一种利用液氢冷能的燃料电池系统及其工作方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种利用液氢冷能的燃料电池系统及其工作方法。

背景技术：

1、燃料电池在发电过程中会产生大量的热，需要通过冷却将热量带走，保持电池内部的反应温度。现有技术中的燃料电池水冷冷却系统，通常采用液态水或者防冻液为冷却解质，该冷却系统结构复杂，极大增加了系统复杂性，降低了系统体积功率密度以及质量功率密度。冷却系统总若采用液态水，冬季容易被冻住，影响电堆的正常使用，若采用防冻液，则造价过高，极大提升了系统使用成本。

2、现有技术中还可以通过空气冷却燃料电池，使用空气进行散热，但空气比热过低，散热能力受限，入堆氢气的温度通常远低于电堆温度，造成电堆内温度分布不均，从而导致堆内水分布也不均匀，电堆耐久性下降。

3、另外，由于氢燃料电池的阳极需要高压氢瓶提供液氢，液氢温度过低，入堆前通常需要单独设置的换热器进行换热，增加了系统复杂度和使用成本，且液氢的冷能未得到有效利用。

4、现有技术通常将喷雾辅助散热作为常规散热手段增强散热器散热能力，雾化后的液态水极易附着空气中的灰尘等杂质，附着于散热风扇和散热器表面，形成泥浆，损害散热器寿命。

5、因此，亟待设计一种利用液氢冷能的燃料电池系统及其工作方法，解决上述现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决现有技术的问题，本发明采用了如下技术方案：

2、一种利用液氢冷能的燃料电池系统，包括氢源、高压组件、汽化引射器、启动电池阀、加热器、回流引射器、散热器、电堆、氢泵和气液分离器；氢源连接高压组件，高压组件连接t形管道，t形管道的一支连接汽化引射器，另一支依次连接启动电池阀、加热器；汽化引射器和加热器共同连接回流引射器，回流引射器连接散热器，散热器连接电堆的冷却路入口，电堆的冷却路出口连接t形管道，t形管道的一支连接汽化引射器，另一支依次连接氢泵、气液分离器，气液分离器连接电堆的阳极入口，电堆的阳极出口连接回流引射器。

3、进一步的，所述气液分离器的液体出口连接有t形管道，t形管道的一支依次连接水泵、雾化器，所述雾化器设置在散热器的一侧，所述雾化器通过雾化喷嘴将雾化后的水珠喷入散热器，雾化后的水珠随着空气进入散热器后，汽化吸收大量热量，从而实现燃料电池系统快速降温的目的，缩短停机所需时长；t形管道的另一支上设置有排水电池阀，用于将气液分离器中的液态水排出燃料电池系统。

4、进一步的，所述电堆的冷却路出口处设置有温度传感器，用于测量电堆冷却路出口处的温度；所述电堆的阳极入口处设置有第一压力传感器，用于测量电堆阳极入口处的压力；所述电堆的阳极出口处设置有第二压力传感器，用于测量电堆阳极出口处的压力。

5、本发明还提供了一种基于上述利用液氢冷能的燃料电池系统的工作方法，所述工作方法包括启动方法，具体如下：

6、启动过程中打开启动电磁阀，氢源提供的液态氢气经高压组件降压后，通过启动电池阀流向加热器，液态氢气在加热器中汽化，随后进入回流引射器，在回流引射器中引射来自电堆阳极出口的气体，再经过散热器由电堆冷却路入口进入，此时散热器不工作，启动过程中电堆产热均用于系统升温；

7、当冷却路出口处的温度达到设定温度时，关闭启动电磁阀，氢源提供的液态氢气经高压组件降压后，流向汽化引射器，完成启动过程。

8、进一步的，所述工作方法还包括稳定运行方法：

9、氢源提供的液态氢气经高压组件降压后，流入汽化引射器，在汽化引射器中，低温液态氢气与从电堆冷却路出口流出的高温气体混合，低温液态氢气吸收电堆冷却路出口流出的高温气体的热量后，低温液态氢气汽化，在汽化引射器中形成一级混合气体；

10、汽化引射器中的一级混合气体进入回流引射器中，在回流引射器中引射来自电堆阳极出口的气体，即回收电堆阳极出口处未反应完的氢气，并将堆内产水带出电堆阳极，在回流引射器中形成二级混合气体；

11、回流引射器中的二级混合气体先经散热器降温，形成冷凝水和低温氢气，并从电堆的冷却路入口进入电堆，在电堆中冷凝水汽化吸收大量的热，低温氢气也同样吸收热量，低温氢气温度升高至与堆内同温，随后从电堆冷却路出口排出；

12、从电堆冷却路出口排出的高温高湿气体一部分回流进入汽化引射器，为氢源提供的低温液态氢气提供汽化热，另一部分被氢泵泵入气液分离器，在气液分离器中分离出液态水后，经电堆阳极入口进入电堆参与反应。

13、进一步的，由氢泵泵入电堆的氢气流量等于所需氢气流量，所需氢气流量由电堆的运行电流决定，所需氢气流量m的计算公式如下：

14、m＝i*n/96485*β (1)；

15、式中，i为电堆工作电流，n为电堆单电池片数，β为氢气计量比。

16、进一步的，所述工作方法还包括停机方法：

17、停机过程中，氢源停止供应液态氢气，关闭高压组件，此时氢泵和散热器高速运作，燃料电池系统内氢气依次经由氢泵、气液分离器、电堆阳极入口、电堆阳极出口、回流引射器、散热器、电堆冷却路入口、电堆冷却路出口，再回到氢泵，循环往复，此时回流引射器仅作为管路使用；

18、散热器的高速运转，堆内的高湿氢气和冷凝水在氢泵的作用下在系统内循环，并在氢泵后端的气液分离器中完成气液分离，分离出的液态水通过排水电磁阀排出燃料电池系统，实现燃料电池系统停机排水；

19、停机排水过程中，当电堆冷却路出口温度达到环境温度，且电堆阳极进出口压降稳定不变时，判定燃料电池系统液态水吹扫完毕，关闭所有阀门和零部件完成停机过程。

20、进一步的，所述冷却路出口温度由电堆冷却路出口处设置的温度传感器测量得到；所述电堆阳极进出口压降通过电堆阳极入口处压力与电堆阳极出口处压力计算得到；电堆阳极入口处压力通过设置在电堆的阳极入口处的第一压力传感器测量得到；电堆阳极出口处压力通过设置在电堆的阳极出口处的第二压力传感器测量得到。

21、进一步的，在停机过程中，关闭排水电磁阀，利用水泵泵出气液分离器中分离出的液态水，为雾化器提供液态水，雾化器通过雾化喷嘴将雾化后的水珠喷入散热器。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、(1)利用液氢冷能降低燃料电池系统热负荷从而提升系统效率，且利用电堆余热对液氢进行汽化，降低系统成本和复杂度；使用氢气作为燃料电池电堆的散热解质，增加系统体积功率密度和质量功率密度，并且，散热器中的冷凝水也进入电堆，在堆内相变吸热，进一步提高冷却效果，与此同时，堆内换热方案使氢气温度等于电堆温度，升温后的氢气从电堆阳极入口进入，从而使得入堆氢气不影响电堆内部温度分布，提升电堆使用寿命。

24、(2)将雾化器喷雾辅助散热作为停机辅助散热方式，极大缩短了停机所需时长和所需能耗，同时停机在系统运行全时段仅占极小部分，此过程中附着的杂质有限，且在下次运行期间由于散热器气流的自净能力能够将此部分影响消除；由于雾化器喷雾的水源由气液分离器提供，有效利用了电堆产水，提高了能源利用率。

25、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。