CN115295823A - 一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，属于燃料电池技术领域，包括燃料电池、固态储氢装置和循环回路装置；燃料电池的出水口通过循环回路装置连通于固态储氢装置的进水口；固态储氢装置的出水口通过循环回路装置连通于燃料电池的进水口；循环回路装置用于将燃料电池发电所产生的热量携带并输送至固态储氢装置以使固态储氢装置内的固态储氢材料升温并产生氢气，再由固态储氢装置流出并经冷却后流入燃料电池从而降低燃料电池的温度。本发明将燃料电池、增压空气和金属氢化物储氢罐通过一个共同的水循环回路进行热整合，实现燃料电池系统余热的回收利用，避免了对金属氢化物床使用外部加热器的必要性，提高了系统的整体效率。

Description

一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高功率密度、能量转换效率和低/ 零排放而被广泛认为是汽车工业最有前途的替代能源之一，近年来在国家的引领下，其商用化进程不断加速。
氢气储存有三种主要的技术：高压气态存储、低温液态存储和固态合金存储。当前车辆应用主要采用的是高压氢气瓶储存，然而其依然存在安全隐患；液态氢技术，因为氢气液化过程的能源成本很高，成为其应用的主要障碍；金属氢化物(Metal hydride，MH)作为一种有前途的固态储氢材料，它以金属氢化物形式吸附氢，然后加热氢化物释放。储存氢气所需的能量低、氢气的低温低压存储而具有的固有安全性、不同氢化物的定制以适应不同温度-压力要求的可能性，是其应用的突出优势；缺点是，储氢罐的质量大。但是对于氢气瓶较轻，需要额外压载物来维持车辆稳定性的燃料电池叉车或罐体重量不是主要问题的重型车辆等应用场景，相比高压气态储氢，金属氢化物固态储氢应是最为理想的储氢方式。
利用循环水提取燃料电池产生的废热，降低燃料电池温度的同时，温度升高的热水用于加热金属氢化物床，床中解析出氢气难以满足燃料电池系统的用氢需求，显然是一个不错的系统集成方案。然而，温度高低会使放氢速率过慢无法满足电堆需求，温度过高会导致气压超限带来安全风险。因此，建立一种合适的热管理系统，采用合适的控制方法保证系统的安全稳定运行，具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其目的在于将燃料电池、增压空气和固态储氢装置通过一个共同的循环回路装置进行热整合，实现燃料电池系统余热的回收利用。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，该系统包括燃料电池、固态储氢装置和循环回路装置；
所述燃料电池用于系统发电，所述燃料电池的出水口通过所述循环回路装置连通于所述固态储氢装置的进水口；
所述固态储氢装置用于为所述燃料电池发电提供氢气，所述固态储氢装置的出水口通过所述循环回路装置连通于所述燃料电池的进水口；
所述循环回路装置内充满流体介质，用于将所述燃料电池发电所产生的热量携带并输送至所述固态储氢装置以使所述固态储氢装置内的金属氢化物储氢材料升温并释放氢气，再由所述固态储氢装置流出并经冷却后流入所述燃料电池从而降低所述燃料电池的温度。
优选地，所述循环回路装置包括循环水泵、去离子过滤器、散热器和膨胀水箱；
所述循环水泵的进水口连接所述燃料电池的出水口，所述循环水泵的出水口连接所述固态储氢装置的进水口；
所述散热器的进水口连接所述固态储氢装置的出水口，所述散热器的出水口连接所述燃料电池的进水口；
所述去离子过滤器的进水口连接所述循环水泵的出水口，所述去离子过滤器的出水口连接所述循环水泵的进水口；
所述膨胀水箱的出水口连接所述散热器。
优选地，在所述固态储氢装置的进水口与出水口之间设有分流支路，所述分流支路上设有旁路电磁阀，通过改变所述电磁阀的开度来动态调节流经所述固态储氢装置的热流体流量，从而实现对所述固态储氢装置的主动热管理，保证供氢的精准控制。同时所述分流支路中的流体阻力远小于所述固态储氢装置内的流阻，可以使携带热量的流体介质直接全部流入所述散热器从而避免所述固态储氢装置的温度过高。
优选地，所述系统还包括空气通路以及设置于所述空气通路上的空气过滤器、空压机和加湿器；
所述空气过滤器将空气过滤后输送至所述空压机，所述空压机将过滤后的空气压缩升温后经所述加湿器输送至所述燃料电池内。
优选地，在所述空压机和所述加湿器之间的空气通路上设有热管余热回收器；所述热管余热回收器的出水口连接所述循环水泵的进水口，所述热管余热回收器的进水口连接所述散热器的出水口。
优选地，还包括背压阀，所述背压阀用于调节进入所述燃料电池空气压力。
优选地，所述系统还包括氢气通路，所述氢气通路分别连接所述固态储氢装置的出气口和所述燃料电池的进气口。
优选地，所述氢气通路上依次设有截止阀、气体加热器、流量计、压力温度传感器、氢气引射器、一级电磁减压阀和二级电磁减压阀。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于将燃料电池、增压空气和固态储氢装置通过一个共同的循环回路装置进行热整合，实现燃料电池系统余热的回收利用，避免了对金属氢化物床使用外部加热器的必要性，提高了系统的整体效率；同时循环冷却水的流量和散热器风扇被控制，以确保燃料电池运行期间的安全稳定。该系统结构简单，易于应用。
附图说明
图1是固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统的系统结构图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-空气过滤器；2-空压机；3-热管余热回收器；4-加湿器；5-背压阀；6-循环水泵；8-去离子过滤器；9-固态储氢装置；10-旁路电磁阀；11-散热器； 12-膨胀水箱；13-流量分配阀；14-燃料电池；15-截止阀；16-气体加热器； 17-流量计；18-压力温度传感器；19-氢气引射器；20-一级电磁减压阀；21- 二级电磁减压阀；22-安全阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，该系统包括燃料电池14、固态储氢装置9、空气通路、氢气通路和循环回路装置；所述燃料电池14用于系统发电，所述燃料电池14的出水口通过所述循环回路装置连通于所述固态储氢装置9的进水口；所述固态储氢装置,9用于为所述燃料电池14发电提供氢气，所述固态储氢装置9上设有安全阀22，所述固态储氢装置9的出水口通过所述循环回路装置连通于所述燃料电池14的进水口；所述循环回路装置内充满流体介质，用于将所述燃料电池14发电所产生的热量携带并输送至所述固态储氢装置9以使所述固态储氢装置9内的固态储氢材料升温并产生氢气，再由所述固态储氢装置9流出并经冷却后流入所述燃料电池14从而降低所述燃料电池14 的温度。
更进一步的说明，在所述固态储氢装置9的进水口与出水口之间设有分流支路，所述分流支路上设有旁路电磁阀10，通过改变所述电磁阀10的开度来动态调节流经所述固态储氢装置9的热流体流量，从而实现对所述固态储氢装置9的主动热管理，保证供氢的精准控制。同时所述分流支路中的流体阻力远小于所述固态储氢装置9内的流阻，可以使携带热量的流体介质直接全部流入所述散热器11从而避免所述固态储氢装置9的温度过高。
更进一步的说明，空气通路上设有空气过滤器1、空压机2、热管余热回收器3和加湿器4。所述空气过滤器1将空气过滤后输送至所述空压机2，所述空压机2将过滤后的空气压缩升温后分别经所述热管余热回收期3和所述加湿器4输送至所述燃料电池14内，所述热管余热回收器3的出水口连接所述循环水泵6的进水口，所述热管余热回收器3的进水口连接所述散热器11的出水口。
更进一步的说明，所述氢气通路上依次设有截止阀15、气体加热器16、流量计17、压力温度传感器18、氢气引射器19、一级电磁减压阀20和二级电磁减压阀21。
下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，该系统包括：
空气路：空气通过过滤器过滤之后，进入空气压缩机；由于在压缩过程中空气的温度会升高，需要水循环回路进行冷却，热管余热回收装置的换热效率可达98％以上，是普通热交换器无法比拟的，因此这里被选用。冷却后的增压空气通过加湿器进行加湿后送入燃料电池电堆，以满足质子交换膜水合作用需要。
氢气路：系统运行期间，打开截止阀，固态储氢装置产生的氢气(H2) 和燃料电池反应剩余的氢气，通过氢气循环装置氢气引射器，实现氢气的循环使用。引射器出来的氢气在进入电堆之前，使用减压阀进行压力的降压调节，二级减压能够保证降压后压力的稳定和精确，满足系统对气体压力的调节需求。当温度压力传感器检测到氢气温度较低时，气体加热器为其升温。当氢气压力过大超限时，安全阀打开，保障系统安全。
水循环回路：燃料电池和热管余热回收器出来的热水混合后，对固态储氢装置进行加热，为了避免金属氢化物床被过度加热，打开并联的电磁阀进行旁通。流量分配阀根据热管余热回收器的冷却需求改变阀门开度，调节进入余热回收器的冷却水流量。热水通过散热器进行降温。膨胀水箱对系统进行补水。去离子过滤器去除冷却水中多余的导电离子。
热管理方法：热管理策略极大地影响电堆的温度和效率。不推荐缓慢的温度控制，因为它们会影响燃料电池系统的稳定性，因此这里通过建立电堆电流和冷却液的质量流量映射关系的查找表，来实现水泵的静态前馈控制；流量分配阀通过分配进入电堆和热管余热回收器的冷却液流量，实现进入电堆的增压空气温度的调节；旁路电磁阀的开度改变，来动态调节流经固态储氢装置的热流体流量，从而实现对固态储氢装置的主动热管理，保证供氢的精准控制，同时分流支路中的流体阻力远小于固态储氢装置内的流阻，可以使携带热量的流体介质直接全部流入散热器从而避免固态储氢装置的温度过高；通过反馈控制器控制散热器风扇来保证电堆稳定的运行温度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，该系统包括燃料电池(14)、固态储氢装置(9)和循环回路装置；
所述燃料电池(14)用于系统发电，所述燃料电池(14)的出水口通过所述循环回路装置连通于所述固态储氢装置(9)的进水口；
所述固态储氢装置(9)用于为所述燃料电池(14)发电提供氢气，所述固态储氢装置(9)的出水口通过所述循环回路装置连通于所述燃料电池(14)的进水口；
所述循环回路装置内充满流体介质，用于将所述燃料电池(14)发电所产生的热量携带并输送至所述固态储氢装置(9)以使所述固态储氢装置(9)内的固态储氢材料升温并产生氢气，再由所述固态储氢装置(9)流出并经冷却后流入所述燃料电池(14)从而降低所述燃料电池(14)的温度。
2.根据权利要求1所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，所述循环回路装置包括循环水泵(6)、去离子过滤器(8)、散热器(11)和膨胀水箱(12)；
所述循环水泵(6)的进水口连接所述燃料电池(14)的出水口，所述循环水泵(6)的出水口连接所述固态储氢装置(9)的进水口；
所述散热器(11)的进水口连接所述固态储氢装置(9)的出水口，所述散热器(11)的出水口连接所述燃料电池(14)的进水口；
所述去离子过滤器(8)的进水口连接所述循环水泵(6)的出水口，所述去离子过滤器(8)的出水口连接所述循环水泵(6)的进水口；
所述膨胀水箱(12)的出水口连接所述散热器(11)。
3.根据权利要求2所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，在所述固态储氢装置(9)的进水口与出水口之间设有分流支路，所述分流支路上设有旁路电磁阀(10)，通过改变所述电磁阀(10)的开度来动态调节流经所述固态储氢装置(9)的热流体流量，从而实现对所述固态储氢装置(9)的主动热管理，保证供氢的精准控制；同时所述分流支路中的流体阻力远小于所述固态储氢装置(9)内的流阻，以使携带热量的流体介质直接全部流入所述散热器(11)从而避免所述固态储氢装置(9)的温度过高。
4.根据权利要求3所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，所述系统还包括空气通路以及设置于所述空气通路上的空气过滤器(1)、空压机(2)和加湿器(4)；
所述空气过滤器(1)将空气过滤后输送至所述空压机(2)，所述空压机(2)将过滤后的空气压缩升温后经所述加湿器(4)输送至所述燃料电池(14)内。
5.根据权利要求4所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，在所述空压机(2)和所述加湿器(4)之间的空气通路上设有热理余热回收器(3)；所述热管余热回收器(3)的出水口连接所述循环水泵(6)的进水口，所述热管余热回收器(3)的进水口连接所述散热器(11)的出水口。
6.根据权利要求5所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，还包括背压阀(5)，所述背压阀(5)用于调节进入所述燃料电池(14)空气压力。
7.根据权利要求3所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，所述系统还包括氢气通路，所述氢气通路分别连接所述固态储氢装置(9)的出气口和所述燃料电池(14)的进气口。
8.根据权利要求7所述的一种固态储氢与燃料电池集成的综合热管理系统，其特征在于，所述氢气通路上依次设有截止阀(15)、气体加热器(16)、流量计(17)、压力温度传感器(18)、氢气引射器(19)、一级电磁减压阀(20)和二级电磁减压阀(21)。
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