CN114284524B - 一种液氢燃料电池热交换系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液氢燃料电池热交换系统及控制方法，包括燃料电池电堆、液氢罐、液氢气化器、节温器、加热器、散热器、换热风扇及控制器；所述燃料电池电堆连接有氢气入堆管路和冷却液循环管路，所述液氢罐、液氢气化器设置在氢气入堆管路上，所述节温器、加热器、散热器设置在冷却液循环管路上，节温器的第一出口连接有所述散热器，第二出口连接有所述加热器，散热器和加热器的出口均与燃料电池电堆的冷却液入口连通；所述散热器与所述液氢气化器相邻设置，所述换热风扇设置在散热器和液氢气化器之间，并根据控制器的控制信号以正转或反转的模式工作。本发明能够有效提高液氢燃料电池系统的换热效率，降低系统功耗。

Description

一种液氢燃料电池热交换系统及控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是液氢燃料电池热交换领域，具体提供了一种液氢燃料电池热交换系统及控制方法。

背景技术

随着氢燃料电池发动机功率不断的增加，需求的氢气量也在不断的增加，目前的储氢瓶是70Mpa的气态氢，但随着功率的不断提高，储氢瓶后期无法满足大功率燃料电池发动机的需求，因此有必要使用液氢。在使用液氢的过程中，需要将液氢变为氢气，该过程会产生冷量的损失，而另一方面，在燃料电池发动机大功率运行时对氢气流量的需求较高，也需要更多的换热量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种液氢燃料电池热交换系统及控制方法，能够有效提高液氢燃料电池系统的换热效率，降低系统功耗。

在本发明的第一个方面，本发明提供了一种液氢燃料电池热交换系统，包括燃料电池电堆、液氢罐、液氢气化器、节温器、加热器、散热器、换热风扇及控制器；所述燃料电池电堆连接有氢气入堆管路和冷却液循环管路，所述液氢罐、液氢气化器设置在氢气入堆管路上，所述节温器、加热器、散热器设置在冷却液循环管路上；所述节温器的入口与燃料电池电堆的冷却液出口连通，第一出口连接有所述散热器，第二出口连接有所述加热器，散热器和加热器的出口均与燃料电池电堆的冷却液入口连通；所述散热器与所述液氢气化器相邻设置，所述换热风扇设置在散热器和液氢气化器之间，并根据所述控制器的控制信号以正转或反转的模式工作。

具体的，所述换热风扇和所述液氢气化器之间设置有气体导流罩。

具体的，所述氢气入堆管路上设置有氢气换热器，所述氢气换热器的换热介质来自所述冷却液循环管路。

具体的，所述氢气换热器为板式换热器，所述液氢气化器为空温式换热器，所述加热器为PTC加热器。

在本发明的第二个方面，本发明提供了一种前述液氢燃料电池热交换系统的控制方法，在燃料电池系统启动后执行如下控制步骤：

S1：获取燃料电池系统的冷却液出口温度和节温器开度；

S2：判断所述冷却液出口温度和节温器开度是否同时高于阈值，如果是，执行步骤S31，如果否，执行步骤S32；

S31：形成控制信号，使换热风扇正转；

S32：形成控制信号，使换热风扇反转。

本发明通过将燃料电池冷却系统中的散热器和液氢气化器相邻设置，并在散热器和液氢气化器之间设置换热风扇，根据实际工作情况控制换热风扇正转或反转，使得在散热器的散热压力过大时充分利用液氢气化过程中的冷量，并在氢气流量需求大时充分利用燃料电池冷却液的热量，能够有效提高换热效率，降低系统功耗。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例中的液氢燃料电池热交换系统示意图；

图2示出了实施例中的液氢燃料电池热交换系统控制方法的流程图；

1-燃料电池电堆；2-液氢罐；3-液氢气化器；4-氢气换热器；5-节温器；6-加热器；7-散热器；8-换热风扇；9-水泵；10-温度传感器；11-气体导流罩。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，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使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如图1所示，本发明的具体实施部分给出了一种具体的液氢燃料电池热交换系统，具体包括燃料电池电堆1、液氢罐2、液氢气化器3、氢气换热器4、节温器5、加热器6、散热器7、换热风扇8、水泵9、温度传感器10、气体导流罩11，以及控制器。

燃料电池电堆1是燃料电池系统的核心工作单元，包括阴极、阳极和电解质，其基本原理是利用氢气和氧气的反应提供电能。本实施例重点描述燃料电池电堆1连接的氢气入堆管路和冷却液循环管路，其他与燃料电池电堆1有关的零部件或管路可以按照本领域通常的方式设置。

氢气入堆管路用于向燃料电池电堆1提供氢气。在本实施例中，氢气入堆管路上具有液氢罐2、液氢气化器3及氢气换热器4。其中，液氢罐2中储存有液态氢，液氢气化器3用于将液氢气化，而氢气换热器4用于将氢气的温度进一步调整到燃料电池电堆1所需的温度范围内。

基于液氢气化器3的工作目的，液氢气化器3在工作过程中需要一定的热交换。在本实施例中，液氢气化器3具体使用空温式换热器，即利用环境空气对低温液氢进行换热，使低温液氢气化，同时产生温度低于环境温度的低温空气。除空温式换热器之外，现有技术中的其他气化器同样能够达到类似的效果，并在环境中形成一定的冷量，本实施例对此不再详述。

在某些情况下，液氢气化器3得到的氢气温度难以准确控制在燃料电池电堆1所需的温度范围，因此本实施例使液氢气化器3与氢气换热器4相连，氢气换热器4具体是一种板式换热器，利用换热介质对气态氢气进一步换热。具体的，氢气换热器4使用的换热介质来自于冷却液循环管路，因此换热后的氢气温度能够更符合燃料电池的所需的温度范围。

冷却液循环管路用于向燃料电池电堆1循环提供冷却液。在本实施例中，冷却液循环管路上具有节温器5、加热器6、散热器7、水泵9及温度传感器10。其中，节温器5的入口与燃料电池电堆1的冷却液出口连通，节温器5的第一出口连接有所述散热器7，第二出口连接有所述加热器6，散热器7和加热器6的出口均与燃料电池电堆1的冷却液入口连通，水泵9用于驱动冷却液在冷却液循环管路中流动，温度传感器10用于采集从燃料电池电堆1排出的冷却液温度。

节温器5具体可以使用蜡式节温器，当温度过低时，节温器5的第一出口关闭而第二出口打开，从而冷却液不经过散热器7，直接经过加热器6并进入燃料电池电堆1的冷却液入口，在实施例中，加热器6具体选用PTC加热器。

鉴于氢气入堆管路中的液氢气化器3在工作中将形成一定的冷量，而冷却液循环管路中的散热器7在工作过程中将形成一定的热量，本实施例中的散热器7与所述液氢气化器3相邻设置，并在二者之间设置有换热风扇8，该换热风扇8受控制器的控制，并根据所述控制器的控制信号以正转或反转的模式工作。

具体的，当控制器监测到冷却液出口温度和节温器开度同时高于阈值时，说明燃料电池冷却液循环管路的冷却压力更大，此时可以使换热风扇8以正转模式工作，将液氢气化器3形成的低温空气导流至散热器7，提高冷却效果；而当冷却液出口温度和节温器开度尚未同时高于阈值时，说明燃料电池冷却液循环管路处于正常工作状态，此时可以使换热风扇8以反转模式工作，将散热器7的热量导流至液氢气化器3，提高液氢气化效果，保障氢气供应流量。

进一步的，所述换热风扇8和所述液氢气化器3之间设置有气体导流罩11。

以上是对实施例中液氢燃料电池热交换系统主要组成部分和工作原理的介绍。基于其他工作或检测需要，该系统还可以设置其他的工作部件或检测装置，均在本发明的覆盖范围之内，本实施例对此不再详述。

如图2所示，本发明的具体实施部分给出了一种具体的液氢燃料电池热交换系统的控制方法，在燃料电池系统启动后执行如下控制步骤：

S1：获取燃料电池系统的冷却液出口温度和节温器开度；

S2：判断所述冷却液出口温度和节温器开度是否同时高于阈值，如果是，执行步骤S31，如果否，执行步骤S32；

S31：形成控制信号，使换热风扇正转；

S32：形成控制信号，使换热风扇反转。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种液氢燃料电池热交换系统，其特征在于，包括燃料电池电堆、液氢罐、液氢气化器、节温器、加热器、散热器、换热风扇及控制器；

所述燃料电池电堆连接有氢气入堆管路和冷却液循环管路，所述液氢罐、液氢气化器设置在氢气入堆管路上，所述节温器、加热器、散热器设置在冷却液循环管路上；

所述节温器的入口与燃料电池电堆的冷却液出口连通，第一出口连接有所述散热器，第二出口连接有所述加热器，散热器和加热器的出口均与燃料电池电堆的冷却液入口连通；

所述散热器与所述液氢气化器相邻设置，所述换热风扇设置在散热器和液氢气化器之间，并根据所述控制器的控制信号以正转或反转的模式工作：当控制器监测到冷却液出口温度和节温器开度同时高于阈值时，使换热风扇以正转模式工作，将液氢气化器形成的低温空气导流至散热器，提高冷却效果；当冷却液出口温度和节温器开度尚未同时高于阈值时，使换热风扇以反转模式工作，将散热器的热量导流至液氢气化器，提高液氢气化效果；

所述氢气入堆管路上设置有氢气换热器，所述氢气换热器的换热介质来自所述冷却液循环管路。

2.根据权利要求1所述的液氢燃料电池热交换系统，其特征在于，所述换热风扇和所述液氢气化器之间设置有气体导流罩。

3.根据权利要求1所述的液氢燃料电池热交换系统，其特征在于，所述氢气换热器为板式换热器。

4.根据权利要求1所述的液氢燃料电池热交换系统，其特征在于，所述液氢气化器为空温式换热器。

5.根据权利要求1所述的液氢燃料电池热交换系统，其特征在于，所述加热器为PTC加热器。

6.一种权利要求1-5任一项所述 的液氢燃料电池热交换系统的控制方法，其特征在于，在燃料电池系统启动后执行如下控制步骤：

S1：获取燃料电池系统的冷却液出口温度和节温器开度；

S2：判断所述冷却液出口温度和节温器开度是否同时高于阈值，如果是，执行步骤S31，如果否，执行步骤S32；

S31：形成控制信号，使换热风扇正转；

S32：形成控制信号，使换热风扇反转。

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