CN116014174A - 一种燃料电池船舶综合热管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池船舶综合热管理系统及方法，包括燃料电池，燃料电池的进口、出口之间设置有3个回路，分别为换热回路、余热回收回路和制冷回路；冷暖风供应组件内部由进风端到出风端依次设置风机、制冷换热器和暖风芯体；吸收式制冷机组设置在制冷回路上，且吸收式制冷机组与制冷换热器相连通；所述暖风芯体位于余热回收回路上；所述冷暖风供应组件的出风端通过出风管道连接多个出风口。本发明对燃料电池、锂电池、电机及空调系统等进行集成式热管理，燃料电池的一部分废热进入吸收式制冷机组，用于夏季制冷；冬季取暖时，燃料电池的废热加热外界进风，满足各舱室冬季取暖或保温的需求。

Description

一种燃料电池船舶综合热管理系统及方法

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，特别涉及一种燃料电池船舶综合热管理系统及方法。

背景技术

随着世界各国对海洋和内河环境保护意识的增强，航运业引发的环境污染问题正日益成为国际社会关注的焦点。柴油机作为船舶的主要动力，由其造成的污染物排放受到越来越严格的限制。世界海事组织对远洋船舶的CO₂、NOx、SOx等排放提出了明确要求，在此背景下，发展清洁高效的绿色船舶具有重要意义。而氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢燃料电池系统作为船舶的动力装置具有很好的应用前景。

目前氢燃料电池船舶主要以内河或沿海的小型船舶为主，燃料电池系统一般采用独立水冷，锂电池系统多采用风冷，舱室空调系统一般也采用独立空调，各模块之间缺乏集成，整船的能效水平较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池船舶综合热管理系统及方法，对燃料电池、锂电池、电机及空调系统等进行集成式热管理，提高系统总体能效。

为此，本发明的技术方案是：一种燃料电池船舶综合热管理系统，包括燃料电池，燃料电池的进口、出口之间设置有3个回路，分别为换热回路、余热回收回路和制冷回路；还包括第一水冷板式散热器、吸收式制冷机组和冷暖风供应组件，冷暖风供应组件由进风端到出风端依次设置风机、制冷换热器和暖风芯体；所述第一水冷板式散热器设置在换热回路上，吸收式制冷机组设置在制冷回路上，且吸收式制冷机组与制冷换热器相连通；所述暖风芯体位于余热回收回路上；所述冷暖风供应组件的出风端通过出风管道连接多个出风口。

本发明可以设有多组燃料电池，每组燃料电池的出口处设有燃料电池水泵，用于驱动冷却燃料电池用的高温水，高温水分别流入3个回路，高温水流入换热回路，经第一水冷板式散热器降温后，低温水流回燃料电池内；高温水流入余热回收回路，暖风芯体温度升高，当风机工作，吸入空气时，空气经暖风芯体加热，可向锂电池间、驾驶舱、生活舱、其他舱室提供热风，实现升温功能；高温水流入制冷回路，吸收式制冷机组在高温水的作用下，向制冷换热器提供循环冷水，当风机工作，吸入空气时，空气经制冷换热器降温，可向锂电池间、驾驶舱、生活舱、其他舱室提供冷风，实现降温功能。

优选地，燃料电池的进口、出口之间还设有储热回路，储热回路上设有相变储热单元，相变储热单元用于燃料电池冷启动预热。相变储热单元可以在燃料电池放电过程中，储存多余热量，在低温时为燃料电池冷启动预热。

优选地，所述相变储热单元内部设有PTC加热模块。相变储热单元存在温度阈值，但燃料电池温度低于温度阈值时，就需要PTC加热模块辅助预热。

优选地，所述第一水冷板式散热器的换热通道连接燃料电池的进口、出口，冷却通道通过主冷却水泵连接外部水源。第一水冷板式散热器主要通过主冷却水泵抽取外界的海水、江水，对燃料电池的高温水进行冷却，传热效率更高。

优选地，还包括第二水冷板式散热器，第二水冷板式散热器与第一水冷板式散热器的冷却通道共同连接主冷却水泵；第二水冷板式散热器的换热通道连接电机系统、DCDC转换器。船舶内的电机系统、DCDC转换器采用第二水冷板式散热器单独降温，第二水冷板式散热器同样通过主冷却水泵抽取外界的海水、江水，与燃料电池共用主冷却水泵，降低设备成本。

优选地，所述余热回收回路上设有第一控制阀门，制冷回路上设有第二控制阀门，可以根据使用需求启闭第一控制阀门和第二控制阀门，实现调节相应的回路的流量及启闭。

优选地，所述燃料电池通过三通阀连接余热回收回路和制冷回路，三通阀控制余热回收回路和制冷回路的流量及启闭。

优选地，所述吸收式制冷机组与制冷换热器之间设有冷水循环泵。

本发明的另一个技术方案是：一种燃料电池船舶综合热管理方法，包括制冷模式、制热模式和除湿模式：

1)制冷模式：

1.1)关闭余热回收回路上的第一控制阀门，打开制冷回路上的第二控制阀门，吸收式制冷机组启动；

1.2)燃料电池的热水被送入吸收式制冷机组，吸收式制冷机组向制冷换热器供给冷水，风机吸入外界空气，外界空气经制冷换热器冷却后，从各个出风口吹出冷风；

2)制热模式：

2.1)打开余热回收回路上的第一控制阀门，关闭制冷回路上的第二控制阀门，吸收式制冷机组停止工作；

2.2)燃料电池的高温水被送入暖风芯体，风机吸入外界空气，外界空气经暖风芯体加温后，从各个出风口吹出热风；

3)除湿模式：

3.1)同时打开第一控制阀门、第二控制阀门，吸收式制冷机组启动；

3.2)燃料电池的热水同时被送入暖风芯体和吸收式制冷机组，吸收式制冷机组向制冷换热器供给冷水；

3.3)风机吸入外界空气，外界空气先经制冷换热器冷却，湿气凝结成水，再通过暖风芯体被加热，向各个出风口吹出干燥的暖风。

优选地，还具有燃料电池低温启动模式，当燃料电池温度＞温度阈值时，相变储热单元内储存的热量用于燃料电池冷启动预热；当燃料电池温度≤温度阈值时，PTC加热模块启动，与相变储热单元内储存的热量共同为燃料电池冷启动预热。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、对燃料电池、锂电池、电机及空调系统等进行集成式热管理，燃料电池的一部分废热进入吸收式制冷机组，产生冷水，外界进风经制冷换热器降温后，用于锂电池间、驾驶台等舱室夏季制冷；

2、冬季取暖时，燃料电池的废热经由暖风芯体，加热外界进风，满足各舱室冬季取暖或保温的需求；

3、燃料电池的一部分废热储存在相变储热单元内，在燃料电池停机时，相变储热单元释放储存的热量用于燃料电池冷启动预热；

4、多余的燃料电池废热通过第一水冷板式散热器与海水、江水换热，电机、DC/DC转换器等采用单独的冷却回路与第二水冷板式散热器进行热交换，进而提高系统总体能效。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的流程示意图。

图中标记为：燃料电池1、燃料电池水泵2、第一水冷板式散热器3、主冷却水泵4、第二水冷板式散热器5、电机系统6、DCDC转换器7、电机/DCDC冷却水泵8、风机9、制冷换热器10、暖风芯体11、第一控制阀门12、第二控制阀门13、吸收式制冷机组14、冷水循环泵15、相变储热单元16、锂电池间17、驾驶舱18、生活舱19、其他舱室20；

换热回路S1、余热回收回路S2、制冷回路S3、储热回路S4；

①海水/江水，②高温水，③低温水，④循环冷水，⑤风。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见附图。本实施例所述燃料电池船舶综合热管理系统，包括燃料电池1，燃料电池的进口、出口之间设置有4个回路，分别为换热回路S1、余热回收回路S2、制冷回路S3和储热回路S4。燃料电池1可以设置多组，每组燃料电池1的出口处设有燃料电池水泵2，燃料电池水泵2可以驱动冷却燃料电池用的高温水，高温水分别流入各个回路。

换热回路S1上设有第一水冷板式散热器3，第一水冷板式散热器3的换热通道连接燃料电池1的进口、出口，冷却通道通过主冷却水泵4连接外部海水、江水，利用外界的海水、江水，对燃料电池1的高温水进行降温，降温后的低温水流回燃料电池的进口处。

同时，主冷却水泵4上还连接有第二水冷板式散热器5，第二水冷板式散热器与第一水冷板式散热器3共用主冷却水泵4；第二水冷板式散热器5的换热通道连接电机系统6、DCDC转换器7和电机/DCDC冷却水泵8。船舶内的电机系统、DCDC转换器采用第二水冷板式散热器单独降温，第二水冷板式散热器同样通过主冷却水泵抽取外界的海水、江水，与燃料电池共用主冷却水泵，降低设备成本。

余热回收回路S2和制冷回路S3共同连接冷暖风供应组件，冷暖风供应组件包括一壳体，壳体两端分别为进风端和出风端，壳体内部由进风端到出风端依次设置风机9、制冷换热器10和暖风芯体11。

余热回收回路S2上设有第一控制阀门12，可以控制余热回收回路的通断，制冷回路S3上设有第二控制阀门13，可以控制制冷回路的通断。第一控制阀门12和第二控制阀门13可以是独立的两个控制阀门，也可以是一进二出的三通阀，实现调节相应的回路的流量及启闭。

余热回收回路与暖风芯体11相连通，可以将燃料电池1的余热送入暖风芯体11，高温水流入余热回收回路，暖风芯体温度升高，当风机9工作，吸入空气时，空气经暖风芯体11加热，可向锂电池间17、驾驶舱18、生活舱19、其他舱室20提供热风，实现升温功能。

制冷回路上还设有吸收式制冷机组14，吸收式制冷机组14与制冷换热器10相连通，且两者之间还设有冷水循环泵15。高温水流入制冷回路S3，吸收式制冷机组14在高温水的作用下，向制冷换热器10提供循环冷水，当风机9工作，吸入空气时，空气经制冷换热器10降温，可向锂电池间17、驾驶舱18、生活舱19、其他舱室20提供冷风，实现降温功能。

储热回路S4上设有相变储热单元16，相变储热单元16用于燃料电池冷启动预热。相变储热单元可以在燃料电池放电过程中，储存多余热量，在低温时为燃料电池冷启动预热。所述相变储热单元16内部设有PTC加热模块。相变储热单元存在温度阈值，但燃料电池温度低于温度阈值时，就需要PTC加热模块辅助预热。

本实施例所述的燃料电池船舶综合热管理系统，包括制冷模式、制热模式、除湿模式和电池低温启动模式：

1)制冷模式：

1.1)关闭余热回收回路S2上的第一控制阀门12，打开制冷回路S3上的第二控制阀门13；

1.2)燃料电池1的高温水进入制冷回路S3，此时吸收式制冷机组14启动，吸收式制冷机组14向制冷换热器10供给冷水；高温水经吸收式制冷机组后变为低温水，流回燃料电池1；

1.3)风机9开始工作，吸入外界空气，外界空气经制冷换热器10冷却后，向各个出风口吹出冷风；为锂电池间17、驾驶舱18、生活舱19、其他舱室20提供冷量。

2)制热模式：

2.1)打开余热回收回路S2上的第一控制阀门12，关闭制冷回路S3上的第二控制阀门13，吸收式制冷机组14停止工作；

2.2)燃料电池1的高温水被送入暖风芯体11，与空气换热后的低温水流回燃料电池1；

2.3)风机9开始工作，吸入外界空气，外界空气经暖风芯体11加温后，向各个出风口吹出热风；为锂电池间17、驾驶舱18、生活舱19、其他舱室20提供热量。

3)除湿模式：

3.1)同时打开余热回收回路S2上的第一控制阀门12和制冷回路S3上的第二控制阀门13；

3.2)燃料电池1的一部分高温水进入制冷回路S3，此时吸收式制冷机组14启动，吸收式制冷机组14向制冷换热器10供给冷水；燃料电池的另一部分高温水被送入暖风芯体11；

3.3)风机9开始工作，吸入外界空气，外界空气先经制冷换热器10冷却，湿气凝结成水，再通过暖风芯体11被加热，向各个出风口吹出干燥的暖风，起到除湿功能。

4)燃料电池低温启动模式：

4.1)当燃料电池温度＞温度阈值时，相变储热单元16内储存的热量用于燃料电池冷启动预热；温度阈值可以是-5℃，当改变相变材料的质量后，温度阈值可以改变(可以变大也可以变小)；

4.2)当燃料电池温度≤温度阈值时，PTC加热模块启动，与相变储热单元内储存的热量共同为燃料电池冷启动预热。

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)

1.一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：包括燃料电池，燃料电池的进口、出口之间设置有3个回路，分别为换热回路、余热回收回路和制冷回路；还包括第一水冷板式散热器、吸收式制冷机组和冷暖风供应组件，冷暖风供应组件由进风端到出风端依次设置风机、制冷换热器和暖风芯体；所述第一水冷板式散热器设置在换热回路上，吸收式制冷机组设置在制冷回路上，且吸收式制冷机组与制冷换热器相连通；所述暖风芯体位于余热回收回路上；所述冷暖风供应组件的出风端通过出风管道连接多个出风口。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：燃料电池的进口、出口之间还设有储热回路，储热回路上设有相变储热单元，相变储热单元用于燃料电池冷启动预热。

3.如权利要求2所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：所述相变储热单元内部设有PTC加热模块。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：所述第一水冷板式散热器的换热通道连接燃料电池的进口、出口，冷却通道通过主冷却水泵连接外部水源。

5.如权利要求4所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：还包括第二水冷板式散热器，第二水冷板式散热器与第一水冷板式散热器的冷却通道共同连接主冷却水泵；第二水冷板式散热器的换热通道连接电机系统、DCDC转换器。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：所述余热回收回路上设有第一控制阀门，制冷回路上设有第二控制阀门。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：所述燃料电池通过三通阀连接余热回收回路和制冷回路，三通阀控制余热回收回路和制冷回路的流量及启闭。

8.如权利要求1所述的一种燃料电池船舶综合热管理系统，其特征在于：所述吸收式制冷机组与制冷换热器之间设有冷水循环泵。

9.一种燃料电池船舶综合热管理方法，包括权利要求1～8任一项热管理系统，其特征在于：包括制冷模式、制热模式和除湿模式：

1)制冷模式：

1.1)关闭余热回收回路上的第一控制阀门，打开制冷回路上的第二控制阀门，吸收式制冷机组启动；

1.2)燃料电池的高温水被送入吸收式制冷机组，吸收式制冷机组向制冷换热器供给冷水，风机吸入外界空气，外界空气经制冷换热器冷却后，从各个出风口吹出冷风；

2)制热模式：

2.1)打开余热回收回路上的第一控制阀门，关闭制冷回路上的第二控制阀门，吸收式制冷装置停止工作；

2.2)燃料电池的高温水被送入暖风芯体，风机吸入外界空气，外界空气经暖风芯体加温后，从各个出风口吹出热风；

3)除湿模式：

3.1)同时打开第一控制阀门、第二控制阀门，吸收式制冷机组启动；

3.2)燃料电池的高温水同时被送入暖风芯体和吸收式制冷机组，吸收式制冷机组向制冷换热器供给冷水；

3.3)风机吸入外界空气，外界空气先经制冷换热器冷却，湿气凝结成水，再通过暖风芯体被加热，从各个出风口吹出干燥的暖风。

10.如权利要求9所述的一种燃料电池船舶综合热管理方法，其特征在于：还具有燃料电池低温启动模式，当燃料电池温度＞温度阈值时，相变储热单元内储存的热量用于燃料电池冷启动预热；当燃料电池温度≤温度阈值时，PTC加热模块启动，与相变储热单元内储存的热量共同为燃料电池冷启动预热。

Images