CN209691855U - 车载燃料电池系统及氢动力车辆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种车载燃料电池系统及氢动力车辆，包括储氢装置、燃料电池模组、供氢管路、冷却液循环管路、热交换器及导热液循环管路，所述储氢装置具有充氢接口和储氢容器，所述燃料电池模组具有氢气入口，所述供氢管路连接所述充氢接口和所述氢气入口，所述冷却液循环管路连接所述燃料电池模组的冷却液入口和冷却液出口，所述热交换器具有热端和冷端，其热端与冷却液循环管路串联，其冷端与导热液循环管路串联，所述导热液循环管路连接储氢装置的导热液入口和导热液出口。通过在冷却液循环管路中插入热交换器，使燃料电池模组的废热通过热交换器加热导热液，从而将燃料电池工作中产生的原本通过外部散热器排放掉的废热加以部分回收利用。

Description

车载燃料电池系统及氢动力车辆

技术领域

本实用新型涉及储氢技术领域，尤其是关于一种应用在氢动力车辆上的车载燃料电池系统。

背景技术

氢能具有洁净、效率高、可再生等诸多优点，是受到全世界普遍关注的一种新型能源。氢燃料电池作为氢能应用的典型代表，具有备电时间长、高效、环保、体积小、重量轻等诸多优点，在交通运输等领域展现出良好的应用前景。

氢燃料电池发电需要大量的氢气燃料，目前，实用的氢气储存与输送的方法主要有三种，即高压容器(主要为钢瓶)、液氢储罐(低温杜瓦瓶)及储氢合金罐。储氢合金罐是利用氢气与合金的化学反应来储存氢气，是一种固态储氢技术，与其它方式相比，具有储氢压力低、密度高、供氢纯度高等特点，特别适于作为氢燃料电池的氢源。

众所周知，某些金属和合金允许可逆储存和释放氢。储氢合金吸放氢是化学反应过程，伴随有巨大的热效应，其吸氢时放热，放氢时吸热。公开号为CN 102242861A、名称为“一种大直径储氢合金罐及其制作方法”的中国实用新型专利申请公开了一种储氢合金罐，其包括钢制瓶体，瓶体内设有管状的热交换器和能够在瓶体内填充装填储氢合金粉的环形多孔传质模块。公开号为CN 1688857A、名称为“在氢动力车辆中使用的具有热传递系统的车载储氢单元”公开了一种储氢单元，包括储氢容器、能够传递热量的第一回路及能够在车辆运行中将热量提供给第一回路的第二回路。

为了更好的利用氢能源，有必要提供一种新的能够应用在氢动力车辆上的车载燃料电池系统。

实用新型内容

本实用新型提供一种新的车载燃料电池系统及氢动力车辆。

本实用新型提供一种车载燃料电池系统，包括储氢装置、燃料电池模组、供氢管路、冷却液循环管路、热交换器及能够供导热液流动的导热液循环管路，所述储氢装置具有导热液入口、导热液出口、充氢接口及充填有储氢合金的储氢容器，所述燃料电池模组具有氢气入口、冷却液入口及能够排出携带有废热的冷却液的冷却液出口，所述供氢管路连接所述充氢接口和所述氢气入口，所述冷却液循环管路连接所述冷却液入口和冷却液出口，所述热交换器具有相互隔离的热端和冷端，所述热端与所述冷却液循环管路串联，所述冷端与所述导热液循环管路串联，所述导热液循环管路连接所述导热液入口和导热液出口，使流经热端的冷却液所携带的废热能够加热流经冷端的导热液。

所述导热液循环管路设有水泵及设有能够防止在充氢工况下外部冷却设备所泵入的导热液流入所述导热液循环管路的单向阀。

所述的车载燃料电池系统，还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱与所述导热液循环管路连通，在竖直方向上，所述膨胀水箱高于所述水泵和所述导热液循环管路。

所述供氢管路设有第一电磁阀、第二电磁阀及减压阀，所述第二电磁阀和减压阀并联后与所述第一电磁阀串联，所述供氢管路还设有压力传感器。

所述充氢接口通过手动泄放管路连接手动泄放口，所述充氢接口通过安全泄放管路连接安全泄放口。

所述冷却液循环管路设有散热器。

所述的车载燃料电池系统，还包括缓冲氢瓶，所述缓冲氢瓶与所述储氢装置并联后与所述供氢管路连接。

一种氢动力车辆，包括所述的车载燃料电池系统。

本实用新型的有益效果是：通过在燃料电池模组冷却液循环管路中插入热交换器，使燃料电池模组流出的带有废热的冷却液通过热交换器加热导热液，从而将燃料电池模组工作中产生的原本通过外部散热器排放掉的废热加以部分回收利用，能够降低燃料电池模组的散热负担。

附图说明

图1是本实施方式车载燃料电池系统的储氢装置的结构示意图；

图2是本实施方式车载燃料电池系统的储氢装置的结构示意图(显示出储氢容器)；

图3是本实施方式车载燃料电池系统的结构框图，其中的箭头表示流体流向。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1至图3所示，一种车载燃料电池系统，包括储氢装置1、供氢管路2、燃料电池模组3、热交换器5、冷却液循环管路7及导热液循环管路4。储氢装置1具有多个能够充填储氢合金的储氢容器11，该储氢容器11是能够承受压力的密闭容器。储氢装置1具有导热液入口12、导热液出口13及充氢接口14，导热液入口12能够通过进液管路90的接头92与外部冷却设备气密连接，使外部冷却设备提供的已冷却导热液能够通过进液管路90、导热液入口12进入储氢装置，进而实现导热液与储氢容器之间的热交换。导热液出口13能够通过排液管路91的接头与外部冷却设备气密连接，使与储氢容器11热交换后的导热液通过排液管路91排出到外部冷却设备。充氢接口14能够通过充氢管路93的接头与外部氢源气密连接，使外部氢源提供的氢气能够通过充氢管路93、充氢接口14流入已充填储氢合金的储氢容器11，储氢合金吸收氢气，实现对氢气的补给。

燃料电池模组3具有氢气入口31、冷却液入口32和能够排出携带有废热的冷却液的冷却液出口33。氢气入口31通过供氢管路2连接储氢装置的充氢接口14，使储氢合金释放的氢气能够通过供氢管路2流入燃料电池模组3。冷却液循环管路7可以位于燃料电池模组的外部，其两端分别连接冷却液入口32和冷却液出口33。导热液循环管路4的两端分别连接储氢装置的导热液入口12和导热液出口13。

热交换器5具有液体通路上相对隔离的热端51和冷端52，该热端51与冷端52互不物理接触。冷却液循环管路7与热端51串联，使燃料电池模组3、冷却液循环管路7及热端51之间形成能够供冷却液循环流动的闭环回路。导热液循环管路4与冷端52串联，使导热液循环管路4、冷端52和储氢装置1之间形成能够供导热液循环流动的闭环回路。携带有废热的冷却液在流经热端51的过程中，该废热加热流经冷端52的导热液，在加热导热液的同时，冷却液放热而被冷却，被冷却的冷却液经冷却液入口32流入燃料电池模组而重新起到冷却的作用。

在充氢工况中，外部氢源的氢气经充氢管路93、充氢接口14流入储氢装置的各储氢容器11，储氢合金吸收氢气并且产生热量。为了保持储氢合金对氢气的最优吸收，需要从储氢合金中除去氢化物形成热，其通过在充氢工况中使导热液在储氢装置内部流动实现。即，在充氢工况中，由外部冷却设备泵入的冷却后的导热液经进液管路90、导热液入口12流入储氢装置1内部而与储氢容器11热交换，起到除去氢化物形成热的作用，热交换后的导热液通过导热液出口13、排液管路91排出。充氢工况结束后，断开充氢管路93、进液管路90和排液管路91的接头，使导热液能够静态存留在各储氢装置水箱、导热液循环管路内。由于单向阀42的作用，从外部冷却设备所泵入的导热液不会流经导热液循环管路4及相关部件。

在供氢工况中，各储氢容器11内的已经吸收有氢气的储氢合金将氢气释放出来，该氢气通过供氢管路2输送到燃料电池模组3。储氢合金在释放氢气的过程中需要吸热，若要使储氢合金维持规定的放氢能力，则需要控制导热液持续稳定的给各个储氢容器11内的储氢合金加热。具体的，在供氢工况中，燃料电池模组3工作，携带有废热的冷却液通过冷却液出口33排出到冷却液循环管路7，携带有废热的冷却液在流经热交换器热端51的过程中与流经冷端52的导热液进行非接触式的热交换，被加热后的导热液流经水泵41、单向阀42后进入储氢装置，该加热后的导热液与储氢容器11热交换，即导热液放热冷却而储氢合金吸热升温，放热冷却后的导热液通过导热液出口13重新流入导热液循环管路4，流经冷端52时再被流经热交换器热端51的携带有废热的冷却液加热。燃料电池模组流出的带有废热的冷却液通过热交换器加热导热液，从而将燃料电池模组工作中产生的原本通过外部散热器排放掉的废热加以部分回收利用。

本实施方式中，燃料电池模组3可以采用现有结构，其可以包括电力输出单元34、空气供给单元35、氢气输入单元36及具有内置水泵的冷却单元37。电力输出单元34能够输出电力，该电力是驱动车辆运动的主要能量来源。空气供给单元35能够补给空气和排出废气，空气中的氧气和储氢装置1提供的氢气进行电化学反应，产生电力和排出少量废水。氢气输入单元36具有氢气入口31，该氢气入口31通过供氢管路2与储氢装置的充氢接口14气密连接。冷却单元37能够在电化学反应过程中对燃料电池模组进行冷却，冷却产生的携带有废热的冷却液通过冷却液出口33排出到冷却液循环管路7。

本实施方式中，冷却液循环管路7设有能够将废热部分散发到环境大气的散热器71。导热液循环管路4设有水泵41和单向阀42。水泵41能够提供动力，使静态存留在导热液循环管路和储氢装置中的导热液循环流动。单向阀42允许在水泵驱动下的导热液流向储氢装置，并防止在充氢工况下外部冷却设备所泵入的导热液流入所述导热液循环管路4，进而防止所泵入的导热液损坏水泵41和膨胀水箱43。导热液循环管路4可以与膨胀水箱43连接，该膨胀水箱43在竖直方向上高于导热液循环管路4和水泵41。当导热液循环管路4内的温度升高、压力增大时，少量导热液能够流入膨胀水箱43；当导热液循环管路内的温度降低、压力减小时，膨胀水箱43内的导热液能够补充到导热液循环管路4中，防止管路中产生气泡。

本实施方式中，给位于高处的膨胀水箱43补充导热液时，导热液会流入并静态存留在储氢装置水箱和导热液循环管路4内。在充氢工况，将外部冷却设备与进液管路90、排液管路91的接头92连接时，导热液开始在进液管路90、储氢装置水箱和排液管路91之间形成的外部循环管路之间流动。

本实施方式中，供氢管路2设有顺次串联的第一电磁阀21、第二电磁阀22和第三电磁阀23，该供氢管路2还设有减压阀24，该第二电磁阀22能够旁路掉减压阀24。当燃料电池模组启动时，电控系统驱动第一电磁阀21、第三电磁阀23接通供氢管路。由于此时储氢装置未经加热而导致输出氢气压力较低，难以推开减压阀24，电控系统检测到压力传感器25较低的气压信号时，驱动第二电磁阀22接通，使得储氢装置输出的氢气不经过减压阀24就到达燃料电池模组的氢气入口31。燃料电池模组启动后所产生的废热将储氢装置的温度逐步升高，储氢装置输出的氢气压力也在同步加大，压力加大到足以推开减压阀24时，电控系统关闭第二电磁阀22，储氢装置输出的氢气完全经由减压阀24流向燃料电池。压力传感器26用于实时监测燃料电池模组入口氢气压力，如有异常就采取保护措施防止燃料电池模组损坏，该保护措施如断开第一电磁阀21，使供氢管路断开。电控系统与第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23、压力传感器25、26均连接。

本实施方式中，储氢装置1可以与缓冲氢瓶8并联，缓冲氢瓶8是能够承受压力的密闭容器。当环境温度升高时，储氢容器11内部的压力增大，储氢合金吸收的氢气可以部分释放到缓冲氢瓶8中，在氢气释放过程中，储氢容器11内的温度降低，压力减小，而回复到正常压力范围。

对于车载燃料电池系统，在供氢工况中，储氢装置通过供氢管路向燃料电池模组提供氢气，燃料电池模组利用氢气和空气中的氧气进行电化学反应，冷却单元利用冷却液对燃料电池模组进行冷却，排出的携带有废热的冷却液能够加热导热液循管路内的导热液。即，燃料电池模组3产生的废热，一部分能够被散热器71散发到环境大气，另一部分能够被用来加热导热液，从而降低了燃料电池模组的散热负担。燃料电池模组的冷却单元37可以利用纯水作为冷却液进行冷却。

对于车载燃料电池系统，供氢管路2可以通过安全泄放管路94连接安全泄放口，该安全泄放管路设有安全阀97。供氢管路2还可以通过手动放空管路95连接手动放空口，该手动放空管路设有球阀96。

对于车载燃料电池系统，储氢装置1和燃料电池模组3均可以采用现有结构。储氢装置可以有多个，其可以并联设置，并联后的各储氢装置通过供氢管路与燃料电池模组连接。

对于车载燃料电池系统，其可以应用于氢动力车辆，该车载燃料电池系统输出的电能驱动车辆运动。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种车载燃料电池系统，包括储氢装置、燃料电池模组、供氢管路及冷却液循环管路，所述储氢装置具有导热液入口、导热液出口、充氢接口及充填有储氢合金的储氢容器，所述燃料电池模组具有氢气入口、冷却液入口以及能够排出携带有废热的冷却液的冷却液出口，所述供氢管路连接所述充氢接口和所述氢气入口，所述冷却液循环管路连接所述冷却液入口和冷却液出口，其特征在于，还包括热交换器及能够供导热液流动的导热液循环管路，所述热交换器具有相互隔离的热端和冷端，所述热端与所述冷却液循环管路串联，所述冷端与所述导热液循环管路串联，所述导热液循环管路连接所述导热液入口和导热液出口，使流经热端的冷却液所携带的废热能够加热流经冷端的导热液。

2.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述导热液循环管路设有水泵及设有能够防止在充氢工况下外部冷却设备所泵入的导热液流入所述导热液循环管路的单向阀。

3.如权利要求2所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱与所述导热液循环管路连通，在竖直方向上，所述膨胀水箱高于所述水泵和所述导热液循环管路。

4.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述供氢管路设有第一电磁阀、第二电磁阀及减压阀，所述第二电磁阀和减压阀并联后与所述第一电磁阀串联，所述供氢管路还设有压力传感器。

5.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述充氢接口通过手动泄放管路连接手动泄放口，所述充氢接口通过安全泄放管路连接安全泄放口。

6.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括缓冲氢瓶，所述缓冲氢瓶与所述储氢装置并联后与所述供氢管路连接。

7.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述冷却液循环管路设有散热器。

8.一种氢动力车辆，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的车载燃料电池系统。