CN116691289A - 用于燃料电池供电的运输制冷的模块化架构 - Google Patents

用于燃料电池供电的运输制冷的模块化架构 Download PDF

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Abstract

一种运输制冷系统，其包括用于调节区域的制冷单元和可操作地联接到制冷单元的功率系统。功率系统包括至少一个燃料电池和燃料源。制冷单元和功率系统中的一个的至少一部分封装成可更换模块。

Description

用于燃料电池供电的运输制冷的模块化架构
技术领域
本公开的实施例涉及制冷系统，并且更特别地涉及由燃料电池系统供电的运输制冷系统。
背景技术
冷藏卡车、拖车和容器通常用于运输易腐货物，诸如例如农产品、肉、家禽、鱼、乳制品、切花、疫苗和其它新鲜或冷冻的易腐产品。常规地，运输制冷系统包括运输制冷单元，该运输制冷单元具有制冷剂压缩机、带有一个或多个相关联的冷凝器风扇的冷凝器、膨胀设备和带有一个或多个相关联的蒸发器风扇的蒸发器，它们经由闭环制冷剂回路中的适当的制冷剂管线连接。空气或空气/气体混合物借助于与蒸发器相关联的(多个)蒸发器风扇从货箱的内部容积中抽出，通过与制冷剂呈热交换关系的蒸发器的空气侧，由此制冷剂从空气吸收热量，从而冷却空气。经冷却的空气然后被供应回货箱。
运输制冷单元典型地使用来自如柴油发动机的源的功率。在较新的系统中，功率可从位于运输制冷系统上的燃料电池提供。然而，对运输制冷单元和燃料电池系统两者的修理可能是漫长和昂贵的，造成运输制冷系统的路上时间的损失以及其中运载的易腐货物的损失。
发明内容
根据实施例，运输制冷系统包括用于调节区域的制冷单元和可操作地联接到制冷单元的功率系统。功率系统包括至少一个燃料电池和燃料源。制冷单元和功率系统中的一个的至少一部分封装成可更换模块。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，可更换模块包括所述至少一个燃料电池。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，所述至少一个燃料电池包括具有多个燃料电池封装件和至少一个双极板的燃料电池堆，其中，可更换模块包括多个燃料电池封装件中的一个的至少一部分。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，所述至少一个燃料电池包括具有多个燃料电池封装件和至少一个双极板的燃料电池堆，其中，可更换模块包括所述至少一个双极板。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，可更换模块包括制冷单元和功率系统中的至少一个的部件。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，可更换模块包括燃料源。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，制冷单元还包括流体联接以形成闭环制冷回路的多个部件。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，多个部件包括压缩机，并且可更换模块包括压缩机。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，多个部件包括至少一个热交换器，并且可更换模块包括所述至少一个热交换器。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，制冷单元还包括多个子系统，并且可更换模块包括多个子系统中的至少一个。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，制冷单元还包括排气系统，并且可更换模块包括排气系统的至少一部分。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，排气系统还包括至少一个风扇组件。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，排气系统还包括用来调节功率系统的排气的源。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，制冷单元还包括电控制系统，并且可更换模块包括电控制系统。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，制冷单元还包括功率分配系统，并且可更换模块包括功率分配系统。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，可更换模块包括机械接口和电接口。
除了本文中描述的特征中的一个或多个之外，或者作为备选方案，在另外的实施例中，制冷单元包括多个闭环蒸气压缩系统，并且可更换模块包括多个闭环蒸气压缩系统中的一个的一部分。
附图说明
以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件编号相同：
图1是示例性运输制冷系统的透视图；
图2是根据实施例的运输制冷系统的示例性运输制冷单元的示意性图示；
图3是根据实施例的运输制冷系统的示例性模块的示意图；以及
图4是根据实施例的运输制冷单元和功率系统的示意图。
具体实施方式
参照附图，在此通过例示而非限制的方式呈现了所公开的装置和方法的一个或多个实施例的详细描述。
现在参照图1，图示了示例性运输制冷系统20。在图示的非限制性实施例中，运输制冷系统20示出为拖车系统。尽管本文中描述的是，运输制冷系统20可为拖车系统，但是应当意识到，运输制冷系统20可为任何冷藏货物(例如，拖车、容器、单元装载设备等)。如图所示，运输制冷系统20(当实施为拖车时)包括由牵引车24牵引或以其它方式运输的货物容器或拖车22，牵引车24包括操作员的舱室或驾驶室(cab)26，并且还包括发动机(未示出)，该发动机充当运输制冷系统20的传动系统。运输制冷单元30构造成通过冷却容器22的货物空间来将位于容器22内的货物维持在选定的温度。如图所示，运输制冷单元30典型地安装在容器22的前壁28处。运输制冷单元30和货物容器22可一起形成运输制冷系统20。本领域技术人员应当意识到，本文中描述的实施例可应用于任何运输制冷系统，诸如例如在不使用牵引车24的情况下通过铁路、海洋(经由船只)或任何其它合适的容器运送的运送容器。
现在参照图2，图示了示例性运输制冷单元30(诸如例如拖车制冷单元30)的示意图。运输制冷单元30包括流体联接以形成闭环制冷回路的压缩机32、排热热交换器或冷凝器34、膨胀阀36和吸热热交换器或蒸发器38。在输送制冷单元30的操作期间，制冷剂R进入压缩机32并被压缩到更高的温度和压力。然后，制冷剂气体从压缩机32的出口提供到冷凝器34。在图示的非限制性实施例中，冷凝器34是空气冷却的冷凝器，使得横跨冷凝器盘管40的空气流将制冷剂气体R冷却到其饱和温度。通过去除潜热，冷凝器34内的制冷剂气体冷凝成高压/高温液体。横跨冷凝器34的空气流可由冷凝器风扇组件42激励，冷凝器风扇组件42包括一个或多个风扇44，诸如例如两个风扇。如图所示，每个风扇44可由单独的风扇马达46驱动。
在具有基本蒸气压缩循环的运输制冷单元30中，从冷凝器34输出的流直接提供到恒温膨胀阀36和蒸发器38。当液态制冷剂R通过膨胀阀36的孔口时，其中一些汽化成气体。来自冷藏空间的返回空气流过蒸发器38的传热表面。当制冷剂流过蒸发器38中的管48时，剩余的液态制冷剂R从返回空气中吸收热量，并且在这样做时被汽化。横跨蒸发器38的空气流可由蒸发器风扇组件50激励，蒸发器风扇组件50包括至少一个风扇52和对应的风扇马达54。然后，蒸气从蒸发器38通过吸入调节阀56流回到压缩机32的入口。在一个实施例中，恒温膨胀阀测温包(bulb)或传感器(未示出)位于蒸发器出口管处。测温包旨在控制恒温膨胀阀36，从而控制在蒸发器出口配管处的制冷剂过热。
在图示的非限制性实施例中，运输制冷单元30包括布置在冷凝器34和膨胀阀36之间的多个部件。如图所示，接收器60直接布置在冷凝器34的出口的下游。接收器60构造成在低温操作期间为过量的液态制冷剂提供存储。液态制冷剂R可从接收器60通过过冷器热交换器62。过冷器62可布置成与冷凝器34成一直线并在冷凝器34的下游，使得来自所述至少一个风扇组件42的空气流连续地移动横跨冷凝器34和过冷器62。在一个实施例中，在过冷器62的出口处，制冷剂R被提供到使制冷剂保持凉爽和干燥的过滤器干燥器64，并且在一些实施例中被提供到增加制冷剂过冷的热交换器66。在这样的实施例中，在该热交换器66的出口处提供的制冷剂被递送到恒温膨胀阀36。
应当理解，在一些实施例中，货物容器可具有形成在其中的多个不同的区域，每个区域具有不同的温度设定点。通过包括多个区域，可同时运载具有不同温度要求的易腐品，诸如例如深度冷冻产品和新鲜水果或鲜花。在这样的实施例中，运输制冷单元30的蒸气压缩循环可包括平行延伸的多个分支，每个分支与容器22的相应区域相关联。备选地，其中拖车制冷单元包括多个闭环蒸气压缩系统，闭环蒸气压缩系统中的每个与相应的区域相关联的实施例也在本公开的范围内。在这样的实施例中，多个闭环蒸气压缩系统可以、但不需要可操作地联接。
在一个实施例中，运输制冷单元30包括功率系统69(参见图4)，功率系统69包括能够为运输制冷单元30的所有电气或电子部件供电的功率源70。这样的部件包括但不限于与压缩机32相关联的电动马达和与冷凝器34风扇组件42和蒸发器38风扇组件50两者相关联的风扇马达46、54。在一个实施例中，功率源70包括至少一个燃料电池，诸如单个燃料电池，或者备选地多个燃料电池，其适于为运输制冷单元30的所有功率消耗部件提供足够的功率。燃料电池70可为直流(DC)功率源；然而，在一个实施例中，燃料电池是包括功率电子设备的系统的一部分，该功率电子设备能够根据需要将DC功率转换为交流(AC)功率。应当理解，本文还设想了其中功率系统69包括多个不同类型的功率源的实施例，包括但不限于例如蓄电池、燃气或柴油发动机和/或燃料电池。在这样的实施例中，功率系统69可被认为是混合功率系统。
功率源70可远离制冷单元30的其余部分定位，诸如例如在拖车22下面的位置处，或者备选地可布置在制冷单元30的壳体31(图1)内。然而，本文设想了位于运输制冷系统20上的任何合适位置处的功率源。此外，该系统可附加包括远离运输制冷单元30或运输制冷系统20定位的备用或辅助功率源。
诸如微处理器的控制器72可被编程以控制运输制冷系统20内各种电动部件的操作和功率使用。例如，控制器72可能够操作以调节供应到冷凝器风扇马达46和蒸发器风扇马达54的功率。对这样的控制器进行编程在本领域技术的范围内。
在一个实施例中，功率源70包括至少一个氢燃料电池，并且在一些实施例中包括多个氢燃料电池。如本领域所已知的，氢燃料电池包括构造成接收呈氢形式的燃料的阳极和构造成接收诸如氧或空气的氧化剂的阴极。在燃料电池内，氢与氧以类似于蓄电池的方式反应以产生电力。未被燃料电池消耗的氧作为阴极排气C从燃料电池中排出，该排气用在燃料电池的操作期间作为副产物生成的水饱和(或称为浸透，saturate)。
在一个实施例中，货物容器和运输制冷单元30的一个或多个部件或子系统被封装成一个或多个可更换模块，以允许在需要时容易地安装、拆卸和更换它们。这些可更换模块具有根据需要集成在其中的机械接口和/或电接口，以允许模块的快速连接和断开功能。
在一个实施例中，功率系统69的全部或至少一部分布置在一个或多个模块化单元中。现在参照图3，提供了这样的模块的示例。在一个实施例中，燃料电池模块70’具有包含在其中的完整燃料电池，该完整燃料电池包括端板74和包含一个或多个燃料电池封装件76的燃料电池堆。每个燃料电池封装件76包括阳极78、阴极80和定位在阳极78和阴极80之间的膜或电解质组件82。此外，在其中燃料电池堆包括多个燃料电池封装件76的实施例中，该单元可包括定位在相邻燃料电池封装件76之间的一个或多个双极板84。尽管未示出，但在这样的实施例中，燃料源71(诸如例如氢源)也可以、但不需要集成到燃料电池模块70’中。在其中模块包括完整燃料电池70燃料源71的实施例中，模块70’可被认为包括整个功率系统69。在一个实施例中，运输制冷系统包括多个这样的燃料电池模块70’，从而在故障的情况下产生冗余。
备选地，燃料电池模块70’可构造成使得燃料电池70的仅一部分包含在其中。例如，每个模块70’可包括一个或多个燃料电池封装件76、燃料电池封装件的一部分、或者一个或多个燃料电池封装件76的全部或一部分和双极板84的组合。在另一个实施例中，每个模块70’仅包括双极板84。应当理解，从燃料电池堆输出的总功率可通过调整堆内的燃料电池封装件76的数目来改变。
在一个实施例中，无论燃料电池70的全部或一部分是否设置在燃料电池模块70’中，功率系统69的燃料的源或供应部都可以一个或多个燃料源模块的形式提供。
在另一个实施例中，运输制冷单元30的部件、子系统、多个部件或多个子系统可提供为一个或多个模块。在这样的实施例中，最容易发生故障或需要最频繁维护的部件可布置在模块内。例如，压缩机32和所述至少一个热交换器34、38中的一个或多个或其任何部分(诸如例如热交换器的歧管)可提供为能够安装在壳体31内并且能够连接到运输制冷单元30的蒸气压缩循环的部件的其余部分的模块。
现在参照图4，横跨冷凝器34和散热器86抽吸的空气流和从功率源70输出的排气C诸如经由形成在壳体31中的开口被排出到包围运输制冷系统20的环境大气中。在一个实施例中，来自功率源70的这种排气在被输出到环境大气中之前被调节，例如被除湿和/或加热。因此，在一个实施例中，可操作以在运输制冷单元30的壳体31的外部排出一种或多种流体的排气系统的全部或一部分可封装在一个或多个模块内。例如，与排气系统相关联的模块可包括一个或多个冷凝器风扇组件42或其一部分。备选地或附加地，与排气系统相关联的模块可包括用来在排放到外部之前调节来自燃料电池70的排气C的源，诸如例如散热器86。在其它实施例中，运输制冷单元30的电控制系统和/或功率分配系统的全部或一部分可集成到一个或多个模块中。此外，应当理解，包括运输制冷单元30的一个或多个部件和功率系统69的一个或多个部件的模块在本公开的范围内。
通过将运输制冷单元30的全部或一部分和/或功率系统69的全部或一部分分离或分隔成更小的模块，运输制冷系统20可设计成根据需要快速组装和/或更换模块。这样的构造将导致减少的停机时间，并且因此增加运输制冷系统20的可用性。
术语“约”旨在包括与基于提交申请时可用的装备的特定数量的测量相关联的误差程度。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，而并不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。
虽然已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变，并且可用等同物来替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为实施本公开想到的最佳模式公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种运输制冷系统，包括：
用于调节区域的制冷单元；
可操作地联接到所述制冷单元的功率系统，所述功率系统包括至少一个燃料电池和燃料源，其中，所述制冷单元和所述功率系统中的一个的至少一部分封装成可更换模块。
2.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述可更换模块包括所述至少一个燃料电池。
3.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述至少一个燃料电池包括具有多个燃料电池封装件和至少一个双极板的燃料电池堆，其中，所述可更换模块包括所述多个燃料电池封装件中的一个的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述至少一个燃料电池包括具有多个燃料电池封装件和至少一个双极板的燃料电池堆，其中，所述可更换模块包括所述至少一个双极板。
5.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述可更换模块包括所述制冷单元和所述功率系统中的至少一个的部件。
6.根据权利要求5所述的运输制冷系统，其中，所述可更换模块包括所述燃料源。
7.根据权利要求5所述的运输制冷系统，其中，所述制冷单元还包括流体联接以形成闭环制冷回路的多个部件。
8.根据权利要求7所述的运输制冷系统，其中，所述多个部件包括压缩机，并且所述可更换模块包括所述压缩机。
9.根据权利要求7所述的运输制冷系统，其中，所述多个部件包括至少一个热交换器，并且所述可更换模块包括所述至少一个热交换器。
10.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述制冷单元还包括多个子系统，并且所述可更换模块包括所述多个子系统中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述制冷单元还包括排气系统，并且所述可更换模块包括所述排气系统的至少一部分。
12.根据权利要求11所述的运输制冷系统，其中，所述排气系统还包括至少一个风扇组件。
13.根据权利要求11所述的运输制冷系统，其中，所述排气系统还包括用来调节所述功率系统的排气的源。
14.根据权利要求11所述的运输制冷系统，其中，所述制冷单元还包括电控制系统，并且所述可更换模块包括所述电控制系统。
15.根据权利要求11所述的运输制冷系统，其中，所述制冷单元还包括功率分配系统，并且所述可更换模块包括所述功率分配系统。
16.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述可更换模块包括机械接口和电接口。
17.根据权利要求1所述的运输制冷系统，其中，所述制冷单元包括多个闭环蒸气压缩系统，并且所述可更换模块包括所述多个闭环蒸气压缩系统中的一个的一部分。
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