关于氢燃料电池系统膨胀水箱的设计说明

图片仅为实物示意、如有雷同纯属巧合

一．膨胀水箱的概念和作用

膨胀水箱一般用XX（根据场景选用材质，下面有说明）制成，通常是圆形或矩形。由于供热系统水的热胀冷缩作用，当热水升温时，系统中的水容积增加，当无处容纳水的这部分膨胀量时，供热系统内的水压增高，将影响正常运行。由膨胀水箱容纳系统的水膨胀量，可减小系统因水的膨胀而造成的水压波动，提高了系统运行的安全、可靠性，当系统由于某种原因漏水或系统降温时，膨胀水箱水位下降，为系统补水。膨胀水箱还可以起到稳定系统的压力和排除水在加热过程中所释放出来的空气。

原理示意图

二、氢燃料电池膨胀水箱的功能和特性需求

氢燃料电池的散热系统和其他散热系统最大的差异在于冷却液的绝缘性，也意味着该冷却液本体以及流经的管路、存储的容器都确保不能有离子析出，这也是氢燃料电池的膨胀水箱略有区别于其他的一些差异。具体功能和特性要求如下：

1. 去离子冷却液热胀冷缩的体积溶胀需求。

由于目前氢燃料电池系统基本需求工况在-40度~80度的范围内工作（设计可适当放大一些温度范围，上限可放到90~100度.当然以日系或者美国DOE目标应该放到120度以上）

乙二醇冷却液在不同的冰点温度下对应的密度以及膨胀系数为已知，大家可以自行核算。详见下表插值计算：

乙二醇浓度与冰点关系图

乙二醇冷却液不同浓度和温度下密度查值表

说明：

1）由于目前还没有相应的国标，我们可以参照传统柴油机或者其他的的膨胀水箱做一些设计依据。

2)设计容积一是根据总系统的冷却液容积量，二是根据查指标估算在不同浓度下高低温差下膨胀系数去核算（50%的体积浓度下零下40度摄氏度和零上100摄氏度度对比膨胀系数在7%左右）。

3）膨胀水箱本身设计容积核算可以取整个系统冷却液量（含膨胀水箱内溶液量）的20%~30%做上下限设计。计算公式自行脑补，解个简单方程即可。说明：该容积可以自行调整，比如加入辅助冷启动的保温设计，可以适当增加储水量。

三、膨胀水箱的结构示意

结构设计示意图，内部结构已做马赛克处理

说明：

1. 补液口（加注时间以及密封考虑）

2. 给系统补水口（接口尺寸匹配）

3. 散热器排气接口/该位置处也可设置离子交换器回流口

4. 自动泄气阀（系统压力考虑）

5. 液位计（上下限刻度）

四、关于膨胀水箱的其他说明

1.目前还没有看到有针对性的国标、团标、或者行标，由于温度管理对于氢燃料电池的重要性不言而喻，膨胀水箱作为一个补水除泡的小物件，但起着大作用。预计未来会有相应的标准出来。

2.本文更多是讨论基于燃料电池散热系统的需求侧重说明。对其原本该有的机械设计内容未做详细论述。

3.就功能性来论膨胀水箱除了本身的功能之外，我们还可以对其功能做一些扩展，比如辅助电堆冷启动等功能，当然基于扩展功能我们需要额外核算其容积和增加其保温性能。具体细节可以自行脑补设计。

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原文始发于微信公众号（氢眼所见）：关于氢燃料电池系统膨胀水箱的设计说明