CN110303906A - 一种液氢燃料电池车及其冷量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液氢燃料电池车的冷量管理系统，包括液氢供应系统和燃料电池冷却系统，其中，液氢供应系统至少包括液氢储存罐、与液氢储存罐相连的液氢供应总管以及与液氢供应总管相连的第一支管；燃料电池冷却系统至少包括经过燃料电池的冷却液循环管以及设置在冷却液循环管上的冷却液循环泵；并且，第一支管与冷却液循环管连接于同一液氢‑冷却液换热器，以使液氢与冷却液相互换热。本发明中所公开的液氢燃料电池车的冷量管理系统中，液氢中的冷量和冷却液中的热量实现了互补，冷量和热量都实现了更充分的利用；并且该冷量管理系统中燃料电池冷却系统的零部件少，结构简单，占用空间小，利于整车布局。本发明还公开了一种液氢燃料电池车。

Description

一种液氢燃料电池车及其冷量管理系统
技术领域
本发明涉及燃料电池车设计生产技术领域，特别涉及一种液氢燃料电池车及其冷量管理系统。
背景技术
氢能具有来源多样、燃烧值高、利用高效、清洁环保等优点，受全球能源消费量不断增长和能源消耗导致气候问题的影响，氢燃料电池汽车作为一种“零排放、无污染”的载运工具，受到了越来越多的车企和用户的重视。
液氢储存技术具有重量轻、体积小、成本低、安全性高、加注时间短等优点，是氢动力汽车的首选储氢方式。储氢系统的氢气与空气系统的氧气在燃料电池电堆中发生电化学反应产生电能。为保证燃料电池反应速率，同时避免电池中的水结冰，需要维持燃料电池保持一定温度。
而液氢的温度为-252.78℃，在进入电堆反应前，需要对其进行加热气化处理，该过程需要消耗一定热量，直接对液氢进行加热不仅需要消耗额外能源，而且还使得液氢本身具备的冷量白白浪费掉。
氢燃料电池电堆中氢和氧生成水的反应为放热反应，产热功率与发电功率相当，且电堆功率越高产热越多，产生的热量需及时处理，否则影响电堆质子交换膜湿度，破坏电池双极板。目前的电堆冷却系统包括换热器、风扇、循环泵等，风扇体积庞大，随着电堆功率的不断提高，加之车辆空间有限，现有的冷却系统效果难以满足需求。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种液氢燃料电池车的冷量管理系统，以便一方面充分利用液氢所携带的冷量，另一方面充分利用冷却液所携带的热量，从而在保证氢燃料电池车各部件工作可靠性的前提下，缩小燃料电池冷却系统的整体体积，提高对冷却液的冷却效果以及液氢的气化效果，并降低整车能耗。
本发明的另一目的是提供一种采用上述冷量管理系统的液氢燃料电池车。
为达到上述目的，本发明提供的液氢燃料电池车的冷量管理系统，包括液氢供应系统和燃料电池冷却系统，其中，
所述液氢供应系统至少包括液氢储存罐、与所述液氢储存罐相连的液氢供应总管以及与所述液氢供应总管相连的第一支管；
所述燃料电池冷却系统至少包括经过燃料电池的冷却液循环管以及设置在所述冷却液循环管上的冷却液循环泵；
并且，所述第一支管与所述冷却液循环管连接于同一液氢-冷却液换热器，以使液氢与冷却液相互换热。
优选的，还包括用于为车内提供冷量的供冷系统，以及与所述液氢供应总管相连的第二支管，所述供冷系统至少包括空气流通管道以及串联在所述空气流通管道内的鼓风机，并且所述空气流通管道与所述第二支管连接于同一液氢-空气换热器，以使液氢与空气相互换热。
优选的，所述供冷系统内还串联有提高空气压力和流速的空气循环泵。
优选的，还包括设置在所述液氢-冷却液换热器、液氢-空气换热器以及所述燃料电池中的温度压力传感器。
优选的，还包括设置在所述液氢储存罐内的压力传感器。
优选的，还包括：
串设在所述第一支管上的第一进口阀；
串设在所述第二支管上的第二进口阀；
与所述冷却液循环泵、空气循环泵、温度压力传感器、压力传感器、第一进口阀和所述第二进口阀均通讯连接的控制器。
优选的，所述燃料电池冷却系统中还包括串联于所述冷却液循环管中的膨胀水箱。
优选的，所述液氢储存罐的外侧还包覆有保温隔热层，且所述液氢储存罐上还设置有泄压阀。
优选的，还包括：
蓄电池，与所述燃料电池相连；
加热器，与所述蓄电池相连并用于加热所述第一支管和第二支管内的液氢。
本发明中所公开的液氢燃料电池车，设置有冷量管理系统，并且所述冷量管理系统为上述任意一项中所公开的液氢燃料电池车的冷量管理系统。
由于与液氢供应总管相连的第一支管和冷却液循环管连接在同一个液氢-冷却液换热器中，因此液氢和冷却液可以在液氢-冷却液换热器进行充分的热量交换，液氢所携带的冷量可以快速实现冷却液的降温，从而保证燃料电池各部件能够在合适的温度范围内工作；液氢吸收冷却液中所携带的热量实现了气化，保证氢燃料能够以符合要求的气态形式进入燃料电池内，无需额外设置加热装置，因而降低了整车能耗。
由此可见，本发明中所公开的液氢燃料电池车的冷量管理系统中，液氢中的冷量和冷却液中的热量实现了互补，冷量和热量都实现了更充分的利用；并且该冷量管理系统中燃料电池冷却系统的零部件少，结构简单，占用空间小，利于整车布局。
附图说明
图1为本发明实施例中所公开的冷量管理系统的结构示意图。
其中，1为液氢，2为液氢储存罐，3为泄压阀，4为液氢供应总管，5为第二进口阀，6为第一进口阀，7为换热盘管，8为计算机，9为冷却液循环泵，10为冷却液，11为膨胀水箱，12为燃料电池，13为汇流管，14为液氢-冷却液换热器，15为液氢-空气换热器，16为鼓风机，17为空气循环泵。
具体实施方式
本发明的核心之一是供一种液氢燃料电池车的冷量管理系统，以便一方面充分利用液氢所携带的冷量，另一方面充分利用冷却液所携带的热量，从而在保证氢燃料电池车各部件工作可靠性的前提下，缩小燃料电池冷却系统的整体体积，提高对冷却液的冷却效果以及液氢的气化效果，并降低整车能耗。
本发明的另一核心还在于提供一种采用上述冷量管理系统的液氢燃料电池车。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，本发明中所公开的液氢燃料电池车的冷量管理系统中，包括液氢供应系统和燃料电池冷却系统，液氢供应系统的作用在于向氢燃料电池的燃料堆中供应氢气，液氢供应系统至少包括液氢储存罐2、液氢供应总管4以及第一支管，液氢储存罐2中储存有处于低温状态下的液态氢气，液态氢气从液氢供应总管4流出并进入到第一支管中，如图1中所示；燃料电池冷却系统至少包括途径燃料电池12的冷却液循环管以及串联在冷却液循环管上的冷却液循环泵9，并且第一支管与冷却液循环管连接于同一个液氢-冷却液换热器14，以使液氢1与冷却液相互换热。
需要进行说明的是，所谓液氢-冷却液换热器14就是指该换热器内可以实现液态氢气与冷却液的换热，如图1中所示，液氢-冷却液换热器14内设置有换热盘管7，换热盘管7内通入液氢1或者冷却液中的一种液体，换热器壳体内流通另外一种液体，两种液体在换热器内穿插流动实现相互换热。
在液氢燃料电池车行驶时，液氢储存罐2中的液氢1经过液氢供应总管4进入第一支管，然后进入液氢-冷却液换热器14中与冷却液进行热量交换，将冷量传递给冷却液，同时吸收冷却液的热量后升温变为气态氢，经过汇流管13进入燃料电池12内进行反应产生电能；
从燃料电池12流出的冷却液温度较高，在冷却液循环泵9的驱动下进入液氢-冷却液换热器14与液氢1换热，将热量传递给液氢1，并吸收液氢1的冷量后温度降低，然后再重新进入燃料电池12中吸收燃料电池12中所产生的热量。
由于与液氢供应总管4相连的第一支管和冷却液循环管连接在同一个液氢-冷却液换热器14中，因此液氢1和冷却液可以在液氢-冷却液换热器14进行充分的热量交换，液氢1所携带的冷量可以快速实现冷却液的降温，从而保证燃料电池12各部件能够在合适的温度范围内工作；液氢1吸收冷却液中所携带的热量实现了气化，保证氢燃料能够以符合要求的气态形式进入燃料电池12内，无需额外设置加热装置，因而降低了整车能耗。
本领域技术人员知晓的是，目前的车用空调系统中，都是通过压缩机对制冷剂进行加压，然后通过冷凝器和风扇对制冷剂进行液化，进而制冷剂进入膨胀节流阀和蒸发器内实现对乘客舱的制冷，传统的车用空调不仅结构复杂，空调开启后严重影响整车动力性能，而且制冷剂也非常容易造成对环境的破坏。
为此，在上述实施例的基础上，本实施例中所公开的冷量管理系统中还设置了用于为车内(乘客舱)提供冷量的供冷系统以及与液氢供应总管4相连的第二支管，如图1中所示，供冷系统至少包括空气流通管道以及串联在空气流通管道中的鼓风机16，鼓风机16用于将空气鼓入车内，并且空气流通管道与第二支管连接于同一个液氢-空气换热器15上，以使液氢1与空气相互换热，图1中的箭头代表车内空气的流动方向。
在空调开启的情况下，第二支管中液氢1所携带的冷量可以在液氢-空气换热器15中传递给空气，空气携带冷量进入到车内实现车内的制冷；同时空气将热量释放给液氢1并使液氢1气化，第一支管和第二支管中气化后的氢燃料经过汇流管13进入到燃料电池12中，并在燃料电池12中与氧气反应产生电能，放出热量并生成水，如图1中所示。
上述实施例中所公开的冷量管理系统中，进一步充分利用了液氢1所携带的冷量，通过转移液氢1中冷量的方式实现了对车内空间的制冷需求，有效简化了空调系统的整体结构，在保证整车动力性能不受影响的前提下，降低了制冷能耗，当然，液氢1也充分利用了车内的热量而实现气化。
不难理解的是，为了保证冷却液和车内的冷却效果，以及液氢1的气化效果，冷却液和车内所需的冷量不高于液氢1气化为氢气时所吸收的热量。
为了加速空气在供冷系统内的循环，供冷系统内还串联有用于提高空气压力和流速的空气循环泵17，如图1中所示；为了随时掌握各个换热器中的压力和温度参数，还可以在液氢-冷却液换热器14中以及液氢-空气换热器15中设置温度压力传感器，进一步的，为了掌握燃料电池12内部的压力和温度，也可以在燃料电池12中设置温度压力传感器，温度压力传感器可以为分体式的温度传感器和压力传感器，也可以是集成为一体结构的温度压力探头；液氢储存罐2内也应当设置压力传感器，通过这些传感器所测得的参数，可以随时获知各个传感器、燃料电池12以及液氢储存罐2的状态。
请参考图1，为了根据需要对第一支管和第二支管中的液氢1流量(包括流量为0)进行调节，本实施例中进一步还在第一支管上串设有第一进口阀6，在第二支管上串设有第二进口阀5，第一进口阀6和第二进口阀5均与控制器相连，图1中的控制器具体为计算机8。当然，为了进一步实现自动化控制，冷却液循环泵9、空气循环泵17、温度压力传感器、压力传感器以及鼓风机16均可以通过有线或无线的方式与控制器通讯连接，控制器接收各个传感器所采集到的信号，并根据信号和控制逻辑对各个执行部件(冷却液循环泵、空气循环泵、鼓风机、第一进口阀、第二进口阀)进行控制。
考虑到随着温度的变化，冷却液的体积会有相应的变化，本实施例中还在冷却液循环管中串联有膨胀水箱11，以容纳冷却液的膨胀量，防止冷却液溢出，当然，膨胀水箱11也可与控制器通讯连接，如图1中所示。
不难理解的是，液氢储存罐2的外侧应当包覆有保温隔热层，目前的保温隔热层的材质选择具有多种，本文中对此不在进行赘述，应当说明的是，保温隔热层可以根据需要设置为一层、两层甚至更多层，为了进一步提高安全性，液氢储存罐2应当与泄压阀3连接，避免液氢储存罐2中的压力超标。
考虑到低温冷启动时液氢不容易气化的问题，本实施例中所公开的冷量管理系统中还设置有蓄电池和加热器，蓄电池与燃料电池12相连，以便将燃料电池12所产生的一部分电能储存起来，加热器与蓄电池相连，并且在低温启动过程中对第一支管和第二支管内的液氢1加热，以保证液氢燃料电池车的正常启动。
本发明中还公开了一种液氢燃料电池车，该液氢燃料电池车设置有冷量管理系统，并且冷量管理系统为上述任意一项中所公开的液氢燃料电池车的冷量管理系统。
由于采用了上述冷量管理系统，因此该液氢燃料电池车兼具上述冷量管理系统响应的技术优点，本文中对此不在进行赘述。
以上对本发明所提供的液氢燃料电池车及其冷量管理系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液氢燃料电池车的冷量管理系统，其特征在于，包括液氢供应系统和燃料电池冷却系统，其中，
所述液氢供应系统至少包括液氢储存罐(2)、与所述液氢储存罐(2)相连的液氢供应总管(4)以及与所述液氢供应总管(4)相连的第一支管；
所述燃料电池冷却系统至少包括经过燃料电池(12)的冷却液循环管以及设置在所述冷却液循环管上的冷却液循环泵(9)；
并且，所述第一支管与所述冷却液循环管连接于同一液氢-冷却液换热器(14)，以使液氢与冷却液相互换热。
2.根据权利要求1所述的冷量管理系统，其特征在于，还包括用于为车内提供冷量的供冷系统，以及与所述液氢供应总管(4)相连的第二支管，所述供冷系统至少包括空气流通管道以及串联在所述空气流通管道内的鼓风机(16)，并且所述空气流通管道与所述第二支管连接于同一液氢-空气换热器(15)，以使液氢与空气相互换热。
3.根据权利要求2所述的冷量管理系统，其特征在于，所述供冷系统内还串联有提高空气压力和流速的空气循环泵(17)。
4.根据权利要求3所述的冷量管理系统，其特征在于，还包括设置在所述液氢-冷却液换热器(14)、液氢-空气换热器(15)以及所述燃料电池(12)中的温度压力传感器。
5.根据权利要求4所述的冷量管理系统，其特征在于，还包括设置在所述液氢储存罐(2)内的压力传感器。
6.根据权利要求5所述的冷量管理系统，其特征在于，还包括：
串设在所述第一支管上的第一进口阀(6)；
串设在所述第二支管上的第二进口阀(5)；
与所述冷却液循环泵(9)、空气循环泵(17)、温度压力传感器、压力传感器、第一进口阀(6)和所述第二进口阀(5)均通讯连接的控制器。
7.根据权利要求1所述的冷量管理系统，其特征在于，所述燃料电池冷却系统中还包括串联于所述冷却液循环管中的膨胀水箱(11)。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的冷量管理系统，其特征在于，所述液氢储存罐(2)的外侧还包覆有保温隔热层，且所述液氢储存罐(2)上还设置有泄压阀(3)。
9.根据权利要求1所述的冷量管理系统，其特征在于，还包括：
蓄电池，与所述燃料电池(12)相连；
加热器，与所述蓄电池相连并用于加热所述第一支管和第二支管内的液氢。
10.一种液氢燃料电池车，设置有冷量管理系统，其特征在于，所述冷量管理系统为如权利要求1-9任意一项所述的液氢燃料电池车的冷量管理系统。
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