CN115782533A - 一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，包括相互耦合的液氢汽化系统、燃料电池系统和客车空调制冷系统；所述液氢汽化系统主要用于储存液氢，并将其汽化成氢气供给；所述燃料电池系统用于进行氢氧电化学反应，给蓄电池提供电能；所述客车空调系统用于利用液氢汽化过程中释放的冷能进行冷却液循环，将冷空气吹入客车乘坐厢内。本申请利用液氢汽化过程中释放的冷能对燃料电池客车空调系统中的冷却液进行降温冷凝，为客车在高温条件下空调系统制冷提供了能量源，能够大幅度降低蓄电池供向空调冷凝系统的电能，有效回收利用液氢汽化的能量，降低了客车车载空调系统的功率，节省了整车系统的辅助功耗，提高客车的续航里程。

Description

一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统。

背景技术

目前全球范围都在降低碳排放，确保实现碳达峰、碳中和的目标，燃料电池作为一种新能源电池，其特点是排放零污染、能量转换效率高，现已成为了新能源汽车研究的重要方向。

燃料电池新能源汽车，是以氢气、空气作为主要燃料，在电堆膜电极中催化剂的作用下进行氧化还原反应，将燃料的化学能转化为电能输出给蓄电池，再通过驱动系统将电能转化为机械能驱动车辆。

目前在燃料电池新能源客车上主要是靠氢瓶中储存的气态氢气供给给燃料电池系统，储氢量受氢瓶技术限制，对客车续航里程有一定影响。因此在客车上使用液氢能够有效提高整车空间利用率，提高续航里程。液氢在进入燃料电池系统前需经过汽化器将液氢转换成氢气，在此过程中，液氢会释放大量的冷能，合理利用这部分能量是可持续发展的重要方向。

发明内容

本发明提供一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，有效利用液氢携带的冷能，在夏季对燃料电池客车进行空调制冷，降低客车空调系统功耗，提高车辆的续航里程。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，包括相互耦合的液氢汽化系统、燃料电池系统和客车空调制冷系统；

所述液氢汽化系统主要用于储存液氢，并将其汽化成氢气供给；

所述燃料电池系统用于进行氢氧电化学反应，给蓄电池提供电能；

所述客车空调系统用于利用液氢汽化过程中释放的冷能进行冷却液循环，将冷空气吹入客车乘坐厢内。

作为上述方案的优选，所述液氢汽化系统包括依次连接的车载液氢储存瓶、截止阀、汽化器，汽化器连接燃料电池系统。

作为上述方案的优选，所述车载液氢储存瓶设有液氢出口，所述汽化器设有液氢进口、氢气出口，车载液氢储存瓶的液氢出口依次连接截止阀、汽化器液氢进口，汽化器氢气出口连接燃料电池系统。

作为上述方案的优选，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆，燃料电池电堆设有氢气入口，燃料电池电堆氢气入口与汽化器氢气出口之间连接有减压阀。

作为上述方案的优选，所述燃料电池系统还包括与燃料电池电堆相连接的蓄电池。

作为上述方案的优选，所述燃料电池电堆还设有空气入口、空气出口、氢气出口、DC-DC负载接口。

作为上述方案的优选，所述客车空调系统包括首尾相连的换热器、冷却液储存箱、膨胀阀、蒸发器、压缩机，换热器与汽化器相连。

作为上述方案的优选，所述冷却液储存箱、蒸发器、压缩机、换热器均设有冷却液进口、冷却液出口。

作为上述方案的优选，所述换热器冷却液出口依次连接冷却液储存箱、膨胀阀、蒸发器、压缩机，压缩机冷却液出口连接换热器冷却液进口。

作为上述方案的优选，所述客车空调系统还包括鼓风机，设于蒸发器一侧，与蓄电池连接。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

本申请利用液氢汽化过程中释放的冷能对燃料电池客车空调系统中的冷却液进行降温冷凝，为客车在高温条件下空调系统制冷提供了能量源，能够大幅度降低蓄电池供向空调冷凝系统的电能，有效回收利用液氢汽化的能量，降低了客车车载空调系统的功率，节省了整车系统的辅助功耗，提高客车的续航里程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的系统图；

图2为本发明客车空调制冷系统的工作原理图；

图3为本发明液氢汽化系统、客车空调制冷系统、燃料电池系统间的能量转化关系图；

图中：1-车载液氢储存瓶，2-截止阀，3-汽化器，4-减压阀，5-燃料电池电堆，6-蓄电池，7-冷却液储存箱，8-膨胀阀，9-蒸发器，10-鼓风机，11-压缩机，12-换热器。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本实施例提供一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，包括相互耦合的液氢汽化系统、燃料电池系统和客车空调制冷系统；

所述液氢汽化系统主要用于储存液氢，并将其汽化成氢气供给；

所述燃料电池系统用于进行氢氧电化学反应，给蓄电池提供电能；

所述客车空调系统用于利用液氢汽化过程中释放的冷能进行冷却液循环，将冷空气吹入客车乘坐厢内。

其中：

所述液氢汽化系统包括依次连接的车载液氢储存瓶1、截止阀2、汽化器3，汽化器3连接燃料电池系统。在本实施例中，车载液氢储存瓶1用于储存液氢，车载液氢储存瓶1设有液氢出口；截止阀2可在车辆停止工作时关闭，不向汽化器3和燃料电池系统供气；汽化器3设有液氢进口、氢气出口，汽化器3将液氢汽化成氢气，并通过换热器12将液氢汽化的能量输出至客车空调系统，用于冷却管路中的冷却液。其具体连接关系为：车载液氢储存瓶1的液氢出口依次连接截止阀2、汽化器3液氢进口，汽化器3氢气出口连接燃料电池系统。

所述燃料电池系统包括燃料电池电堆5，燃料电池电堆5设有空气入口、氢气入口、空气出口、氢气出口、DC-DC负载接口，燃料电池电堆5氢气入口与汽化器3氢气出口之间连接有减压阀4。减压阀4可根据燃料电池工况条件将高压氢气减压至目标压力氢气。在本实施例中，所述燃料电池系统还包括与燃料电池电堆5相连接的蓄电池6。燃料电池电堆5将低压氢气和空气进行电化学反应，并将电力输送给蓄电池6充电，蓄电池6驱动电机、压缩机11、鼓风机10等耗电部件。

所述客车空调系统包括首尾相连的换热器12、冷却液储存箱7、膨胀阀8、蒸发器9、压缩机11，换热器12与汽化器3相连。在本实施例中，所述冷却液储存箱7、蒸发器9、压缩机11、换热器12均设有冷却液进口、冷却液出口；所述换热器12冷却液出口依次连接冷却液储存箱7、膨胀阀8、蒸发器9、压缩机11，压缩机11冷却液出口连接换热器12冷却液进口。冷却液储存箱7用于储存干燥冷却液；膨胀阀8对冷却液储存箱7出口的高压低温冷却液进行膨胀处理，冷却液体积增大，压力降低，并以雾滴状进入蒸发器9中；由于冷却液沸点远低于蒸发器9内温度，冷却液在蒸发器9中吸热蒸发成气体状态，压缩机11吸入蒸发器9出口的低压低温冷凝液蒸气，压缩成高压高温冷却液蒸气；高压高温冷凝蒸气进入换热器12吸收液氢汽化释放的冷能变成高压低温冷凝液。在本实施例中，所述客车空调系统还包括鼓风机10，设于蒸发器9一侧，鼓风机10将蒸发器9周围的低温空气吹入客车厢体。

液氢汽化系统与客车空调冷凝系统之间通过换热器进行液氢和空调冷凝蒸气的能量交换，使液氢汽化、空调冷凝蒸气液化；液化后的氢气供应给燃料电池系统，输出电能到蓄电池；蓄电池给空调冷凝系统部分组件供电。液氢汽化系统与客车空调冷凝系统并联，液氢在汽化器中吸热汽化，汽化器与换热器进行能量交换，即液氢汽化吸收的热量与空调系统中冷却蒸气液化放出的热量平衡交换，合理利用液氢汽化的冷能给空调冷凝系统降温。

液氢冷凝与空调冷却蒸气的换热关系：

Q＝K×A×ΔT

其中，Q为换热量；K为换热系数；A为换热面积；ΔT为换热温差；d₀、d_i分别为管路内外径直径；λ为管路导热系数；h_i、h₀分别为管内、管外对流换热系数；T_max、T_min分别为进、出口温度两者中的较大者、较小者。

热平衡关系：

Q＝q_m1×cp₁(T₂-T₁)＝q_m2×cp₂(T₂-T′₁)

其中，q_m1为流体质量流量；cp为流体定压比热容；T₁、T₂分别为进出口温度。

在本实施例中，根据上述已知换热关系可将液氢在汽化器中释放的冷能与空调系统中的冷凝蒸气进行换热计算，将液氢汽化释放的冷能合理应用在空调冷凝系统上，减少整车系统的能量消耗，提高车辆运行里程。

以上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。

Claims (10)

1.一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：包括相互耦合的液氢汽化系统、燃料电池系统和客车空调制冷系统；

所述液氢汽化系统主要用于储存液氢，并将其汽化成氢气供给；

所述燃料电池系统用于进行氢氧电化学反应，给蓄电池提供电能；

所述客车空调系统用于利用液氢汽化过程中释放的冷能进行冷却液循环，将冷空气吹入客车乘坐厢内。

2.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述液氢汽化系统包括依次连接的车载液氢储存瓶、截止阀、汽化器，汽化器连接燃料电池系统。

3.根据权利要求2所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述车载液氢储存瓶设有液氢出口，所述汽化器设有液氢进口、氢气出口，车载液氢储存瓶的液氢出口依次连接截止阀、汽化器液氢进口，汽化器氢气出口连接燃料电池系统。

4.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述燃料电池系统包括燃料电池电堆，燃料电池电堆设有氢气入口，燃料电池电堆氢气入口与汽化器氢气出口之间连接有减压阀。

5.根据权利要求4所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述燃料电池系统还包括与燃料电池电堆相连接的蓄电池。

6.根据权利要求4所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述燃料电池电堆还设有空气入口、空气出口、氢气出口、DC-DC负载接口。

7.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述客车空调系统包括首尾相连的换热器、冷却液储存箱、膨胀阀、蒸发器、压缩机，换热器与汽化器相连。

8.根据权利要求7所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述冷却液储存箱、蒸发器、压缩机、换热器均设有冷却液进口、冷却液出口。

9.根据权利要求8所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述换热器冷却液出口依次连接冷却液储存箱、膨胀阀、蒸发器、压缩机，压缩机冷却液出口连接换热器冷却液进口。

10.根据权利要求7所述的一种利用液氢冷能的燃料电池客车空调制冷系统，其特征在于：所述客车空调系统还包括鼓风机，设于蒸发器一侧，与蓄电池连接。

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