图1，燃料电池发动机的散热系统还包括连接管500及驱动泵600，连接管500连通集液通道301及喷淋机构200，驱动泵600设于连接管500。如此，通过驱动泵600能够将集液通道301内收集的废水抽取至喷淋机构200，再通过喷淋机构200将废水喷洒至散热器100。
50.具体地，驱动泵600可以为机械泵，机械泵需要通过人工辅助操作。电动泵无需人工辅助操作即可持续抽取废水，效率高且节约人工成本。
51.可选地，驱动泵600用于为满足冷却流量要求的任意类型泵，可以为叶片式泵或容积式泵。本实施例中选择为叶片泵，叶片泵具有流量均匀，运行平稳且噪声小的特点。此外，叶片泵的结构紧凑，体积小，可以进一步减小燃料电池发动机的散热系统的体积。
52.在本实施例中，连接管500与集液机构300、喷淋机构200均通过焊接方式固定连
接。在其他实施例中，连接管500与集液机构300、喷淋机构200还可以通过铆接方式固定连接，或者连接管500与集液机构300、喷淋机构200三者为一体成型结构，整体性好且机械强度高，便于快速拆装。
53.在具体实施方式中，连接管500为软质管，也即连接管500能够随摆放方式不同而变形，以便于与集液通道301及喷淋机构200连接。
54.根据本技术中的一些实施例，请参考图1及图2，喷淋机构200包括固定架210及喷头220，固定架210固定于散热器100，喷头220连接于固定架210且朝向散热器100。通过该设置，能够使喷头220喷出的废水直接喷洒至散热器100，避免喷头220距离散热器100过远而无法有效喷洒。
55.在本实施例中，固定架210通过螺钉或螺栓等紧固件固定于散热器100。在其他实施例中，固定架210还可以通过卡接或插接方式固定于散热器100。
56.在本实施例中，喷头220可拆卸地设于固定架210，以便于喷头220损坏后及时更换。例如，固定架210上开设限位槽，喷头220的安装部插设或卡设于限位槽内，以使喷头220可拆卸地连接于固定架210。在其他实施例中，喷头220及固定架210还可以为一体成型结构，整体性好且便于快速拆装。
57.进一步地，喷头220还可以转动设于固定架210，如此能够调节喷头220的摆放角度，从而调整喷头220的喷洒位置及喷洒方向，能够更好地与散热器100配合。
58.根据本技术中的一些实施例，请参考图2，喷头220的数量为至少两个，且各喷头220呈阵列排布。如此，能够扩大喷淋机构200的喷洒区域，有效保证废水能够喷洒至散热器100，使散热器100有效降温。
59.例如，如图1示出的实施例中，各喷头220呈矩形阵列排布。在其他实施例中，各喷头220还可以呈圆形阵列或其他阵列排布。
60.本实施例中，为了使各喷头220喷水的均匀性，各喷头220的喷水量均相同。在其他实施例中，还可以使各喷头220的喷头220量不完全相同，例如散热器100散热量较多的位置对应的喷头220的喷水量较大，散热器100散热量较小的位置对弈的喷头220的喷水量较小，从而更好地对散热器100冷却降温，且有利于节能。
61.根据本技术中的一些实施例，请参考图3，散热器100呈长条状，且散热器100的高度大于散热器100的宽度。如此，能够在有限空间内尽量增大散热器100的散热面积，从而有利于燃料电池发动机的快速散热。
62.需说明的是，在其他实施例中，散热器100还可以呈圆形或其他形状。散热器100的类型可以为铸铁散热器100、钢制散热器100和铝合金散热器100，在此对散热器100的类型不作具体限定。
63.根据本技术中的一些实施例，请参考图3及图4，散热器100的数量为至少两个，各散热器100沿同一方向并排设置。如此，能够进一步加强散热器100的散热效果。
64.例如，如图3所示，各散热器100沿同一方向并排设置，且每两相邻的散热器100呈夹角摆放；如图4所示，各散热器100沿同一方向并排设置，且每两相邻的散热器100间隔设置。
65.在本实施例中，各散热器100的类型及尺寸均相同，以便于快速布设各散热器100。在其他实施例中，各散热器100的类型及尺寸可以不完全相同，从而根据实际需求灵活组合
使用各散热器100。
66.具体地，请参考图3及图4，在各散热器100与电池堆20之间还设有风扇700及防风罩800，以使各散热器100的气流能够更均匀地吹向电池堆20，以对电池堆20进行散热。
67.根据本技术中的一些实施例，请参考图1，集液通道301呈波浪形。如此，能够使集液通道301的路径变长，从而使集液通道301内的废水冷却。
68.在具体实施方式中，集液通道301的数量可以为一，集液通道301的数量也可以为至少两个。当集液通道301的数量为至少两个时，各集液通道301可以互相连通，也可以不互相连通，各集液通道301的形状可以相同也可以不完全相同。
69.请参考图1，一实施例中的燃料电池发动机包括上述的燃料电池发动机的散热系统。
70.需说明的是，上述的燃料电池发动机除了包括散热系统，还设有电池堆20、气体输配、回收系统、加湿系统、监控系统及其他构件，散热系统用于收集电池堆20反应后通过尾排管路10排出的废水，利用废水使散热器100降温冷却，以对废水再次回收利用，利于资源重复利用且节约成本。
71.请参考图1，一实施例中的车辆包括上述的燃料电池发动机。
72.具体地，车辆包括但不限于乘用车、商用车、公交车等，车辆安装有燃料电池发动机，并且该燃料电池发动机为上述任意一实施例中所公开的燃料电池发动机。
73.根据本技术的一些实施例，参考图1至图4，一实施例中的燃料电池发动机的散热系统包括散热器100、喷淋机构200、集液机构300、集液管400、连接管500及驱动泵600，喷淋机构200连接于散热器100，集液管400分别连通燃料电池发动机的尾排管路10及集液通道301，集液机构300收集尾排管路10排出的废水，喷淋机构200将废水喷洒至散热器100。连接管500连通集液通道301及喷淋机构200，驱动泵600设于连接管500。喷淋机构200包括固定架210及喷头220，固定架210固定于散热器100，喷头220连接于固定架210且朝向散热器100，散热器100呈长条状且散热器100的高度大于散热器100的宽度，散热器100的数量为至少两个，各散热器100沿同一方向并排设置。
74.其中，集液机构300具有集液通道301，集液通道301与喷淋机构200、燃料电池发动机的尾排管路10分别连通，且集液通道301至少部分外露于外部空气中，集液通道301呈波浪形。
75.请参考图1，一实施例中的燃料电池发动机包括上述的燃料电池发动机的散热系统及电池堆20。
76.请参考图1，一实施例中的车辆包括上述的燃料电池发动机。
77.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
78.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。