CN114361532B - 一种车用液氢燃料电池发动机装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车用液氢燃料电池发动机装置，属于燃料电池发动机技术领域，解决了现有燃料电池存在液氢蒸发浪费的问题。该装置包括电堆、空压机、液氢罐、控制阀、换热器、散热器、水泵和控制器。电堆的氢气入口依次经换热器的支路一、控制阀与液氢罐的出气口连接，空气入口与空压机的输出端连接，冷却液出口一路经水泵、散热器接其冷却液入口，另一路经换热器的支路二接其冷却液入口。控制器，用于周期性监测液氢罐内气压并在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀使得电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫以保证该气压处于预设范围内。该装置避免了液氢蒸发造成的浪费，并提高氢气的利用率，安全环保无污染。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种车用液氢燃料电池发动机装置。
背景技术
燃料电池发动机的主要工作原理是氢气和氧气在催化剂上发生电化学反应，对外输出功率。随着氢燃料电池技术的不断发展，燃料电池发动机对外输出的功率不断增加，应用场景也在不断扩大。
当燃料电池发动机应用到整车上时，随着车辆运输满转功率及里程的增加，需求输出功率不断增加，其用氢量也在不断增加，常规的氢气罐存氢量无法满足当前用氢需求，因此，整车上匹配的是液氢系统，其内的液氢经过空温式换热器变为气态后在进入电堆内部进行电化学反应。
液氢在氢气罐中存储会存在一定的蒸发，导致液氢罐内的压力升高，因此一般情况下液氢罐上会安装有安全泄压阀，通过其将多余的氢气排出至外部环境中，造成了一定的氢气燃料的浪费。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种车用液氢燃料电池发动机装置，用以解决现有燃料电池存在液氢蒸发浪费的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种车用液氢燃料电池发动机装置，包括电堆、空压机、液氢罐、控制阀、换热器、散热器、水泵，以及控制器；其中，
电堆的氢气入口依次经换热器的支路一、控制阀与液氢罐的出气口连接，空气入口与空压机的输出端连接，冷却液出口一路经水泵、散热器接其冷却液入口，另一路经换热器的支路二接其冷却液入口；
控制器，用于在整车停机后，周期性监测液氢罐内气压；以及，在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀，并结合环境温度控制电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫，以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内。
上述技术方案的有益效果如下：该装置具有定时唤醒功能，在整车停机后周期性地检测液氢罐内气压并判断是否其处于安全范围（预设范围）之内，实现液氢罐内气压的有效检测。一旦液氢罐内气压超出了预设范围立即启动电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内。利用无法避免的蒸发的氢气量，为整车电量进行存储或冬季下对电堆进行保温吹扫动作，提高了整车的氢气利用率，并保护了燃料电池发动机。
基于上述装置的进一步改进，所述控制器进一步包括：
氢系统控制器，用于在整车停机后周期性启动；以及，在启动后监测液氢罐内气压，并在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀，向燃料电池控制器发出启动指令，之后，在该气压降到预设范围内的设定值时关闭控制阀，向燃料电池控制器发出关闭指令；
燃料电池控制器，用于在整车停机后接收到氢系统控制器发出的启动指令后，识别环境温度是否低于阈值，在环境温度低于阈值时对电堆执行保温吹扫，否则，在整车动力电池未充满时控制电堆对整车动力电池进行充电，充满时执行燃料电池发动机的零功率输出；
整车控制器，用于整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令，以及整车停机后周期性向燃料电池控制器发送环境温度。
进一步，所述氢系统控制器进一步包括：
气体压力传感器，设于液氢罐的储液腔顶部，用于获取液氢罐内气压，并发送至氢系统数据处理及控制单元；
氢系统数据处理及控制单元，用于在整车停机后周期性定时启动；以及，在启动后获取当前时刻液氢罐内气压，识别该气压是否大于预设范围的上限；如果是，向控制阀发出启动信号，同时向燃料电池控制器发出启动指令，之后，在液氢罐内气压降到预设范围内得设定值时关闭控制阀，同时向燃料电池控制器发出关闭指令；否则，执行氢系统控制器的关机，继续下一周期的上述识别。
进一步，所述换热器进一步包括空温式换热器和氢板换热器；其中，
所述空温式换热器的输入端与控制阀的输出端连接，输出端与氢板换热器的支路一输入端连接，控制端与燃料电池控制器的输出端连接；
所述氢板换热器的支路一输出端与电堆的氢气入口连接；其支路二输入端与电堆的冷却液出口连接，输出端与电堆的冷却液入口连接，以通入电堆输出的高温冷却液。
进一步，该装置还包括节温器和PTC加热单元；其中，
所述节温器的输入端与水泵的输出端连接，输出端一经PTC加热单元与电堆的冷却液入口连接，输出端二经散热器与电堆的冷却液入口连接，控制端与燃料电池控制器的输出端连接。
进一步，所述燃料电池控制器进一步包括：
温度传感器，设于空温式换热器到氢板换热器之间的传输管路内壁上，用于采集布设位置的气体温度，发送至燃料电池数据处理及控制单元；
燃料电池数据处理及控制单元，用于在整车停机后接收到氢系统控制器发出的启动指令后启动，识别环境温度是否低于阈值，在环境温度低于阈值时启动PTC加热单元、空温式换热器对电堆执行保温吹扫，直到温度传感器所采温度达到阈值关闭PTC加热单元、空温式换热器，否则，启动空压机、水泵在整车动力电池未充满时控制电堆对整车动力电池进行充电，充满时执行燃料电池发动机的零功率输出，直到接收到氢系统控制器发出的关闭指令后执行燃料电池控制器的关机。
进一步，所述整车控制器进一步包括：
环境温度传感器，设于车厢内部，用于获取电堆所处环境温度，发送至整车数据处理及控制单元；
整车数据处理及控制单元，用于在整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令；以及，在整车停机后周期性获取环境温度传感器采集的环境温度，发送至燃料电池控制器。
进一步，所述控制阀进一步包括第一控制阀和第二控制阀；并且，所述液氢罐的外壳上设有顶部排气口、上部排气口和底部排液口；其中，
所述顶部排气口上设有用于排空的安全阀；
所述上部排气口经第一控制阀与换热器一的支路一输入端连接；
所述底部排液口经第二控制阀与换热器一的支路一输入端连接；
所述第一控制阀、第二控制阀、安全阀的控制端均与控制器的输出端连接。
进一步，所述控制器，还用于在整车运行时周期性监测液氢罐内气压；以及，在该气压大于预设范围的上限时调整控制阀的开度增大，以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内；如果预设时间内，上述调整未使得液氢罐内气压降低到预设范围内，进一步控制液氢罐的顶部排气口的安全阀开启，直到在液氢罐内气压降到预设范围内的设定值时关闭安全阀，并维持当前时刻控制阀的开度不变。
进一步，还包括设于空压机前端的空气过滤器；所述空气过滤器的输出端与空压机的输入端连接；并且，
所述散热器包括散热管道和布设于该散热管道上的风扇。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、采用三种控制器进行组合控制，实现了无污染、低功耗、可定时唤醒功能。
2、通过控制器对控制阀、水泵、空压机等进行独立控制，可有效避免氢气即燃料气的浪费，同时提高了氢气的利用率。
3、在整车停机时均保证液氢存储罐内气压始终处于预设范围内，提高了燃料电池发动机的安全性。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
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1车用液氢燃料电池发动机装置组成示意图；
图2示出了实施例2车用液氢燃料电池发动机装置组成示意图。
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“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种车用液氢燃料电池发动机装置，如图1所示，包括电堆、空压机、液氢罐、控制阀、换热器、散热器、水泵，以及控制器。
电堆的氢气入口依次经换热器的支路一、控制阀与液氢罐的出气口连接，空气入口与空压机的输出端连接，冷却液出口一路经水泵、散热器接其冷却液入口，另一路经换热器的支路二接其冷却液入口。
控制器的输出端分别与控制阀、水泵、空压机的控制端有线连接或者通过无线数据通信连接。
控制器，用于在整车停机后周期性监测液氢罐内气压并在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀使得电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫以保证该气压处于预设范围内，以及，整车正常运行时开启控制阀、水泵、空压机使得电堆对车载用电设备供电。
与现有技术相比，该装置具有定时唤醒功能，在整车停机后周期性地检测液氢罐内气压并判断是否其处于安全范围（预设范围）之内，实现液氢罐内气压的有效检测。一旦液氢罐内气压超出了预设范围立即启动电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内。利用无法避免的蒸发的氢气量，为整车电量进行存储或冬季下对电堆进行保温吹扫动作，提高了整车的氢气利用率，并保护了燃料电池发动机。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，液氢罐内设有储液腔和液氢汽化单元。
所述控制器进一步包括整车控制器、燃料电池控制器、氢系统控制器，如图2所示。三种控制器具备低功耗、可定时唤醒及CAN通讯功能。此外，整车提供低压24V蓄电池为整车停机后三个控制器的休眠-启动状态供电。
氢系统控制器的输出端分别与控制阀的控制端、燃料电池控制器的输入端连接。燃料电池控制器的输出端分别与水泵、空压机的控制端连接。整车控制器的输出端分别与燃料电池控制器、氢系统控制器的输入端连接。
氢系统控制器，用于在整车停机后周期性启动；以及，在启动后监测液氢罐内气压，并在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀，向燃料电池控制器发出启动指令，之后，在该气压降到预设范围内的设定值时关闭控制阀，向燃料电池控制器发出关闭指令。以及，用于整车正常运行时开启控制阀为燃料电池正常供电提供燃料气。
燃料电池控制器，用于在整车停机后接收到氢系统控制器发出的启动指令后，识别环境温度是否低于阈值，在环境温度低于阈值时对电堆执行保温吹扫，否则，在整车动力电池未充满时控制电堆对整车动力电池进行充电（正常启动空压机、水泵），充满时执行燃料电池发动机的零功率输出（启动空压机、水泵，控制空压机低功率运行，并且，通过电堆输出功率为空压机、水泵等供电，使得电堆的输出功率等于空压机、水泵等的消耗功率，实现零功率输出，本领域技术人员能够理解）。以及，用于整车正常运行时启动空压机为电堆发电提供空气，并启动水泵使得燃料电池冷却液系统正常运行。
整车控制器，用于整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令和整车停机后周期性向燃料电池控制器发送环境温度的整车控制器。
优选地，氢系统控制器进一步包括依次连接的气体压力传感器、氢系统数据处理及控制单元。
气体压力传感器，设于液氢罐的储液腔顶部，用于获取液氢罐内气压，并发送至氢系统数据处理及控制单元。
氢系统数据处理及控制单元，用于在整车停机后周期性定时启动；以及，在启动后获取当前时刻液氢罐内气压，识别该气压是否大于预设范围的上限；如果是，向控制阀发出启动信号，同时向燃料电池控制器发出启动指令，之后，在液氢罐内气压降到预设范围内得设定值时关闭控制阀，同时向燃料电池控制器发出关闭指令；否则，执行氢系统控制器的关机，继续下一周期的上述识别。
优选地，控制阀进一步包括第一控制阀和第二控制阀。
优选地，液氢罐的外壳上设有顶部排气口、上部排气口和底部排液口。其中，顶部排气口上设有用于排空的安全阀；上部排气口经第一控制阀与换热器一的支路一输入端连接；底部排液口经第二控制阀与换热器一的支路一输入端连接。
第一控制阀、第二控制阀、安全阀的控制端均与氢系统控制器的输出端连接。
优选地，换热器进一步包括空温式换热器和氢板换热器。
空温式换热器的输入端分别与第一控制阀和第二控制阀的输出端连接，输出端与氢板换热器的支路一输入端连接，控制端与燃料电池控制器的输出端连接。
氢板换热器的支路一输出端与电堆的氢气入口连接；其支路二输入端与电堆的冷却液出口连接，输出端与电堆的冷却液入口连接，以通入电堆输出的高温冷却液。
优选地，该装置还包括空气过滤器。其中，空气过滤器设于空压机前端，其输出端与空压机的输入端连接。
优选地，该装置还包括节温器和PTC加热单元。其中，节温器的输入端与水泵的输出端连接，输出端一经PTC加热单元与电堆的冷却液入口连接，输出端二经散热器与电堆的冷却液入口连接，控制端与燃料电池控制器的输出端连接。
优选地，燃料电池控制器进一步包括依次连接的温度传感器、燃料电池数据处理及控制单元。
温度传感器（气体温度传感器），设于空温式换热器到氢板换热器之间的传输管路内壁上，用于采集布设位置的气体温度，发送至燃料电池数据处理及控制单元。
燃料电池数据处理及控制单元，用于在整车停机后接收到氢系统控制器发出的启动指令后启动，识别环境温度是否低于阈值，在环境温度低于阈值时启动PTC加热单元、空温式换热器对电堆执行保温吹扫，直到温度传感器所采温度达到阈值关闭PTC加热单元、空温式换热器，否则，启动空压机、水泵在整车动力电池未充满时控制电堆对整车动力电池进行充电，充满时执行燃料电池发动机的零功率输出，直到接收到氢系统控制器发出的关闭指令后执行燃料电池控制器的关机。
优选地，整车控制器进一步包括依次连接的环境温度传感器、整车数据处理及控制单元，用于在整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令；以及，在整车停机后周期性获取环境温度传感器采集的环境温度，发送至燃料电池控制器。
环境温度传感器，设于车厢内部，用于获取电堆所处环境温度，发送至整车数据处理及控制单元。
整车数据处理及控制单元，用于在整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令；以及，在整车停机后周期性获取环境温度传感器采集的环境温度，发送至燃料电池控制器。
优选地，控制器，还用于在整车运行时周期性监测液氢罐内气压；以及，在该气压大于预设范围的上限时调整控制阀的开度增大，以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内；如果预设时间内，上述调整未使得液氢罐内气压降低到预设范围内，进一步控制液氢罐的顶部排气口的安全阀开启，直到在液氢罐内气压降到预设范围内的设定值时关闭安全阀，并维持当前时刻控制阀的开度不变。
优选地，散热器包括散热管道和布设于该散热管道上的风扇。
实施时，整车正常运行时，整车控制器分别给定液氢系统控制器和燃料电池控制器发送指令，液氢系统控制器控制控制阀打开完成液氢气化后，燃料电池发动机开机正常运行。当整车停机时，整车控制器对液氢控制器及燃料电池控制器发送关机指令，停止工作后整车断开高低压电。当整车停机后，液氢系统控制器、燃料电池控制器及整车控制器均处于休眠模式。液氢罐内的液氢会存在一定的蒸发，导致内部压力升高。液氢罐内安装的气体压力传感器能够检测内部气体压力，使得液氢系统控制器根据实时内部气体压力判断是否处于安全范围之内，一旦超过安全范围（预设范围），执行后续氢气的消耗操作（开启控制阀使得电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫）。
与实施例1相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果：
1、采用三种控制器组合进行控制，实现了无污染、低功耗、可定时唤醒功能。
2、通过控制器对控制阀、水泵、空压机等进行独立控制，可有效避免氢气即燃料气的浪费，同时提高了氢气的利用率。
3、在整车停机时均保证液氢存储罐内气压始终处于预设范围内，提高了燃料电池发动机的安全性。
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 (9)
1.一种车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，包括电堆、空压机、液氢罐、控制阀、换热器、散热器、水泵，以及控制器；其中，
电堆的氢气入口依次经换热器的支路一、控制阀与液氢罐的出气口连接，空气入口与空压机的输出端连接，冷却液出口一路经水泵、散热器接其冷却液入口，另一路经换热器的支路二接其冷却液入口；
控制器，用于在整车停机后，周期性监测液氢罐内气压；以及，在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀，并结合环境温度控制电堆对整车动力电池进行充电或对电堆执行保温吹扫，以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内；
所述控制器进一步包括：
氢系统控制器，用于在整车停机后周期性启动；以及，在启动后监测液氢罐内气压，并在该气压大于预设范围的上限时开启控制阀，向燃料电池控制器发出启动指令，之后，在该气压降到预设范围内的设定值时关闭控制阀，向燃料电池控制器发出关闭指令；
燃料电池控制器，用于在整车停机后接收到氢系统控制器发出的启动指令后，识别环境温度是否低于阈值，在环境温度低于阈值时对电堆执行保温吹扫，否则，在整车动力电池未充满时控制电堆对整车动力电池进行充电，充满时执行燃料电池发动机的零功率输出；
整车控制器，用于整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令，以及整车停机后周期性向燃料电池控制器发送环境温度。
2.根据权利要求1所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，所述氢系统控制器进一步包括：
气体压力传感器，设于液氢罐的储液腔顶部，用于获取液氢罐内气压，并发送至氢系统数据处理及控制单元；
氢系统数据处理及控制单元，用于在整车停机后周期性定时启动；以及，在启动后获取当前时刻液氢罐内气压，识别该气压是否大于预设范围的上限；如果是，向控制阀发出启动信号，同时向燃料电池控制器发出启动指令，之后，在液氢罐内气压降到预设范围内得设定值时关闭控制阀，同时向燃料电池控制器发出关闭指令；否则，执行氢系统控制器的关机，继续下一周期的上述识别。
3.根据权利要求1或2所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，所述换热器进一步包括空温式换热器和氢板换热器；其中，
所述空温式换热器的输入端与控制阀的输出端连接，输出端与氢板换热器的支路一输入端连接，控制端与燃料电池控制器的输出端连接；
所述氢板换热器的支路一输出端与电堆的氢气入口连接；其支路二输入端与电堆的冷却液出口连接，输出端与电堆的冷却液入口连接，以通入电堆输出的高温冷却液。
4.根据权利要求3所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，还包括节温器和PTC加热单元；其中，
所述节温器的输入端与水泵的输出端连接，输出端一经PTC加热单元与电堆的冷却液入口连接，输出端二经散热器与电堆的冷却液入口连接，控制端与燃料电池控制器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，所述燃料电池控制器进一步包括：
温度传感器，设于空温式换热器到氢板换热器之间的传输管路内壁上，用于采集布设位置的气体温度，发送至燃料电池数据处理及控制单元；
燃料电池数据处理及控制单元，用于在整车停机后接收到氢系统控制器发出的启动指令后启动，识别环境温度是否低于阈值，在环境温度低于阈值时启动PTC加热单元、空温式换热器对电堆执行保温吹扫，直到温度传感器所采温度达到阈值关闭PTC加热单元、空温式换热器，否则，启动空压机、水泵在整车动力电池未充满时控制电堆对整车动力电池进行充电，充满时执行燃料电池发动机的零功率输出，直到接收到氢系统控制器发出的关闭指令后执行燃料电池控制器的关机。
6.根据权利要求1、2、4、5任意一项所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，所述整车控制器进一步包括：
环境温度传感器，设于车厢内部，用于获取电堆所处环境温度，发送至整车数据处理及控制单元；
整车数据处理及控制单元，用于在整车停机时向氢系统控制器和燃料电池控制器均发出关闭指令；以及，在整车停机后周期性获取环境温度传感器采集的环境温度，发送至燃料电池控制器。
7.根据权利要求1、2、4、5任意一项所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，所述控制阀进一步包括第一控制阀和第二控制阀；并且，所述液氢罐的外壳上设有顶部排气口、上部排气口和底部排液口；其中，
所述顶部排气口上设有用于排空的安全阀；
所述上部排气口经第一控制阀与换热器一的支路一输入端连接；
所述底部排液口经第二控制阀与换热器一的支路一输入端连接；
所述第一控制阀、第二控制阀、安全阀的控制端均与控制器的输出端连接。
8.根据权利要求7所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，所述控制器，还用于在整车运行时周期性监测液氢罐内气压；以及，在该气压大于预设范围的上限时调整控制阀的开度增大，以保证液氢罐内气压始终处于预设范围内；如果预设时间内，上述调整未使得液氢罐内气压降低到预设范围内，进一步控制液氢罐的顶部排气口的安全阀开启，直到在液氢罐内气压降到预设范围内的设定值时关闭安全阀，并维持当前时刻控制阀的开度不变。
9.根据权利要求1、2、4、5、8任意一项所述的车用液氢燃料电池发动机装置，其特征在于，还包括设于空压机前端的空气过滤器；所述空气过滤器的输出端与空压机的输入端连接；并且，
所述散热器包括散热管道和布设于该散热管道上的风扇。
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