CN114639841B - 一种低温进气的燃料电池系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统领域，具体涉及一种低温进气的燃料电池系统及车辆。低温进气的燃料电池系统包括分别与电堆相连通的空气路及氢路，所述氢路与所述空气路通过第一换热器进行热交换，所述第一换热器在所述氢路中设置液氢容器的下游，在所述空气路中设置在空压机的上游。本发明利用液氢降低空压机入口处空气的温度，从而降低了对空压机的性能需求，增加了对小体积、低重量、功耗低的空压机的选择，进一步提高整体燃料电池系统的功率密度。另外，由于经液氢冷却后的低温空气压缩后出气温度会明显低于常温气体经过压缩后的气体温度，故本发明实施例的燃料电池系统可以取消中冷器，进一步简化燃料电池系统的结构。

Description

一种低温进气的燃料电池系统及车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池系统领域，具体涉及一种低温进气的燃料电池系统及车辆。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，具有无污染、无噪声及高效率等优点；其中，氢燃料电池系统的空气路需要由空压机为电堆提供适当质量流量、压力的空气与氢气发生反应产生电能。当前氢燃料电池系统的空气路进气均是由空压机从大气中直接吸取空气，进入空压机的气体密度随大气密度变化而变化，与常温常压的环境相比，当燃料电池系统运行在高温或高海拔等空气密度稀薄的地域时，空压机需要压缩更多体积的空气才能满足电堆对空气质量流量及压力的需求，对空压机的性能要求更高，而为了保证空压机性能，必然会带来其体积、重量、功耗的增加，进而导致系统的功率密度减小；另外，经过空压机压缩后的气体温度会显著升高，故现有氢燃料电池系统必须要经过中冷器冷却压缩后的空气温度，当空气温度降温达到电堆需求的适宜气体温度后再进入电堆，导致系统管路连接更加复杂。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种低温进气的燃料电池系统及车辆。

作为本发明实施例的一个方面，提供了一种低温进气的燃料电池系统，包括分别与电堆相连通的空气路及氢路，所述氢路与所述空气路通过第一换热器进行热交换，所述第一换热器的氢路入口与液氢容器相连通，所述第一换热器的空气路出口与空压机的进气口相连通。

进一步地，所述燃料电池系统还包括液氢汽化器，所述液氢容器与所述第一换热器及所述液氢汽化器的进口通过三通阀及液氢传输管路连通，第一换热器的氢路出口及液氢汽化器的出气口与电堆相连通。

进一步地，所述液氢传输管路设置为绝热材料，和/或所述液氢传输管道外周设置绝热层。

进一步地，所述液氢容器的出口设置有控制阀，所述控制阀与所述控制器通讯连接。

进一步地，所述燃料电池系统还包括设置在空压机的下游与电堆之间的第二换热器，所述氢路与所述空气路通过第二换热器进行热交换后将气体输送至电堆。

进一步地，所述第二换热器的空气路入口与空压机的出气口相连通，所述第二换热器的空气路出口与电堆相连通，所述第二换热器的氢路入口与第一换热器的氢路出口相连通，所述第二换热器的氢路出口与电堆相连通。

进一步地，所述第一换热器的空气路入口的上游管路设置有空气过滤装置，所述空气过滤装置与大气相连通；或

所述第一换热器的空气路出口与空压机之间设置有空气过滤装置，所述第一换热器空气路进口与大气相连通。

进一步地，所述燃料电池系统还包括控制器，所述控制器分别与参数采集传感器、执行器通讯连接，所述控制器根据参数采集传感器采集的工况参数调节所述执行器的工作参数。

进一步地，所述参数采集传感器包括温度传感器、压力传感器、流量计中的一种或多种；所述执行器包括三通阀、空压机、控制阀、液氢汽化器中的一种或多种。

作为本发明实施例的再一方面，提供了一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如上述任意一实施例中的低温进气的燃料电池系统。

本发明实施例至少实现了至少如下技术效果：

1、本发明实施例利用液氢降低空压机入口处空气的温度，进而提高空气密度，随着空气密度增加，空压机入口的质量流量及压力均会提高，由于在相同的入堆目标压力和目标流量的条件下，空压机对高密度的空气所做的功要小于低密度的空气所做的功，故降低了对空压机的性能。

2、由于本发明实施例的燃料电池系统对空压机的性能要求低，故可选择小体积、低重量、功耗低的空压机，从而提高整体燃料电池系统的功率密度。

3、经液氢冷却后的低温空气压缩后出气温度会明显低于常温气体经过压缩后的气体温度，故本发明实施例的燃料电池系统可以取消中冷器，将压缩后的空气不经过中冷器冷却直接进入电堆，进一步简化了燃料电池系统的结构。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图等中所记载的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例一的燃料电池系统示意图；

图2为本发明实施例二的燃料电池系统示意图；

图3为本发明实施例三的燃料电池系统示意图。

附图说明：1、电堆；2、第一换热器；3、液氢容器；4、空压机；5、液氢汽化器；6、三通阀；7、控制阀；8、第二换热器；9、空气过滤装置；10、控制器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

附图和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例一

结合图1所示，本实施例提供一种低温进气的燃料电池系统，燃料电池系统包括氢路及空气路，在空气路中将进入空压机4的空气通过第一换热器2与氢路中的液氢进行热交换，从而实现降低空气的温度及液氢的汽化，所述第一换热器2的氢路入口与液氢容器3相连通，汽化后的氢气进入电堆1；所述第一换热器2的空气路出口与空压机4的进气口相连通，空压机4在将低温空气压缩后传输给电堆1。

在本实施例液氢容器3可以是液氢瓶，液氢瓶与第一换热器2之间通过液氢传输管路进行连通，其中液氢瓶及液氢传输管路可以由绝热材料制造，或可以液氢瓶及液氢传输管路外围设置由绝热材料制造的绝热层，例如由绝热材料严实包裹。在本实施例第一换热器2为进气预冷器，即液氢-空气换热器，能够将液氢的冷能传给空气，同时将空气的热能传递给液氢。

在本实施例中，还可以包括控制路，通过控制器10(FCU)控制控制阀7的开度及空压机4的运行参数，保证空气热量气化的液氢足够燃料电池系统的需求，空压机4压缩后的空气满足电堆1的温度、压力、流量等需求。其中控制阀7可以是瓶口阀。

在本实施例中空气过滤装置9设置在第一换热器2空气路的出口及空压机4的进气口之间，对冷却的空气进行进一步的过滤；也可以将、空气过滤装置9设置在第一换热器2的空气路的空气入口之前，将过滤后的空气进行降温，其中、空气过滤装置9一般指燃料电池系统领域常用的空滤，空压机4指空气压缩机。

本实施例利用热胀冷缩原理，通过液氢降低空压机4入口处空气的温度，使其密度增大，由于压缩相同体积的空气时会得到更大质量流量的空气，故要得到相同质量流量的空气，压缩低温气体的体积会小于压缩高温气体的体积，即本实施例通过降低空压机入口处空气的温度实现降低氢燃料电池系统对空压机性能的要求。

液氢的沸点是-253℃，本实施例充分利用了本身以氢气为来源的燃料电池系统中液氢的低温特性，从而提高了燃料电池系统的功率密度，简化了燃料电池系统的内部结构。

实施例二

结合图2所示，本实施例提供的低温进气的燃料电池系统还包括液氢汽化器5及三通阀6，所述液氢容器3与所述第一换热器2及所述液氢汽化器5的进口通过三通阀6及液氢传输管路连通，第一换热器2的氢路出口及液氢汽化器5的出气口与电堆1相连通。

液氢燃料电池的液氢汽化过程是个吸热过程，通过第一换热器2即液氢-空气换热器将液氢的冷能传给空气，同时将空气的热能传递给液氢，液氢吸收空气所携带的热量实现汽化。在本实施例中，当通过第一换热器2汽化的液氢量不能够满足电堆1的需求，还可以控制器10控制打开三通阀6从控制阀7后端再分出一路液氢，进过液氢汽化器5进行汽化。其中，控制器10通过控制阀7开度及液氢汽化器5的汽化效率保证液氢能以符合要求的气态形式进入电堆1。空气被液氢充分降温，使进入空压机的空气温度低，密度高。控制器10与空压机4通信，使空压机4将低温高密度的空气压缩成满足电堆1需求的流量、压力、温度的空气进入电堆1与氢气反应。由于进入空压机4的气体温度低，所以经过空压机4按电堆1需求工况压缩后的气体不需要进入中冷器进行再次降温。因此可以取消中冷器，使燃料电池系统的结构更加简单。燃料电池系统的管道及仪表流程图(PID)如图2所示，液氢从瓶中流出后的路径：控制阀7→三通阀6→第一换热器2(或者液氢汽化器5)→电堆1；空气的流经路径：第一换热器2→空气过滤装置9→空压机4→电堆1。

控制器10与电堆1、空压机4、液氢汽化器5、控制阀7等可以通过can线进行通讯或硬线控制，电堆1内可集成温度传感器、压力传感器、流量计、节气门等部件，控制器10接收电堆1内各传感器采集到信号，并根据信号和控制逻辑对各执行器(阀门、空压机、节气门等)进行控制。

实施例三

结合图3所示，在实施例一的基础上，相同部分不在赘述，本实施例中，所述燃料电池系统还包括设置在空压机4的下游与电堆1之间的第二换热器8，所述氢路与所述空气路通过第二换热器8进行热交换后将气体输送至电堆1。所述第二换热器8的空气路入口与空压机4的出气口相连通，所述第二换热器8的空气路出口与电堆1相连通，所述第二换热器8的氢路入口与第一换热器2的氢路出口相连通，所述第二换热器8的氢路出口与电堆1相连通。

在本实施例中，当电堆1对气化后的氢气温度有较高的需求时，可通过第二换热器8利用压缩后的高温高压空气给氢气加热，调整氢气温度至电堆1所需求的温度。其中第二换热器8为氢空换热器。

实施例4

与上述实施例基于相同技术构思，本实施例将上述燃料电池系统应用与车辆，提供一种包括上述任一实施例中燃料电池系统的车辆，例如，本实施例中的低温进气燃料电池系统可以包括：液氢瓶、瓶口阀、三通阀、第一换热器、空气过滤装置、空压机、液氢传输管路、液氢汽化器、电堆、FCU及其他辅助系统部件等。

由于本实施例车辆中的燃料电池系统的功率密度较高，结构简单，节约了车辆空间，提升了车辆性能。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种低温进气的燃料电池系统，包括分别与电堆相连通的空气路及氢路，其特征在于，所述氢路与所述空气路通过第一换热器进行热交换，所述第一换热器的氢路入口与液氢容器相连通，所述第一换热器的空气路出口与空压机的进气口相连通；

其中，所述燃料电池系统还包括液氢汽化器，所述液氢容器与所述第一换热器及所述液氢汽化器的进口通过三通阀及液氢传输管路连通，第一换热器的氢路出口及液氢汽化器的出气口与电堆相连通；

其中，所述液氢传输管路设置为绝热材料，和/或所述液氢传输管路外周设置绝热层。

2.如权利要求1所述的低温进气的燃料电池系统，其特征在于，所述液氢容器的出口设置有控制阀，所述控制阀与控制器通讯连接。

3.如权利要求1所述低温进气的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括设置在空压机的下游与电堆之间的第二换热器，所述氢路与所述空气路通过第二换热器进行热交换后将气体输送至电堆。

4.如权利要求3所述的低温进气的燃料电池系统，其特征在于，所述第二换热器的空气路入口与空压机的出气口相连通，所述第二换热器的空气路出口与电堆相连通，所述第二换热器的氢路入口与第一换热器的氢路出口相连通，所述第二换热器的氢路出口与电堆相连通。

5.如权利要求1所述的低温进气的燃料电池系统，其特征在于，所述第一换热器的空气路入口的上游管路设置有空气过滤装置，所述空气过滤装置与大气相连通；或所述第一换热器的空气路出口与空压机之间设置有空气过滤装置，所述第一换热器空气路进口与大气相连通。

6.如权利要求1所述低温进气的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括控制器，所述控制器分别与参数采集传感器、执行器通讯连接，所述控制器根据参数采集传感器采集的工况参数调节所述执行器的工作参数。

7.如权利要求6所述低温进气的燃料电池系统，其特征在于，所述参数采集传感器包括温度传感器、压力传感器、流量计中的一种或多种；所述执行器包括三通阀、空压机、控制阀、液氢汽化器中的一种或多种。

8.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1-7任意一项所述低温进气的燃料电池系统。