CN113422087B - 车载低温液氢燃料电池系统及燃料电池换热方法 - Google Patents

车载低温液氢燃料电池系统及燃料电池换热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种车载低温液氢燃料电池系统及燃料电池换热方法，该车载低温液氢燃料电池系统，包括：燃料电池，车载储氢系统，余热利用系统和控制器；车载储氢系统包括液氢储罐和液氢汽化单元，液氢汽化单元包括液氢汽化器，液氢储罐通过液氢汽化器与燃料电池连接；余热利用系统包括换热管道，换热管道用于液氢汽化器与燃料电池和/或发热单元换热，换热管道上设置有控制阀；控制器根据燃料电池的响应功率控制控制阀开启或关闭。本发明的车载低温液氢燃料电池系统中，液氢汽化器与换热管道进行换热，控制器能够控制换热量，增加了燃料电池入口氢气的温度，提高了燃料电池的输出功率和寿命。

Description

车载低温液氢燃料电池系统及燃料电池换热方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种车载低温液氢燃料电池系统及燃料电池换热方法。
背景技术
传统的氢动力车用液氢储储存供应系统中，液氢由液氢储罐流出，经汽化器蒸发气化后，通过调压阀稳压，最终输送至燃料电池供应氢气。在该过程中，液氢经过汽化器不能保证全部液氢完全汽化，其中未汽化部分重新循环至液氢储罐，进行二次蒸发汽化后供氢。
目前车载用低温液态储氢技术存在如下弊端：液氢蒸发汽化后温度较低，但燃料电池内部工作温度较高，要求入口氢气温度不能太低，否则影响燃料电池输出功率和寿命。
综上所述，现有的车载低温液氢燃料电池系统中燃料电池的输出功率和寿命较低。
发明内容
本发明的目的是至少解决现有的燃料电池的输出功率和寿命较低的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的提出了一种车载低温液氢燃料电池系统，其中，包括：
燃料电池；
车载储氢系统，所述车载储氢系统包括液氢储罐和液氢汽化单元，所述液氢汽化单元包括液氢汽化器，所述液氢储罐通过所述液氢汽化器与所述燃料电池连接；
余热利用系统，所述余热利用系统包括换热管道，所述换热管道用于所述液氢汽化器与所述燃料电池和/或发热单元换热，所述换热管道上设置有控制阀；
控制器，所述控制器根据所述燃料电池的响应功率控制所述控制阀开启或关闭。
根据本发明的车载低温液氢燃料电池系统中，液氢汽化器与换热管道进行换热，所述控制器根据所述燃料电池的响应功率控制所述控制阀开启或关闭，控制器能够控制换热量，增加了燃料电池入口氢气的温度，提高了燃料电池的输出功率和寿命。
另外，根据本发明的车载低温液氢燃料电池系统，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述液氢汽化单元包括多个串联的所述液氢汽化器，所述换热管道包括多个换热管路，所述换热管路用于所述液氢汽化器与所述燃料电池和发热单元换热；
每个所述换热管路上设置有所述控制阀，所述控制器分别控制每个所述控制阀开启或关闭。
在本发明的一些实施例中，所述发热单元包括DC/DC转换器和动力电池，多个所述换热管路为燃料电池换热管路、DC/DC换热管路和动力电池换热管路，所述燃料电池换热管路用于所述液氢汽化器与所述燃料电池换热，所述DC/DC换热管路用于所述液氢汽化器与所述DC/DC转换器换热，所述动力电池换热管路用于所述液氢汽化器与所述动力电池换热。
在本发明的一些实施例中，所述车载储氢系统还包括气液分离器，所述气液分离器设置于所述液氢汽化器与所述燃料电池之间，所述气液分离器的出液口与所述液氢储罐的出口连通。
在本发明的一些实施例中，所述车载储氢系统还包括氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐设置在所述液氢汽化器与所述燃料电池之间。
在本发明的一些实施例中，所述车载储氢系统还包括氢气增压泵，所述氢气增压泵设置于所述气液分离器与所述氢气缓冲罐之间。
在本发明的一些实施例中，所述车载储氢系统还包括安全阀，所述安全阀设置于所述氢气缓冲罐与所述燃料电池之间。
在本发明的一些实施例中，所述车载低温液氢燃料电池系统还包括空气供应系统，所述空气供应系统包括进气管，所述进气管上设置有加湿器。
本发明还提供了一种燃料电池换热方法，应用如上所述的车载低温液氢燃料电池系统，其中，包括以下步骤：
根据所述燃料电池的响应功率获得燃料电池的需氢量；
根据所述燃料电池的需氢量获得液氢汽化器的换热量；
根据所述液氢汽化器的换热量控制所述控制阀开启或关闭。
在本发明的一些实施例中，所述根据所述液氢汽化器的换热量控制所述控制阀开启或关闭包括：所述液氢汽化器为多个，根据所述液氢汽化器的换热量控制多个所述控制阀开启或关闭。
附图说明
通过阅读下文优选实施例的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的连接结构示意图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池换热方法的流程示意图。
附图中各标号表示如下：
20：燃料电池；
30：空气供应系统；33：加湿器；
40：车载储氢系统；41：液氢储罐；42：多级液氢汽化器；43：气液分离器；44：氢气增压泵；45：氢气缓冲罐；46：调压阀；47：主氢阀；48：安全阀；49：压力表；
50：电力系统；52：DC/DC转换器；53：动力电池；
60：控制系统；61：控制器；62：存储器；63：输入输出接口；
70：余热利用系统；71：燃料电池换热管路；72：DC/DC换热管路；73：动力电池换热管路。
具体实施例
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施例的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
如图1所示，本实施例中的车载低温液氢燃料电池20系统，其中，包括：燃料电池20，车载储氢系统40，余热利用系统70和控制器；车载储氢系统40包括液氢储罐41和液氢汽化单元，液氢汽化单元包括液氢汽化器，液氢储罐41通过液氢汽化器与燃料电池20连接；余热利用系统70包括换热管道，换热管道用于液氢汽化器与燃料电池20和/或发热单元换热，换热管道上设置有控制阀；控制器根据燃料电池20的响应功率控制控制阀开启或关闭。
本发明的车载低温液氢燃料电池20系统中，液氢汽化器与换热管道进行换热，控制器根据燃料电池20的响应功率控制控制阀开启或关闭，控制器能够控制换热量，增加了燃料电池20入口氢气的温度，提高了燃料电池20的输出功率和寿命。
在本发明的一些实施例中，液氢汽化单元包括多个串联的液氢汽化器，换热管道包括多个换热管路，换热管路用于液氢汽化器与燃料电池20和发热单元换热；
每个换热管路上设置有控制阀，控制器分别控制每个控制阀开启或关闭。
通将多个化器进行串联形成多级液氢汽化器42，多级液氢汽化器42可以实现与液氢多级换热，同时各个汽化器的换热量可控。根据液氢汽化的需求量，通过分级控制换热量进而实现氢气的稳定供应。
在本发明的一些实施例中，发热单元包括DC/DC转换器52和动力电池53，多个换热管路为燃料电池换热管路71、DC/DC换热管路72和动力电池换热管路73，燃料电池换热管路71用于液氢汽化器与燃料电池20换热，DC/DC换热管路72用于液氢汽化器与DC/DC转换器52换热，动力电池换热管路73用于液氢汽化器与动力电池53换热。
余热利用系统70将电力系统50中DC/DC换热器52、动力电池53换热和燃料电池20系统中燃料电池20换热进行整合，通过多级液氢汽化器42实现各子系统热量的回收利用。各子系统经过多级液氢汽化器42中的换热量由控制系统统一发指令执行，其依据为燃料电池20氢气需求量大小。
现有的燃料电池20无氢气需求时，液氢储存系统的汽化器和调压阀46停止工作，但是因液氢的特殊性质和储罐并非完全绝热的原因，存在一定程度的热交换，在液氢储罐41内发生汽化，产生气态氢。为了防止聚积过多的气态氢造成液氢储罐41超压造成危险，需要定期的排放超压部分的气态氢，因此会造成蒸发损失。根据昼夜蒸发率与体积的关系，商用车按照1000L设计液氢储罐41，储氢量为71.904kg，昼夜蒸发率约为2.7％，即1.94kg。由于液氢自然汽化的存在，昼夜蒸发率较高，存储的液氢损失高达2.7％，相比与高压气态储氢，浪费十分严重。
在本发明的一些实施例中，车载储氢系统40还包括气液分离器43，气液分离器43设置于液氢汽化器与燃料电池20之间，气液分离器43的出液口与液氢储罐41的出口连通。
液氢经过多级汽化器后，因气液平衡的原因并不会完全汽化，气液分离器43可将未汽化的液氢与气氢分离，分离的液氢与出口处液氢汇合后进行二次汽化，可以有效提升液氢汽化效率。同时，未汽化的液氢不直接返回液氢储罐41，可降低液氢储罐41的热量损失，保证储存温度的稳定，降低能耗。
在本发明的一些实施例中，车载储氢系统40还包括氢气缓冲罐45，氢气缓冲罐45设置在液氢汽化器与燃料电池20之间。
氢气缓冲罐45设置在液氢汽化器与燃料电池20入口之间，其作用包括：具备大容积缓冲作用，为燃料电池20提供流量更为稳定的氢气供应。其依据为燃料电池20氢气需求量大小和氢气缓冲罐45的实时储氢压力，二者达到稳态平衡。
氢气缓冲罐45的配置，可消除因自然蒸发成造成的氢气损耗。液氢储罐41设计量按照1000L计算，储氢量为71.904kg，昼夜蒸发率约为2.7％，即1.94kg，商用车百公里氢耗按照8kg/100km计算，续航里程可增加24.25km。
通过分析判断燃料电池20需氢量、氢气缓冲罐45的压力、燃料电池20的散热量、DC/DC转换器52的散热量、动力电池53的散热量等特征参数，优化整车换热方案，达到整车级别余热利用总成。
在本发明的一些实施例中，车载储氢系统40还包括氢气增压泵44，氢气增压泵44设置于气液分离器43与氢气缓冲罐45之间。
设置增压泵，增压泵对汽化后的氢气进行增压，氢气缓冲罐45内压力较高，下游在氢气的流量、压力等控制方面容易实现，可在燃料电池20变载时快速响应，提供稳定压力的氢气供应。在非供氢状态下，自然蒸发汽化的氢气经增压后，充装到氢气缓冲罐45中，有效解因自然蒸发汽化造成的氢气损失，提高氢气利用率。
在本发明的一些实施例中，车载储氢系统40还包括安全阀48，安全阀48设置于氢气缓冲罐45与燃料电池20之间。
液氢蒸发汽化后至氢气缓冲罐45的管路增设安全阀48，防止系统因超压造成安全隐患。
在本发明的一些实施例中，车载低温液氢燃料电池20系统还包括空气供应系统30，空气供应系统30包括进气管，进气管上设置有加湿器33。
如图2所示，本发明还提供了一种燃料电池20换热方法，应用如上的车载低温液氢燃料电池20系统，其中，包括以下步骤：
S1、根据燃料电池20的响应功率获得燃料电池20的需氢量；根据燃料电池20的需氢量获得液氢汽化器的换热量；
S2、根据液氢汽化器的换热量控制控制阀开启或关闭。
另外，上述步骤的顺序只是本发明的优选实施例，并不是对上述步骤的顺序的限制，例如，本发明的其他实施例中，还可以步骤S1以及步骤S2之间添加其他的步骤，这种调整属于本发明实施例的保护范围。
在本发明的一些实施例中，根据液氢汽化器的换热量控制控制阀开启或关闭包括：液氢汽化器为多个，根据液氢汽化器的换热量控制多个控制阀开启或关闭。
本发明提供的车载低温液氢燃料电池20系统中，还包括电力系统50，电力系统50包括DC/DC转换器52和动力电池53，空气供应系统30包括进气管，进气管上设置加湿器33，车载储氢系统40还包括主氢阀47、调压阀46、安全阀48和压力表49，调压阀46、安全阀48和主氢阀47依次设置在氢气缓冲罐45与燃料电池20之间，压力表49设置在液氢储罐41上。控制系统还包括存储器，控制器与存储器通过输入输出接口进行数据传输。
本发明提供的车载低温液氢燃料电池20系统中，设置多级液氢汽化器42与余热利用系统70和燃料电池20进行换热，提升燃料电池20输出功率和寿命。设置气液分离器43可将未汽化的液氢与气氢分离，可以有效提升液氢汽化效率。设置氢气缓冲罐45进行增压和缓冲，保证供应的氢气压力和流量稳定。设置氢气缓冲罐45和多级液氢汽化器42，实现稳定的氢气供应，同时构成多级热量的优化结构。
需要说明的是，本发明的实施例中，车载低温液氢燃料电池系统中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，在此就不一一赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种车载低温液氢燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池；
车载储氢系统，所述车载储氢系统包括液氢储罐和液氢汽化单元，所述液氢汽化单元包括液氢汽化器，所述液氢储罐通过所述液氢汽化器与所述燃料电池连接；
余热利用系统，所述余热利用系统包括换热管道，所述换热管道用于所述液氢汽化器与所述燃料电池和/或发热单元换热，所述换热管道上设置有控制阀；
控制器，所述控制器根据所述燃料电池的响应功率控制所述控制阀开启或关闭；
所述车载储氢系统还包括气液分离器，所述气液分离器设置于所述液氢汽化器与所述燃料电池之间，所述气液分离器的出液口与所述液氢储罐的出口连通；
所述车载储氢系统还包括氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐设置在所述液氢汽化器与所述燃料电池之间；
所述车载储氢系统还包括安全阀，所述安全阀的出口与大气连通，所述安全阀的入口与所述液氢储罐通过第一管路连通，所述第一管路通过第二管路与所述氢气缓冲罐连通。
2.根据权利要求1所述的车载低温液氢燃料电池系统，其特征在于，所述液氢汽化单元包括多个串联的所述液氢汽化器，所述换热管道包括多个换热管路，所述换热管路用于所述液氢汽化器与所述燃料电池和发热单元换热；
每个所述换热管路上设置有所述控制阀，所述控制器分别控制每个所述控制阀开启或关闭。
3.根据权利要求2所述的车载低温液氢燃料电池系统，其特征在于，所述发热单元包括DC/DC转换器和动力电池，多个所述换热管路为燃料电池换热管路、DC/DC换热管路和动力电池换热管路，所述燃料电池换热管路用于所述液氢汽化器与所述燃料电池换热，所述DC/DC换热管路用于所述液氢汽化器与所述DC/DC转换器换热，所述动力电池换热管路用于所述液氢汽化器与所述动力电池换热。
4.根据权利要求1所述的车载低温液氢燃料电池系统，其特征在于，所述车载储氢系统还包括氢气增压泵，所述氢气增压泵设置于所述气液分离器与所述氢气缓冲罐之间。
5.根据权利要求1所述的车载低温液氢燃料电池系统，其特征在于，所述车载低温液氢燃料电池系统还包括空气供应系统，所述空气供应系统包括进气管，所述进气管上设置有加湿器。
6.一种燃料电池换热方法，应用如权利要求1所述的车载低温液氢燃料电池系统，其特征在于，包括以下步骤：
根据所述燃料电池的响应功率获得燃料电池的需氢量；
根据所述燃料电池的需氢量获得液氢汽化器的换热量；
根据所述液氢汽化器的换热量控制所述控制阀开启或关闭。
7.根据权利要求6所述的燃料电池换热方法，其特征在于，所述根据所述液氢汽化器的换热量控制所述控制阀开启或关闭包括：所述液氢汽化器为多个，根据所述液氢汽化器的换热量控制多个所述控制阀开启或关闭。
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