CN217485500U - 一种氢燃料电池发动机热循环系统及缓冲温控装置 - Google Patents

一种氢燃料电池发动机热循环系统及缓冲温控装置 Download PDF

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Abstract

一种氢燃料电池发动机热循环系统及缓冲温控装置,属于燃料电池技术领域,涉及解决现有的系统在氢燃料电池发动机进行低载怠速、突加载运行、突降载怠速的测试时,存在的冷却水入堆温度动态调节响应时间长的问题;本实用新型的技术方案通过在氢燃料电池发动机的入堆口与内冷循环管路之间设置缓冲温控装置,使得内冷循环管路输出的循环冷却水在入堆之前混热均匀,减少了氢燃料电池发动机在低载怠速、突加载运行、突降载怠速的测试时,冷却水入堆温度动态调节响应的时间,且装置制造成本低,结构简单,安装方便。

Description

一种氢燃料电池发动机热循环系统及缓冲温控装置
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域,涉及一种氢燃料电池发动机热循环系统及缓冲温控装置。
背景技术
氢燃料电池发动机是一种能量转换装置,其过程是将氢气与氧气通过质子交换膜子 (PEM)在催化剂的作用下将化学能转化为电能的过程,用于给整车控制系统提供完整动力需求。为了提高氢燃料电池发动机的能量利用效率,保证氢燃料电池发动机在不同环境条件下的适应性,尤其是发动机处于不同带载/变载/低温工况下运行时,依然能够维持自身最高效率稳定输出。这一点主要体现在电堆的反应效率,发动机入堆冷却水的温度与电堆输出效率具有相关性,入堆温度能够处于一个合理温度范围(最优值),那么将对氢燃料电池发动机自身可靠性及效率稳定性输出,具有至关重要的作用。因而氢燃料电池发动机内部的整个温度稳定控制及温度动态超调量控制显得尤为重要。
现有的氢燃料电池发动机在进行冷却水循环控温时,存在大小循环过程,例如:发动机处于低载运行条件下,冷却水温度过低时,为尽快达到系统所需最优温度时,发动机内部节温器会自动控制冷却水的流向,使得冷却水不经过散热器(或电子风扇),内部自发形成小循环,当发动机处于突加载时,冷却水温度不断升高时,超过系统合适温度(最优值),节温器会缓慢调节打开,使得冷却水经过散热器迅速降温,当散热需求很大时,节温器全部打开,所有冷却水通过散热器换热。
传统的氢燃料发动机测试系统设备在与燃料发动机连接后需要进行低载怠速、突加载运行、突降载怠速的测试时,上述工况其实就是发动机大小循环的一种不断切换的过程,这一过程传统的测试系统设备在系统结构上是无法仅通过硬件(如三通比例阀)调节外冷流量来控制入堆口温度需求,因为此方式在系统控制上会存在一个大滞后,突变载时,发动机功率变化最快,比例阀感知整个系统管路中的热量上升与下降变化时,会存在延时,因而硬件上作出响应调节的时间与热源变化存在一定的不同步(滞后)性,影响动态响应调节。即使最终稳态可以控制到±0.5℃,但此时动态响应时间远远>2min 或更久,这是不符合(满足)氢燃料电池发动机国标性能测试。
实用新型内容
本实用新型的目的在于设计一种氢燃料电池发动机热循环系统及缓冲温控装置,以解决现有的系统在氢燃料电池发动机进行低载怠速、突加载运行、突降载怠速的测试时,存在的冷却水入堆温度动态调节响应时间长的问题。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的:
一种氢燃料电池发动机热循环系统,包括:板式换热器(10)、缓冲温控装置(16)、高位水箱(20)、冷却塔(30)、内冷循环管路、外冷循环管路、重力补水管路、压力补水管路、排气管路;所述的内冷循环管路的一侧的两个端口对应密封连接在板式换热器(10)的内冷侧的输入端口与输出端口,内冷循环管路的另一侧的两个端口对应密封连接在缓冲温控装置(16)输入端以及氢燃料电池发动机的出堆口缓冲温控装置(16) 输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接;所述的重力补水管路的输入端与高位水箱(20)密封连接、重力补水管路的输出端与内冷循环管路密封连接;所述的外冷循环管路的一侧的两个端口对应密封连接在板式换热器(10)的外冷侧的输入端口与输出端口,外冷循环管路的另一侧的两个端口对应密封连接在冷却塔(30)的输入端与输出端;所述的压力补水管路的输入端与高位水箱(20)密封连接,压力补水管路的输出端与内冷循环管路密封连接;所述的排气管路的进气端分别与氢燃料电池发动机以及缓冲温控装置(16)密封连接,排气管路的出气端分别与高位水箱(20)密封连接。
本实用新型通过在氢燃料电池发动机的入堆口与内冷循环管路之间设置缓冲温控装置(16),使得内冷循环管路输出的循环冷却水在入堆之前混热均匀,减少了氢燃料电池发动机在低载怠速、突加载运行、突降载怠速的测试时,冷却水入堆温度动态调节响应的时间,且装置制造成本低,结构简单,安装方便。
进一步地,所述的内冷循环管路包括:变频水泵机组(11)、电导率传感器(13)、第一压力传感器(14)、第一温度传感器(15)、第二温度传感器(17)、第二压力传感器(18)、第一流量计(19);所述的板式换热器(10)的内冷侧输出端口与变频水泵机组(11)的输入端密封连接,变频水泵机组(11)的输出端与缓冲温控装置(16) 输入端密封连接,电导率传感器(13)、第一压力传感器(14)、第一温度传感器(15) 分别密封安装在变频水泵机组(11)的输出端与缓冲温控装置(16)的输入端之间的管道上,缓冲温控装置(16)的输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接;氢燃料电池发动机的出堆口与第一流量计(19)的输入端密封连接,第一流量计(19)的输出端与板式换热器(10)的内冷侧输入端口密封连接,第二温度传感器(17)、第二压力传感器(18)分别密封安装在氢燃料电池发动机的出堆口与第一流量计(19)的输入端之间的管道上。
进一步地,所述的缓冲温控装置(16)包括:缓冲水箱(160)、第四温度传感器(161)、第二电加热器(162)、第三电磁阀(163);所述的变频水泵机组(11)的输出端与缓冲水箱(160)的输入端密封连接,缓冲水箱(160)的输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接,缓冲水箱(160)中设置有第二电加热器(162),第四温度传感器(161)密封安装在缓冲水箱(160)上,缓冲水箱(160)底部设置有排水管道、排水管道上密封安装有第三电磁阀(163)。
进一步地,所述的外冷循环管路包括:冷却塔(30)、第五阀门(31)、Y型过滤器(32)、第三压力传感器(33)、第三温度传感器(34)、三通比例阀(35)、第二流量计(36)、第六阀门(37);所述的第二流量计(36)的输入端与板式换热器(10) 的外冷侧输出端密封连接,第二流量计(36)的输出端与第六阀门(37)的一端密封连接,第六阀门(37)的另一端与冷却塔(30)的输入端密封连接,冷却塔(30)的输出端与第五阀门(31)的一端密封连接,第五阀门(31)的另一端与Y型过滤器(32)的一端密封连接,Y型过滤器(32)的另一端与三通比例阀(35)的输入端密封连接,三通比例阀(35)的一个输出端密封连接在板式换热器(10)的外冷侧输出端,三通比例阀(35)的另一个输出端与板式换热器(10)的外冷侧输入端密封连接,第三压力传感器(33)、第三温度传感器(34)分别密封连接在Y型过滤器(32)与三通比例阀(35) 之间的管道上。
进一步地,所述的重力补水管路包括:第一阀门(22)、第二阀门(23);所述的第一阀门(22)的一端密封连接在高位水箱(20)的底部、第一阀门(22)的另一端密封连接在第一流量计(19)的输出端与板式换热器(10)的内冷侧输入端口之间的管道上;第二阀门(23)的一端密封连接在高位水箱(20)的底部、第二阀门(23)的另一端密封连接在变频水泵机组(11)的输出端管道上。
进一步地,所述的压力补水管路包括:微型电动补水泵(21),所述的微型电动补水泵(21)的输入端密封连接在高位水箱(20)的底部,微型电动补水泵(21)的输出端密封连接在板式换热器(10)的内冷侧输出端口与变频水泵机组(11)的输入端之间的管道上。
进一步地,所述的排气管路包括:第三阀门(25)、第四阀门(26);所述的第三阀门(25)的一端密封连接在氢燃料电池发动机的出堆口、第三阀门(25)的另一端与高位水箱(20)密封连接;第四阀门(26)的一端密封连接在缓冲水箱(160)的顶部、第四阀门(26)的另一端与高位水箱(20)密封连接。
进一步地,所述的变频水泵机组(11)的输出端管道上设置有排水管道、排水管道上密封安装有第一电磁阀(12)。
进一步地,所述的三通比例阀(35)与板式换热器(10)的外冷侧输入端之间的管道上设置有排水管道、排水管道上密封安装有第二电磁阀(38)。
一种应用于所述的氢燃料电池发动机热循环系统的缓冲温控装置,包括:缓冲水箱 (160)、第四温度传感器(161)、第二电加热器(162)、第三电磁阀(163);所述的缓冲水箱(160)的输入端与内冷循环管路密封连接,缓冲水箱(160)的输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接,缓冲水箱(160)中设置有第二电加热器(162),第四温度传感器(161)密封安装在缓冲水箱(160)上,缓冲水箱(160)底部设置有排水管道、排水管道上密封安装有第三电磁阀(163),缓冲水箱(160)的顶部与排气管路密封连接。
本实用新型的优点在于:
本实用新型通过在氢燃料电池发动机的入堆口与内冷循环管路之间设置缓冲温控装置(16),使得内冷循环管路输出的循环冷却水在入堆之前混热均匀,减少了氢燃料电池发动机在低载怠速、突加载运行、突降载怠速的测试时,冷却水入堆温度动态调节响应的时间,且装置制造成本低,结构简单,安装方便。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的一种氢燃料电池发动机热循环系统的结构图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,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,都属于本实用新型保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述:
实施例一
如图1所示,一种氢燃料电池发动机热循环系统,包括:板式换热器10、变频水泵机组11、第一电磁阀12、电导率传感器13、第一压力传感器14、第一温度传感器15、缓冲温控装置16、第二温度传感器17、第二压力传感器18、第一流量计19、高位水箱20、微型电动补水泵21、第一阀门22、第二阀门23、第二温度传感器24、第三阀门25、第四阀门26、第一电加热器27、冷却塔30、第五阀门31、Y型过滤器32、第三压力传感器33、第三温度传感器34、三通比例阀35、第二流量计36、第六阀门37、第二电磁阀38;所述的缓冲温控装置16包括:缓冲水箱160、第四温度传感器161、第二电加热器162、第三电磁阀163。
氢燃料电池发动机的出堆口通过管道与第一流量计19的输入端密封连接,第一流量计19的输出端通过管道与板式换热器10的内冷侧输入端口密封连接,第二温度传感器17、第二压力传感器18分别密封安装在氢燃料电池发动机的出堆口与第一流量计19 的输入端之间的管道上。
板式换热器10的内冷侧输出端口通过管道与变频水泵机组11的输入端密封连接,变频水泵机组11的输出端通过管道与缓冲温控装置16的缓冲水箱160的输入端密封连接,电导率传感器13、第一压力传感器14、第一温度传感器15分别密封安装在变频水泵机组11的输出端与缓冲水箱160的输入端之间的管道上,缓冲水箱160的输出端通过管道与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接,缓冲水箱160中设置有第二电加热器 162,第四温度传感器161密封安装在缓冲水箱160上,缓冲水箱160底部设置有排水管道、排水管道上密封安装有第三电磁阀163;变频水泵机组11的输出端管道上设置有排水管道、排水管道上密封安装有第一电磁阀12。
所述的第三阀门25的一端通过管道密封连接在氢燃料电池发动机的出堆口、第三阀门25的另一端通过管道与高位水箱20密封连接;第四阀门26的一端通过管道密封连接在缓冲水箱160的顶部、第四阀门26的另一端通过管道与高位水箱20密封连接;第一阀门22的一端通过管道密封连接在高位水箱20的底部、第一阀门22的另一端密封连接在第一流量计19的输出端与板式换热器10的内冷侧输入端口之间的管道上;第二阀门23的一端通过管道密封连接在高位水箱20的底部、第二阀门23的另一端密封连接在变频水泵机组11的输出端管道上;高位水箱20中设置有第一电加热器27,第二温度传感器24密封安装在高位水箱20上;微型电动补水泵21的输入端通过管道密封连接在高位水箱20的底部,微型电动补水泵21的输出端通过管道密封连接在板式换热器10的内冷侧输出端口与变频水泵机组11的输入端之间的管道上。
第二流量计36的输入端通过管道与板式换热器10的外冷侧输出端密封连接,第二流量计36的输出端通过管道与第六阀门37的一端密封连接,第六阀门37的另一端通过管道与冷却塔30的输入端密封连接,冷却塔30的输出端通过管道与第五阀门31的一端密封连接,第五阀门31的另一端通过管道与Y型过滤器32的一端密封连接,Y型过滤器32的另一端通过管道与三通比例阀35的输入端密封连接,三通比例阀35的一个输出端通过管道密封连接在板式换热器10的外冷侧输出端,三通比例阀35的另一个输出端通过管道与板式换热器10的外冷侧输入端密封连接,第三压力传感器33、第三温度传感器34分别密封连接在Y型过滤器32与三通比例阀35之间的管道上,三通比例阀35与板式换热器10的外冷侧输入端之间的管道上设置有排水管道、排水管道上密封安装有第二电磁阀38。
系统的工作流程如下:
1、内冷循环管路
氢燃料电池发动机的出堆口输出的冷却水经过第二温度传感器17、第二压力传感器 18、第一流量计19进入板式换热器10的内冷侧进行换热冷却,变频水泵机组11抽取冷却后的冷却水,经过电导率传感器13、第一压力传感器14、第一温度传感器15输入到缓冲温控装置16中,由缓冲温控装置16中的第二电加热器162调节冷却水的温度后,再输入到氢燃料电池发动机进行热循环;开启第一电磁阀12可以放空内冷循环管路中的冷却水;缓冲温控装置16中的第四温度传感器161用于检测缓冲水箱160中冷却水的温度,开启第三电磁阀163可以放空检测缓冲水箱160中的冷却水。变频水泵机组11 的作用是提供密闭循环流体所需动力,采用立式多级离心泵,泵体采用机械密封,接液材质为316不锈钢。
2、外冷循环管路
冷却塔30输出的冷却水经过第五阀门31、Y型过滤器32、第三压力传感器33、第三温度传感器34,再由三通比例阀35控制冷却水的流量,冷却水的一部分输入到板式换热器10的外冷侧进行热交换后,通过第二流量计36、第六阀门37回送到冷却塔30,冷却水的另一部分则直接通过第二流量计36、第六阀门37回送到冷却塔30;开启第二电磁阀38可以放空外冷循环管路中的冷却水。
3、重力补水管路
开启第一阀门22、第二阀门23,高位水箱20中的纯水在重力作用下向内冷循环管路大量补水。第二温度传感器24用于检测高位水箱20中的纯水的温度,第一电加热器27用于给高位水箱20中的纯水进行初步加热。
4、微型电动补水泵补水排气
开启微型电动补水泵21将高位水箱20中的纯水加压后泵入内冷循环管路,带压冷却水将氢燃料电池发动机以及缓冲温控装置16内的气体分别通过第三阀门25、第四阀门26排入到高位水箱20中,高位水箱20采用开放式水箱,气体排放到外界环境中。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,包括:板式换热器(10)、缓冲温控装置(16)、高位水箱(20)、冷却塔(30)、内冷循环管路、外冷循环管路、重力补水管路、压力补水管路、排气管路;所述的内冷循环管路的一侧的两个端口对应密封连接在板式换热器(10)的内冷侧的输入端口与输出端口,内冷循环管路的另一侧的两个端口对应密封连接在缓冲温控装置(16)输入端以及氢燃料电池发动机的出堆口缓冲温控装置(16)输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接;所述的重力补水管路的输入端与高位水箱(20)密封连接、重力补水管路的输出端与内冷循环管路密封连接;所述的外冷循环管路的一侧的两个端口对应密封连接在板式换热器(10)的外冷侧的输入端口与输出端口,外冷循环管路的另一侧的两个端口对应密封连接在冷却塔(30)的输入端与输出端;所述的压力补水管路的输入端与高位水箱(20)密封连接,压力补水管路的输出端与内冷循环管路密封连接;所述的排气管路的进气端分别与氢燃料电池发动机以及缓冲温控装置(16)密封连接,排气管路的出气端分别与高位水箱(20)密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的内冷循环管路包括:变频水泵机组(11)、电导率传感器(13)、第一压力传感器(14)、第一温度传感器(15)、第二温度传感器(17)、第二压力传感器(18)、第一流量计(19);所述的板式换热器(10)的内冷侧输出端口与变频水泵机组(11)的输入端密封连接,变频水泵机组(11)的输出端与缓冲温控装置(16)输入端密封连接,电导率传感器(13)、第一压力传感器(14)、第一温度传感器(15)分别密封安装在变频水泵机组(11)的输出端与缓冲温控装置(16)的输入端之间的管道上,缓冲温控装置(16)的输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接;氢燃料电池发动机的出堆口与第一流量计(19)的输入端密封连接,第一流量计(19)的输出端与板式换热器(10)的内冷侧输入端口密封连接,第二温度传感器(17)、第二压力传感器(18)分别密封安装在氢燃料电池发动机的出堆口与第一流量计(19)的输入端之间的管道上。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的缓冲温控装置(16)包括:缓冲水箱(160)、第四温度传感器(161)、第二电加热器(162)、第三电磁阀(163);所述的变频水泵机组(11)的输出端与缓冲水箱(160)的输入端密封连接,缓冲水箱(160)的输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接,缓冲水箱(160)中设置有第二电加热器(162),第四温度传感器(161)密封安装在缓冲水箱(160)上,缓冲水箱(160)底部设置有排水管道、排水管道上密封安装有第三电磁阀(163)。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的外冷循环管路包括:冷却塔(30)、第五阀门(31)、Y型过滤器(32)、第三压力传感器(33)、第三温度传感器(34)、三通比例阀(35)、第二流量计(36)、第六阀门(37);所述的第二流量计(36)的输入端与板式换热器(10)的外冷侧输出端密封连接,第二流量计(36)的输出端与第六阀门(37)的一端密封连接,第六阀门(37)的另一端与冷却塔(30)的输入端密封连接,冷却塔(30)的输出端与第五阀门(31)的一端密封连接,第五阀门(31)的另一端与Y型过滤器(32)的一端密封连接,Y型过滤器(32)的另一端与三通比例阀(35)的输入端密封连接,三通比例阀(35)的一个输出端密封连接在板式换热器(10)的外冷侧输出端,三通比例阀(35)的另一个输出端与板式换热器(10)的外冷侧输入端密封连接,第三压力传感器(33)、第三温度传感器(34)分别密封连接在Y型过滤器(32)与三通比例阀(35)之间的管道上。
5.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的重力补水管路包括:第一阀门(22)、第二阀门(23);所述的第一阀门(22)的一端密封连接在高位水箱(20)的底部、第一阀门(22)的另一端密封连接在第一流量计(19)的输出端与板式换热器(10)的内冷侧输入端口之间的管道上;第二阀门(23)的一端密封连接在高位水箱(20)的底部、第二阀门(23)的另一端密封连接在变频水泵机组(11)的输出端管道上。
6.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的压力补水管路包括:微型电动补水泵(21),所述的微型电动补水泵(21)的输入端密封连接在高位水箱(20)的底部,微型电动补水泵(21)的输出端密封连接在板式换热器(10)的内冷侧输出端口与变频水泵机组(11)的输入端之间的管道上。
7.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的排气管路包括:第三阀门(25)、第四阀门(26);所述的第三阀门(25)的一端密封连接在氢燃料电池发动机的出堆口、第三阀门(25)的另一端与高位水箱(20)密封连接;第四阀门(26)的一端密封连接在缓冲水箱(160)的顶部、第四阀门(26)的另一端与高位水箱(20)密封连接。
8.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的变频水泵机组(11)的输出端管道上设置有排水管道、排水管道上密封安装有第一电磁阀(12)。
9.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池发动机热循环系统,其特征在于,所述的三通比例阀(35)与板式换热器(10)的外冷侧输入端之间的管道上设置有排水管道、排水管道上密封安装有第二电磁阀(38)。
10.一种应用于权利要求1-9任一项所述的氢燃料电池发动机热循环系统的缓冲温控装置,其特征在于,包括:缓冲水箱(160)、第四温度传感器(161)、第二电加热器(162)、第三电磁阀(163);所述的缓冲水箱(160)的输入端与内冷循环管路密封连接,缓冲水箱(160)的输出端与氢燃料电池发动机的入堆口密封连接,缓冲水箱(160)中设置有第二电加热器(162),第四温度传感器(161)密封安装在缓冲水箱(160)上,缓冲水箱(160)底部设置有排水管道、排水管道上密封安装有第三电磁阀(163),缓冲水箱(160)的顶部与排气管路密封连接。
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CN116169328A (zh) * 2023-04-23 2023-05-26 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池系统控制方法、装置、电子设备及燃料电池
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