一种燃料电池冷却液的自动注水排气装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷却液的自动注水排气装置。


背景技术：

2.燃料电池发动机，将一种将化学能转变成电能的动力装置。其一般包括电堆、气体输配和回收系统、散热系统、监测和控制系统、氢气安全系统、辅助电源、电能输出系统等。
3.燃料电池发动机的散热系统负责关键零部件的散热和保温，并与电堆相连，因此在发动机维修过程中需要将散热系统内的冷却液排出，维修结束后再进行补水、排气，之后方可开机运行。发动机长时间运行过程中，也可能需要补水、排气。
4.目前，燃料电池发动机大多采用由外接水泵进行冷却循环水路的注水，或直接从膨胀水箱入口注水，排气的方式一般是通过水泵持续运转，将冷却回路中的残余气体排出。在目前的注水方式下，冷却系统内残余气体较多，排气时间长，一般从水泵运转开始到排气完成需要至少30 min，且在排气过程中，液位会随着气体排除而下降，需要多次补水。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池冷却液的自动注水排气装置，用以解决现有注水方式低效且排气时间过长的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池冷却液的自动注水排气装置，包括带有真空泵的膨胀水箱、排水阀、冷却液水箱，以及控制器；其中，膨胀水箱的排气口处设有真空泵，其出水口与燃料电池发动机的冷却液支路入水口连接；燃料电池发动机的冷却液支路出水口经排水阀与冷却液水箱连接；控制器，用于在接收到注水指令后，关闭排水阀，启动真空泵对膨胀水箱抽真空，直到监测到膨胀水箱内气压降至与注水速率匹配的设定压力p时，关闭真空泵，并打开排水阀，以对所述冷却液支路补水；补水结束后，关闭排水阀，启动燃料电池发动机的冷却液支路中水泵以对所述冷却液支路排气，直到监测到水泵功率稳定后，结束排气。
7.上述技术方案的有益效果如下：提出了一种新的燃料电池冷却系统快速注水方案。将膨胀水箱、真空泵集成于一体，使得膨胀水箱带有真空泵，注水时开启真空泵将冷却系统内部（膨胀水箱与冷却支路连通）抽真空至指设定压力p，将冷却系统排水口连接至冷却液水箱，开启排水阀倒抽进行补水。补水完毕后，进行运行水泵进行排气，直至水泵功率稳定。解决发动机补水时间长、排气慢的问题，缩短了发动机的维修时间。通过抽真空将冷却系统内的大部分气体排出，减少了气体残留。通过排水口注水，更利于气体从上方排气口排出。抽真空的压力可控，缩短了注水和排气时间。
[0008] 基于上述装置的进一步改进，所述设定压力p通过下面公式得出p=p
大气-ρgh-pv式中，p
大气
为大气压力，ρ为冷却液密度，g为重力加速度，h为膨胀水箱内最高液位
离地高度，pv为与注水速率相关的燃料电池发动机中冷却回路内外的最低压差。
[0009]
进一步，所述冷却液为乙二醇和去离子水的混合物。
[0010]
进一步，该自动注水排气装置还包括注水阀；其中，所述注水阀的一端与膨胀水箱的出水口连接，另一端与燃料电池发动机的冷却液支路入水口连接，控制端与控制器的输出端连接。
[0011]
进一步，所述控制器进一步包括：数据采集单元，用于接收用户输入的注水速率，并获取当前时刻的大气压力、膨胀水箱内的液位高度，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于根据当前时刻膨胀水箱内的液位高度，识别是否需要注水；以及，在识别结果为需要注水时，关闭排水阀，打开注水阀，启动真空泵对膨胀水箱抽真空，直到监测到膨胀水箱内气压降至与注水速率匹配的设定压力p时，关闭真空泵，并打开排水阀，以对所述冷却液支路补水；补水结束后，关闭排水阀，启动燃料电池发动机的冷却液支路中水泵以对所述冷却液支路排气，直到监测到水泵功率稳定后，结束排气。
[0012]
进一步，所述数据采集单元进一步包括：数据录入模块，用于接收用户输入的注水速率；液位传感器，设于膨胀水箱内部，用于获取前时刻膨胀水箱内的液位高度；功率检测器，设于燃料电池发动机的冷却液支路中水泵的供电端，用于获取当前时刻的水泵功率；气体压力传感器，设于膨胀水箱内的的腔体顶部，用于获取当前时刻的膨胀水箱内气压。
[0013]
进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：获取当前时刻膨胀水箱内的液位高度，识别是否需要注水；如果该液位高度低于第一液位高度，识别结果为需要注水，执行下一步，否则，识别结果为不需要注水；关闭排水阀，打开注水阀，启动真空泵对膨胀水箱抽真空；在抽真空的过程中，监测到膨胀水箱内气压降至与注水速率匹配的设定压力p时，关闭真空泵，并打开排水阀，以对所述冷却液支路补水；在补水过程中，监测膨胀水箱内的液位高度，直到其达到第二液位高度，补水结束；第二液位高度大于第一液位高度；关闭排水阀；启动燃料电池发动机的冷却液支路中水泵以设定速度以对所述冷却液支路排气；在排气过程中通过功率检测器监测水泵功率，直到设定时间内水泵功率的变化幅度小于阈值后，结束排气。
[0014]
进一步，所述膨胀水箱设于燃料电池发动机的顶部，其出水口分别与燃料电池发动机中散热器的输出端、水泵的入水口连接。
[0015]
进一步，所述冷却液水箱设于燃料电池发动机的底部；所述冷却液水箱内储存的冷却液、膨胀水箱内的液体、燃料电池发动机的冷却液支路内介质均采用同种介质，该介质为乙二醇和去离子水按1:1质量比混合后的混合物。
[0016]
进一步，所述膨胀水箱上还设置有用于排放气体的泄压阀。
[0017]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、通过精准地抽真空，将燃料电池发动机冷却系统内的大部分气体排出，减少了气体残留。
[0018]
2、通过排水口向上注水，更利于残余气体从上方膨胀水箱的排气口排出。
[0019]
3、真空泵抽真空的压力可精准控制，有效缩短注水和排气时间。
[0020]
提供发明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。发明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
[0021]
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。
[0022]
图1示出了实施例1燃料电池冷却液的自动注水排气装置组成示意图；图2示出了实施例2燃料电池冷却液的自动注水排气装置组成示意图。
[0023]
具体实施方式
[0024]
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。
[0025]
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。
[0026]
实施例1本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池冷却液的自动注水排气装置，如图1所示，包括带有真空泵的膨胀水箱、排水阀、冷却液水箱，以及控制器。
[0027]
其中，膨胀水箱的排气口（设于顶部或上部）处设有真空泵，其出水口（设于底部或侧方）与燃料电池发动机的冷却液支路入水口连接。燃料电池发动机的冷却液支路出水口经排水阀与冷却液水箱连接。
[0028]
控制器，用于在接收到注水指令后，关闭排水阀，启动真空泵对膨胀水箱抽真空，直到监测到膨胀水箱内气压降至与注水速率匹配的设定压力p时，关闭真空泵，并打开排水阀，以对所述冷却液支路补水；以及，补水结束后，关闭排水阀，启动燃料电池发动机的冷却液支路中水泵以对所述冷却液支路排气，直到监测到水泵功率稳定后，结束排气。
[0029]
膨胀水箱，用于燃料电池发动机运行时，对燃料电池发动机的冷却液支路补水（补液）。
[0030]
冷却液水箱，用于在膨胀水箱内储水量不足时，对冷却液支路和膨胀水箱补水。
[0031]
该自动注水排气装置适用于目前所有的燃料电池发动机。冷却液支路出水口、冷却液支路入水口可沿着冷却液调控支路的水流方向选择设置，非固定位置。
[0032]
所述冷却液支路的结构以及与膨胀水箱的连接关系可参见现有专利cn201910777327.2、专利202122336885 .0 等。
[0033]
可选地，排水阀可设于燃料电池发动机的电堆冷却液出口处。
[0034]
与现有技术相比，本实施例提出了一种新的燃料电池冷却系统快速注水方案。将膨胀水箱、真空泵集成于一体，使得膨胀水箱带有真空泵，注水时开启真空泵将冷却系统内部（膨胀水箱与冷却支路连通）抽真空至指设定压力p，将冷却系统排水口连接至冷却液水箱，开启排水阀倒抽进行补水。补水完毕后，进行运行水泵进行排气，直至水泵功率稳定。解决发动机补水时间长、排气慢的问题，缩短了发动机的维修时间。通过抽真空将冷却系统内的大部分气体排出，减少了气体残留。通过排水口注水，更利于气体从上方排气口排出。抽真空的压力可控，缩短了注水和排气时间。
[0035] 实施例2在实施例1的基础上进行改进，所述设定压力p通过下面公式得出p=p
大气-ρgh-pv式中，p
大气
为大气压力，ρ为冷却液密度，g为重力加速度，h为膨胀水箱内最高液位离地高度，pv为与注水速率相关的燃料电池发动机中冷却回路（电堆-冷却液支路-电堆）内外的最低压差。
[0036]
优选地，所述冷却液为乙二醇和去离子水的混合物。示例性地，对于50%乙二醇、50%去离子水的混合液作为冷却液时，冷却液的密度为1055kg/m3，p
大气
=101kpa，pv可通过实验室标定。
[0037]
优选地，该自动注水排气装置还包括注水阀，如图2所示。其中，所述注水阀的一端与膨胀水箱的出水口连接，另一端与燃料电池发动机的冷却液支路入水口连接，控制端与控制器的输出端连接。通过注水阀的设置，使得膨胀水箱的控制更加精确。
[0038]
优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
[0039]
数据采集单元，用于接收用户输入的注水速率，并获取当前时刻的大气压力、膨胀水箱内的液位高度，发送至数据处理与控制单元。
[0040]
数据处理与控制单元，用于根据当前时刻膨胀水箱内的液位高度，识别是否需要注水；以及，在识别结果为需要注水时，关闭排水阀，打开注水阀，启动真空泵对膨胀水箱抽真空，直到监测到膨胀水箱内气压降至与注水速率匹配的设定压力p时，关闭真空泵，并打开排水阀，以对所述冷却液支路补水；补水结束后，关闭排水阀，启动燃料电池发动机的冷却液支路中水泵以对所述冷却液支路排气，直到监测到水泵功率稳定后，结束排气。
[0041]
优选地，所述数据采集单元进一步包括数据录入模块、液位传感器、功率检测器、气体压力传感器。
[0042]
数据录入模块，用于接收用户输入的注水速率。
[0043]
液位传感器，设于膨胀水箱内部，用于获取前时刻膨胀水箱内的液位高度。
[0044]
功率检测器，设于燃料电池发动机的冷却液支路中水泵的供电端，用于获取当前时刻的水泵功率。
[0045]
气体压力传感器，设于膨胀水箱内的的腔体顶部，用于获取当前时刻的膨胀水箱
内气压。
[0046]
优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s1.获取当前时刻膨胀水箱内的液位高度，识别是否需要注水；如果该液位高度低于第一液位高度，识别结果为需要注水，执行下一步，否则，识别结果为不需要注水，结束程序；s2.关闭排水阀，打开注水阀，启动真空泵对膨胀水箱抽真空；s3.在抽真空的过程中，监测到膨胀水箱内气压降至与注水速率匹配的设定压力p时，关闭真空泵，并打开排水阀，以对所述冷却液支路补水；s4.在补水过程中，监测膨胀水箱内的液位高度，直到其达到第二液位高度，补水结束；第二液位高度应大于第一液位高度；s5.关闭排水阀；s6.启动燃料电池发动机的冷却液支路中水泵以设定速度以对所述冷却液支路排气；s7.在排气过程中通过功率检测器监测水泵功率，直到设定时间内水泵功率的变化幅度小于阈值后，结束排气。
[0047]
优选地，所述膨胀水箱设于燃料电池发动机的顶部，其出水口分别与燃料电池发动机中散热器的输出端、水泵的入水口连接。冷却液支路包括加热器、散热器、水泵、节温器组成，电堆-水泵-加热器-节温器-电堆构成加热循环流路，电堆-水泵-散热器-节温器-电堆构成冷却循环支路。
[0048]
优选地，所述冷却液水箱设于燃料电池发动机的底部。
[0049]
冷却液水箱内储存的冷却液、膨胀水箱内的液体、燃料电池发动机的冷却液支路内介质均采用同种介质，该介质为乙二醇和去离子水按1:1质量比混合后的混合物。
[0050]
优选地，所述膨胀水箱上还设置有用于排放气体的泄压阀。 泄压阀可以在所述膨胀水箱内的气压达到一定值时自动开启，对所述膨胀水箱进行排气，保证所述膨胀水箱内处于较低的气压，使得冷却液支路中的气体能够快速排放至膨胀水箱内，保证燃料电池发动机的散热效果。
[0051]
与现有技术相比，本实施例提供的自动注水排气装置具有如下有益效果：1、通过精准地抽真空，将燃料电池发动机冷却系统内的大部分气体排出，减少了气体残留。
[0052]
2、通过排水口向上注水，更利于残余气体从上方膨胀水箱的排气口排出。
[0053]
3、真空泵抽真空的压力可精准控制，有效缩短注水和排气时间。
[0054]
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。