CN116936863B - 一种冷启动的液氢储供系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷启动的液氢储供系统及其方法，涉及氢空燃料电池技术领域。本发明采用液氢对经过压缩机压缩后的空气进行冷却，降低燃料电池的结构热负荷并可作为空调制冷冷源；利用高压氢气温度高于转换温度时节流升温的特性结合氢气燃烧器，实现氢空燃料电池的快速冷启动，且结构简单、性能稳定；利用高压氢气温度低于转换温度时节流降温的特性结合液氢冷源，实现氢空燃料电池的正常运行时的冷却，减少氢空燃料电池的能量消耗并提高运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及氢空燃料电池技术领域，特指一种冷启动的液氢储供系统及其方法。
背景技术
氢空燃料电池在低温环境运行时，反应生成物水会因低温而冻结，造成电池性能下降，无法启动，而冷启动指燃料电池从低于零摄氏度以下成功启动并运行至正常温度(70～80℃)，是测试燃料电池系统在低温环境性能的重要阶段。目前采取的策略主要为“停机吹扫+外部加热”，即在停机吹扫的基础上，使燃料电池升温融冰的速度快于电堆结冰的速度，来实现冷启动。
停机吹扫通常采用鼓风吹扫，停机后通过空气对电堆进行吹扫带出残余水分。但由于膜电极和流场之间的水浓度差异较小，且膜电极组件的扩散层为多孔毛细结构，难以在短时间内从流场流道中带走膜电极中的水。外部加热方式主要有：电加热器加热、电堆逆向加热、催化燃烧加热等方式，但附带的辅助系统质量体积较大、消耗大量能量、加重系统负担、增加制造成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷启动的液氢储供系统及其方法，配置高压氢管路及系统，利用高压氢气温度高于转换温度时节流升温、高压氢气温度低于转换温度时节流降温的特性实现氢空燃料电池的低成本快速冷启动及热管理，同时配置氢燃烧器和三通道换热器，充分利用液氢的热量及高品位冷量，有效应对极端工况下的氢空燃料电池热管理难度。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种冷启动的液氢储供系统，包括空气管路、液氢汽化器、燃料电池、三通道换热器、低压氢管路、主液氢储罐、高压氢管路、辅液氢储罐、双通道换热器和载冷剂管路；
所述液氢汽化器和双通道换热器的内部分别具有能构成换热接触的第一通道和第二通道；所述三通道换热器的内部具有能构成换热接触的第一通道、第二通道和第三通道；
所述空气管路依次连接第一空气截止阀、压缩机、液氢汽化器的第一通道和燃料电池，用于将外部空气冷却后输送至燃料电池进行反应；
所述空气管路的前端设置有与液氢汽化器并联的空气旁通支路；空气旁通支路依次连接第三空气截止阀、三通道换热器的第一通道和第四空气截止阀，用于利用空气热量汽化高压氢管路中的液氢；
所述空气管路的后端设置有空调制冷管路；空调制冷管路依次连接第二空气截止阀和空调换热器，用于将通过液氢汽化器的低温空气用于空调系统冷源；
所述低压氢管路依次连接主液氢储罐、低压液氢截止阀、液氢汽化器的第二通道和燃料电池，用于将主液氢储罐中的液氢介质汽化后输送至燃料电池进行反应；
所述高压氢管路依次连接辅液氢储罐、高压液氢截止阀、三通道换热器的第二通道、控压阀、温度传感器、节流器、双通道换热器的第一通道，末端与低压氢管路汇合并连接至燃料电池，用于将辅液氢储罐中的高压液氢转化为低压氢气、并完成制热或制冷目标，最终输送至燃料电池进行反应；
位于温度传感器和节流器中间的高压氢管路部分设置有氢燃烧管路；氢燃烧管路依次连接氢气调节阀和氢气燃烧器，用于将部分汽化后的氢气燃烧产生热量；
所述载冷剂管路依次连接循环泵、第一载冷剂截止阀、三通道换热器的第三通道、第二载冷剂截止阀、双通道换热器的第二通道和燃料电池并构成循环回路，用于对燃料电池进行冷却；
所述载冷剂管路上设置有载冷剂支路；所述载冷剂支路的两端均与载冷剂管路相连，首端位于连接循环泵后方，末端位于双通道换热器前方；载冷剂支路上依次连接有第三载冷剂截止阀和氢气燃烧器，用于对燃料电池进行加热。
作为优选，所述主液氢储罐和辅液氢储罐内的液氢通过自增压或泵送方式供应。
作为优选，所述主液氢储罐、辅液氢储罐、液氢汽化器、三通道换热器、双通道换热器、节流器、低压氢管路、高压氢管路、载冷剂管路和空气管路的外部均设置有用于防止漏热的绝热材料。
作为优选，所述载冷剂管路在燃料电池内部以盘管方式布设，以对其进行加热或冷却。
作为优选，所述燃料电池为氢空燃料电池。
作为优选，所述主液氢储罐和辅液氢储罐可合并为具有不同出液压力的一个液氢储罐。
作为优选，所述载冷剂管路内部装有载冷剂介质，载冷剂介质的正常工作温度范围覆盖燃料电池冷启动温度下限和热管理温度上限。
作为优选，所述高压氢管路中的液氢流量小于低压氢管路中的液氢流量。
作为优选，所述控压阀用于自动维持高压氢管路内部的压力恒定。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述冷启动的液氢储供系统的运行方法，包括标准运行模式和冷启动运行模式，具体如下：
S1、所述标准运行模式是指燃料电池仅需冷却的运行方式，具体如下：
S101、打开第一空气截止阀和第二空气截止阀，启动压缩机；外部空气在压缩机的作用下进入空气管路，在液氢汽化器的第一通道中吸收冷量降温，随后进入燃料电池进行反应，同时，部分低温空气进入空调制冷管路，经过第二空气截止阀到达空调换热器提高冷量；
S102、打开低压液氢截止阀；主液氢储罐中的液氢介质通过低压液氢截止阀进入液氢汽化器的第二通道，释放冷量并完成汽化，随后与来自高压氢管路的氢气混合后进入燃料电池进行反应；
S103、打开高压液氢截止阀和控压阀，辅液氢储罐中的液氢介质通过高压液氢截止阀进入三通道换热器的第二通道，完成汽化并通过控压阀维持高压态，通过温度传感器测量汽化后的氢气温度，氢气温度应低于氢气的转换温度204K，氢气随后进入节流器进行节流降温，并进入双通道换热器的第一通道释放冷量，最终与低压氢管路中的氢气混合后进入燃料电池进行反应；
S104、打开第一载冷剂截止阀和第二载冷剂截止阀，启动循环泵；载冷剂通过第一载冷剂截止阀进入三通道换热器的第三通道，吸收液氢冷量进行初步降温，随后通过第二载冷剂截止阀进入双通道换热器的第二通道，吸收经过节流器节流后的氢气冷量再次降温，达到设定温度后对燃料电池进行冷却，使燃料电池维持在正常工作温区，载冷剂随后在循环泵的作用下沿载冷剂管路往复循环；
S2、所述冷启动运行模式是指燃料电池需前期加热后期冷却的运行方式，具体如下：
S201、打开第一空气截止阀、第二空气截止阀、第三空气截止阀和第四空气截止阀，启动压缩机，外部空气在压缩机的作用下进入空气管路；空气管路中的部分压缩空气进入空气旁通支路，并依次经过第三空气截止阀、三通道换热器的第一通道和第四空气截止阀，吸收三通道换热器的第二通道的液氢冷量后降温并再次进入空气管路；空气管路中的剩余空气在液氢汽化器的第一通道吸收冷量降温，随后与来自空气旁通支路的低温空气混合；混合后的部分低温空气进入燃料电池进行反应，另一部分低温空气进入空调制冷管路并经过第二空气截止阀到达空调换热器提高冷量；
S202、打开低压液氢截止阀；主液氢储罐中的液氢介质通过低压液氢截止阀进入液氢汽化器的第二通道，释放冷量并完成汽化，随后与来自高压氢管路的氢气混合进入燃料电池进行反应；
S203、打开高压液氢截止阀、控压阀和氢气调节阀，启动氢气燃烧器，辅液氢储罐中的液氢介质通过高压液氢截止阀进入三通道换热器的第二通道，完成汽化并通过控压阀维持高压态，通过温度传感器测量汽化后的氢气温度，氢气温度应高于氢气的转换温度204K；部分氢气随后进入节流器进行节流升温，并进入双通道换热器的第一通道释放热量，最终进入低压氢管路；另一部分氢气通过氢气调节阀进入氢气燃烧器燃烧产生热量，燃烧产物直接排出；在燃料电池的冷启动温度较高时，可不启动氢气燃烧器，仅利用节流器产生的热量即可；
S204、打开第三载冷剂截止阀，启动循环泵；载冷剂通过第三载冷剂截止阀进入氢气燃烧器进行初步升温，随后进入双通道换热器的第二通道，吸收节流后的氢气热量再次升温，达到设定温度后对燃料电池进行加热，防止燃料电池的产生的水结冰，并在循环泵的作用下往复循环，当燃料电池的温度自零下逐渐上升到正常温度后，冷启动结束。
S205、将燃料电池的加热切换为冷却，即整体系统切换到标准运行模式；关闭第三空气截止阀、第四空气截止阀、氢气调节阀、第三载冷剂截止阀，调低三通道换热器第二通道氢气的温度，使其低于氢气的转换温度204K，氢气随后进入节流器进行节流降温，并进入双通道换热器的第一通道释放冷量；打开第一载冷剂截止阀、第二载冷剂截止阀，载冷剂通过第一载冷剂截止阀进入三通道换热器的第三通道，吸收液氢冷量进行初步降温，随后通过第二载冷剂截止阀进入双通道换热器的第二通道，吸收经过节流器节流后的氢气冷量再次降温，达到设定温度后对燃料电池进行冷却，使燃料电池维持在正常温区，随后在循环泵的作用下往复循环。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：采用液氢对经过压缩机压缩后的空气进行冷却，降低燃料电池的结构热负荷并可作为空调制冷冷源；利用高压氢气温度高于转换温度时节流升温的特性结合氢气燃烧器，实现氢空燃料电池的快速冷启动，且结构简单、性能稳定；利用高压氢气温度低于转换温度时节流降温的特性结合液氢冷源，实现氢空燃料电池的正常运行时的冷却，减少氢空燃料电池的能量消耗并提高运行效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一种冷启动的液氢储供系统的结构示意图。
图中：空气管路1、第一空气截止阀2、压缩机3、液氢汽化器4、燃料电池5、空调制冷管路6、第二空气截止阀7、空调换热器8、空气旁通支路9、第三空气截止阀10、三通道换热器11、第四空气截止阀12、低压氢管路13、主液氢储罐14、低压液氢截止阀15、高压氢管路16、辅液氢储罐17、高压液氢截止阀18、控压阀19、温度传感器20、节流器21、双通道换热器22、氢燃烧管路23、氢气调节阀24、氢气燃烧器25、载冷剂管路26、循环泵27、第一载冷剂截止阀28、第二载冷剂截止阀29、载冷剂支路30、第三载冷剂截止阀31。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明的描述中，需要理解的是，部件“低压氢管路13、低压液氢截止阀15、高压氢管路16、高压液氢截止阀18”中的“低压”和“高压”的表述，仅用于区分相对压力的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的绝对压力限定。
参见图1，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种冷启动的液氢储供系统，该系统的组件主要包括空气管路1、液氢汽化器4、燃料电池5、三通道换热器11、低压氢管路13、主液氢储罐14、高压氢管路16、辅液氢储罐17、双通道换热器22和载冷剂管路26。下面对各组件之间的配合作动关系进行详细描述。
本发明的系统中，液氢汽化器4内部分为构成换热接触的第一通道和第二通道，第一通道用于通入经压缩机3压缩后的空气，第二通道用于通入来自主液氢储罐14的液氢，液氢能吸收压缩空气的热量并汽化后输送至燃料电池5进行反应，压缩空气能吸收液氢的冷量降温以部分输送至燃料电池5进行反应、部分输送至空调换热器8作为冷源。双通道换热器22内部分为构成换热接触的第一通道和第二通道，第一通道用于通入来自辅液氢储罐17的液氢，第二通道用于通入在载冷剂管路26内循环的载冷剂，载冷剂能吸收液氢的冷量并对燃料电池5进行降温，液氢能吸收载冷剂的热量汽化为氢气并与低压氢管路13中氢气混合后输送至燃料电池5进行反应。三通道换热器11的内部具有能构成换热接触的第一通道、第二通道和第三通道，第一通道用于通入经压缩机3压缩后的空气，第二通道用于通入来自辅液氢储罐17的液氢，第三通道用于通入在载冷剂管路26内循环的载冷剂，空气能吸收液氢的冷量降温并汇入空气管路1，液氢能吸收空气和/或载冷剂的热量升温完成汽化并通过控压阀19维持高压态，载冷剂能吸收液氢的冷量进行一级降温。
本发明的系统中，空气管路1依次连接第一空气截止阀2、压缩机3、液氢汽化器4的第一通道和燃料电池5，空气管路1用于将外部空气冷却后输送至燃料电池5进行反应。也就是说，沿介质流动方向，空气管路1的首端与外部大气相连，末端与燃料电池5相连。
本发明的系统中，空气管路1的前端设置有空气旁通支路9；空气旁通支路9依次连接第三空气截止阀10、三通道换热器11的第一通道、第四空气截止阀12，空气旁通支路9能利用空气热量汽化高压氢管路16中的液氢。也就是说，沿介质流动方向，空气旁通支路9的首端和末端均与空气管路1连通，首端位于压缩机3和液氢汽化器4之间的空气管路1上，末端位于液氢汽化器4后方的液氢汽化器4上，从而使得空气旁通支路9与液氢汽化器4并联。
本发明的系统中，空气管路1的后端设置有空调制冷管路6；空调制冷管路6依次连接第二空气截止阀7和空调换热器8，空调制冷管路6可将通过液氢汽化器4的低温空气用于空调系统冷源。也就是说，在液氢汽化器4和燃料电池5之间的空气管路1上设有空调制冷管路6；沿介质流动方向，空调制冷管路6的首端与空气管路1连通，另一端与外部的空调系统(在图1中未画出)相连。
本发明的系统中，低压氢管路13依次连接主液氢储罐14、低压液氢截止阀15、液氢汽化器4的第二通道和燃料电池5，低压氢管路13能将主液氢储罐14中的液氢介质汽化后输送至燃料电池5进行反应。也就是说，沿介质流动方向，低压氢管路13的首端与主液氢储罐14连通，末端与燃料电池5连通。
在本发明的一个较优实施例中，主液氢储罐14为相对封闭的容器结构，用于承装液氢，为了防止漏热导致液氢升温汽化，优选在主液氢储罐14外部布设一层绝热材料。低压液氢截止阀15位于低压氢管路13上且设置于主液氢储罐14和液氢汽化器4之间的外部管路，以便于控制阀门开闭和检修。
本发明的系统中，高压氢管路16依次连接辅液氢储罐17、高压液氢截止阀18、三通道换热器11的第二通道、控压阀19、温度传感器20、节流器21和双通道换热器22的第一通道。高压氢管路16能将辅液氢储罐17中的高压液氢转化为低压氢气，并完成制热或制冷目标，最终输送至燃料电池5进行反应。也就是说，沿介质流动方向，高压氢管路16的首端与辅液氢储罐17连通，末端与位于液氢汽化器4和燃料电池5之间的低压氢管路13连通，从而将经过高压氢管路16处理后的氢气与低压氢管路13中的氢气混合后，一同通入燃料电池5中进行反应。
在本发明的一个较优实施例中，辅液氢储罐为相对封闭的容器结构，用于承装液氢，为了防止漏热导致液氢升温汽化，优选在辅液氢储罐外部布设一层绝热材料。高压液氢截止阀18应当位于辅液氢储罐17和三通道换热器11之间的外部管路上，控压阀19应当位于三通道换热器11和温度传感器20之间的外部管路上，以便于控制阀门开闭和检修。温度传感器20用于测量从三通道换热器11完成汽化后的氢气温度，且为了保证后续装置的正常运行，氢气温度应低于氢气的转换温度204K，若温度传感器20测量到的氢气温度未低于氢气的转换温度204K，则通过高压液氢截止阀18和控压阀19以对氢气流量进行调节。控压阀可自动维持高压氢管路内部的压力恒定。
在本发明的一个较优实施例中，主液氢储罐和辅液氢储罐可合并为具有不同出液压力的一个液氢储罐，从而节省设备空间。主液氢储罐和辅液氢储罐中的液氢可以通过自增压或泵送等方式向其中供应液氢。
本发明的系统中，在温度传感器20和节流器21中间的高压氢管路16部分设置有氢燃烧管路23，沿介质流动方向，氢燃烧管路23的首端与高压氢管路16连通，末端与外界连通用于排放燃烧产物。沿介质流动方向，氢燃烧管路23上依次连接氢气调节阀24和氢气燃烧器25，可将部分汽化后的氢气燃烧产生热量。
在本发明的一个较优实施例中，高压氢管路16中的液氢流量小于低压氢管路13中的液氢流量，使两者之间的主辅地位明确，便于系统在实际使用时的调控。
本发明的系统中，沿介质流动方向，载冷剂管路26依次连接循环泵27、第一载冷剂截止阀28、三通道换热器11的第三通道、第二载冷剂截止阀29、双通道换热器22的第二通道和燃料电池5并构成循环回路，载冷剂管路26可对燃料电池5进行冷却。
在本发明的一个较优实施例中，载冷剂管路内部有载冷剂介质，且载冷剂介质的正常工作温度范围应当覆盖燃料电池冷启动温度下限和热管理温度上限。
在本发明的一个较优实施例中，沿介质流动方向，循环泵27位于燃料电池5的后方，用于为载冷剂沿载冷剂管路26的循环提供动力。第一载冷剂截止阀28位于循环泵27和三通道换热器11之间的外部管路，第二载冷剂截止阀29位于三通道换热器11和双通道换热器22之间的外部管路，以便于控制阀门开闭和检修。
本发明的系统中，载冷剂管路26上设置有载冷剂支路30。沿介质流动方向，载冷剂支路30依次连接第三载冷剂截止阀31和氢气燃烧器25，可对燃料电池5进行加热。也就是说，载冷剂支路30的首端和末端均与载冷剂管路26连通，且首端位于循环泵27和第一载冷剂截止阀28之间的外部管路，末端位于第二载冷剂截止阀29和双通道换热器22之间的外部管路。载冷剂支路30中的载冷剂在通过氢气燃烧器25时，能吸收氢气燃烧产生的热量进而升温，从而调节进入燃料电池5中载冷剂的温度。
在本发明的一个较优实施例中，载冷剂管路26位于燃料电池5内部的部分为盘管等方式，从而使得载冷剂能对氢空燃料电池进行加热或冷却。
在本发明的一个较优实施例中，液氢汽化器、三通道换热器、双通道换热器、节流器、低压氢管路、高压氢管路、载冷剂管路、空气管路等部件外部均应当设置绝热材料，以防止管路或者设备漏热。
在本发明的另一实施例中，基于上述图1所示的冷启动的液氢储供系统，还提供了一种液氢储供系统的运行方法，该运行方法主要包括标准运行模式和冷启动运行模式，下面将分别对两个模式进行具体说明：
需注意，该方法首先控制所有阀门处于关闭状态，所有装置处于停止运行状态。
S1、标准运行模式，即燃料电池5仅需冷却，具体如下：
S101、打开第一空气截止阀2和第二空气截止阀7，启动压缩机3。外部空气在压缩机3的作用下进入空气管路1，经过压缩后的空气接着进入液氢汽化器4，并在液氢汽化器4的第一通道吸收冷量降温，空气随后进入燃料电池5与氢气进行反应。同时，部分经液氢汽化器4冷却后的低温空气进入空调制冷管路6，经过第二空气截止阀7到达空调换热器8以提高冷量。
S102、打开低压液氢截止阀15，主液氢储罐14中的液氢介质通过低压液氢截止阀15进入液氢汽化器4的第二通道，释放冷量并吸热完成汽化，汽化后的氢气随后与来自高压氢管路16的氢气混合，随后一并进入燃料电池5进行反应。
S103、打开高压液氢截止阀18和控压阀19，辅液氢储罐17中的液氢介质通过高压液氢截止阀18进入三通道换热器11的第二通道，完成汽化并通过控压阀19维持高压态，通过温度传感器20测量汽化后的氢气温度，氢气温度应低于氢气的转换温度204K，氢气随后进入节流器21进行节流降温，并进入双通道换热器22的第一通道释放冷量，最终进入低压氢管路13。
S104、打开第一载冷剂截止阀28和第二载冷剂截止阀29，启动循环泵27。载冷剂通过第一载冷剂截止阀28进入三通道换热器11的第三通道，吸收液氢冷量进行初步降温，随后通过第二载冷剂截止阀29进入双通道换热器22的第二通道，吸收节流后的氢气冷量再次降温，达到设定温度后对燃料电池5进行冷却，使燃料电池5维持在能够正常工作的温区，载冷剂随后在循环泵27的作用下沿着载冷剂管路26往复循环。
S2、冷启动运行模式，即燃料电池5需前期加热后期冷却，具体如下：
S201、打开第一空气截止阀2、第二空气截止阀7、第三空气截止阀10和第四空气截止阀12，启动压缩机3，外部空气在压缩机3的作用下进入空气管路1。被压缩的部分空气进入空气旁通支路9，并依次经过第三空气截止阀10、三通道换热器11的第一通道和第四空气截止阀12，吸收三通道换热器11的第二通道的液氢冷量后降温并再次进入空气管路1；被压缩的剩余空气在液氢汽化器4的第一通道吸收冷量降温，随后与来自空气旁通支路9的低温空气混合，混合后的部分低温空气进入燃料电池5进行反应，另一部分低温空气进入空调制冷管路6，经过第二空气截止阀7到达空调换热器8提高冷量。
S202、打开低压液氢截止阀15，主液氢储罐14中的液氢介质通过低压液氢截止阀15进入液氢汽化器4的第二通道，释放冷量并完成汽化，随后与来自高压氢管路16的氢气混合进入燃料电池5进行反应。
S203、打开高压液氢截止阀18、控压阀19和氢气调节阀24，启动氢气燃烧器25，辅液氢储罐17中的液氢介质通过高压液氢截止阀18进入三通道换热器11的第二通道，完成汽化并通过控压阀19维持高压态，通过温度传感器20测量汽化后的氢气温度，应高于氢气的转换温度204K；部分氢气随后进入节流器21进行节流升温，并进入双通道换热器22的第一通道释放热量，最终进入低压氢管路13；另一部分氢气通过氢气调节阀24进入氢气燃烧器25燃烧产生热量，燃烧产物直接排出；在氢空燃料电池的冷启动温度较高时，可不启动氢气燃烧器25，仅利用节流器21产生的热量即可。
S204、打开第三载冷剂截止阀31，启动循环泵27。载冷剂通过第三载冷剂截止阀31进入氢气燃烧器25进行初步升温，随后进入双通道换热器22的第二通道，吸收节流后的氢气热量再次升温，达到设定温度后对燃料电池5进行加热，防止燃料电池5的产生的水结冰，并在循环泵27的作用下往复循环，当燃料电池5的温度自零下逐渐上升到正常工作温度后，冷启动结束。
S205、将燃料电池5的加热切换为冷却，即整体系统切换到上述的标准运行模式。具体的，关闭第三空气截止阀10、第四空气截止阀12、氢气调节阀24和第三载冷剂截止阀31，调低三通道换热器11第二通道氢气的温度，使其低于氢气的转换温度204K，氢气随后进入节流器21进行节流降温，并进入双通道换热器22的第一通道释放冷量；打开第一载冷剂截止阀28、第二载冷剂截止阀29，载冷剂通过第一载冷剂截止阀28进入三通道换热器11的第三通道，吸收液氢冷量进行初步降温，随后通过第二载冷剂截止阀29进入双通道换热器22的第二通道，吸收节流后的氢气冷量再次降温，达到设定温度后对燃料电池5进行冷却，使燃料电池5维持在能够正常工作的温区，随后在循环泵27的作用下沿着载冷剂管路26往复循环运作。
需要说明的是，上述步骤中的编号(如S1、S2等)，并不特指实际使用时的操作顺序，仅是为了区分某个通路或者某个功能的实现，在实际操作时，可以根据需要同时、单独或者顺次进行某几个或单个步骤。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，包括空气管路(1)、液氢汽化器(4)、燃料电池(5)、三通道换热器(11)、低压氢管路(13)、主液氢储罐(14)、高压氢管路(16)、辅液氢储罐(17)、双通道换热器(22)和载冷剂管路(26)；
所述液氢汽化器(4)和双通道换热器(22)的内部分别具有能构成换热接触的第一通道和第二通道；所述三通道换热器(11)的内部具有能构成换热接触的第一通道、第二通道和第三通道；
所述空气管路(1)依次连接第一空气截止阀(2)、压缩机(3)、液氢汽化器(4)的第一通道和燃料电池(5)，用于将外部空气冷却后输送至燃料电池(5)进行反应；
所述空气管路(1)的前端设置有与液氢汽化器(4)并联的空气旁通支路(9)；空气旁通支路(9)依次连接第三空气截止阀(10)、三通道换热器(11)的第一通道和第四空气截止阀(12)，用于利用空气热量汽化高压氢管路(16)中的液氢；
所述空气管路(1)的后端设置有空调制冷管路(6)；空调制冷管路(6)依次连接第二空气截止阀(7)和空调换热器(8)，用于将通过液氢汽化器(4)的低温空气用于空调系统冷源；
所述低压氢管路(13)依次连接主液氢储罐(14)、低压液氢截止阀(15)、液氢汽化器(4)的第二通道和燃料电池(5)，用于将主液氢储罐(14)中的液氢介质汽化后输送至燃料电池(5)进行反应；
所述高压氢管路(16)依次连接辅液氢储罐(17)、高压液氢截止阀(18)、三通道换热器(11)的第二通道、控压阀(19)、温度传感器(20)、节流器(21)、双通道换热器(22)的第一通道，末端与低压氢管路(13)汇合并连接至燃料电池(5)，用于将辅液氢储罐(17)中的高压液氢转化为低压氢气、并完成制热或制冷目标，最终输送至燃料电池(5)进行反应；
位于温度传感器(20)和节流器(21)中间的高压氢管路(16)部分设置有氢燃烧管路(23)；氢燃烧管路(23)依次连接氢气调节阀(24)和氢气燃烧器(25)，用于将部分汽化后的氢气燃烧产生热量；
所述载冷剂管路(26)依次连接循环泵(27)、第一载冷剂截止阀(28)、三通道换热器(11)的第三通道、第二载冷剂截止阀(29)、双通道换热器(22)的第二通道和燃料电池(5)并构成循环回路，用于对燃料电池(5)进行冷却；
所述载冷剂管路(26)上设置有载冷剂支路(30)；所述载冷剂支路(30)的两端均与载冷剂管路(26)相连，首端位于连接循环泵(27)后方，末端位于双通道换热器(22)前方；载冷剂支路(30)上依次连接有第三载冷剂截止阀(31)和氢气燃烧器(25)，用于对燃料电池(5)进行加热。
2.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述主液氢储罐(14)和辅液氢储罐(17)内的液氢通过自增压或泵送方式供应。
3.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述主液氢储罐(14)、辅液氢储罐(17)、液氢汽化器(4)、三通道换热器(11)、双通道换热器(22)、节流器(21)、低压氢管路(13)、高压氢管路(16)、载冷剂管路(26)和空气管路(1)的外部均设置有用于防止漏热的绝热材料。
4.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述载冷剂管路(26)在燃料电池(5)内部以盘管方式布设，以对其进行加热或冷却。
5.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述燃料电池(5)为氢空燃料电池。
6.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述主液氢储罐(14)和辅液氢储罐(17)可合并为具有不同出液压力的一个液氢储罐。
7.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述载冷剂管路(26)内部装有载冷剂介质，载冷剂介质的正常工作温度范围覆盖燃料电池(5)冷启动温度下限和热管理温度上限。
8.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述高压氢管路(16)中的液氢流量小于低压氢管路(13)中的液氢流量。
9.根据权利要求1所述的一种冷启动的液氢储供系统，其特征在于，所述控压阀(19)用于自动维持高压氢管路(16)内部的压力恒定。
10.一种利用权利要求1～9任一所述冷启动的液氢储供系统的运行方法，其特征在于，包括标准运行模式和冷启动运行模式，具体如下：
S1、所述标准运行模式是指燃料电池(5)仅需冷却的运行方式，具体如下：
S101、打开第一空气截止阀(2)和第二空气截止阀(7)，启动压缩机(3)；外部空气在压缩机(3)的作用下进入空气管路(1)，在液氢汽化器(4)的第一通道中吸收冷量降温，随后进入燃料电池(5)进行反应，同时，部分低温空气进入空调制冷管路(6)，经过第二空气截止阀(7)到达空调换热器(8)提高冷量；
S102、打开低压液氢截止阀(15)；主液氢储罐(14)中的液氢介质通过低压液氢截止阀(15)进入液氢汽化器(4)的第二通道，释放冷量并完成汽化，随后与来自高压氢管路(16)的氢气混合后进入燃料电池(5)进行反应；
S103、打开高压液氢截止阀(18)和控压阀(19)，辅液氢储罐(17)中的液氢介质通过高压液氢截止阀(18)进入三通道换热器(11)的第二通道，完成汽化并通过控压阀(19)维持高压态，通过温度传感器(20)测量汽化后的氢气温度，氢气温度应低于氢气的转换温度204K，氢气随后进入节流器(21)进行节流降温，并进入双通道换热器(22)的第一通道释放冷量，最终与低压氢管路(13)中的氢气混合后进入燃料电池(5)进行反应；
S104、打开第一载冷剂截止阀(28)和第二载冷剂截止阀(29)，启动循环泵(27)；载冷剂通过第一载冷剂截止阀(28)进入三通道换热器(11)的第三通道，吸收液氢冷量进行初步降温，随后通过第二载冷剂截止阀(29)进入双通道换热器(22)的第二通道，吸收经过节流器(21)节流后的氢气冷量再次降温，达到设定温度后对燃料电池(5)进行冷却，使燃料电池(5)维持在正常工作温区，载冷剂随后在循环泵(27)的作用下沿载冷剂管路(26)往复循环；
S2、所述冷启动运行模式是指燃料电池(5)需前期加热后期冷却的运行方式，具体如下：
S201、打开第一空气截止阀(2)、第二空气截止阀(7)、第三空气截止阀(10)和第四空气截止阀(12)，启动压缩机(3)，外部空气在压缩机(3)的作用下进入空气管路(1)；空气管路(1)中的部分压缩空气进入空气旁通支路(9)，并依次经过第三空气截止阀(10)、三通道换热器(11)的第一通道和第四空气截止阀(12)，吸收三通道换热器(11)的第二通道的液氢冷量后降温并再次进入空气管路(1)；空气管路(1)中的剩余空气在液氢汽化器(4)的第一通道吸收冷量降温，随后与来自空气旁通支路(9)的低温空气混合；混合后的部分低温空气进入燃料电池(5)进行反应，另一部分低温空气进入空调制冷管路(6)并经过第二空气截止阀(7)到达空调换热器(8)提高冷量；
S202、打开低压液氢截止阀(15)；主液氢储罐(14)中的液氢介质通过低压液氢截止阀(15)进入液氢汽化器(4)的第二通道，释放冷量并完成汽化，随后与来自高压氢管路(16)的氢气混合进入燃料电池(5)进行反应；
S203、打开高压液氢截止阀(18)、控压阀(19)和氢气调节阀(24)，启动氢气燃烧器(25)，辅液氢储罐(17)中的液氢介质通过高压液氢截止阀(18)进入三通道换热器(11)的第二通道，完成汽化并通过控压阀(19)维持高压态，通过温度传感器(20)测量汽化后的氢气温度，氢气温度应高于氢气的转换温度204K；部分氢气随后进入节流器(21)进行节流升温，并进入双通道换热器(22)的第一通道释放热量，最终进入低压氢管路(13)；另一部分氢气通过氢气调节阀(24)进入氢气燃烧器(25)燃烧产生热量，燃烧产物直接排出；在燃料电池(5)的冷启动温度较高时，可不启动氢气燃烧器(25)，仅利用节流器(21)产生的热量即可；
S204、打开第三载冷剂截止阀(31)，启动循环泵(27)；载冷剂通过第三载冷剂截止阀(31)进入氢气燃烧器(25)进行初步升温，随后进入双通道换热器(22)的第二通道，吸收节流后的氢气热量再次升温，达到设定温度后对燃料电池(5)进行加热，防止燃料电池(5)的产生的水结冰，并在循环泵(27)的作用下往复循环，当燃料电池(5)的温度自零下逐渐上升到正常工作温度后，冷启动结束；
S205、将燃料电池(5)的加热切换为冷却，即整体系统切换到如S1所述的标准运行模式；关闭第三空气截止阀(10)、第四空气截止阀(12)、氢气调节阀(24)和第三载冷剂截止阀(31)，调低三通道换热器(11)中第二通道氢气的温度，使其低于氢气的转换温度204K，氢气随后进入节流器(21)进行节流降温，并进入双通道换热器(22)的第一通道释放冷量；打开第一载冷剂截止阀(28)和第二载冷剂截止阀(29)，载冷剂通过第一载冷剂截止阀(28)进入三通道换热器(11)的第三通道，吸收液氢冷量进行初步降温，随后通过第二载冷剂截止阀(29)进入双通道换热器(22)的第二通道，吸收经过节流器(21)节流后的氢气冷量再次降温，达到设定温度后对燃料电池(5)进行冷却，使燃料电池(5)维持在正常工作温区，随后在循环泵(27)的作用下沿载冷剂管路(26)往复循环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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