CN114719558A - 氢空冷却一体化机组及控制方法 - Google Patents

氢空冷却一体化机组及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢空冷却一体化机组及控制方法，包括制冷子系统、冷却液循环子系统、空气处理子系统和氢气处理子系统；启动时，依次为冷却液循环泵、压缩机、第二电磁阀，冷却液循环泵将冷却液存入蓄冷水箱，再开启空气冷却液泵、氢气冷却液泵，在供口的管路上分别监测送风的流量温度T1、T2；设定T1、T2的目标值，调节空气冷却液泵的运行频率、空气换热器进口阀门开度和氢气冷却液泵的运行频率、氢气换热器进口阀门开度，使T1、T2的监测值到达空气温度目标值；通过制冷子系统制取低温冷却液，冷却液循环子系统分别提供给供燃料电池的空气和氢气，通过调节供入空气换热器及氢气换热器内冷却液流量的方式，实现空气及氢气温度的独立调节控制。

Description

氢空冷却一体化机组及控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池测试技术领域，更具体地说，它涉及一种用于燃料电池供气调节的氢空冷却一体化机组及控制方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池可以按照等温的电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且具有无噪音、无污染、更安全的特点，是最有发展前途的发电技术。其中，氢燃料电池作为最热门的研究对象，其工作原理是：将氢气送到氢燃料电池的阳极板，经过催化剂的作用，氢原子中的一个电子被分离出来；失去电子的氢离子穿过质子交换膜，到达氢燃料电池阴极板，而不能通过质子交换膜的电子只能经外部电路，到达氢燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流；到达阴极板的电子与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢同时给阴极板供应空气，并及时把生成的水带走，就可以不断地提供电能。
氢燃料电池中通常会设置多个电堆组件，以增大电池的输出功率。氢燃料电池反应时需要向电堆组件中通入氢气与空气作为原料。因为空气和氢气来源不同，以及试验时空气及氢气会采用不同温度试验的原因，目前对燃料电池电堆及燃料电池系统的环境测试试验中，通常是将供氢气和供空气采用不同的机组进行冷却调温，一台氢气预冷机组和一台空气冷却机组，实现空气和氢气温度的独立调节和控制。这种配备两台机组的方法，不仅增加了初投资的费用，还增加了后期测试费用和维护保养费用。因此，考虑燃料电池电堆或系统的测试成本和效率，如何克服现有空气和氢气独立机组的问题是业界亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供解决上述问题的一种氢空冷却一体化机组及控制方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种氢空冷却一体化机组，包括
制冷子系统，用于制取低温冷却液；
冷却液循环子系统，用于分别提供给供燃料电池的空气和氢气，实现空气及氢气温度的独立调节控制；
空气处理子系统，用于过滤空气中的杂质和湿度；
氢气处理子系统，用于单向、定量补给氢气。
本发明进一步设置为：所述制冷子系统包括冷凝器、油分离器、压缩机、气液分离器、蒸发器、膨胀阀、第一电磁阀、经济器、热力膨胀阀、第二电磁阀、干燥过滤器、储液器、单向阀、过滤器及第三电磁阀；
其中，制冷剂经由管路依次通过压缩机、油分离器、冷凝器、储液器、干燥过滤器，经济器、第一电磁阀、膨胀阀、蒸发器、气液分离器后又回到压缩机形成制冷回路；
其中，经过干燥过滤器的制冷剂分两路，一路流经经济器、第一电磁阀、膨胀阀、蒸发器、气液分离器后回到压缩机；另一路流经第二电磁阀、热力膨胀阀、经济器后，由管路连接压缩机上的中部吸气口；
所述压缩机的出口与蒸发器的进口之间设有旁通管路，所述第三电磁阀安装在该旁通管理上，用于在低负荷时开通第三电磁阀进行热气旁通。
本发明进一步设置为：所述压缩机的吸气口设有吸气避震管，所述压缩机的排气口设有排气避震管。
本发明进一步设置为：所述经济器是为了将制冷剂温度进行过冷，从而实现蒸发器的蒸发温度进一步降低至-35～-60℃。
本发明进一步设置为：所述冷却液循环子系统包括水箱温度传感器、加热器、放水阀、冷却液循环泵、液位传感器及蓄冷水箱；
所述水箱温度传感器、加热器及液位传感器均设置在蓄冷水箱内，所述放水阀安装在蓄冷水箱的底部，制冷子系统制冷后的冷却液，通过冷却液循环泵提供动力，经由蒸发器制冷降温后，流入蓄冷水箱，再由冷却液循环泵吸入，实现冷却液循环流动；
其中，蓄冷水箱中的冷却液分两路冷却调温：一路为空气冷却调温支路，由空气冷却液泵提供动力，依次经过空气过滤器、空气换热器进口阀门、空气换热器、空气换热器出口阀门后流回蓄冷水箱；另一路为氢气冷却调温支路，由氢气冷却液泵提供动力，依次经过氢气过滤器、氢气换热器进口阀门、氢气换热器、氢气换热器出口阀门后流回蓄冷水箱。
本发明进一步设置为：所述空气换热器入口管路上设有空气流量传感器、空气压力传感器、空气温度传感器，分别监测冷却液的流量、压力和温度，通过反馈控制，分别对空气冷却液泵、空气换热器进口阀门进行调节。
本发明进一步设置为：所述氢气换热器入口管路上设有氢气流量传感器、氢气压力传感器、氢气温度传感器，分别监测冷却液的流量、压力和温度，通过反馈控制，分别对氢气冷却液泵、氢气换热器进口阀门进行调节。
本发明进一步设置为：所述空气处理子系统包括空气过滤器、除湿器、新风风道及风阀；
其中，空气经过空气过滤器过滤后，再经过除湿器除去水分，降低空气露点温度，在经过空气换热器时，低温的冷却液将空气进行降温，调节到试验要求的温度后，经过风阀将空气送入燃料电池系统空气供口。
本发明进一步设置为：所述氢气处理子系统包括氢气流量调节阀、氢气单向阀、氢气流量计及压力调节阀；
其中，氢气通过压力调节阀调节到设定压力后，再进入氢气换热器进行降温，降温后的氢气通过流量调节阀、氢气单向阀后，送入燃料电池系统氢气供口。
一种氢空冷却一体化机组的控制方法，
先启动冷却液循环泵，再开启压缩机、第二电磁阀，此时氢空冷却一体化机组开始制冷，通过冷却液循环泵的动力将制冷后的冷却液存入蓄冷水箱；
开启空气冷却液泵，在燃料电池系统空气供口的入口管路上分别监测送风的流量温度T1；设定T1的目标值，调节空气冷却液泵的运行频率、空气换热器进口阀门开度，使T1的监测值到达空气温度目标值；
开启氢气冷却液泵，在燃料电池系统氢气供口的入口管路上分别监测送风的流量温度T2；设定T2的目标值，调节氢气冷却液泵的运行频率、氢气换热器进口阀门开度，使T2的监测值到达空气温度目标值。
本发明的优点，通过制冷子系统制取低温冷却液，冷却液循环子系统将冷量分别提供给供如燃料电池的空气和氢气的方式，实现空气及氢气温度的独立调节控制，这种采用单台机组实现提供测试需求温度的空气及氢气的方法，对燃料电池特性研究提供了新的工具，极大程度地节省了投资和运行费用。
附图说明
图1为本发明的制冷子系统和冷却液循环子系统的原理图；
图2为本发明的空气换热子系统的结构示意图；
图3为本发明的氢气换热子系统的结构示意图。
图中：100、制冷子系统；101、冷凝器；102、油分离器；103、压缩机排气避震管；104、压缩机；105、压缩机吸气避震管；106、气液分离器；107、蒸发器；108、膨胀阀；109、第一电磁阀；110、经济器；111、热力膨胀阀；112、第二电磁阀；113、干燥过滤器；114、储液器；115、单向阀；116、过滤器；117、第三电磁阀；200、冷却液循环子系统；201、液位传感器；202、蓄冷水箱；203、空气变频电机；204、空气冷却液泵；205、空气过滤器；206、空气流量传感器；207、空气压力传感器；208、空气温度传感器；209、空气换热器出口阀门；210、空气换热器；211、空气换热器进口阀门；212、氢气换热器出口阀门；213、氢气换热器；214、氢气换热器进口阀门；215、氢气温度传感器；216、氢气压力传感器；217、氢气流量传感器；218、氢气变频电机；219、氢气过滤器；220、氢气冷却液泵；221、水箱温度传感器；222、加热器；223、放水阀；224、冷却液循环泵；300、空气处理子系统；301、空气过滤器；302、除湿器；303、新风风道；304、风阀；305、燃料电池系统空气供口；400、氢气处理子系统；401、氢气流量调节阀；402、氢气单向阀；403、氢气流量计；404、燃料电池系统氢气供口；405、压力调节阀。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
参照图1-3所示，冷却液循环子系统200中，制冷子系统100制冷后的冷却液，通过冷却液循环泵224提供动力，经由蒸发器107制冷降温后，流入蓄冷水箱202，再由冷却液循环泵224吸入，实现低温的冷却液循环。经济器110是为了将制冷剂温度进行过冷，从而实现蒸发器107的蒸发温度进一步降低至-35～-60℃；蓄冷水箱内电加热可以精确调节水箱内冷却液的温度。在低负荷时开通电磁阀117进行热气旁通，这样可有效避免压缩机频繁停机。
蓄冷水箱的冷却液，一路由空气冷却液泵204提供动力，依次经过空气过滤器205、空气换热器进口阀门211、空气换热器210、空气换热器出口阀门209后流回蓄冷水箱202，另一路由氢气冷却液泵220提供动力，依次经过氢气过滤器218、氢气换热器进口阀门211、氢气换热器210、氢气换热器出口阀门212后流回蓄冷水箱。
供入燃料电池的空气经过空气过滤器301过滤后，再经过除湿器302除去水分，降低空气露点温度，经过空气换热器201时，低温的冷却液将空气进行降温，调节到试验要求的温度后，经过风阀304将空气送入燃料电池系统空气供口305，提供燃料电池系统运行的空气(氧气)。
供入燃料电池的氢气通过压力调节阀405调节到设定压力后，再进入氢气换热器213进行降温，降温后的氢气通过流量调节阀401、单向阀402后，送入燃料电池系统氢气供口404，提供燃料电池系统运行的氢气。
蓄冷水箱202内的液位传感器201用来检测水箱内的冷却液容量，当低于要求液位时，需要及时补充冷却液；加热器222用来加热冷却液，与制冷子系统100的蒸发器107共同调节冷却液温度；排液阀223用于排出蓄冷水箱202内的冷却液。
空气冷却液泵204为变频泵，装有空气变频电机203，氢气冷却液泵220同样采用变频泵，装有氢气变频电机219，两者均通过变频方式调节循环流量，用于对进入空气换热器210及氢气换热器213的冷却液流量进行调节。
空气换热器210入口管路上设有流量传感器206、压力传感器207、温度传感器208，分别监测冷却液的流量、压力和温度，通过反馈控制，分别对空气冷却液泵204、空气换热器进口阀门211进行调节；所述氢气换热器213入口管路上设有流量传感器217、压力传感器216、温度传感器215，分别监测冷却液的流量、压力和温度，通过反馈控制，分别对氢气冷却液泵220、氢气换热器进口阀门214进行调节.
下面对本供气系统的工作流程进行详细说明：
本发明还提供了氢空一体化机组的控制方法，包括以下步骤：
S1、先启动冷却液循环泵224开，再开启制冷压缩机101、第二电磁阀112，此时氢空冷却一体化机组开始制冷，通过冷却液循环泵224的动力将制冷后的冷却液存入蓄冷水箱201，蓄冷水箱201内电加热222可以精确调节蓄冷水箱201内冷却液的温度。
S2、开启空气冷却液泵204，在燃料电池系统空气供口的入口管路上分别监测送风的流量温度T1；设定T1的目标值；
S3、调节空气冷却液泵204的运行频率、空气换热器210进口阀门开度，使T1的监测值到达空气温度目标值。
S3、开启氢气冷却液泵220，在燃料电池系统氢气供口的入口管路上分别监测送风的流量温度T2；设定T2的目标值；
S4、调节氢气冷却液泵220的运行频率、氢气换热器213进口阀门开度，使T2的监测值到达空气温度目标值。
本发明中制冷子系统制取低温冷却液，冷却液循环子系统将冷量分别提供给供如燃料电池的空气和氢气，通过调节供入空气换热器210及氢气换热器213内冷却液流量的方式，实现空气及氢气温度的独立调节控制，针对燃料电堆或燃料电池系统运行过程中的吸气特性，采用单台机组实现对送入燃料电池电堆或系统吸气口的空气和氢气进行温度调节，对燃料电池特性研究提供了供气条件，极大程度地节省了投资和运行费用，为燃料电池及系统进行低温启动与运行的测试试验工作创造了必要的供气条件。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢空冷却一体化机组，其特征是：包括
制冷子系统(100)，用于制取低温冷却液；
冷却液循环子系统(200)，用于分别提供给供燃料电池的空气和氢气，实现空气及氢气温度的独立调节控制；
空气处理子系统(300)，用于过滤空气中的杂质和湿度；
氢气处理子系统(400)，用于单向、定量补给氢气。
2.根据权利要求1所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述制冷子系统(100)包括冷凝器(101)、油分离器(102)、压缩机(104)、气液分离器(106)、蒸发器(107)、膨胀阀(108)、第一电磁阀(109)、经济器(110)、热力膨胀阀(111)、第二电磁阀(112)、干燥过滤器(113)、储液器(114)、单向阀(115)、过滤器(116)及第三电磁阀(117)；
其中，制冷剂经由管路依次通过压缩机(104)、油分离器(102)、冷凝器(101)、储液器(114)、干燥过滤器(113)，经济器(110)、第一电磁阀(109)、膨胀阀(108)、蒸发器(107)、气液分离器(106)后又回到压缩机(104)形成制冷回路；
其中，经过干燥过滤器(113)的制冷剂分两路，一路流经经济器(110)、第一电磁阀(109)、膨胀阀(108)、蒸发器(107)、气液分离器(106)后回到压缩机(104)；另一路流经第二电磁阀(112)、热力膨胀阀(111)、经济器(110)后，由管路连接压缩机(104)上的中部吸气口；
所述压缩机(104)的出口与蒸发器(107)的进口之间设有旁通管路，所述第三电磁阀(117)安装在该旁通管理上，用于在低负荷时开通第三电磁阀(117)进行热气旁通。
3.根据权利要求2所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述压缩机(104)的吸气口设有吸气避震管，所述压缩机(104)的排气口设有排气避震管。
4.根据权利要求3所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述经济器(110)是为了将制冷剂温度进行过冷，从而实现蒸发器(107)的蒸发温度进一步降低至-35～-60℃。
5.根据权利要求4所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述冷却液循环子系统(200)包括水箱温度传感器(221)、加热器(222)、放水阀(223)、冷却液循环泵(224)、液位传感器(201)及蓄冷水箱(202)；
所述水箱温度传感器(221)、加热器(222)及液位传感器(201)均设置在蓄冷水箱(202)内，所述放水阀(223)安装在蓄冷水箱(202)的底部，制冷子系统(100)制冷后的冷却液，通过冷却液循环泵(224)提供动力，经由蒸发器(107)制冷降温后，流入蓄冷水箱(202)，再由冷却液循环泵(224)吸入，实现冷却液循环流动；
其中，蓄冷水箱(202)中的冷却液分两路冷却调温：一路为空气冷却调温支路，由空气冷却液泵(204)提供动力，依次经过空气过滤器(205)、空气换热器(210)进口阀门、空气换热器(210)、空气换热器(210)出口阀门(209)后流回蓄冷水箱(202)；另一路为氢气冷却调温支路，由氢气冷却液泵(220)提供动力，依次经过氢气过滤器(219)、氢气换热器(213)进口阀门、氢气换热器(213)、氢气换热器(213)出口阀门(212)后流回蓄冷水箱(202)。
6.根据权利要求5所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述空气换热器(210)入口管路上设有空气流量传感器(206)、空气压力传感器(207)、空气温度传感器(208)，分别监测冷却液的流量、压力和温度，通过反馈控制，分别对空气冷却液泵(204)、空气换热器(210)进口阀门进行调节。
7.根据权利要求5所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述氢气换热器(213)入口管路上设有氢气流量传感器(217)、氢气压力传感器(216)、氢气温度传感器(215)，分别监测冷却液的流量、压力和温度，通过反馈控制，分别对氢气冷却液泵(220)、氢气换热器(213)进口阀门进行调节。
8.根据权利要求1所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述空气处理子系统(300)包括空气过滤器(301)、除湿器(302)、新风风道(303)及风阀(304)；
其中，空气经过空气过滤器(301)过滤后，再经过除湿器(302)除去水分，降低空气露点温度，在经过空气换热器(210)时，低温的冷却液将空气进行降温，调节到试验要求的温度后，经过风阀(304)将空气送入燃料电池系统空气供口(305)。
9.根据权利要求1所述的氢空冷却一体化机组，其特征是：所述氢气处理子系统(400)包括氢气流量调节阀(401)、氢气单向阀(402)、氢气流量计(403)及压力调节阀(405)；
其中，氢气通过压力调节阀(405)调节到设定压力后，再进入氢气换热器(213)进行降温，降温后的氢气通过流量调节阀、氢气单向阀(402)后，送入燃料电池系统氢气供口(404)。
10.一种权利要求1所述的氢空冷却一体化机组的控制方法，其特征是：
先启动冷却液循环泵(224)，再开启压缩机(104)、第二电磁阀(112)，此时氢空冷却一体化机组开始制冷，通过冷却液循环泵(224)的动力将制冷后的冷却液存入蓄冷水箱(202)；
开启空气冷却液泵(204)，在燃料电池系统空气供口(305)的入口管路上分别监测送风的流量温度T1；设定T1的目标值，调节空气冷却液泵(204)的运行频率、空气换热器(210)进口阀门开度，使T1的监测值到达空气温度目标值；
开启氢气冷却液泵(220)，在燃料电池系统氢气供口(404)的入口管路上分别监测送风的流量温度T2；设定T2的目标值，调节氢气冷却液泵(220)的运行频率、氢气换热器(213)进口阀门开度，使T2的监测值到达空气温度目标值。
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