CN110611138B - 一种冷藏车燃料电池的冷却系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷藏车燃料电池的冷却系统及其控制方法，冷藏车设有液氮制冷系统，液氮制冷系统包括液氮罐、阀箱和第一蒸发器，燃料电池包括电堆，冷却系统包括换热装置、电子水泵和控制器，换热装置的一次侧输入口通过第三管路与电堆的冷却液出口连接，换热装置的一次侧输出口通过第四管路与电堆的冷却液进口连接，换热装置的二次侧输入口通过第五管路与阀箱的输出端连接，第五管路上设有第三电磁阀，换热装置的二次侧输出口连接有第二排气管路，电子水泵设置在第四管路上，控制器分别与第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀连接，具有结构紧凑、控制灵活、适应性强、冷却效率高的优点；控制方法具有流程简单、执行效率高、安全可靠的优点。

Description

一种冷藏车燃料电池的冷却系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种冷却系统，具体涉及一种冷藏车燃料电池的冷却系统，以及该冷却系统的控制方法。
背景技术
随着冷冻冷藏行业的发展，传统的燃油冷藏车受节能环保限制，越来越难以满足市场需求；而燃料电池冷藏车具有多种性能优势得到了快速发展。燃料电池工作时其内部温度需保持在一定范围(60～70℃)内才可正常稳定运行，而燃料电池工作时的电化学反应会产生大量热量，若不及时将这些热量排出，就会影响燃料电池的性能和运行稳定性。目前本领域通常采用冷却液循环系统对燃料电池进行冷却降温，而现有的冷却系统主要采用大功率散热器进行散热，不但体积大，设计困难，而且冷却效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷藏车燃料电池的冷却系统及其控制方法，冷却系统具有结构紧凑、控制灵活、适应性强、冷却效率高的优点；控制方法具有流程简单、执行效率高、安全可靠的优点。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种冷藏车燃料电池的冷却系统，所述冷藏车设有液氮制冷系统，液氮制冷系统包括液氮罐、阀箱和第一蒸发器，液氮罐通过第一管路与阀箱的输入端连接，阀箱中设有第一电磁阀，阀箱的输出端通过第二管路与第一蒸发器的输入口连接，第二管路上设有第二电磁阀，第一蒸发器的输出口连接有第一排气管路；所述燃料电池包括电堆，所述冷却系统包括换热装置、电子水泵和控制器，换热装置的一次侧输入口通过第三管路与电堆的冷却液出口连接，换热装置的一次侧输出口通过第四管路与电堆的冷却液进口连接，换热装置的二次侧输入口通过第五管路与阀箱的输出端连接，第五管路上设有第三电磁阀，换热装置的二次侧输出口连接有第二排气管路，电子水泵设置在第四管路上，控制器分别与第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀连接。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，所述换热装置的一次侧和二次侧采用逆流换热并包括第二蒸发器和板式换热器，板式换热器的一次侧和二次侧对应与第二蒸发器的一次侧和二次侧串联。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，所述电堆的冷却液出口和冷却液进口对应设有第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别与控制器连接。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，还包括节温器和加热装置，所述节温器设置在换热装置和电子水泵之间的第四管路上，所述加热装置的一端与节温器连接，加热装置的另一端与第三管路连接。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，还包括过滤器和冷却液补偿水箱，过滤器设置在电子水泵和电堆之间的第四管路上，冷却液补偿水箱通过第六管路与第三管路连接，第六管路上设有排气阀、去离子器和第一截止阀，冷却液补偿水箱通过第七管路与电子水泵和节温器之间的第四管路连接，第七管路上设有补水阀。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，所述第一蒸发器设有蒸发风机，第一蒸发器的输出口设有第三温度传感器，冷藏车的车厢内设有第四温度传感器，蒸发风机、第三温度传感器和第四温度传感器分别与控制器连接。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，所述液氮罐设有自增压管路，自增压管路的两端对应与液氮罐的底部和顶部连接，自增压管路上设有增压阀和增压器，增压阀与控制器连接并处于增压器和液氮罐的底部之间。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，所述液氮罐的自增压管路上设有压力传感器和第一安全阀，压力传感器与控制器连接并处于增压器和液氮罐的顶部之间，第一安全阀处于增压器和压力传感器之间；所述阀箱中设有第二安全阀和压力表。
进一步的，本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其中，所述第一管路上设有第二截止阀；所述液氮罐的自增压管路上设有第三截止阀和第四截止阀，第三截止阀处于增压阀和液氮罐的底部之间，第四截止阀处于增压器和第一安全阀之间。
本发明一种上述冷藏车燃料电池的冷却系统的控制方法，包括以下步骤
一、启动系统，并进行巡检；
二、比较T1和T，若T1＞T，使第一电磁阀和第三电磁阀打开，否则，使第三电磁阀关闭；所述T1为电堆内的温度，所述T为预设的第一温度阈值，其根据电堆的正常工作温度范围设置；
三、比较T2和T’，若T2＞T’，使第一电磁阀和第二电磁阀打开，否则，使第二电磁阀关闭；所述T2为车厢内的温度，所述T’为预设的第二温度阈值，其根据冷藏车的制冷温度要求设置；
四、比较T2和T3，若T2－T3＞T”，开启蒸发风机，否则，关闭蒸发风机；所述T3为第一蒸发器输出口处的氮气排气温度，所述T”为预设的第三温度阈值，其根据冷藏车的制冷温度要求和实际需要设置；
五、根据P1和P，调节增压阀的开度，使P1趋于P；所述P1为液氮罐内的压力，所述P为预设的压力阈值，其根据液氮罐的液氮输送压力要求设置。
本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统及其控制方法与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过让冷藏车采用液氮制冷系统，让液氮制冷系统设置液氮罐、阀箱和第一蒸发器，使液氮罐通过第一管路与阀箱的输入端连接，并在阀箱中设置第一电磁阀，使阀箱的输出端通过第二管路与第一蒸发器的输入口连接，并在第二管路上设置第二电磁阀，使第一蒸发器的输出口连接第一排气管路；燃料电池包括电堆，让冷却系统设置换热装置、电子水泵和控制器，使换热装置的一次侧输入口通过第三管路与电堆的冷却液出口连接，使换热装置的一次侧输出口通过第四管路与电堆的冷却液进口连接，使换热装置的二次侧输入口通过第五管路与阀箱的输出端连接，并在第五管路上设置第三电磁阀，使换热装置的二次侧输出口连接第二排气管路，让电子水泵设置在第四管路上，且使控制器分别与第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀连接。由此就构成了一种结构紧凑、控制灵活、适应性强、冷却效率高的冷藏车燃料电池的冷却系统。本发明通过让冷藏车采用间接式液氮制冷系统，在实际应用中，当车箱内的温度高于预设的温度时，使第一电磁阀和第二电磁阀打开，液氮罐中的液氮就会通过第一管路、阀箱和第二管路进入第一蒸发器，并在第一蒸发器中进行蒸发吸收车厢内的空气热量，从而使车箱内的温度保持在安全的制冷温度以下，提高了冷藏车的可靠性，蒸发换热后的氮气通过第一排气管路直接排放到大气中即可，与传统的制冷系统相比，液氮制冷系统可提高冷冻冷藏食品的品质，延长冷链配送的供应时效。同时，本发明通过让冷却系统设置换热装置，使换热装置的一次侧与电堆连接构成冷却液循环回路，并使换热装置的二次侧输入口与阀箱的输出端连接，当电堆内的温度高于预设的温度时，使第一电磁阀和第三电磁阀打开，液氮罐中的液氮就会通过第一管路、阀箱和第五管路进入换热装置，并在换热装置中进行蒸发吸收冷却液的热量，通过冷却液循环回路对电堆进行冷却可使其内部温度保持在正常的温度范围内，保证了燃料电池的工作稳定性和可靠性，蒸发换热后的氮气通过第二排气管路直接排放到大气中即可，相比于现有冷却系统采用的大功率散热器，不但体积小，容易布置，而且冷却效率高。本发明提供的一种上述冷藏车燃料电池的冷却系统的控制方法具有流程简单、执行效率高、安全可靠的优点。
下面结合附图所示具体实施方式对本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统及其控制方法作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统的原理图；
图2为本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统中换热装置的结构示意图。
具体实施方式
首先需要说明的，本发明中所述的上、下、左、右、前、后等方位词只是根据附图进行的描述，以便于理解，并非对本发明的技术方案以及请求保护范围进行的限制。
如图1和图2所示本发明一种冷藏车燃料电池的冷却系统的具体实施方式，让冷藏车采用间接式液氮制冷系统，并使液氮制冷系统设置液氮罐11、阀箱12和第一蒸发器13。使液氮罐11通过第一管路与阀箱12的输入端连接，并在阀箱12中设置第一电磁阀121，使阀箱12的输出端通过第二管路与第一蒸发器13的输入口连接，并在第二管路上设置第二电磁阀14，使第一蒸发器13的输出口连接第一排气管路。冷藏车的燃料电池包括电堆21。使冷却系统设置换热装置31、电子水泵32和控制器33。让换热装置31的一次侧输入口通过第三管路与电堆21的冷却液出口连接，让换热装置31的一次侧输出口通过第四管路与电堆21的冷却液进口连接，让换热装置31的二次侧输入口通过第五管路与阀箱12的输出端连接，并在第五管路上设置第三电磁阀34，让换热装置31的二次侧输出口连接第二排气管路。将电子水泵32设置在第四管路上，且使控制器33分别与第一电磁阀121、第二电磁阀14和第三电磁阀34连接。
通过以上结构设置就构成了一种结构紧凑、控制灵活、适应性强、冷却效率高的冷藏车燃料电池的冷却系统。本发明通过让冷藏车采用间接式液氮制冷系统，在实际应用中，当车箱内的温度高于预设的温度时，使第一电磁阀121和第二电磁阀14打开，液氮罐11中的液氮就会通过第一管路、阀箱12和第二管路进入第一蒸发器13，并在第一蒸发器13中进行蒸发吸收车厢内的空气热量，从而使车箱内的温度保持在安全的制冷温度以下，提高了冷藏车的可靠性，蒸发换热后的氮气通过第一排气管路直接排放到大气中即可。与传统的制冷系统相比，液氮制冷系统可提高冷冻冷藏食品的品质，延长冷链配送的供应时效。同时，本发明通过让冷却系统设置换热装置31，使换热装置31的一次侧与电堆21连接构成冷却液循环回路，并使换热装置31的二次侧输入口与阀箱12的输出端连接，当电堆21内的温度高于预设的温度时，使第一电磁阀121和第三电磁阀34打开，液氮罐11中的液氮就会通过第一管路、阀箱12和第五管路进入换热装置31，并在换热装置31中进行蒸发吸收冷却液的热量，通过冷却液循环回路对电堆21进行冷却可使其内部温度保持在正常的温度范围内，保证了燃料电池的工作稳定性和可靠性，蒸发换热后的氮气通过第二排气管路直接排放到大气中即可，相比于现有冷却系统采用的大功率散热器，不但体积小，容易布置，而且冷却效率高。需要说明的是，在实际应用中，第一蒸发器13是设置在冷藏车的车厢100中的，液氮罐11和阀箱12通常设置在冷藏车的底盘上。
作为优化方案，本具体实施方式让换热装置31的一次侧和二次侧采用了逆流换热方式，并使换热装置31设置了第二蒸发器3101和板式换热器3102，其中，板式换热器3102的一次侧和二次侧对应与第二蒸发器3101的一次侧和二次侧串联。通过采用逆流换热可增强换热效果，通过设置第二蒸发器3101和板式换热器3102，换热过程中液氮会先进入第二蒸发器3101中进行蒸发并吸收冷却液的热量，蒸发后的低温氮气会随后进入板式换热器3102中并对冷却液进行预冷，有效提高了换热效率以及液氮的冷量利用率。为检测电堆21内的温度，提高控制的便利性和可靠性，本具体实施方式在电堆21的冷却液出口和冷却液进口对应设置了第一温度传感器35和第二温度传感器36，并使第一温度传感器35和第二温度传感器36分别与控制器33进行了连接。为增强冷却系统的适应性，本具体实施方式设置了节温器37和加热装置38，并将节温器37设置在换热装置31和电子水泵32之间的第四管路上，让加热装置38的一端与节温器37连接，让加热装置38的另一端与第三管路连接。这一结构设置当环境温度较低时，通过节温器37控制其不同阀口的通断，使电子水泵32、检测电堆21、加热装置38和节温器37构成冷却液循环回路，并通过加热装置38加热冷却液可提高燃料电池的低温适应性，增强了冷藏车的低温启动能力和适用范围。为增强冷却系统的稳定性和可靠性，本具体实施方式还设置了过滤器39和冷却液补偿水箱310，将过滤器39设置在电子水泵32和电堆21之间的第四管路上，使冷却液补偿水箱310通过第六管路与第三管路连接，并在第六管路上设置了排气阀311、去离子器312和第一截止阀313，使冷却液补偿水箱310通过第七管路与电子水泵32和节温器37之间的第四管路连接，并在第七管路上设置了补水阀314。通过过滤器39可滤除冷却液中的杂质，通过排气阀311可排除冷却液中的夹气，需要补充冷却液时只需打补水阀314使补偿水箱310参与冷却液循环即可。需要说明的是，第一截止阀313通常采用手动截止阀，正常工况下其处于开启状态，需要检查维护时通过第一截止阀313切断对应的管路可方便操作。
作为具体实施方式，本发明使第一蒸发器13设置了蒸发风机131，并在第一蒸发器13的输出口设置了第三温度传感器15，在冷藏车的车厢内设置了第四温度传感器16，且使蒸发风机131、第三温度传感器15和第四温度传感器16分别与控制器33进行了连接。通过蒸发风机131可增强第一蒸发器13的换热性能和换热效率；通过第三温度传感器15可方便检测液氮经第一蒸发器13蒸发换热后的氮气排气温度，通过第四温度传感器16可方便检测车厢内的温度。同时，本具体实施方式使液氮罐11设置了自增压管路，让自增压管路的两端对应与液氮罐11的底部和顶部连接，并在自增压管路上设置了增压阀111和增压器112，使增压阀111与控制器33连接且处于增压器112和液氮罐11的底部之间。这一结构设置当液氮罐11内的压力偏低时通过开启增压阀111并控制开度，液氮罐11中的液氮就会经过增压器112汽化膨胀后回到液氮罐11，从而实现自增压目的，增强了系统的稳定性和可靠性。另外，本具体实施方式还在液氮罐11的自增压管路上设置了压力传感器113和第一安全阀114，使压力传感器113与控制器33连接并处于增压器112和液氮罐11的顶部之间，让第一安全阀114处于增压器112和压力传感器113之间；并在阀箱12中设置了第二安全阀122和压力表123。通过压力传感器113可方便检测液氮罐11内的压力，当液氮罐11内压力过高时通过第一安全阀114可实现泄压，保证了安全性；当液氮输送管路中的压力过高时通过第二安全阀122可实现泄压，通过压力表123可直观地了解液氮输送管路中的压力。
需要说明的是，在实际应用中，本发明还在第一管路上设置了第二截止阀17；在液氮罐11的自增压管路上设置了第三截止阀115和第四截止阀116，其中，第三截止阀115处于增压阀111和液氮罐11的底部之间，第四截止阀116处于增压器112和第一安全阀114之间。在检查维护时，通过第二截止阀17、第三截止阀115和第四截止阀116切断对应的管路可方便操作。第二截止阀17、第三截止阀115和第四截止阀116通常采用手动截止阀，并在正常工况下使其处于打开状态，以避免误操作。为便于观察液氮罐11中液氮的液位，本发明还让液氮罐11设置了液位计，并连接了加注管路以便向液氮罐11中加注液氮。
基于同一构思，本发明还提供了一种上述冷藏车燃料电池的冷却系统的控制方法，具体包括以下步骤
一、启动系统，并进行巡检。
二、比较T1和T，若T1＞T，使第一电磁阀121和第三电磁阀34打开，否则，使第三电磁阀34关闭。其中，T1为电堆21内的温度，由第一温度传感器35检测得到；T为预设的第一温度阈值，其根据电堆21的正常工作温度范围(60～70℃)设置。
第一电磁阀121和第三电磁阀34打开后，液氮罐11中的液氮就会通过第一管路、阀箱12和第五管路进入换热装置31，并在换热装置31中进行蒸发吸收冷却液的热量，通过冷却液循环回路对电堆21进行冷却可使其内部温度保持在正常的温度范围内，保证了燃料电池的工作稳定性和可靠性。
三、比较T2和T’，若T2＞T’，使第一电磁阀121和第二电磁阀14打开，否则，使第二电磁阀14关闭。其中，T2为车厢内的温度，由第四温度传感器16检测得到；T’为预设的第二温度阈值，其根据冷藏车的制冷温度要求设置。
第一电磁阀121和第二电磁阀14打开后，液氮罐11中的液氮就会通过第一管路、阀箱12和第二管路进入第一蒸发器13，并在第一蒸发器13中进行蒸发吸收车厢内的空气热量，从而使车箱内的温度保持在安全的制冷温度以下，提高了冷藏车的可靠性。
四、比较T2和T3，若T2－T3＞T”，开启蒸发风机31，否则，关闭蒸发风机31。其中，T3为第一蒸发器13输出口处的氮气排气温度，由第三温度传感器15检测得到；T”为预设的第三温度阈值，其根据冷藏车的制冷温度要求和实际需要设置，在实际应用中本发明通常将T”设置为5～10℃。
当车厢内的温度和氮气排气温度的差值较大时，通过开启蒸发风机31可增强第一蒸发器13的换热效率，提高氮气排气温度，以避免液氮冷量的浪费。
五、根据P1和P，调节增压阀111的开度，使P1趋于P。其中，P1为液氮罐11内的压力，由压力传感器113检测得到；P为预设的压力阈值，根据液氮罐11的液氮输送压力要求设置。这一方式可使液氮罐11保持稳定的液氮输送压力，提高了系统的稳定性和可靠性。
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种冷藏车燃料电池的冷却系统，所述冷藏车设有液氮制冷系统，液氮制冷系统包括液氮罐(11)、阀箱(12)和第一蒸发器(13)，液氮罐(11)通过第一管路与阀箱(12)的输入端连接，阀箱(12)中设有第一电磁阀(121)，阀箱(12)的输出端通过第二管路与第一蒸发器(13)的输入口连接，第二管路上设有第二电磁阀(14)，第一蒸发器(13)的输出口连接有第一排气管路；所述燃料电池包括电堆(21)，其特征在于，所述冷却系统包括换热装置(31)、电子水泵(32)和控制器(33)，换热装置(31)的一次侧输入口通过第三管路与电堆(21)的冷却液出口连接，换热装置(31)的一次侧输出口通过第四管路与电堆(21)的冷却液进口连接，换热装置(31)的二次侧输入口通过第五管路与阀箱(12)的输出端连接，第五管路上设有第三电磁阀(34)，换热装置(31)的二次侧输出口连接有第二排气管路，电子水泵(32)设置在第四管路上，控制器(33)分别与第一电磁阀(121)、第二电磁阀(14)和第三电磁阀(34)连接；所述换热装置(31)的一次侧和二次侧采用逆流换热并包括第二蒸发器(3101)和板式换热器(3102)，板式换热器(3102)的一次侧和二次侧对应与第二蒸发器(3101)的一次侧和二次侧串联；还包括节温器(37)和加热装置(38)，所述节温器(37)设置在换热装置(31)和电子水泵(32)之间的第四管路上，所述加热装置(38)的一端与节温器(37)连接，加热装置(38)的另一端与第三管路连接。
2.根据权利要求1所述的一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述电堆(21)的冷却液出口和冷却液进口对应设有第一温度传感器(35)和第二温度传感器(36)，第一温度传感器(35)和第二温度传感器(36)分别与控制器(33)连接。
3.根据权利要求2所述的一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其特征在于，还包括过滤器(39)和冷却液补偿水箱(310)，过滤器(39)设置在电子水泵(32)和电堆(21)之间的第四管路上，冷却液补偿水箱(310)通过第六管路与第三管路连接，第六管路上设有排气阀(311)、去离子器(312)和第一截止阀(313)，冷却液补偿水箱(310)通过第七管路与电子水泵(32)和节温器(37)之间的第四管路连接，第七管路上设有补水阀(314)。
4.根据权利要求3所述的一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述第一蒸发器(13)设有蒸发风机(131)，第一蒸发器(13)的输出口设有第三温度传感器(15)，冷藏车的车厢内设有第四温度传感器(16)，蒸发风机(131)、第三温度传感器(15)和第四温度传感器(16)分别与控制器(33)连接。
5.根据权利要求4所述的一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述液氮罐(11)设有自增压管路，自增压管路的两端对应与液氮罐(11)的底部和顶部连接，自增压管路上设有增压阀(111)和增压器(112)，增压阀(111)与控制器(33)连接并处于增压器(112)和液氮罐(11)的底部之间。
6.根据权利要求5所述的一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述液氮罐(11)的自增压管路上设有压力传感器(113)和第一安全阀(114)，压力传感器(113)与控制器(33)连接并处于增压器(112)和液氮罐(11)的顶部之间，第一安全阀(114)处于增压器(112)和压力传感器(113)之间；所述阀箱(12)中设有第二安全阀(122)和压力表(123)。
7.根据权利要求6所述的一种冷藏车燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述第一管路上设有第二截止阀(17)；所述液氮罐(11)的自增压管路上设有第三截止阀(115)和第四截止阀(116)，第三截止阀(115)处于增压阀(111)和液氮罐(11)的底部之间，第四截止阀(116)处于增压器(112)和第一安全阀(114)之间。
8.一种权利要求6所述冷藏车燃料电池的冷却系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤
一、启动系统，并进行巡检；
二、比较T1和T，若T1＞T，使第一电磁阀(121)和第三电磁阀(34)打开，否则，使第三电磁阀(34)关闭；所述T1为电堆(21)内的温度，所述T为预设的第一温度阈值，其根据电堆(21)的正常工作温度范围设置；
三、比较T2和T’，若T2＞T’，使第一电磁阀(121)和第二电磁阀(14)打开，否则，使第二电磁阀(14)关闭；所述T2为车厢内的温度，所述T’为预设的第二温度阈值，其根据冷藏车的制冷温度要求设置；
四、比较T2和T3，若T2－T3＞T”，开启蒸发风机(131)，否则，关闭蒸发风机(131)；所述T3为第一蒸发器(13)输出口处的氮气排气温度，所述T”为预设的第三温度阈值，其根据冷藏车的制冷温度要求和实际需要设置；
五、根据P1和P，调节增压阀(111)的开度，使P1趋于P；所述P1为液氮罐(11)内的压力，所述P为预设的压力阈值，其根据液氮罐(11)的液氮输送压力要求设置。
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