CN112009349A - 一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统 - Google Patents

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魏金莹
王淮英
王遥
景卓
赵康
周博文
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Abstract

本发明公开了一种本发明公开了一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统。本发明的液氢储罐向外排放液氢，分别通过通断可控管路进入换热器和蓄冷器。液氢在换热器和蓄冷器中释放冷量，升温转化为低温氢气。低温氢气可进入燃料电池使用通道供燃料电池使用。载冷剂从冷板中流出，通往换热器或蓄冷器。在换热器和蓄冷器中完成冷量传递的载冷剂，经过通断可控的管回到冷板，将冷量传递给冷藏车厢。本发明在完成液氢到氢气的转变，达到燃料电池供氢要求的基础上，实现液氢冷能利用，提高能量利用效率，符合节能环保的发展要求，具有广阔的发展前景。

Description

一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统
技术领域
本发明属于冷藏运输货物车辆的制冷系统领域，具体涉及一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统。
背景技术
随着我国经济快速发展，人们生活水平逐渐提高，对食品多样性的需求不断增大。食品在常温下贮存时，色、香、味和营养品质会发生变化，质量降低。如果长时间常温贮存，会发生食品变质和腐败。所以需要在相对低的温度下运输才可以保证食品处于鲜活状态。近几年来，冷链物流车的数量在不断上升。目前，传统冷链物流车制冷系统通常为机械式制冷系统，通过发动机或辅助发动机耗油来提供动力，不仅增加冷链物流车耗油量，还加剧能源短缺和环境污染等问题，因此亟需开发新型制冷系统。
燃料电池汽车是将燃料电池作为动力源，直接将氢气与氧气燃料的化学能转变为电能，与传统的内燃机汽车相比，具有能源转换效率高、环境友好、续航里程长等优点。燃料电池汽车中的储氢方法主要有高压气态储氢、深冷高压储氢、低温液态储氢。其中，低温液态储氢由于液氢能量密度高，储氢容量大，加氢速率快，安全性好等优点，具有广阔的市场前景。
低温液态储氢中的液氢在进入到燃料电池前需要将其转变为常温氢气。将这部分汽化潜热和显热利用在冷链物流车中，可以实现车厢中的低温环境，提高冷源利用率。所以将冷链物流车与液氢燃料电池相结合是冷链物流车未来发展重要方向。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，将低温液态储氢燃料电池中液氢的冷能运用在冷链物流车中，不仅可以提高能源利用率，还符合冷链物流车节能减排的发展要求
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，燃料电池的供氢通道与冷藏车厢的载冷剂循环通道共用换热器和蓄冷器；
在燃料电池的供氢通道中，液氢储罐的输出管路分为通断可控的两路，一路液氢进入换热器与载冷剂直接交换冷量，形成低温氢气进入燃料电池使用通道；另一路液氢进入蓄冷器将冷量传递给蓄冷器中的蓄冷剂，形成低温氢气进入所述燃料电池使用通道；所述燃料电池使用通道将低温氢气加热至常温，提供给燃料电池堆使用；
在载冷剂换热回路中，载冷剂从冷板流出，通过水泵提供动力，水泵的输出管路分为通断可控的两路，一路进入换热器与液氢直接交换冷量，另一路进入蓄冷器与蓄冷剂交换冷量；从换热器和蓄冷器出来的载冷剂再次回到冷板，对冷藏车厢进行制冷；
通过管路通断控制，使得液氢进入换热器与载冷剂直接交换冷量，或者进入蓄冷器将冷量传递给蓄冷剂；通过管路通断控制还使得载冷剂从换热器获取冷量，或者从蓄冷器的蓄冷剂获取冷量。
车辆正常行驶时，如果冷藏车厢未达到目标温度，则开启换热器所在的供氢通道和载冷剂换热回路，通过液氢为载冷剂持续供冷；当冷藏车厢达到目标温度，不需要液氢持续供冷，关闭水泵，载冷剂停止循环，开启蓄冷器所在的供氢通道，将液氢冷量储存于蓄冷剂中；
在车辆处于无法通过液氢持续供冷状态时，开启蓄冷器所在的载冷剂换热回路，通过蓄冷剂维持对载冷剂的冷量供给，保持冷藏车厢温度。
其中，所述无法通过液氢持续供冷状态为：车辆熄火或车辆故障。
优选地，所述燃料电池使用通道包括第三三通调节阀、空气汽化器、缓冲罐、第三电磁阀和燃料电池堆；低温氢气经过第三三通调节阀进入空气汽化器，将低温氢气加热至常温；常温氢气在缓冲罐中储存，根据燃料电池堆所需用量，调节第三电磁阀进行供给。
优选地，所述的蓄冷器中蓄冷剂为氯化钠水溶液、氯化钙水溶液、丙烯乙二醇水溶液或丙二醇水溶液。
优选地，所述的载冷剂为氯化钠水溶液、氯化钙水溶液、丙烯乙二醇水溶液或丙二醇水溶液。
优选地，通过调节水泵改变载冷剂的流量，实现车厢内温度的可调性。
优选地，所述的燃料电池堆采用质子交换膜燃料电池堆。
优选地，所述燃料电池的供氢通道由液氢储罐、第一电磁阀、换热器制冷剂通道、第二电磁阀、蓄冷器制冷剂通道组成；液氢储罐输出管路分为两路，一路通过第一电磁阀接入换热器制冷剂通道入口，另一路通过第二电磁阀接入蓄冷器制冷剂通道入口；换热器和蓄冷器的制冷剂通道出口接入所述燃料电池使用通道。
优选地，所述载冷剂换热回路由冷板、水泵、第一三通调节阀、第二三通调节阀、换热器载冷剂通道、蓄冷器载冷剂通道组成；冷板一端通过水泵接入第一三通调节阀的入口，第一三通调节阀的第一出口接入换热器载冷剂通道的入口，第一三通调节阀的第二出口接入蓄冷器载冷剂通道的入口；换热器和蓄冷器的载冷剂通道出口接入第二三通调节阀的两个入口，第二三通调节阀的出口连接冷板的另一端。
有益效果：
(1)与传统冷链物流车相比，本发明采用了燃料电池作为动力源，清洁环保，实现了车辆的零排放，符合我国大力发展清洁能源的需求。
(2)本发明将低温储存的液氢冷能利用在冷链物流车制冷系统中，不仅完成液氢到氢气的转变，达到燃料电池的供氢要求，同时提高冷能利用效率，符合节能降耗的要求。
(3)本发明采用蓄冷剂和载冷剂结合的制冷方式。车辆正常行驶时，载冷剂与液氢直接通过换热器进行冷量传递；在车厢达到冷藏温度，不需要液氢持续供冷时，蓄冷剂开始与液氢发生换热，吸收冷量并储存。当车辆熄火或发生故障时，液氢停止供给，载冷剂可通过吸收蓄冷剂储存的冷量继续对冷藏车厢体进行制冷，保证冷藏食品的鲜活性。
(4)由于液氢温度为零下253摄氏度，不仅可以运用在零下18摄氏度的冷冻运输，还适用于超低温冷藏运输(零下50摄氏度到零下60摄氏度)。
附图说明
图1为本发明的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统的工作原理图。
附图中标记的含义如下：
1-液氢储罐；2-第一电磁阀；3-第二电磁阀；4-换热器；5-蓄冷器；6-第一三通调节阀；7-水泵；8-冷藏车厢；9-冷板；10-第二三通调节阀；11-第三三通调节阀；12-空气汽化器；13-缓冲罐；14-第三电磁阀；15-燃料电池堆。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其基本思想是：燃料电池的供氢通道与冷藏车厢的载冷剂换热回路共用换热器和蓄冷器；换热器由液氢供冷，与载冷剂直接进行冷量交换，冷量传递过程为液氢→载冷剂。蓄冷器也由液氢供冷，由蓄冷器中的蓄冷剂储蓄冷量，在需要时，提供给载冷剂，形成两级供冷系统，冷量传递过程为液氢→蓄冷剂→载冷剂。通过冷量交换的液氢变为氢气，经过常温处理后可以提供给燃料电池使用，从而充分利用液氢的冷量，提高能源利用率。而且蓄冷器的加入，使得汽车在熄火或故障时，还能够维持冷藏温度，符合节能降耗的要求。
本发明的液氢制冷系统包括燃料电池的供氢通道和载冷剂换热回路。如图1所示，燃料电池的供氢通道为外环，载冷剂换热回路为内环。
燃料电池的供氢通道包括液氢冷量交换通道和燃料电池使用通道。在液氢冷量交换通道包括两个分支，一个分支是由液氢储罐1、第一电磁阀2、换热器4组成的液氢直接供冷系统，使液氢和载冷剂通过换热器4直接交换冷量。另一个分支是由液氢储罐1、第二电磁阀3、蓄冷器5组成的蓄冷器两级供冷系统，液氢通过蓄冷器5将冷量传递给蓄冷剂，再由蓄冷剂对载冷剂进行冷量交换。具体来说，液氢储罐1的输出管路分为通断可控的两路，一路液氢进入换热器4与载冷液直接交换冷量，形成低温氢气进入燃料电池使用通道；另一路液氢进入蓄冷器5将冷量传递给蓄冷器中的蓄冷剂，形成低温氢气进入所述燃料电池使用通道。
在本实施例中，如图1所示，燃料电池的供氢通道由液氢储罐1、第一电磁阀2、换热器4制冷剂通道、第二电磁阀3、蓄冷器5制冷剂通道组成。液氢储罐1输出管路分为两路，一路通过第一电磁阀2接入换热器4制冷剂通道入口，另一路通过第二电磁阀3接入蓄冷器5制冷剂通道入口；换热器4和蓄冷器5的制冷剂通道出口接入所述燃料电池使用通道。
燃料电池使用通道将低温氢气加热至常温，并提供给燃料电池堆15使用。如图所示，燃料电池使用通道包括第三三通调节阀11、空气汽化器12、缓冲罐13、第三电磁阀14和燃料电池堆15。液氢发生冷量交换转变为低温氢气后，低温氢气经过第三三通调节阀11进入空气汽化器12，将低温氢气加热至常温；常温氢气在缓冲罐13中储存，根据燃料电池堆15所需用量，调节第三电磁阀14进行供给。燃料电池堆15可以是质子交换膜燃料电池堆。本实施例中，供氢通道两个分支的开通和关断由两个电磁阀实现，在实际中，也可以采用两个流量阀或者一个三通阀或者其他开关实现。同理，第三三通调节阀11也可以采用两个流量阀实现。
在载冷剂换热回路中，冷板9设置在需要保持温度的冷藏车厢(8)处。载冷剂从冷板9流出，通过水泵7提供动力，水泵7的输出管路分为通断可控的两路，一路进入换热器4与液氢直接交换冷量，另一路进入蓄冷器5与蓄冷剂交换冷量；从换热器4和蓄冷器5出来的载冷剂再次回到冷板9，对冷藏车厢8进行制冷。
在本实施例中，如图1所示，载冷剂换热回路由冷板9、水泵7、第一三通调节阀6、第二三通调节阀10、换热器4载冷剂通道、蓄冷器5载冷剂通道组成。冷板9一端通过水泵7接入第一三通调节阀6的入口，通过调节水泵7可以改变载冷剂的流量，实现车厢内温度的可调性。第一三通调节阀6的第一出口接入换热器4载冷剂通道的入口，第一三通调节阀6的第二出口接入蓄冷器5载冷剂通道的入口；换热器4和蓄冷器5的载冷剂通道出口接入第二三通调节阀10的两个入口，第二三通调节阀10的出口连接冷板9的另一端。本实施例中载冷剂换热回路上下两个分支的通断或者流量分配由三通阀实现，在实际中，也可以采用流量阀实现。
蓄冷器5中蓄冷剂以及载冷剂均可以采用氯化钠水溶液、氯化钙水溶液、丙烯乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中的任意一种。
当车辆正常行驶时，开启水泵以及换热器所在的载冷剂循环回路，载冷剂开始循环。液氢从液氢储罐1排出后经过第一电磁阀2，进入到换热器4，与载冷剂发生换热，冷量从液氢传递到载冷剂。换热结束后，液氢转变为低温氢气，进入到空气汽化器12，与外界环境发生热交换，转变为常温氢气。常温氢气在缓冲罐13中储存，通过调整第三电磁阀14，向燃料电池堆15供氢。当车厢达到冷藏温度，不需要液氢持续供冷时，关闭水泵，载冷剂停止循环，同时打开第二电磁阀3，关闭第一电磁阀2，液氢进入蓄冷器5，液氢开始与蓄冷剂换热，将多余冷量储存在蓄冷剂中。那么，在车辆出现故障或者熄火，液氢停止供给时，载冷剂可以继续从蓄冷剂中接受冷量来维持冷藏车厢8的温度。当车厢温度高于目标温度2-3℃时，液氢再次切换到换热器，同时打开水泵，让载冷剂与液氢在换热器中发生换热。
在车辆正常行驶时，载冷剂从冷板9流出，经过水泵7进入到换热器4中，与液氢发生冷量传递。被冷却后的载冷剂经过第二三通调节阀10，回到冷板9，对冷藏车厢8进行制冷。在车辆出现故障或者熄火，液氢停止供给时，载冷剂通过第一三通调节阀6，进入到蓄冷器5中，利用蓄冷剂储存的冷量对载冷剂持续制冷，从而维持冷藏车厢8的低温环境。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，燃料电池的供氢通道与冷藏车厢(8)的载冷剂循环通道共用换热器(4)和蓄冷器(5)；
在燃料电池的供氢通道中，液氢储罐(1)的输出管路分为通断可控的两路，一路液氢进入换热器(4)与载冷剂直接交换冷量，形成低温氢气进入燃料电池使用通道；另一路液氢进入蓄冷器(5)将冷量传递给蓄冷器中的蓄冷剂，形成低温氢气进入所述燃料电池使用通道；所述燃料电池使用通道将低温氢气加热至常温，提供给燃料电池堆(15)使用；
在载冷剂换热回路中，载冷剂从冷板(9)流出，通过水泵(7)提供动力，水泵(7)的输出管路分为通断可控的两路，一路进入换热器(4)与液氢直接交换冷量，另一路进入蓄冷器(5)与蓄冷剂交换冷量；从换热器(4)和蓄冷器(5)出来的载冷剂再次回到冷板(9)，对冷藏车厢(8)进行制冷；
通过管路通断控制，使得液氢进入换热器与载冷剂直接交换冷量，或者进入蓄冷器将冷量传递给蓄冷剂；通过管路通断控制还使得载冷剂从换热器获取冷量，或者从蓄冷器的蓄冷剂获取冷量。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，车辆正常行驶时，如果冷藏车厢(8)未达到目标温度，则开启换热器所在的供氢通道和载冷剂换热回路，通过液氢为载冷剂持续供冷；当冷藏车厢(8)达到目标温度，不需要液氢持续供冷，关闭水泵，载冷剂停止循环，开启蓄冷器(5)所在的供氢通道，将液氢冷量储存于蓄冷剂中；
在车辆处于无法通过液氢持续供冷状态时，开启蓄冷器(5)所在的载冷剂换热回路，通过蓄冷剂维持对载冷剂的冷量供给，保持冷藏车厢(8)温度。
3.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述无法通过液氢持续供冷状态为：车辆熄火或车辆故障。
4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述燃料电池使用通道包括第三三通调节阀(11)、空气汽化器(12)、缓冲罐(13)、第三电磁阀(14)和燃料电池堆(15)；低温氢气经过第三三通调节阀(11)进入空气汽化器(12)，将低温氢气加热至常温；常温氢气在缓冲罐(13)中储存，根据燃料电池堆(15)所需用量，调节第三电磁阀(14)进行供给。
5.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述的蓄冷器(5)中蓄冷剂为氯化钠水溶液、氯化钙水溶液、丙烯乙二醇水溶液或丙二醇水溶液。
6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述的载冷剂为氯化钠水溶液、氯化钙水溶液、丙烯乙二醇水溶液或丙二醇水溶液。
7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，通过调节水泵(7)改变载冷剂的流量，实现车厢内温度的可调性。
8.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述的燃料电池堆(15)采用质子交换膜燃料电池堆。
9.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述燃料电池的供氢通道由液氢储罐(1)、第一电磁阀(2)、换热器(4)制冷剂通道、第二电磁阀(3)、蓄冷器(5)制冷剂通道组成；
液氢储罐(1)输出管路分为两路，一路通过第一电磁阀(2)接入换热器(4)制冷剂通道入口，另一路通过第二电磁阀(3)接入蓄冷器(5)制冷剂通道入口；换热器(4)和蓄冷器(5)的制冷剂通道出口接入所述燃料电池使用通道。
10.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷链物流车的液氢制冷系统，其特征在于，所述载冷剂换热回路由冷板(9)、水泵(7)、第一三通调节阀(6)、第二三通调节阀(10)、换热器(4)载冷剂通道、蓄冷器(5)载冷剂通道组成；
冷板(9)一端通过水泵(7)接入第一三通调节阀(6)的入口，第一三通调节阀(6)的第一出口接入换热器(4)载冷剂通道的入口，第一三通调节阀(6)的第二出口接入蓄冷器(5)载冷剂通道的入口；换热器(4)和蓄冷器(5)的载冷剂通道出口接入第二三通调节阀(10)的两个入口，第二三通调节阀(10)的出口连接冷板(9)的另一端。
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