用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统。


背景技术：

2.由于具有零排放、无污染、高效等优点，氢燃料电池汽车目前已成为一种备受关注的新能源汽车。常温常压下的氢气能量密度比较小，为保证汽车发动机的功率密度，一般使用低温液氢作为车载储氢方式。
3.现有的低温氢气预热方法主要有两种，一种使通过小循环的高温冷却液对冷氢气进行预热，另一种时通过燃料电池排放的热空气对冷氢气进行预热。
4.当燃料电池在低温环境下运行时，燃料电池需要快速升温，上述预热方法无法对氢气进行有效加热，此时氢气温度极低，冷氢气进入燃料电池与循环氢气混合后会出现冷凝甚至结冰，造成燃料电池故障或损坏。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统，用以解决现有技术不适用于燃料电池在低温环境下快速启动且易导致燃料电池故障的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统，包括电堆（1）、第一电磁阀（9）、第二电磁阀（7）、氢气加热装置（10）、换热器（8）、节温器（3）、散热器（5）和液氢存储装置（6）；液氢存储装置（6）的输出分为两路，一路依次经第一电磁阀（9）、氢气加热装置（10）接电堆（1）的氢气进口，构成第一预热支路，另一路依次经第二电磁阀（7）、换热器（8）的换热支路一接电堆（1）的氢气进口，构成第二预热支路；节温器（3）的输入端一接电堆（1）的冷却液出口，其输入端二依次经散热器（5）、换热器（8）的换热支路二接电堆（1）的冷却液出口，其输出端接电堆（1）的冷却液进口。
7.上述技术方案的有益效果如下：设置了氢气加热装置，在燃料电池低温启动时通过外加热的方式，对冷氢气进行预热，保障燃料电池在低温情况下快速启动，防止燃料电池因氢气温度过低在电堆内发生冷凝或结冰导致系统故障或损坏。同时，还设置了换热器，在燃料电池运行后可利用燃料电池产生的热量对冷氢气进行预热，这时可关闭氢气加热装置，有效降低功耗，同时充分利用液氢气体释放的冷能参与燃料电池运行过程中的降温，充分利用了冷能。
8.基于上述系统的进一步改进，该氢气温度调控系统还包括：控制器，用于在燃料电池低温启动时，启动氢气加热装置（10）并开启液氢存储装置（6）、第一电磁阀（9），以通过第一预热支路对冷氢气进行预热；以及，在燃料电池启动后，监测到燃料电池升温至目标温度时，开启第二电磁阀（7），并调整节温器（3）的开度以保证
入堆氢气温度不低于设定值，以通过第一预热支路、第二预热支路一起对冷氢气预热，继续监测到入堆氢气温度升高至换热器（8）可单独预热的标定下限温度时关闭氢气加热装置（10）、第一电磁阀（9），以通过第二预热支路对冷氢气进行预热。
9.进一步，所述控制器进一步包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元；并且，数据处理与控制单元的输出端分别与第一电磁阀（9）、第二电磁阀（7）、氢气加热装置（10）、节温器（3）、散热器（5）和液氢存储装置（6）的控制端连接。
10.进一步，所述数据获取单元进一步包括：氢气温度传感器（11），布设于所述电堆（1）的氢气进口处管道内壁上，用于获取入堆氢气温度；冷却液温度传感器（4），布设于电堆（1）的冷却液进口处管道内壁上，用于获取入堆冷却液温度。
11.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：在燃料电池低温启动时，启动氢气加热装置（10），并开启液氢存储装置（6）、第一电磁阀（9），以单独通过第一预热支路对冷氢气进行预热；关闭节温器（3），以使节温器（3）的输出端一导通、输出端二关闭，开启燃料电池的冷却液小循环；在燃料电池启动后，监测冷却液温度传感器（4）数据是否达到目标温度，如果是，开启节温器（3）并逐步增大其开度，执行下一步，否则，继续监测；在开启节温器（3）的同时开启第二电磁阀（7），识别开启后氢气温度传感器（11）数据是否低于设定值，如果是，立即关闭第二电磁阀（7），间隔设定时间后再次开启第二电磁阀（7）重复氢气温度传感器（11）数据的上述识别，如果否，执行下一步；继续识别氢气温度传感器（11）数据是否超过换热器（8）可单独预热的标定下限温度,如果是，则关闭第一电磁阀（9）和氢气加热装置（10），以通过第二预热支路对冷氢气预热，如果否，继续下一时刻的识别。
12.进一步，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：在关闭第一电磁阀（9）和氢气加热装置（10）后，调节节温器（3）的开度以维持冷却液温度传感器（4）数据不超过设定温度；识别节温器（3）的开度是否达到最大，如果是，在冷却液温度传感器（4）数据达到设定温度时，启动散热器，否则，继续增大节温器（3）开度。
13.进一步，该氢气温度调控系统还包括；冷却液加热装置（12），布设于电堆（1）的冷却液出口、节温器（3）的输入端一之间，其控制端与控制器的输出端连接。
14.进一步，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：在燃料电池低温启动时，先启动冷却液加热装置（12）；监测到冷却液温度传感器（4）数据上升至目标温度时，在执行启动氢气加热装置（10），并开启液氢存储装置（6）、第一电磁阀（9）的步骤。
15.进一步，该氢气温度调控系统还包括：第三电磁阀（2），设于液氢存储装置（6）的输出端，其控制端与控制器的输出端连
接，用于开启液氢存储装置（6）；进气节气门（13），设于电堆的氢气进口处，其控制端与控制器的输出端连接，用于控制入堆氢气的导通。
16.进一步，所述控制器具有显示模块；并且，该显示模块的显示屏上分别显示氢气温度传感器（11）、冷却液温度传感器（4）的实时数据。
17.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：1、当燃料电池低温启动时，通过氢气加热装置预热氢气，防止氢气路温度过低对燃料电池系统造成影响，提高了燃料电池运行可靠性。
18.2、当燃料电池运行时，燃料电池升温完成后，监控入堆氢气温度可自动判断换热器参与后是否还满足氢气预热需求，防止温度突变，对燃料电池系统造成影响。
19.3、在换热满足氢气预热需求（即具备预热能力），既可以通过换热器给氢气进行加热，同时也可以降低散热需求，最大限度的利用冷能，提高了散热系统温控精度、耐久性。
20.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
21.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
22.图1示出了实施例1用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统组成示意图；图2示出了实施例2用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统组成示意图；图3示出了实施例2用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统控制流程示意图。
23.附图标记：1
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电堆；2
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第三电磁阀；3
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节温器；4
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冷却液温度传感器；5
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散热器；6
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液氢存储装置；7
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第二电磁阀；8
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换热器；9
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第一电磁阀；10
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氢气加热装置；11
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氢气温度传感器；12
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冷却液加热装置；13
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进气节气门。
具体实施方式
24.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
25.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
26.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统，如图1所示，包括电堆1、第一电磁阀9、第二电磁阀7、氢气加热装置10、换热器8、节温器3、散热器5和液氢存储装置6。
27.液氢存储装置6的输出分为两路，一路依次经第一电磁阀9、氢气加热装置10接电堆1的氢气进口，构成第一预热支路（加热支路），另一路依次经第二电磁阀7、换热器8的换热支路一接电堆1的氢气进口，构成第二预热支路（换热支路）。
28.节温器3的输入端一接电堆1的冷却液出口，其输入端二依次经散热器5、换热器8的换热支路二接电堆1的冷却液出口，其输出端接电堆1的冷却液进口。
29.上述氢气温度调控系统适用于现有的任意一种使用液氢存储装置6的氢燃料电池发动机。
30.可选地，氢气加热装置10可以是电加热装置或者物理化学加热装置，例如利用生石灰等。
31.可选地，液氢存储装置6可以是液氢罐或者其他低温绝热容器。也可根据实际需求，添置冷却设备。
32.实施时，燃料电池低温启动时通过外加热方式，通过第一预热支路对冷氢气进行预热，直到燃料电池启动成功。燃料电池运行时，电堆释放出大量的热量，启动第二预热支路协同第一预设支路一起对冷氢气进行预热，当第二预热支路单独使用能够满足冷氢气预设需求时，关闭第一预热支路。
33.与现有技术相比，本实施例提供的氢气温度调控系统设置了氢气加热装置10，在燃料电池低温启动时通过外加热的方式，对冷氢气进行预热，保障燃料电池在低温情况下快速启动，防止燃料电池因氢气温度过低在电堆1内发生冷凝或结冰导致系统故障或损坏。同时，还设置了换热器8，在燃料电池运行后可利用燃料电池（电堆）产生的热量对冷氢气进行预热，这时可关闭氢气加热装置10，有效降低功耗，同时充分利用液氢气体释放的冷能参与燃料电池运行过程中的降温，充分利用了冷能。
34.实施例2在实施例1的基础上进行改进，该氢气温度调控系统还包括控制器。
35.控制器，用于在燃料电池低温启动时，启动氢气加热装置10并开启液氢存储装置6、第一电磁阀9，以通过第一预热支路对冷氢气进行预热，实现燃料电池燃料电池低温启动的氢气预热功能；以及，在燃料电池启动（有输出电流产生）后，监测到燃料电池升温至目标温度时，开启第二电磁阀7，并调整节温器3的开度以保证入堆氢气温度不低于设定值，以通过第一预热支路、第二预热支路一起对冷氢气预热（降低第一预热支路的功耗），继续监测到入堆氢气温度升高至换热器8可单独预热的标定下限温度时关闭氢气加热装置10、第一电磁阀9，以通过第二预热支路对冷氢气进行预热。
36.优选地，控制器进一步包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元。
37.数据处理与控制单元的输出端分别与第一电磁阀9、第二电磁阀7、氢气加热装置10、节温器3、散热器5和液氢存储装置6的控制端连接。
38.数据采集单元，用于获取燃料电池温度，入堆氢气温度，以及其他参数（例如入堆冷却液温度、出堆冷却液温度），如图2所示。
39.优选地，数据获取单元进一步包括氢气温度传感器11、冷却液温度传感器4。
40.氢气温度传感器11，布设于所述电堆1的氢气进口处管道内壁上，用于获取入堆氢气温度。
41.冷却液温度传感器4，布设于电堆1的冷却液进口处管道内壁上，用于获取入堆冷却液温度，其作为燃料电池温度的表征参数。需说明的是，冷却液温度传感器4设置于冷却液出口处也可以表征燃料电池温度。
42.优选地，数据处理与控制单元执行如下程序：s1.在燃料电池低温启动时，启动氢气加热装置10，并开启液氢存储装置6、第一电磁阀9，以单独通过第一预热支路对冷氢气进行预热，保证入堆氢气温度满足运行要求；s2.关闭节温器3，以使节温器3的输出端一导通、输出端二关闭，开启燃料电池的冷却液小循环，保持小循环快速升温；s3.在燃料电池启动后，监测冷却液温度传感器4数据（该数据不断升高）是否达到目标温度，如果是，开启节温器3并逐步增大其开度（即节温器3控制冷却液循环逐步切换至散热器路），执行下一步，否则，继续监测；s4.在开启节温器3的同时开启第二电磁阀7，冷氢气可通过第一预热支路、第二预热支路两路同时进行加热，识别开启后氢气温度传感器11数据是否低于设定值，如果是，立即关闭第二电磁阀7，仍然通过第一预热支路对冷氢气进行预热，间隔设定时间后再次开启第二电磁阀7重复氢气温度传感器11数据的上述识别，如果否，即继续通过第一预热支路、第二预热支路两路同时对冷氢气进行加热，然后执行下一步；s5.继续识别氢气温度传感器11数据是否超过换热器8可单独预热的标定下限温度（需注意，该下限温度大于上面的设定值），如果是，则关闭第一电磁阀9和氢气加热装置10，以仅通过第二预热支路对冷氢气预热，如果否，继续通过第一预热支路、第二预热支路两路同时对冷氢气进行加热，继续下一时刻的识别。
43.优选地，数据处理与控制单元还执行如下程序：s6.在关闭第一电磁阀9和氢气加热装置10后，调节节温器3的开度以维持冷却液温度传感器4数据不超过设定温度；s7.识别节温器3的开度是否达到最大，如果是，在冷却液温度传感器4数据达到设定温度时，启动散热器，否则，继续增大节温器3开度，以最大限度减少散热器的功耗。
44.优选地，该氢气温度调控系统还包括冷却液加热装置12。
45.冷却液加热装置12，布设于电堆1的冷却液出口、节温器3的输入端一之间，其控制端与控制器的输出端连接。
46.优选地，数据处理与控制单元还执行如下程序：s01.在燃料电池低温启动时，先启动冷却液加热装置12；s02.监测到冷却液温度传感器4数据上升至目标温度时，在执行步骤s1。
47.优选地，该氢气温度调控系统还包括第三电磁阀2、进气节气门13。
48.第三电磁阀2，设于液氢存储装置6的输出端，其控制端与控制器的输出端连接，用于开启液氢存储装置6。
49.进气节气门13，设于电堆的氢气进口处，其控制端与控制器的输出端连接，用于控制入堆氢气的导通。
50.优选地，控制器具有显示模块。并且，该显示模块的显示屏上分别显示氢气温度传感器11、冷却液温度传感器4的实时数据。
51.实施时，从燃料电池启动到运行的过程中，氢气预热分为三个阶段；第一阶段在燃料电池低温启动时通过外加热方式，对氢气进行预热，使得氢气温度传感器11达到额定运行温度范围，保障燃料电池在低温情况下快速启动；第二阶段等待燃料电池升温，待燃料电池升温完成后（冷却液温度传感器4数据上升至目标温度），通过监控氢气温度传感器11判断出换热器是否满足氢气预热需求（氢气温度传感器11数据升高至换热器8可单独预热的标定下限温度），直到满足预热需求；第三阶段关闭氢气加热装置10，有效降低功耗，同时氢气的冷能可以被充分利用，如图3所示。
52.与现有技术相比，本实施例提供的用于液氢燃料电池发动机的氢气温度调控系统具有如下有益效果：1、当燃料电池低温启动时，通过氢气加热装置10预热氢气，防止氢气路温度过低对燃料电池系统造成影响，提高了燃料电池运行可靠性。
53.2、当燃料电池运行时，燃料电池升温完成后，监控入堆氢气温度可自动判断换热器8参与后是否还满足氢气预热需求，防止温度突变，对燃料电池系统造成影响。
54.3、在换热满足氢气预热需求（即具备预热能力），既可以通过换热器8给氢气进行加热，同时也可以降低散热需求，最大限度的利用冷能，提高了散热系统温控精度、耐久性。
55.实施例3本发明还提供了一种燃料电池发电机，包括上述氢气温度调控系统。
56.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。