CN112537218A - 一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，包括：燃料电池发电模块、控制管理模块、制冷循环模块和运载设备，其中，燃料电池发电模块包括低温储氢罐、压缩风扇和质子交换膜燃料电池，用于输出电能；控制管理模块包括总控制器、动力电池管理系统、动力电池组、燃料电池管理系统和DC/DC转换器，用于对动力电池组、质子交换膜燃料电池以及DC/DC转换器进行监测和管理；制冷循环模块用于对质子交换膜燃料电池的高温阴极尾气余热回收，同时将产生的冷却液回收；运载设备，用于搭建各模块装置。本发明将燃料电池产生的高温水蒸气加以利用，经过蒸汽制冷循环为储氢罐提供低温环境，从而提高所储氢的体积密度。

Description

一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统
技术领域
本发明涉及低温储氢技术领域和移动充电技术领域，特别涉及一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统。
背景技术
随着电动汽车数量的持续增长，传统的充电桩越发难以满足电动汽车的日常供能需求。这意味着电动汽车与氢能源汽车的相关配套措施也要紧跟齐上，如若随着新能源汽车的发展，充电难和加氢难的问题无法得到根本上的解决，便会导致消费者更倾向于选择购买化石燃料作能源的传统汽车来满足自己的用车需求。所以新能源汽车的充电问题与氢燃料供应问题显得尤为重要。对于当前的固定充电桩，当电动汽车电力耗尽且附近没有充电桩时，电动汽车只得被迫停摆，无法工作，虽然当前提出加强电动汽车充电基础设施，鼓励扩大充电站规模，提高充电桩数量，但这样不但会提高建设成本，加大管理难度，也会加大城市电网供电压力；对于加氢站的建设，由于安全风险较高，正常情况下只得建立在远离市区的地方，同时建设成本太高，不利于氢能源汽车的发展。
此外，关于氢能，氢能具有储量大、热值高、零污染等无与伦比的优势，能很好解决人类社会能源短缺、环境污染等迫在眉睫的问题。氢能已由曾经所谓的“未来能源”开始逐步应用于低温液体火箭、汽车、船舶和飞机的动力源，以及燃料电池中。
储氢技术是氢储能应用的关键环节之一，氢的储存技术问题制约着氢能的发展。目前，国内外的储氢方式中应用较多的是高压储氢、液化储氢、金属氢化物储氢。但是对于电网用储氢技术，普通高压储氢罐具有价格的优势，但是体积密度和质量密度都很低，安全性不好；超高压储氢罐的质量密度高，但是安全性和成本不佳；液态储氢罐吸放氢性能不错，但成本很高，并且有泄漏的危险；金属氢化物储氢罐的体积密度大，安全性能好，成本较低，但却质量密度低。氢气的储存技术是氢能应用亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统。
为达到上述目的，本发明实施例提出了基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，包括：运载装置、燃料电池发电模块、控制管理模块和制冷循环模块，其中，运载设备，用于搭建所述燃料电池发电模块、所述控制管理模块和所述制冷循环模块；所述燃料电池发电模块包括低温储氢罐、压缩风扇和质子交换膜燃料电池，用于输出电能；所述控制管理模块包括总控制器、动力电池管理系统、动力电池组、燃料电池管理系统和DC/DC转换器，用于对所述动力电池组、所述质子交换膜燃料电池以及所述DC/DC转换器进行监测和管理；所述制冷循环模块包括电动机、压缩机、冷凝器、压力阀和蒸发器，用于对所述质子交换膜燃料电池的高温阴极尾气余热回收，同时将产生的冷却液回收。
本发明实施例的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，搭载于运载设备(移动平台)上的燃料电池能够随时随地为负荷提供电力支持，当多个平台相互配合时，亦可实现局部地区的电力覆盖，为该地区实现全部电力供应；并且将燃料电池产生的高温水蒸气加以利用，经过蒸汽制冷循环为储氢罐提供低温环境，从而提高所储氢的体积密度。
另外，根据本发明上述实施例的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述低温储氢罐与所述质子交换膜燃料电池连接，用于对所述质子交换膜燃料电池供氢；所述压缩风扇与所述质子交换膜燃料电池连接，用于压缩空气进入所述质子交换膜燃料电池的正极反应室。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述低温储氢罐包括制冷工质入口端和制冷工质出口端，其壁面为四层结构，从外到内为薄碳纤维层、空心层、厚碳纤维层和铝内胆层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制管理模块进一步用于：所述总控制器分别与所述动力电池管理系统、所述燃料电池管理系统连接，用于对所述控制管理模块的整体进行管理；所述动力电池管理系统与所述动力电池组连接，用于对所述动力电池进行监测和管理；所述燃料电池管理系统与所述燃料电池发电模块的质子交换膜燃料电池连接，用于对所述质子交换膜燃料电池和所述DC/DC转换器进行监测和管理；所述DC/DC转换器与所述动力电池组连接，用于对所述动力电池组进行供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述质子交换膜燃料电池和所述动力电池组可分别单独给外界充电设备充电；其中，当需要快速给所述外界充电设备充电时，所述质子交换膜燃料电池和所述动力电池组一起给外界设备大功率充电；当不需要给所述外界设备充电时，所述质子交换膜燃料电池产生的电能通过所述DC/DC转换器存储至所述动力电池组中。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述制冷循环模块进一步用于：所述制冷循环的入口段与所述燃料电池发电模块的质子交换膜燃料电池的尾气端连接，用于接收高温阴极尾气；所述制冷循环的出口段与所述燃料电池发电模块的储氢罐连接，用于对所述储氢罐进行降温处理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述制冷循环模块进一步用于：所述蒸发器与所述燃料电池发电模块的质子交换膜燃料电池连接，用于与所述燃料电池发电模块的高温阴极尾气发生热交换；所述蒸发器与所述压缩机相连，用于利用高温高压气体驱动所述电动机工作；所述压缩机与所述冷凝器、所述压力阀相连，用于与所述蒸发器共同构成完整制冷循环。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中各模块的具体连接示意图；
图3是本发明一个实施例的低温储氢罐结构示意图。
附图标记说明：100-燃料电池充电系统、1-燃料电池发电模块、11-低温储氢罐、12-压缩风扇、13-质子交换膜燃料电池、2-控制管理模块、21-总控制器、22-动力电池管理系统、23-动力电池组、24-燃料电池管理系统和25-DC/DC转换器、3-制冷循环模块、31-电动机、32-压缩机、33-冷凝器、34-压力阀、35-蒸发器和4-运载设备。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统。
图1是本发明一个实施例的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统车的结构示意图。
如图1所示，该燃料电池充电系统100包括：燃料电池发电模块1、控制管理模块2、制冷循环模块3和运载设备4。
其中，燃料电池发电模块1包括低温储氢罐11、压缩风扇12和质子交换膜燃料电池13，用于输出电能。控制管理模块2包括总控制器21、动力电池管理系统22、动力电池组23、燃料电池管理系统24和DC/DC转换器25，用于对动力电池组23、质子交换膜燃料电池13以及DC/DC转换器25进行监测和管理。制冷循环模块3包括电动机31、压缩机32、冷凝器33、压力阀34和蒸发器35，用于对质子交换膜燃料电池13的高温阴极尾气余热回收，同时将产生的冷却液回收；运载设备4，用于搭建燃料电池发电模块1、控制管理模块2和制冷循环模块3。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，燃料电池发电模块1中还包括减压阀，储氢罐11通过减压阀与质子交换膜燃料电池13相连，通过减压阀可调节氢气的出口压力，对质子交换膜燃料电池13供氢；压缩风扇12与质子交换膜燃料电池13相连，用于压缩空气进入燃料电池正极反应室；质子交换膜燃料电池13与控制管理模块2连接，以将质子交换膜燃料电池13产生的电能输出。
进一步地，储氢罐11结构由内到外为储氢容器、低温液流通道、辐射隔热材料和外容器，其中，储氢容器用于储存高压氢气，低温液流通道用于通过低温水，形成低温环境。具体地，如图3所示，低温储氢罐11包括制冷工质入口端和制冷工质出口端，低温制冷工质从低温工质通道入口流入，出口流出，完成制冷循环，其壁面为四层结构，A、C、D为实心层，A层为较薄的碳纤维层，C层为较厚的碳纤维层，D层为铝内胆层；B为空心层，为制冷循环工质流通层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，控制管理模块2进一步用于：
总控制器21分别与动力电池管理系统22、燃料电池管理系统24连接，以对控制管理模块2的整体进行反馈和控制；动力电池管理系统22与动力电池组23连接，用于对动力电池进行电量、温度、充放电电流与电压等状态进行实时监测和反馈；燃料电池管理系统24与质子交换膜燃料电池13连接，用于对质子交换膜燃料电池13和DC/DC转换器25进行电量、温度、充放电电流与电压等状态进行实时监测和反馈；DC/DC转换器25与动力电池组23连接，用于对动力电池组进行供电。
具体而言，动力电池组23为铅酸电池组可为内部和外部设备供电，在系统未给外部设备快速充电时，将质子交换膜燃料电池13产出的多余电量进行储存，在系统给外部设备快速充电时，与质子交换膜燃料电池13联合经DC/DC转换器25为设备快速充电；DC/DC转换器25在为外部设备充电时将动力电池和燃料电池提供的电流和电压进行调节，调节到需求电流和电压，在未对外部设备供电时，可与外部电源连接，为动力电池组23充电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，制冷循环模块3进一步用于：制冷循环模块3的入口段与质子交换膜燃料电池13的尾气端连接，用于接收高温阴极尾气；制冷循环模块3的出口段与储氢罐11连接，用于对储氢罐11进行降温处理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，制冷循环模块3进一步用于：蒸发器35与质子交换膜燃料电池13连接，用于与燃料电池发电模块1的高温阴极尾气发生热交换；蒸发器35与压缩机32相连，用于利用高温高压气体驱动电动机31工作；压缩机32与冷凝器33、压力阀34相连，用于与蒸发器35共同构成完整制冷循环。
具体地，如图2所示，制冷循环模块3中蒸发器35、压缩机32、电动机31、冷凝器33、压力阀34依次连接，其中，压缩机32接收加热工质，并对其进行压缩，高温高压工质驱动电机工作；冷凝器33接收压缩机输送的高温低压工质并将其冷却，经管道输送给压力控制阀34；压力阀34在其内对制冷工质进行隔热膨胀，产生低温制冷工质冷凝液，经管道流入蒸发器35；蒸发器35将制冷工质与燃料电池高温阴极尾气进行热交换，冷却阴极尾气并将其输送至储氢罐11，实现低温储氢。
进一步地，运载设备4为上述所有集成平台，经市面普通运载车辆改装而成，满足上述所有工作环境。
本发明实施例提出的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，将基于制冷循环的低温储氢技术和燃料电池结合起来，一方面是将燃料电池尾气余热用于制冷循环，经过制冷循环为储氢罐提供低温环境，较之传统高压储氢工艺，提高了储氢效果，使得相较于常温储氢在同等压力下储存氢气量增加10％，另一方面是整套装置安装在移动交通工具上，制冷循环耗能来源于移动交通工具的动力系统，实现了供电系统的可移动性和高机动性，不需要额外损耗燃料电池产生的电能，能量输出效率可达50％。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，包括：运载设备、燃料电池发电模块、控制管理模块和制冷循环模块，其中，
所述运载设备，用于搭建所述燃料电池发电模块、所述控制管理模块和所述制冷循环模块；
所述燃料电池发电模块包括低温储氢罐、压缩风扇和质子交换膜燃料电池，用于输出电能；
所述控制管理模块包括总控制器、动力电池管理系统、动力电池组、燃料电池管理系统和DC/DC转换器，用于对所述动力电池组、所述质子交换膜燃料电池以及所述DC/DC转换器进行监测和管理；
所述制冷循环模块包括电动机、压缩机、冷凝器、压力阀和蒸发器，用于对所述质子交换膜燃料电池的高温阴极尾气余热回收，同时将产生的冷却液回收。
2.根据权利要求1所述的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，所述燃料电池发电模块进一步用于：
所述低温储氢罐与所述质子交换膜燃料电池连接，用于对所述质子交换膜燃料电池供氢；
所述压缩风扇与所述质子交换膜燃料电池连接，用于压缩空气进入所述质子交换膜燃料电池的正极反应室。
3.根据权利要求2所述的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，所述低温储氢罐包括制冷工质入口端和制冷工质出口端，其壁面为四层结构，从外到内为薄碳纤维层、空心层、厚碳纤维层和铝内胆层。
4.根据权利要求1所述的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，所述控制管理模块进一步用于：
所述总控制器分别与所述动力电池管理系统、所述燃料电池管理系统连接，用于对所述控制管理模块的整体进行管理；
所述动力电池管理系统与所述动力电池组连接，用于对所述动力电池进行监测和管理；
所述燃料电池管理系统与所述燃料电池发电模块的质子交换膜燃料电池连接，用于对所述质子交换膜燃料电池和所述DC/DC转换器进行监测和管理；
所述DC/DC转换器与所述动力电池组连接，用于对所述动力电池组进行供电。
5.根据权利要求4所述的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池和所述动力电池组可分别单独给外界充电设备充电；其中，当需要快速给所述外界充电设备充电时，所述质子交换膜燃料电池和所述动力电池组一起给外界设备大功率充电；当不需要给所述外界设备充电时，所述质子交换膜燃料电池产生的电能通过所述DC/DC转换器存储至所述动力电池组中。
6.根据权利要求1所述的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，所述制冷循环模块进一步用于：
所述制冷循环模块的入口段与所述燃料电池发电模块的质子交换膜燃料电池的尾气端连接，用于接收高温阴极尾气；
所述制冷循环模块的出口段与所述燃料电池发电模块的储氢罐连接，用于对所述储氢罐进行降温处理。
7.根据权利要求6所述的基于制冷循环的低温储氢技术的燃料电池充电系统，其特征在于，所述制冷循环模块进一步用于：
所述蒸发器与所述燃料电池发电模块的质子交换膜燃料电池连接，用于与所述燃料电池发电模块的高温阴极尾气发生热交换；
所述蒸发器与所述压缩机相连，用于利用高温高压气体驱动所述电动机工作；
所述压缩机与所述冷凝器、所述压力阀相连，用于与所述蒸发器共同构成完整制冷循环。
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