CN111048802A - 一种具有加热功能的氢燃料电池及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有加热功能的氢燃料电池及控制方法，包括电堆、氢气瓶、空压机、氢气管道、空气管道、加湿器及控制单元，在氢气管道上套设加热管道，在加热管道上设置加热进水口及加热出水口，加热进水口连接至热水出水口，设置三相水泵与流量计；控制方法为，S1、检测实时温度传至控制单元；S2、判断实时温度是否小于温度阈值，是则进入步骤S3，否则进入步骤S4；S3、向加热管道供热水，返回步骤S1进入步骤S5；S4、处于排水状态，返回步骤S1；S5、判断是否发生泄漏，是则打开排气阀；S6、判断烟雾信号是否大于烟雾阈值，是开启自动灭火装置切断电源。不增加成本，不增加重量，提高氢燃料电池整体运行的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池的应用技术领域，尤其是涉及一种具有加热功能的氢燃料电池及控制方法。
背景技术
由于现在石油日益减少，环境污染越来越严重，用新能源取代石油是必然的发展趋势，而氢燃料电池接近零污染的环保优势，逐渐被各国政府发现，并鼓励使用。由于氢燃料电池使用的氢气需要给氢气加湿，加湿后的氢气在低温情况下容易出现结冰，而影响氢燃料电池的正常使用，现有的技术安装一个热水管道与湿氢管道并联，实现加热功能，同时，若氢气泄露直接排放至空气中，给氢气使用带来一定的安全隐患；同时氢燃料电池会产生60℃左右的废水，通常是直接排出，造成热能的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有加热功能的氢燃料电池及控制方法，实现对氢气进行加热且在泄漏后进行二次防护功能，同时能够充分利用氢燃料电池排出的废水热量。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种具有加热功能的氢燃料电池，包括电堆、氢气瓶、空压机、设置于电堆与氢气瓶之间的氢气管道、设置于电堆与空压机之间的空气管道、设置于氢气管道上用于给氢气加湿的加湿器以及用于控制氢燃料电池的控制单元，在所述的加湿器与电堆之间的氢气管道上套设环状的加热管道，所述的氢气管道与加热管道之间形成间隙，在所述的间隙的两端部密封，在所述的加热管道上设置加热进水口以及加热出水口，所述的加热进水口通过连接管道连接至电堆的热水出水口，在所述的连接管道与热水出水口之间设置三相水泵，在所述的连接管道上设置流量计，所述的三相水泵与流量计均连接于控制单元。
进一步具体的，在所述的加热管道上设置至少一个排气口，并在所述的排气口上设置排气阀，所述的排气阀连接在控制单元上。
进一步具体的，所述的加热进水口以及加热出水口均设置在加热管道的底部。
进一步具体的，所述的加热进水口靠近电堆一侧，所述的加热出水口靠近加湿器一侧，使得热水的流向与氢气的流向相反。
进一步具体的，所述的间隙大于2mm。
进一步具体的，在所述的加湿器与氢气瓶之间的氢气管道上设置温度传感器，所述的温度传感器与控制单元连接。
进一步具体的，在所所述的氢燃料电池上设置有烟雾传感器以及自动灭火装置，所述的烟雾传感器与自动灭火装置与控制单元连接。
进一步具体的，在所述的连接管道上设置稳压泵，所述的稳压泵与控制单元连接。
一种氢燃料电池加热的控制方法，该控制方法的步骤为，
S1、温度传感器检测环境的实时温度，并将该实时温度信号传输至控制单元内；
S2、控制单元将检测到的实时温度信号与预先设置的温度阈值进行对比，并判断实时温度是否小于温度阈值，若是则进入步骤S3，若否则进入步骤S4；
S3、控制单元控制三相水泵通过连接管道向加热管道供热水，返回步骤S1同时进入步骤S5。
S4、控制单元控制三相水泵处于排水状态，返回步骤S1；
S5、判断加热管道内的氢气管道是否发生泄漏，若是则打开排气阀，若否则不动作；
S6、烟雾传感器检测烟雾信号并与预先设置的烟雾阈值进行对比，判断烟雾信号是否大于烟雾阈值，若是开启自动灭火装置，同时切断电源，若否则不动作。
进一步具体的，所述的步骤S5中判断氢气泄漏的方法为通过设置氢气传感器并与控制单元连接；或者通过加热进水口与加热出水口的流量差进行判断，若加热进水口流量小于加热出水口流量则说明氢气发生泄漏。
本发明的有益效果是：管道四周环绕热水，增大导热面，加快热量传递，并且热量传递更均衡；热水为氢燃料电池的反应生成物，不需要另外加储水及水加热设备，不增加成本，不增加重量；氢气泄漏后具有二次防护功能，提高氢燃料电池整体运行的安全性。
附图说明
图1是本发明氢燃料电池的结构示意图；
图2是本发明氢燃料电池加热控制方法的控制示意图。
图中：1、电堆；2、氢气瓶；3、加湿器；4、氢气管道；5、加热管道；6、间隙；7、加热进水口；8、加热出水口；9、连接管道；10、三相水泵；11、排气口；12、排气阀；13、流量计；14、控制单元；15、温度传感器；16、烟雾传感器；17、自动灭火装置；18、空压机；19、空气管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示一种具有加热功能的氢燃料电池，包括电堆1、氢气瓶2、空压机18、设置于电堆1与氢气瓶2之间的氢气管道4、设置于电堆1与空压机18之间的空气管道19、设置于氢气管道4上用于给氢气加湿的加湿器3以及用于控制氢燃料电池的控制单元14，氢气瓶2通过氢气管道4向电堆1内添加氢气，空压机18通过空气管道19向电堆1内添加空气，空气中的氧气在电堆1内与氢气反应生成电能并生成60℃左右的废水排出；当环境温度过低时，氢气容易结冰，需要对氢气进行加热，故加热设计为，在所述的加湿器3与电堆1之间的氢气管道4上套设环状的加热管道5，所述的氢气管道4与加热管道5之间形成间隙6，在所述的间隙6的两端部密封，热水在间隙6内流动，同时，需要保证间隙6的宽度大于2mm，以方便热水流过同时能够实现热量的快速交换；在所述的加热管道5上设置加热进水口7以及加热出水口8，所述的加热进水口7通过连接管道9连接至电堆1的热水出水口，在所述的连接管道9与热水出水口之间设置三相水泵10，在所述的连接管道9上设置流量计13以及稳压泵，在加热出水口8处也设置一流量计13，流量计13用于计量进入的水量，稳压泵用于稳定进入水的压力，所述的三相水泵10与流量计13均连接于控制单元14，控制单元14控制三相水泵10将热水的流向进行改变，根据需要判断是否需要加热或者排出。
上述的判断方式可以通过在所述的加湿器3与氢气瓶2之间的氢气管道4上设置温度传感器15实现，同时温度传感器15与控制单元14连接，当温度传感器15检测到温度较低时，控制单元14控制三相水泵10向加热管道5内排水，实现加热功能；同时，为了方便加热管道5的进水与排水，所述的加热进水口7设置于加热管道5的底部且靠近电堆1的一侧，所述的加热出水口8设置于加热管道5底部且靠近加湿器3一侧，当热水通过加热进水口7流向加热出水口8的时候，使得热水的流向与氢气的流向相反实现逆流，能够增大温差提高导热量。
在所述的加热管道5上设置至少一个排气口11，并在所述的排气口11上设置排气阀12，所述的排气阀12连接在控制单元14上；当加热管道5内的氢气管道4内的氢气发生泄漏后，加热管道5可以有两种应用方式，第一种在不需要加热时，加热管道5的间隙6能够起到容纳氢气的目的，不会向外侧泄漏，还可以继续工作；第二种在需要加热时，排气阀12打开，泄漏的氢气冲出加热管道5时会携带水，水隔离了氢气与空气，通过这个时间差，氢气已经扩散到大气中，避免了氢气与空气混合发生火灾。
若氢燃料电池使用过程发生火灾时，也可实现自动化灭火功能，其设计为，在所述的氢燃料电池上设置有烟雾传感器16以及自动灭火装置17，所述的烟雾传感器16与自动灭火装置17与控制单元14连接，烟雾传感器16检测到烟雾信号传递给控制单元14，控制单元14控制自动灭火装置17实现自动灭火。
该氢燃料电池主要应用于有轨电车上，基于上述系统，如图2所示该氢燃料电池加热的控制方法的步骤为，
S1、温度传感器15检测氢燃料电池周围环境的实时温度，并将该实时温度信号传输至控制单元14内，该控制单元14包括氢燃料电池控制系统(FCU)以及有轨电车网络系统(CCU)，通过CCU能够实现信号之间的传输以及用于进行人机交互，FCU起到控制作用。
S2、控制单元14将检测到的实时温度信号与预先设置的温度阈值进行对比，该温度阈值一般设为0℃，也可以根据实际情况进行设置，设置范围可以在0℃～5℃中任意选取，在CCU内判断实时温度是否小于温度阈值0℃，若是则表明氢气开始进入结冰温度此时需要加热，进入步骤S3，若否则说明温度合适不需要加热，此时进入步骤S4。
S3、CCU发出控制信号至FCU，FCU控制三相水泵10通过连接管道9向加热管道5供热水，之后返回步骤S1继续对环境温度进行采集，直至环境温度高于温度阈值，同时进入步骤S5。
S4、CCU发出控制信号至FCU，FCU控制控制三相水泵10处于排水状态，直接将水排出电池外，同时返回步骤S1继续对环境温度进行采集。
S5、判断加热管道5内的氢气管道是否发生泄漏，若是则打开排气阀12使得氢气携带水一齐冲出加热管道5，若否则继续保持当前状态不动作；在该步骤中，判断氢气泄漏的方法可以有两种，第一种通过设置氢气传感器并与控制单元14连接，氢气传感器设置于排气口11处，若在排气口11处检测到氢气则说明氢气泄漏；第二种通过加热进水口7与加热出水口8的流量差进行判断，若加热进水口7流量小于加热出水口8流量则说明氢气发生泄漏，因为当氢气进入加热管道5内会占用一定体积，会迫使原本在加热管道5内的水快速流出，同时阻挡进水，故会导致加热进水口7与加热出水口8的流量不等。
S6、烟雾传感器16检测烟雾信号并与预先设置的烟雾阈值进行对比，该烟雾阈值为烟雾含量0.06％，判断烟雾信号是否大于烟雾阈值0.06％，若是则说明氢气燃料电池已经出现火情，开启自动灭火装置17同时切断供电电源，若否则说明氢气燃料电池工作正常，此时自动灭火装置17不动作。
综上，通过上述结构以及控制方法的使用，相对于原方案导热量增加了10倍，管道四周环绕热水，增大导热面，加快热量传递，并且热量传递更均衡；氢气与水流为逆向流动，增大温差，提高导热量；氢气不直接泄露，而与水混合喷出，稀释了氢气含量，提高氢气的使用安全；热水为氢燃料电池反应生成物，直接使用不需要另外加储水及水加热设备，不增加成本，不增加有轨电车的重量；同时装有烟雾传感器及自动灭火装置，可以实现自动灭火并同时切断电源的目的，更大程度上增加了氢燃料电池的使用安全。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有加热功能的氢燃料电池，包括电堆(1)、氢气瓶(2)、空压机(18)、设置于电堆(1)与氢气瓶(2)之间的氢气管道(4)、设置于电堆(1)与空压机(18)之间的空气管道(19)、设置于氢气管道(4)上用于给氢气加湿的加湿器(3)以及用于控制氢燃料电池的控制单元(14)，其特征在于，在所述的加湿器(3)与电堆(1)之间的氢气管道(4)上套设环状的加热管道(5)，所述的氢气管道(4)与加热管道(5)之间形成间隙(6)，在所述的间隙(6)的两端部密封，在所述的加热管道(5)上设置加热进水口(7)以及加热出水口(8)，所述的加热进水口(7)通过连接管道(9)连接至电堆(1)的热水出水口，在所述的连接管道(9)与热水出水口之间设置三相水泵(10)，在所述的连接管道(9)上设置流量计(13)，所述的三相水泵(10)与流量计(13)均连接于控制单元(14)。
2.根据权利要求1所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，在所述的加热管道(5)上设置至少一个排气口(11)，并在所述的排气口(11)上设置排气阀(12)，所述的排气阀(12)连接在控制单元(14)上。
3.根据权利要求1所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，所述的加热进水口(7)以及加热出水口(8)均设置在加热管道(5)的底部。
4.根据权利要求3所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，所述的加热进水口(7)靠近电堆(1)一侧，所述的加热出水口(8)靠近加湿器(3)一侧，使得热水的流向与氢气的流向相反。
5.根据权利要求1所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，所述的间隙(6)大于2mm。
6.根据权利要求1所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，在所述的加湿器(3)与氢气瓶(2)之间的氢气管道(4)上设置温度传感器(15)，所述的温度传感器(15)与控制单元(14)连接。
7.根据权利要求1所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，在所所述的氢燃料电池上设置有烟雾传感器(16)以及自动灭火装置(17)，所述的烟雾传感器(16)与自动灭火装置(17)与控制单元(14)连接。
8.根据权利要求1所述的具有加热功能的氢燃料电池，其特征在于，在所述的连接管道(9)上设置稳压泵，所述的稳压泵与控制单元(14)连接。
9.一种氢燃料电池加热的控制方法，其特征在于，该控制方法的步骤为，
S1、温度传感器(15)检测环境的实时温度，并将该实时温度信号传输至控制单元(14)内；
S2、控制单元(14)将检测到的实时温度信号与预先设置的温度阈值进行对比，并判断实时温度是否小于温度阈值，若是则进入步骤S3，若否则进入步骤S4；
S3、控制单元(14)控制三相水泵(10)通过连接管道(9)向加热管道(5)供热水，返回步骤S1同时进入步骤S5。
S4、控制单元(14)控制三相水泵(10)处于排水状态，返回步骤S1；
S5、判断加热管道(5)内的氢气管道(4)是否发生泄漏，若是则打开排气阀(12)，若否则不动作；
S6、烟雾传感器(16)检测烟雾信号并与预先设置的烟雾阈值进行对比，判断烟雾信号是否大于烟雾阈值，若是开启自动灭火装置(17)，同时，切断电源，若否则不动作。
10.根据权利要求9所述的氢燃料电池加热的控制方法，其特征在于，所述的步骤S5中判断氢气泄漏的方法为通过设置氢气传感器并与控制单元(14)连接；或者通过加热进水口(7)与加热出水口(8)的流量差进行判断，若加热进水口(7)流量小于加热出水口(8)流量则说明氢气发生泄漏。
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- 2019-12-16 CN CN201911291815.9A patent/CN111048802B/zh active Active
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