基于冷媒的燃料电池冷却装置及燃料电池电动车的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于冷媒的燃料电池冷却装置及燃料电池电动车。


背景技术：

2.燃料电池产生的热负荷要比传统内燃机大得多，极限工况约有50％~60％的热量需要被冷却装置带走，而传统内燃机只有约20％的热量需要被冷却装置带走。因此，燃料电池的散热需求要远远大于传统内燃机。并且，燃料电池的工作温度区间较窄，且对冷却装置的散热要求较高，需要快速散热。
3.现有燃料电池的冷却装置均无法达到其快速散热需求，导致热损耗较大，用户体验较差。此外，燃料电池在低温冷启动时需要进行预热处理，目前缺乏一种适用于燃料电池的能够快速散热且兼顾考虑低温冷启动预热的冷却装置。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种基于冷媒的燃料电池冷却装置及燃料电池电动车，用以解决现有技术无法实现快速散热且未兼顾冷启动预热需求的问题。
5.一方面，本实用新型实施例提供了一种基于冷媒的燃料电池冷却装置，包括第一调压阀（4）、第二调压阀（11）、四通换向阀（5）、变频压缩机（6）、冷凝器（8）和膨胀阀（10）；其中，
6.四通换向阀（5）的第一端口经第一调压阀（4）接燃料电池（1）的冷却液出口，第二端口经变频压缩机（6）接其第四端口，第三端口依次经冷凝器（8）、膨胀阀（10）、第二调压阀（11）接燃料电池（1）的冷却液入口，共同构成冷媒循环的流通支路；
7.四通换向阀（5）设有制冷功能驱动端和制热功能驱动端；制冷功能驱动端用于驱动其第一端口至第四端口的支路、其第二端口至第三端口的支路分别导通，制热功能驱动端用于驱动其第二端口-第一端口的支路、其第三端口-第四端口的支路分别导通。
8.上述技术方案的有益效果如下：提供了一种基于冷媒直接冷却制冷的冷却装置，当四通换向阀（5）的制冷功能启动，通过调节变频压缩机（6）、冷凝器（8）、膨胀阀（10），能够实现实现直接对燃料电池（1）快速精准控温；当四通换向阀（5）的制热功能启动，冷媒在燃料电池（1）内部进行反向加热，能够实现低温冷启动时预热功能。同时，在燃料电池（1）的冷却液进出口均设置一个调压阀，保证无论正向冷却还是反向加热时不会对燃料电池（1）造成损伤。
9.基于上述装置的进一步改进，该基于冷媒的燃料电池冷却装置还包括比例调节阀（9）；其中，
10.比例调节阀（9）设于膨胀阀（10）、冷凝器（8）之间；并且，
11.流通支路内循环流动的冷媒采用电绝缘型制冷剂。
12.进一步，该燃料电池冷却装置还包括用于在燃料电池（1）低温冷启动时启动四通换向阀（5）的制热功能并控制变频压缩机（6）、冷凝器（8）、膨胀阀（10）启动以制热直到燃料电池（1）冷启动成功后关闭四通换向阀（5）的制热功能的冷启动控制器；其中，
13.冷启动控制器的输出端分别与第一调压阀（4）、第二调压阀（11）、四通换向阀（5）、变频压缩机（6）、冷凝器（8）、膨胀阀（10）的控制端连接。
14.进一步，该燃料电池冷却装置还包括用于在燃料电池（1）运行过程中启动四通换向阀（5）的制冷功能以及在识别出堆冷媒温度高于设定正常运行值时提高变频压缩机（6）的频率、比例调节阀（9）的开度、冷凝器（8）的风扇转速以及在识别出堆冷媒温度低于设定正常运行值时降低变频压缩机（6）的频率、比例调节阀（9）的开度、冷凝器（8）的风扇转速的运行控制器；其中，
15.运行控制器的输出端分别与第一调压阀（4）、第二调压阀（11）、四通换向阀（5）、变频压缩机（6）、比例调节阀（9）、冷凝器（8）、膨胀阀（10）的控制端连接。
16.进一步，所述运行控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元；其中，
17.所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示数据采集单元采集的实时数据。
18.进一步，所述数据采集单元进一步包括：
19.第一温度传感器（3），布设于燃料电池（1）的冷却液出口处管道内壁上；
20.第二温度传感器（13），布设于燃料电池（1）的冷却液入口处管道内壁上；
21.第三压力传感器（7），布设于冷凝器（8）朝向四通换向阀（5）的端口处管道内壁上。
22.进一步，所述数据采集单元还包括：
23.第一压力传感器（2），布设于燃料电池（1）的冷却液出口处管道内壁上；
24.第二压力传感器（12），布设于燃料电池（1）的冷却液入口处管道内壁上。
25.进一步，该基于冷媒的燃料电池冷却装置还包括散热风扇；其中，
26.散热风扇设于燃料电池（1）的冷却液出口管道外部，其控制端与运行控制器的输出端连接。
27.进一步，该基于冷媒的燃料电池冷却装置还包括散热壳体；其中，
28.第一调压阀（4）、第二调压阀（11）、四通换向阀（5）、变频压缩机（6）、冷凝器（8）和膨胀阀（10）设于所述散热壳体内，该壳体的一侧集成了连接端口以分别固定连接燃料电池的冷却液入口、冷却液出口。
29.与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
30.1、当燃料电池（1）在低温环境冷启动时，开启四通换向阀（5）的制热功能，将制冷剂循环回路的流向进行换向，使其反向加热，对燃料电池（1）进行升温。
31.2、在燃料电池（1）处于运行状态时，开启四通换向阀（5）的制冷功能。当出堆冷媒温度高于设定正常运行值时，提高变频压缩机（6）的频率以增加制冷剂循环回路的冷媒压力和流量，提高比例调节阀（9）的开度以增加制冷剂循环回路的流量，提高冷凝器（8）的风扇转速以增加制冷剂循环回路的散热量。当出堆冷媒温度低于设定正常运行值时，降低变频压缩机（6）的频率以减少制冷剂循环回路的冷媒压力和流量，降低比例调节阀（9）的开度以减少制冷剂循环回路的流量，降低冷凝器（8）的风扇转以减少制冷剂循环回路的散热量。
32.3、通过各温度传感器和压力传感器对燃料电池（1）的冷却状态进行实时监测。
33.4、同时在燃料电池（1）的冷却液进出口均设置调压阀（4，11,），保证无论正向冷却还是反向加热时均不会出现温度突变的情形，不会对燃料电池（1）造成损伤。
34.5、该冷却装置降低了燃料电池电动车的能耗，同时提升了燃料电池电动车的舒适性和工作效率。
35.另一方面，本实用新型实施例还提供了一种燃料电池电动车，包括上述基于冷媒的燃料电池冷却装置。
36.提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
37.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
38.图1示出了实施例1燃料电池冷却装置组成示意图；
39.图2示出了实施例2燃料电池冷却装置组成及制冷原理示意图；
40.图3示出了实施例2燃料电池冷却装置组成及制热原理示意图。
41.附图标记：
[0042]1‑ꢀ
燃料电池；2
‑ꢀ
第一压力传感器；3
‑ꢀ
第一温度传感器；4
‑ꢀ
第一调压阀；5
‑ꢀ
四通换向阀；6
‑ꢀ
变频压缩机；7
‑ꢀ
第三压力传感器；8
‑ꢀ
冷凝器；9
‑ꢀ
比例调节阀；10
‑ꢀ
膨胀阀；11
‑ꢀ
第二调压阀；12
‑ꢀ
第二压力传感器；13
‑ꢀ
第二温度传感器；14
‑ꢀ
热管理控制器。
具体实施方式
[0043]
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0044]
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
[0045]
实施例1
[0046]
本发明的一个实施例，公开了一种基于冷媒的燃料电池冷却装置，如图1所示，包括第一调压阀4、第二调压阀11、四通换向阀5、变频压缩机6、冷凝器8和膨胀阀10。
[0047]
四通换向阀5的第一端口经第一调压阀4接燃料电池1的冷却液出口，第二端口经变频压缩机6接其第四端口，第三端口依次经冷凝器8、膨胀阀10、第二调压阀11接燃料电池1的冷却液入口，共同构成冷媒循环的流通支路（也称制冷剂循环支路）。制冷剂循环支路内
流通冷媒。
[0048]
四通换向阀5设有制冷功能驱动端和制热功能驱动端。
[0049]
制冷功能驱动端用于驱动其第一端口至第四端口的支路、其第二端口至第三端口的支路分别导通。制冷功能驱动端接收到启动信号后，驱动其第一端口至第四端口的支路、其第二端口至第三端口的支路分别导通。制冷功能驱动端接收到关闭指令后，驱动其第一端口至第四端口的支路、其第二端口至第三端口的支路分别断开。
[0050]
制热功能驱动端用于驱动其第二端口-第一端口的支路、其第三端口-第四端口的支路分别导通。制热功能驱动端接收到启动信号后，驱动其第二端口至第一端口的支路、其第三端口至第四端口的支路分别导通，制热功能驱动端接收到关闭指令后，驱动其第二端口至第一端口的支路、其第三端口至第四端口的支路分别断开。
[0051]
制冷剂循环支路中包括两条冷媒循环回路，分别是冷媒制冷回路和冷媒制热回路。冷媒制冷回路的路径为：燃料电池1-第一调压阀4-四通换向阀5的第一端口至第四端口-变频压缩机6-四通换向阀5的第二端口至第三端口-冷凝器8-膨胀阀10-第二调压阀11-燃料电池1。冷媒制热回路的路径为：燃料电池1-第二调压阀11
‑‑
膨胀阀10-冷凝器8-四通换向阀5的第三端口至第四端口-变频压缩机6-四通换向阀5的第二端口至第一端口-第一调压阀4-燃料电池1。
[0052]
冷煤是一种容易吸热变成气体，又容易放热变成液体的物质。冷媒在受压时，放热变成液体，液体减压变成气体时，便会吸热。相比于现有技术中的燃料电池冷却液制冷，用冷媒替代燃料电池冷却液制冷后，可实现快速制冷效果，且结合四通换向阀5后，还具有快速预热效果。
[0053]
实施时，燃料电池冷启动时，启动四通换向阀5的制热功能（制热功能驱动端接收到启动指令），变频压缩机6、膨胀阀10启动，制冷剂被压缩机加压进入燃料电池1内部后，冷凝液化放热，从而达到提高燃料电池1温度的目的。在燃料电池1运行过程中，启动四通换向阀5的制冷功能（制冷功能驱动端接收到启动指令），通过调整变频压缩机6、冷凝器8、膨胀阀10实现制冷量的调整。
[0054]
该燃料电池用冷却系统适用于燃料电池电动车、燃料电池飞行器、燃料电池工业设备等。
[0055]
与现有技术相比，本实施例提供了一种基于冷媒直接冷却制冷的冷却装置，当四通换向阀5的制冷功能启动，通过调节变频压缩机6、冷凝器8、膨胀阀10，能够实现实现直接对燃料电池1快速精准控温；当四通换向阀5的制热功能启动，冷媒在燃料电池1内部进行反向加热，能够实现低温冷启动时预热功能。同时，在燃料电池1的冷却液进出口均设置一个调压阀，保证无论正向冷却还是反向加热时不会对燃料电池1造成损伤。
[0056]
实施例2
[0057]
在实施例1的基础上进行改进，该燃料电池冷却装置还包括比例调节阀9，如图2~3所示。
[0058]
其中，比例调节阀9设于膨胀阀10、冷凝器8之间，用于增大或减少制冷剂循环支路内的冷媒流量。
[0059]
优选地，流通支路内循环流动的冷媒采用电绝缘型制冷剂。此处所指出的“电绝缘型制冷剂”是指，具有一定程度以上(例如大于1.0
×
10
13
ω
·
m)的体积电阻率的制冷剂(液
体)，例如fluorinert(注册商标)等氟类制冷剂。
[0060]
优选地，该燃料电池冷却装置还包括用于冷启动控制器。其中，所述冷启动控制器的输出端分别与第一调压阀4、第二调压阀11、四通换向阀5、变频压缩机6、冷凝器8、膨胀阀10的控制端连接。
[0061]
冷启动控制器，用于燃料电池1低温冷启动时控制四通换向阀5的制热功能键启动（制热功能驱动端接收到启动指令），以及控制变频压缩机6、冷凝器8、膨胀阀10启动以制热，直到燃料电池1冷启动成功后关闭四通换向阀5的制热功能（制热功能驱动端接收到关闭指令）。冷启动控制器的控制内容均采用现有技术，不涉及方法的改进，本领域技术人员能够理解。
[0062]
制冷时，冷凝器8向环境散热，制热时冷凝器8从环境吸热。
[0063]
优选地，该基于冷媒的燃料电池冷却装置还包括运行控制器。运行控制器的输出端分别与第一调压阀4、第二调压阀11、四通换向阀5、变频压缩机6、比例调节阀9、冷凝器8、膨胀阀10的控制端连接。
[0064]
运行控制器，用于在燃料电池1运行过程中启动四通换向阀5的制冷功能（制冷功能驱动端接收到启动指令）；以及，在识别到出堆冷媒温度高于设定正常运行值时，提高变频压缩机6的频率、比例调节阀9的开度、冷凝器8的风扇转速，同时调节膨胀阀10进行节流降压和调节流量；以及，识别到出堆冷媒温度低于设定正常运行值时，降低变频压缩机6的频率、比例调节阀9的开度、冷凝器8的风扇转速，同时调节膨胀阀10进行节流降压和调节流量；以及，识别到出堆冷媒温度等于设定正常运行值时，维持变频压缩机6的频率、比例调节阀9的开度、冷凝器8的风扇转速不变。运行控制器的控制内容均采用现有技术，不涉及方法的改进，本领域技术人员能够理解。
[0065]
上述冷启动控制器、运行控制器共同构成燃料电池1的热管理控制器14，如图2~3所示，二者可共用同一控制器。
[0066]
优选地，运行控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
[0067]
其中，数据采集单元进一步包括第一温度传感器3、第二温度传感器13、第一压力传感器2、第二压力传感器12、第三压力传感器7。
[0068]
第一温度传感器3，布设于燃料电池1的冷却液出口处管道内壁上，用于获取燃料电池1的出堆冷媒温度。
[0069]
第二温度传感器13，布设于燃料电池1的冷却液入口处管道内壁上，用于获取燃料电池1的入堆冷媒温度。
[0070]
第一压力传感器2，布设于燃料电池1的冷却液出口处管道内壁上，用于获取燃料电池1的出堆冷媒压力。
[0071]
第二压力传感器12，布设于燃料电池1的冷却液入口处管道内壁上，用于获取燃料电池1的入堆冷媒压力。
[0072]
第三压力传感器7，布设于冷凝器8朝向四通换向阀5的端口处管道内壁上，用于获取布设位置处的冷媒压力。
[0073]
优选地，数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示第一温度传感器3、第二温度传感器13采集的温度数据，以及第一压力传感器2、第二压力传感器12、第三压力传感器7采集的压力数据。
[0074]
优选地，该燃料电池冷却装置还包括散热风扇，用于对出堆冷媒散热。
[0075]
其中，散热风扇设于燃料电池1的冷却液出口管道外部，其控制端与热管理控制器14的输出端连接。
[0076]
优选地，该燃料电池冷却装置散热壳体。其中，第一调压阀4、第二调压阀11、四通换向阀5、变频压缩机6、冷凝器8和膨胀阀10设于所述散热壳体内，该壳体的一侧集成了耦合连接端口以分别固定连接燃料电池1的冷却液入口、冷却液出口。
[0077]
实施时，如图3所述，当燃料电池1在低温环境冷启动时，开启四通换向阀5的制热功能，将制冷剂循环回路的流向进行换向，使其反向加热，对燃料电池1进行升温。
[0078]
当燃料电池1启动后，出堆冷媒温度上升，当温度达到正常值时，开启四通换向阀5的制冷功能，停止反向加热，进入正常调温状态。
[0079]
当出堆冷媒温度超过设定正常运行值时，调小变频压缩机6频率，减少制冷剂循环回路的冷媒压力和流量；调小比例调节阀9开度，调节减少制冷剂循环回路流量；调小冷凝器8的风扇转速，减少制冷剂循环回路散热量；同时，调节膨胀阀10，进行节流降压和调节流量。
[0080]
当出堆冷媒温度低于设定正常运行值时，调大变频压缩机6频率，增加制冷剂循环回路的冷媒压力和流量；调大比例调节阀9开度，调节增加制冷剂循环回路流量；调大冷凝器8的风扇转速，增加制冷剂循环回路散热量；同时，调节膨胀阀10，进行节流降压和调节流量。
[0081]
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池制冷装置具有如下有益效果：
[0082]
1、当燃料电池1在低温环境冷启动时，开启四通换向阀5的制热功能，将制冷剂循环回路的流向进行换向，使其反向加热，对燃料电池1进行升温。
[0083]
2、在燃料电池1处于运行状态时，开启四通换向阀5的制冷功能。当出堆冷媒温度高于设定正常运行值时，提高变频压缩机6的频率以增加制冷剂循环回路的冷媒压力和流量，提高比例调节阀9的开度以增加制冷剂循环回路的流量，提高冷凝器8的风扇转速以增加制冷剂循环回路的散热量。当出堆冷媒温度低于设定正常运行值时，降低变频压缩机6的频率以减少制冷剂循环回路的冷媒压力和流量，降低比例调节阀9的开度以减少制冷剂循环回路的流量，降低冷凝器8的风扇转以减少制冷剂循环回路的散热量。
[0084]
3、通过各温度传感器和压力传感器对燃料电池1的冷却状态进行实时监测。
[0085]
4、同时在燃料电池1的冷却液进出口均设置调压阀4，11，保证无论正向冷却还是反向加热时均不会出现温度突变的情形，不会对燃料电池1造成损伤。
[0086]
5、该冷却装置降低了燃料电池电动车的能耗，同时提升了燃料电池电动车的舒适性和工作效率。
[0087]
实施例3
[0088]
本发明还提供了一种燃料电池电动车，包括上述实施例1或实施例3所述基于冷媒的燃料电池冷却装置，使用其作为燃料电池的冷却装置。
[0089]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它
普通技术人员能理解本文披露的各实施例。