CN115441020A - 基于液氢的燃料电池冷能利用系统及燃料电池发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于液氢的燃料电池冷能利用系统及燃料电池发动机，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术无法真正有效利用低温液氢进行燃料电池温度控制的问题。该装置包括包括电堆、加热装置、第一节温器、换热器、第二节温器、散热器和液氢存储装置。电堆的冷却液出口经加热装置接第一节温器的输入端一，并经换热器的换热支路一接第二节温器的输入端一，并经散热器接第二节温器的输入端二，其氢气入口经换热器的换热支路二接液氢存储装置。第二节温器的输出端接第一节温器的输入端二。第一节温器的输出端接电堆的冷却液入口。在现有大小循环的基础上，增加一级氢气热交换，保证燃料电池在低温情况下快速启动，以及燃料电池的性能、温控效果。

Description

基于液氢的燃料电池冷能利用系统及燃料电池发动机
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于液氢的燃料电池冷能利用系统及燃料电池发动机。
背景技术
当前环境保护成为人类社会可持续发展战略的核心课题，由于具有零排放、无污染、高效的特点，氢燃料电池汽车成为了备受关注的新能源汽车。常温常压下的氢气能量密度比较小，为保证汽车发动机的功率密度，可使用冷氢气或低温液氢作为车载储氢方式。但是低温液氢在进入电堆之前需要进行减压气化升温，吸收大量的热量，直接进入电堆会对燃料电池运行性能产生影响。
现有技术一般通过冷氢气与小循环进行热交换，提高能量利用率。冷氢气会在一定程度上降低散热器的空气温度，再进行风扇散热。但当冷氢气的温度过低时会对燃料电池性能产生影响，且在开启-关闭切换时导致冷却液温度产生快速变化，影响燃料电池运行性能，也会使得风扇的转速产生波动。而且，燃料电池小循环的集成度较高，一般都是与发动机直接集成在一起，不具备实施热交换的可能。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于液氢的燃料电池冷能利用系统，用以解决现有技术无法真正有效利用低温液氢进行燃料电池温度控制的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种基于液氢的燃料电池冷能利用系统及燃料电池发动机，包括电堆、加热装置、第一节温器、换热器、 第二节温器、 散热器和液氢存储装置；其中，
电堆的冷却液出口经加热装置接第一节温器的输入端一，并经换热器的换热支路一接第二节温器的输入端一，并经散热器接第二节温器的输入端二，其氢气入口经换热器的换热支路二接液氢存储装置；
第二节温器的输出端接第一节温器的输入端二；第一节温器的输出端接电堆的冷却液入口。
上述技术方案的有益效果如下：液氢在使用过程中会释放大量的冷能，而燃料电池运行时产生大量的热量，可通过利用液氢汽化的冷能对燃料电池的热能进行降温，降低消耗，提高整体能量率。在燃料电池冷却液小循环及大循环的基础上，增加一级氢气热交换，通过第一节温器的控制，能够保证燃料电池在低温情况下快速启动，通过第二节温器的控制，能保证燃料电池的性能以及温控效果。
基于上述系统的进一步改进，该冷能利用系统还包括：
控制器，用于在燃料电池启动时，启动加热装置并关闭第一节温器以加热入堆冷却液，在加热过程中识别第一温度传感器数据达到设定温度时，开启液氢存储装置以启动燃料电池；以及，在燃料电池运行过程中，调节第一节温器的开度以维持第一温度传感器数据不超过设定温度，识别第一节温器已达最大开度仍无法满足当前散热需求时，调节第二节温器的开度以维持第二温度传感器数据不超过设定温度，在识别第二节温器已达最大开度仍无法满足当前散热需求时启动散热器。
进一步，所述控制器进一步数据采集单元、燃料电池启动温控单元和燃料电池运行温控单元；其中，
燃料电池启动温控单元，内置燃料电池启动温控程序，其输入端接数据采集单元，输出端分别接加热装置、第一节温器、液氢存储装置的控制端；
燃料电池运行温控单元，内置燃料电池运行温控程序，其输入端接数据采集单元，输出端分别接第一节温器、第二节温器、散热器的控制端。
进一步，所述数据采集单元进一步包括：
第一温度传感器，布设于第一节温器的输出端-电堆的冷却液入口之间的管道内壁上；
第二温度传感器，布设于第二节温器的输出端-第一节温器的输入端二之间的管道内壁上；
第三温度传感器，布设于散热器的输出端-第二节温器的输入端二之间的管道内壁上。
进一步，所述燃料电池启动温控单元的输入端接第一温度传感器，其输出端还接第二节温器、散热器的控制端。
进一步，所述燃料电池启动温控单元执行如下燃料电池启动温控程序以完成燃料电池启动过程中的温控功能：
在燃料电池接收到启动信号后，启动加热装置，并关闭第一节温器、第二节温器、散热器和液氢存储装置，以直接加热入堆冷却液；
在加热过程中，识别第一温度传感器数据是否达到设定温度，如果是，开启液氢存储装置以启动燃料电池，并执行下一步，否则，继续加热；
在燃料电池启动过程中，实时调节第一节温器的开度以使第一温度传感器数据保持稳定，直到识别燃料电池启动成功，关闭加热装置。
进一步，该冷能利用系统还包括：
第一电磁阀，设于液氢存储装置的输出端-换热器的输入端之间的管道上，其控制端与燃料电池启动温控单元的输出端连接，用于开启液氢存储装置时打开。
进一步，所述燃料电池运行温控单元的输入端接第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器；并且，
所述燃料电池运行温控单元执行如下燃料电池运行温控程序以完成燃料电池运行过程中的温控功能：
在燃料电池运行过程中，首先调节第一节温器的开度以维持第一温度传感器的温度数据不超过设定温度；
识别第一节温器已达最大开度且第二温度传感器数据上升至第一温度传感器相等数据时，开启第二节温器并调节其开度以维持第二温度传感器数据不超过设定温度；
识别第二节温器已达最大开度且第三温度传感器数据上升至第二温度传感器相等数据时，启动散热器以维持第三温度传感器数据不超过设定温度。
进一步，所述燃料电池运行温控单元具有显示模块；并且，
该显示模块的显示屏上显示第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器的实时数据。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、在燃料电池启动以及运行过程中，解决了冷能利用可能带来的温度冲击，延长了燃料电池的寿命。
2、最大限制地利用冷能，保证冷能利用无法满足要求时，再启动散热系统，避免造成能量浪费。能量利用分为三个阶段；第一阶段调节第一节温器，控制第一温度传感器数据不高于设定温度；第二阶段调节第二节温器，控制第二温度传感器数据不高于设定温度；第三阶段控制散热器启动，控制第三温度传感器数据不高于设定温度。
3、降低冷能利用对整个方案的影响，提高了运行可行性。
4、解决了冷能利用对燃料电池冷却系统的影响，降低冷能波动带来的空气温度变化，提高散热系统温控精度及燃料电池发动机耐久性，使得冷能对燃料电池系统的影响降到最低。
另一方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池发动机，包括上述冷能利用系统。
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基于液氢的燃料电池冷能利用系统组成示意图；
图2示出了实施例2基于液氢的燃料电池冷能利用系统组成示意图。
附图标记：
1- 电堆；2- 加热装置；3- 第一节温器；4- 换热器；5- 第二节温器；6- 散热器；7- 液氢存储装置；8- 第一温度传感器；9- 第二温度传感器；10- 第三温度传感器；11- 控制器。
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，公开了一种基于液氢的燃料电池冷能利用系统，如图1所示，包括电堆1、加热装置2、第一节温器3、换热器4、第二节温器5、散热器6和液氢存储装置7。
电堆1的冷却液出口经加热装置2接第一节温器3的输入端一，并经换热器4的换热支路一接第二节温器5的输入端一，并经散热器6接第二节温器5的输入端二，其氢气入口经换热器4的换热支路二接液氢存储装置7。
第二节温器5的输出端接第一节温器3的输入端二；第一节温器3的输出端接电堆1的冷却液入口。
上述冷能利用系统适用于现有的任意一种使用液氢存储装置7的氢燃料电池发动机。
可选地，加热装置2可以是电加热装置或者物理化学加热装置，例如利用生石灰等。
可选地，液氢存储装置7可以是液氢罐或者其他低温绝热容器。也可根据实际需求，添置冷却设备。
实施时，在燃料电池启动时，第一节温器3关闭，加热装置启动，使得冷却液经加热装置2直接进入电堆内部，保证燃料电池升温迅速。在升高至设定温度时，启动燃料电池，打开液氢存储装置7，通过调节第一节温器3使得冷却液的掺混量满足燃料电池散热需求，此时换热器4开始工作，冷能利用带来的冲击被第一节温器3控制。当换热器4提供的冷能不满足燃料电池散热需求时，第一节温器3已达到最大开度，则启动第二节温器5，逐步掺入散热器冷却液对燃料电磁降温，当散热器冷却液+冷能利用不足以满足燃料电池散热需求时，可进一步开启散热器6进行散热。
与现有技术相比，本实施例提供的冷能利用系统在液氢使用过程中会释放大量的冷能，而燃料电池运行时产生大量的热量，可通过利用液氢汽化的冷能对燃料电池的热能进行降温，降低消耗，提高整体能量率。在燃料电池冷却液小循环及大循环的基础上，增加一级氢气热交换，通过第一节温器的控制，能够保证燃料电池在低温情况下快速启动，通过第二节温器的控制，能保证燃料电池的性能以及温控效果。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该冷能利用系统还包括控制器11，如图2所示。
控制器11，用于在燃料电池启动时，启动加热装置2并关闭第一节温器3以加热入堆冷却液，在加热过程中识别第一温度传感器8数据达到设定温度时，开启液氢存储装置7以启动燃料电池；以及，在燃料电池运行过程中，调节第一节温器3的开度以维持第一温度传感器8数据不超过设定温度，识别第一节温器3已达最大开度仍无法满足当前散热需求时，调节第二节温器5的开度以维持第二温度传感器9数据不超过设定温度，在识别第二节温器5已达最大开度仍无法满足当前散热需求时启动散热器6。
控制器11通过控制加热装置2、第一节温器3、液氢存储装置7实现燃料电池启动过程中的温控功能，并通过控制第一节温器3、第二节温器5、散热器6实现燃料电池运行过程中的温控功能。
优选地，控制器11进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。其中，数据处理与控制单元进一步细分为燃料电池启动温控单元、燃料电池运行温控单元。
优选地，数据采集单元进一步包括第一温度传感器8、第二温度传感器9和第三温度传感器10。
第一温度传感器8，布设于第一节温器3的输出端-电堆1的冷却液入口之间的管道内壁上，用于获取布设位置处的冷却液温度。
第二温度传感器9，布设于第二节温器5的输出端-第一节温器3的输入端二之间的管道内壁上，用于获取布设位置处的冷却液温度。
第三温度传感器10，布设于散热器6的输出端-第二节温器5的输入端二之间的管道内壁上，用于获取布设位置处的冷却液温度。
燃料电池启动温控单元，内置燃料电池启动温控程序，用于在燃料电池启动时启动加热装置2并关闭第一节温器3以加热入堆冷却液；以及，在加热过程中实时监测第一温度传感器8数据，直到第一温度传感器8数据达到设定温度时开启液氢存储装置7，以启动燃料电池；并在燃料电池启动过程中，实时调节第一节温器3的开度以使第一温度传感器8的温度数据保持稳定，直到燃料电池启动成功（即输出额定电压或电流的信号），关闭加热装置2。燃料电池启动温控单元的输入端接第一温度传感器8，输出端分别接加热装置2、第一节温器3、液氢存储装置7的控制端。
优选地，燃料电池启动温控单元的输入端与第一温度传感器8连接，其输出端分别与液氢存储装置7、加热装置2、第一节温器3、第二节温器5、散热器6的控制端连接。
优选地，燃料电池启动温控单元执行如下燃料电池启动温控程序，以完成燃料电池启动过程中的温控功能：
S1.在燃料电池接收到启动信号后，启动加热装置2，并关闭第一节温器3、第二节温器5、散热器6和液氢存储装置7（冷却液小循环启动），以直接加热入堆冷却液；
S2.在加热过程中，实时识别第一温度传感器8数据是否达到设定温度，如果是，开启液氢存储装置7以启动燃料电池，并执行下一步，否则，继续加热；
S3.在燃料电池启动过程中，实时调节第一节温器3的开度以使第一温度传感器8数据保持稳定，直到识别燃料电池启动成功，关闭加热装置2。
当燃料电池处于启动阶段，第一节温器3关闭，开启加热装置2升温，保证燃料电池升温迅速，当第一温度传感器8达到设定温度后，通过调节第一节温器3，控制冷却液的掺混量，保证冷能利用带来的冲击被节温器3所控制。
优选地，燃料电池启动温控单元具有显示模块；并且，该显示模块的显示屏上显示第一温度传感器8的实时数据。
燃料电池运行温控单元，内置燃料电池运行温控程序，用于在燃料电池运行过程中首先调节第一节温器3的开度，以维持第一温度传感器8的温度数据不超过设定温度；以及，在识别第一节温器3已达最大开度且第二温度传感器9数据上升至第一温度传感器8相等数据时，开启第二节温器5并调节其开度，以维持第二温度传感器9数据不超过设定温度；以及，在识别第二节温器5已达最大开度且第三温度传感器10数据上升至第二温度传感器9相等数据时，启动散热器6。
优选地，燃料电池运行温控单元的输入端分别与第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10连接，其输出端分别与第一节温器3、第二节温器5、散热器6的控制端连。
优选地，燃料电池运行温控单元执行如下燃料电池运行温控程序以完成燃料电池运行过程中的温控功能：
S4.在燃料电池运行过程中，首先调节第一节温器3的开度以维持第一温度传感器8的温度数据不超过设定温度；
S5.识别第一节温器3已达最大开度且第二温度传感器9数据上升至第一温度传感器8相等数据时，开启第二节温器5并调节其开度以维持第二温度传感器9数据不超过设定温度；
S6.识别第二节温器5已达最大开度且第三温度传感器10数据上升至第二温度传感器9相等数据时，启动散热器6以维持第三温度传感器10数据不超过设定温度。
在燃料电池运行过程中，能量利用分为三个阶段；第一阶段调节第一节温器3，控制第一温度传感器8数据不高于设定温度，冷能利用带来的冲击被第一节温器3控制（换热器4的冷能利用满足燃料电池散热需求）；第二阶段调节第二节温器5，控制第二温度传感器9数据不高于设定温度（换热器4的冷能利用不满足燃料电池散热需求，冷却液水温逐步升高，第二温度传感器9温度与第一温度传感器8温度逐步相同，第一节温器3将达到最大角度，结合散热器的冷却液进行温度调控）；第三阶段控制散热器6启动，控制第三温度传感器10数据不高于设定温度（当第三温度传感器10温度将低于第二温度传感器9温度时，车辆的温度将被第二节温器5控制，当第三温度传感器10温度达到燃料电池温度时启动散热器6）。
优选地，燃料电池运行温控单元具有显示模块；并且，该显示模块的显示屏上分别显示第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10的实时数据。
优选地，电堆的氢侧入口处设有减压阀。
优选地，该冷能利用系统还包括第一电磁阀。
第一电磁阀，设于液氢存储装置7的输出端-换热器4的输入端之间的管道上。即通过控制所述第一电磁阀的开闭，可以控制液氢存储装置7是否输出氢气。
与现有技术相比，本实施例提供的基于液氢的燃料电池冷能利用系统具有如下有益效果：
1、在燃料电池启动以及运行过程中，解决了冷能利用可能带来的温度冲击，延长了燃料电池的寿命。
2、最大限制地利用冷能，保证冷能利用无法满足要求时，再启动散热系统，避免造成能量浪费。能量利用分为三个阶段；第一阶段调节第一节温器3，控制第一温度传感器8数据不高于设定温度；第二阶段调节第二节温器5，控制第二温度传感器9数据不高于设定温度；第三阶段控制散热器6启动，控制第三温度传感器10数据不高于设定温度。
3、降低冷能利用对整个方案的影响，提高了运行可行性。
4、解决了冷能利用对燃料电池冷却系统的影响，降低冷能波动带来的空气温度变化，提高散热系统温控精度及燃料电池发动机耐久性，使得冷能对燃料电池系统的影响降到最低。
实施例3
本发明还提供了一种燃料电池发动机，包括实施例1或2所述的冷能利用系统。该燃料电池发动机为使用液氢存储装置7的氢燃料电池发动机。
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 (10)

1.一种基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，包括电堆（1）、加热装置（2）、第一节温器（3）、换热器（4）、 第二节温器（5）、散热器（6）和液氢存储装置（7）；其中，
电堆（1）的冷却液出口经加热装置（2）接第一节温器（3）的输入端一，并经换热器（4）的换热支路一接第二节温器（5）的输入端一，并经散热器（6）接第二节温器（5）的输入端二，其氢气入口经换热器（4）的换热支路二接液氢存储装置（7）；
第二节温器（5）的输出端接第一节温器（3）的输入端二；第一节温器（3）的输出端接电堆（1）的冷却液入口。
2.根据权利要求1所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，还包括：
控制器（11），用于在燃料电池启动时，启动加热装置（2）并关闭第一节温器（3）以加热入堆冷却液，在加热过程中识别第一温度传感器（8）数据达到设定温度时，开启液氢存储装置（7）以启动燃料电池；以及，在燃料电池运行过程中，调节第一节温器（3）的开度以维持第一温度传感器（8）数据不超过设定温度，识别第一节温器（3）已达最大开度仍无法满足当前散热需求时，调节第二节温器（5）的开度以维持第二温度传感器（9）数据不超过设定温度，在识别第二节温器（5）已达最大开度仍无法满足当前散热需求时启动散热器（6）。
3.根据权利要求2所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，所述控制器（11）进一步数据采集单元、燃料电池启动温控单元和燃料电池运行温控单元；其中，
燃料电池启动温控单元，内置燃料电池启动温控程序，其输入端接数据采集单元，输出端分别接加热装置（2）、第一节温器（3）、液氢存储装置（7）的控制端；
燃料电池运行温控单元，内置燃料电池运行温控程序，其输入端接数据采集单元，输出端分别接第一节温器（3）、第二节温器（5）、散热器（6）的控制端。
4.根据权利要求3所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括：
第一温度传感器（8），布设于第一节温器（3）的输出端-电堆（1）的冷却液入口之间的管道内壁上；
第二温度传感器（9），布设于第二节温器（5）的输出端-第一节温器（3）的输入端二之间的管道内壁上；
第三温度传感器（10），布设于散热器（6）的输出端-第二节温器（5）的输入端二之间的管道内壁上。
5.根据权利要求4所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，所述燃料电池启动温控单元的输入端接第一温度传感器（8），其输出端还接第二节温器（5）、散热器（6）的控制端。
6.根据权利要求5所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，所述燃料电池启动温控单元执行如下燃料电池启动温控程序以完成燃料电池启动过程中的温控功能：
在燃料电池接收到启动信号后，启动加热装置（2），并关闭第一节温器（3）、第二节温器（5）、散热器（6）和液氢存储装置（7），以直接加热入堆冷却液；
在加热过程中，识别第一温度传感器（8）数据是否达到设定温度，如果是，开启液氢存储装置（7）以启动燃料电池，并执行下一步，否则，继续加热；
在燃料电池启动过程中，实时调节第一节温器（3）的开度以使第一温度传感器（8）数据保持稳定，直到识别燃料电池启动成功，关闭加热装置（2）。
7.根据权利要求3-6任意一项所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，还包括：
第一电磁阀，设于液氢存储装置（7）的输出端-换热器（4）的输入端之间的管道上，其控制端与燃料电池启动温控单元的输出端连接，用于开启液氢存储装置（7）时打开。
8.根据权利要求4-6任意一项所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，所述燃料电池运行温控单元的输入端接第一温度传感器（8）、第二温度传感器（9）、第三温度传感器（10）；并且，
所述燃料电池运行温控单元执行如下燃料电池运行温控程序以完成燃料电池运行过程中的温控功能：
在燃料电池运行过程中，首先调节第一节温器（3）的开度以维持第一温度传感器（8）的温度数据不超过设定温度；
识别第一节温器（3）已达最大开度且第二温度传感器（9）数据上升至第一温度传感器（8）相等数据时，开启第二节温器（5）并调节其开度以维持第二温度传感器（9）数据不超过设定温度；
识别第二节温器（5）已达最大开度且第三温度传感器（10）数据上升至第二温度传感器（9）相等数据时，启动散热器（6）以维持第三温度传感器（10）数据不超过设定温度。
9.根据权利要求8所述的基于液氢的燃料电池冷能利用系统，其特征在于，所述燃料电池运行温控单元具有显示模块；并且，
该显示模块的显示屏上显示第一温度传感器（8）、第二温度传感器（9）、第三温度传感器（10）的实时数据。
10.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的冷能利用系统。
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