延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的制作方法

1.本实用新型是关于新能源汽车技术领域，特别是关于一种延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统。


背景技术：

2.燃料电池系统是用于一种新能源汽车用的动力系统，以氢气作为燃料，空气作为氧化剂，产生电能的动力装置，排放物仅为水和热量。燃料电池系统包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、阀类零件、dcdc等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器、散热器等)、连接的管路接头、机械结构等。
3.燃料电池系统中最核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置，燃料电池电堆阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生空气的还原反应。燃料电池电堆不同于传统内燃机，是通过电化学反应产生电能，排放只有水。在电化学反应过程中，伴随着产热，需要通过冷却系统将燃料电池电堆反应的热量导出，以避免燃料电池电堆局部或整体过热。燃料电池电堆过热容易引起燃料电池电堆内的膜电极衰减，减少燃料电池电堆的寿命。故燃料电池电堆的热管理设计及架构至关重要。
4.为了冷却燃料电池电堆，冷却液需要通过燃料电池电堆中的双极板以导出热量，而双极板在燃料电池电堆工作过程中，会带有高电压(100-300v)，故燃料电池系统中使用的冷却液需要保持低电导率，以避免电压通过冷却液传导到燃料电池系统中其他零部件上，造成电气安全问题。在燃料电池系统运行过程中，增加电导率的原因是冷却液回路中各零件(如燃料电池电堆、中冷器、三通阀、散热器、膨胀水箱、连接管路的接头等)在运行过程中析出或释放的离子。现有方案是通过在燃料电池系统冷却系统中增加去离子器零件，以去除在燃料电池系统运行过程中产生的离子。但是，去离子器吸收离子的容量有限，在吸收一定量的离子后，将不在具备离子吸收的能力。所以，燃料电池系统需要定期更换去离子器，以保证冷却系统内的离子能够被持续去除，保证燃料电池系统冷却系统中的电导率在安全阈值之下。因为燃料电池系统中冷却系统的离子来源为各零部件，简化燃料电池系统冷却系统架构，减少冷却液与零件的接触能够有效减少离子的增加。
5.现有的燃料电池系统热管理子系统方案主要如下：
6.1、公开号为cn206353578u的专利申请提出了一种带蓄热加热功能的燃料电池热管理系统，将离子交换器设计在大循环水路的除气管路上面，有效地避免了高水阻离子交换器对主循环水路的。并在小循环中增加了电加热器，提高温度控制的精度。该方案为了集成了蓄热加热功能，相比现有方案增加了蓄热器和电磁阀，额外的零件会增加燃料电池系统冷却子系统成本，也会增加系统设计难度，并降低去离子器寿命。
7.2、公开号为cn113130934a的专利申请提出一种燃料电池整车集成式热管理系统，减少了管路和零部件，对燃料电池动力系统各个零部件的冷却系统做集成化设计。并且可以利用空压机和电机等的余热快速给燃料电池升温，使燃料电池达到启动温度和高效率点温度。该方案需要使用多个四通阀、三通阀，阀门的增加会增加燃料电池系统冷却子系统成
本，冷却系统支路增加会导致设计困难，也会降低去离子器寿命。
8.3、公开号为cn204749845u提出了一种燃料电池热管理系统，通过燃料电池车冷却回路与动力控制冷却环路公用膨胀水箱的方式，减少整车上的排气管安装，减少了整车的成本。该方案将燃料电池系统的冷却子系统与整车冷却系统连通，确实简化了结构。但是整车冷却系统与燃料电池系统冷却子系统不同，不需要去离子。连通整车冷却系统及燃料电池系统冷却子系统将提高整车冷却系统对冷却液离子析出的要求，提升冷却液成本。同时，连通整车冷却系统与燃料电池系统冷却子系统会增加冷却液体积，降低去离子器寿命。
9.4、公开号为cn109532565a的专利申请提出了一种氢燃料电池汽车热管理系统及控制方法，克服现燃料电池堆不能在过低环境温度条件启动工作的制约，通过在小循环支路设计了辅助水加热方案，实现燃料电池堆低温快速启动，提高燃料电池堆低温环境的适应能力；通过在水路系统增加一路辅助空调水暖换热系统，实现燃料电池堆的废热回收利用。辅助水加热及空调水暖换热功能需要增加水暖换热器、空气加热器、加热器等零件，会增加燃料电池系统冷却子系统成本，也会增加系统设计难度，并降低去离子器寿命。
10.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

11.本实用新型的目的在于提供一种延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统，其结构简单合理，减低了成本，且延长了去离子器的使用寿命。
12.为实现上述目的，本实用新型提供了一种延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统，包括：燃料电池电堆、冷却水泵、散热器、第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器以及去离子器。冷却水泵的出口通过第一管路与燃料电池电堆的冷却液腔的入口相连接。散热器的冷却液入口通过第二管路与燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接，且散热器的冷却液出口通过第三管路与冷却水泵的入口相连接。第一温度传感器设置于第一管路上。第二温度传感器设置于第二管路上。压力传感器设置于第二管路上。去离子器的入口通过第一排气管路与燃料电池电堆的冷却液腔的入口处相连接，且去离子器的出口通过第二排气管路与散热器的排气入口相连接。
13.在本实用新型的一实施方式中，燃料电池电堆的冷却液腔中的冷却液经出口流入散热器中冷却，经冷却的冷却液从散热器中流至冷却水泵，且经冷却水泵提升扬程后的冷却液流至燃料电池电堆的冷却液腔中，从而形成冷却液子系统主回路循环闭环。
14.在本实用新型的一实施方式中，燃料电池电堆的冷却液腔中的带有气泡的冷却通过第一排气管路流至去离子器，去离子器用以去除冷却液中的离子，随后通过第二排气管路流入至散热器的排气入口。
15.在本实用新型的一实施方式中，第一温度传感器用以实时监测燃料电池电堆的冷却液腔的入口温度，且第二温度传感器用以实时监测燃料电池电堆的冷却液腔的出口温度。
16.在本实用新型的一实施方式中，压力传感器用以实时监测燃料电池电堆的冷却液腔的出口压力。
17.在本实用新型的一实施方式中，压力传感器位于第二温度传感器和散热器之间。
18.在本实用新型的一实施方式中，散热器包括：散热器本体、散热器风扇以及膨胀水箱。散热器本体上开设有冷却液入口、冷却液出口、排气入口和排水口。散热器风扇固定安装于散热器本体的上方。以及膨胀水箱固定于散热器本体上，且膨胀水箱位于散热器风扇的一侧。其中，带有气泡的冷却液通过排气入口进入膨胀水箱中，从而完成气水分离。
19.在本实用新型的一实施方式中，膨胀水箱上具有泄压口，膨胀水箱的内部具有格栅结构，且膨胀水箱的下部分冷却液与散热器本体中的冷却液互通。
20.与现有技术相比，根据本实用新型的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统，结构简单合理，减少了燃料电池系统热管理子系统冷却液体积，延长了燃料电池系统中去离子器的使用寿命，取消了现有方案中的三通阀(电子节温器)或电磁阀，简化了燃料电池系统热管理子系统结构和设计，降低了系统成本。通过延长燃料电池系统去离子器使用寿命，减少了燃料电池整车维保成本。
附图说明
21.图1是根据本实用新型一实施方式的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的线框结构示意图；
22.图2是根据本实用新型一实施方式的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的散热器的一立体结构示意图；
23.图3是根据本实用新型一实施方式的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的散热器的另一立体结构示意图。
24.主要附图标记说明：
25.1-第一温度传感器，2-燃料电池电堆，3-第二温度传感器，4-压力传感器，5-散热器，501-散热器本体，502-散热器风扇，503-冷却液入口，504-冷却液出口，505-排气入口，506-排水口，507-膨胀水箱，508-泄压口，6-冷却水泵，7-去离子器，8-第一管路，9-第二管路，10-第三管路，11-第一排气管路，12-第二排气管路。
具体实施方式
26.下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
27.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
28.图1是根据本实用新型一实施方式的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的线框结构示意图。图2是根据本实用新型一实施方式的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的散热器5的一立体结构示意图。图3是根据本实用新型一实施方式的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统的散热器5的另一立体结构示意图。
29.如图1至图3所示，根据本实用新型优选实施方式的一种延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统，包括：燃料电池电堆2、冷却水泵6、散热器5、第一温度传感器1、第二温度传感器3、压力传感器4以及去离子器7。冷却水泵6的出口通过第一管路8与燃料电池电
堆2的冷却液腔的入口相连接。散热器5的冷却液入口通过第二管路9与燃料电池电堆2的冷却液腔的出口相连接，且散热器5的冷却液出口504通过第三管路10与冷却水泵6的入口相连接。第一温度传感器1设置于第一管路8上。第二温度传感器3设置于第二管路9上。压力传感器4设置于第二管路9上。去离子器7的入口通过第一排气管路11与燃料电池电堆2的冷却液腔的入口处相连接，且去离子器7的出口通过第二排气管路12与散热器5的排气入口505相连接。
30.在本实用新型的一实施方式中，燃料电池电堆2的冷却液腔中的冷却液经出口流入散热器5中冷却，经冷却的冷却液从散热器5中流至冷却水泵6，且经冷却水泵6提升扬程后的冷却液流至燃料电池电堆2的冷却液腔中，从而形成冷却液子系统主回路循环闭环。
31.在本实用新型的一实施方式中，燃料电池电堆2的冷却液腔中的带有气泡的冷却通过第一排气管路11流至去离子器7，去离子器7用以去除冷却液中的离子，随后通过第二排气管路12流入至散热器5的排气入口505。
32.在本实用新型的一实施方式中，第一温度传感器1用以实时监测燃料电池电堆2的冷却液腔的入口温度，且第二温度传感器3用以实时监测燃料电池电堆2的冷却液腔的出口温度。
33.在本实用新型的一实施方式中，压力传感器4用以实时监测燃料电池电堆2的冷却液腔的出口压力。压力传感器4位于第二温度传感器3和散热器5之间。
34.在本实用新型的一实施方式中，散热器5包括：散热器本体501、散热器风扇502以及膨胀水箱507。散热器本体501上开设有冷却液入口503、冷却液出口504、排气入口505和排水口506。散热器风扇502固定安装于散热器本体501的上方。以及膨胀水箱507固定于散热器本体501上，且膨胀水箱507位于散热器风扇502的一侧。其中，带有气泡的冷却液通过排气入口505进入膨胀水箱507中，从而完成气水分离。
35.在本实用新型的一实施方式中，膨胀水箱507上具有泄压口508，膨胀水箱507的内部具有格栅结构，且膨胀水箱507的下部分冷却液与散热器本体501中的冷却液互通。
36.在实际应用中，本实用新型的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统由第一温度传感器1、燃料电池电堆2、第二温度传感器3、压力传感器4、散热器5、冷却水泵6及管路、接头组成。燃料电池电堆2的冷却液腔的入口通过第一管路8、接头与温度传感器相连接，燃料电池电堆2的冷却液腔的出口通过第二管路9、接头与第二温度传感器3相连接。第二温度传感器3通过第二管路9、接头与压力传感器4相连接。压力传感器4通过第二管路9与散热器5的入口相连接，散热器5的出口通过第三管路10与冷却水泵6的入口相连接，冷却水泵6的出口通过第一管路8与燃料电池电堆2的冷却液腔入口相连接，形成冷却子系统主回路循环。其中，燃料电池系统冷却液子系统支路，由去离子器7与第一排气管路11、第二排气管路12和接头组成。燃料电池电堆2的入口处引出一路排气支路，通过第一排气管路11与去离子器7的入口相连接，去离子器7的出口通过第二排气管路12连接至散热器5的排气入口505，形成燃料电池系统冷却子系统支路。
37.冷却液子系统主回路中，燃料电池电堆2为主要热源，燃料电池系统运行过程中通过电化学产生热量。燃料电池电堆2的冷却液腔入口温度、出口温度由第一温度传感器1、第二温度传感器3分别进行监测，在燃料电池系统运行过程中，燃料电池电堆2出口温度高于入口温度。燃料电池电堆2的出口处压力由压力传感器4监测。燃料电池电堆2的冷却液腔出
口冷却液流入散热器5中冷却，冷却液温度降低。散热器5为车用风冷散热器5，通过风扇将热量导出冷却液子系统主回路。散热器5出口降低温度后的冷却液流入冷却水泵6，提升扬程。冷却水泵6出口冷却液，回流到燃料电池电堆2入口，形成冷却液子系统主回路循环闭环。其中，冷却液子系统支路中，燃料电池电堆2的入口排气支路，通过冷却液中气泡向上移动的趋势，将燃料电池电堆2入口冷却液中气体排向冷却液子系统支路。带有气泡的冷却液流经去离子器7，去除冷却液中的离子，随后流入散热器5的排气入口505。
38.而散热器5由散热器本体501、散热器风扇502、冷却液入口503、冷却液出口504、排气入口505、排水口506、膨胀水箱507、泄压口508组成。冷却液从散热器5冷却液入口503进入散热器本体501，在散热器本体501通过上方的散热器风扇502散热，降低冷却液的温度。散热后的冷却液从冷却液出口504流出散热器5。排气入口505为燃料电池系统冷却子系统排气支路终点，带有气泡的冷却液通过膨胀水箱507完成气水分离。膨胀水箱507内部带有格栅结构，减速排气入口505的带有气泡的冷却液射流速度，膨胀水箱507上部分为气体，下部分为冷却液，减速后的冷却液中的气泡将混入膨胀水箱507上部分的气体，减速后的冷却液将混入膨胀水箱507下部分冷却液。膨胀水箱507下部分冷却液与散热器本体501中冷却液互通，即作为膨胀水箱507的补水冷却液，也作为散热器本体501中的填充冷却液。排水口506为燃料电池系统冷却子系统排空是预留的排水口506。泄压口508为膨胀水箱507预留的连接泄压阀的连接孔，连接泄压阀后可以控制膨胀水箱507上部分的气体的压力。
39.通过调节冷却水泵6、散热器风扇502的转速，控制燃料电池系统冷却子系统的温度。通过第一温度传感器1、第二温度传感器3监测燃料电池电堆2冷却液腔入口、出口温度，形成燃料电池系统冷却子系统的温度的反馈控制。通过压力传感器4监测燃料电池电堆2冷却液腔出口压力，以散热器5上部分的气体的压力的控制情况，以此压力可推测燃料电池系统冷却子系统是否泄漏。
40.总之，本实用新型的延长去离子器使用寿命的燃料电池热管理系统，相比现有方案，取消了三通阀(电子节温器)或电磁阀，简化了燃料电池系统冷却子系统的架构，降低了集成设计及系统控制难度，降低了燃料电池系统成本。集成膨胀水箱的散热器设计，相比现有方案，通过取消膨胀水箱中的补水液，降低了燃料电池系统冷却子系统的冷却液体积，延长了去离子器使用寿命。通过延长燃料电池系统去离子器7使用寿命，减少了燃料电池整车维保成本。
41.前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。