一种氢燃料电池系统、热管理方法及轨道交通车辆与流程

本发明涉及氢燃料电池系统，特别是氢燃料电池系统、热管理方法及轨道交通车辆。

背景技术：

1、燃料电池是氢能高效利用的重要途径，具有发电效率高(40％～60％)、补充燃料时间短、清洁环保、安全可靠等优点，在轨道交通车辆牵引供电系统领域具有广阔的应用空间。目前，氢燃料电池系统在机车、动车组、有轨电车和工程车等轨道交通车辆牵引供电系统中已得到应用。

2、氢燃料电池系统通常包含氢燃料电池模块、储氢模块和散热模块。氢气作为氢燃料电池系统的燃料来源，储氢模块的功能为储存氢气，并向氢燃料电池模块提供压强、温度和流量满足要求的氢气。根据储氢原理不同，储氢的方式主要包括高压气态储氢、固态储氢、低温液态储氢等。其中，高压气态储氢是将氢气分子压缩至35mpa或70mpa，存储在高压储氢瓶中。固态储氢是利用储氢合金(包括timn系、mg系、稀土系等)对氢气的可逆催化解离和吸附效应，以原子形式将氢存储在储氢合金中。

3、高压气态储氢具有技术成熟、结构简单、吸放氢条件简单等优势，是目前应用最广泛的储氢方式，但是高压储氢的体积储氢密度仅为24g/l@35mpa或40g/l@70mpa，制约着轨道交通车辆对大储氢量、长续航里程的要求。固态储氢则具有体积储氢密度高，达到50g/l以上；安全性高，吸、放氢压强低于5mpa，非常适用于设备安装空间有限但对重量不敏感的机车、工程车等应用场景。因此，金属固态储氢在机车类轨道交通车辆车载储氢系统中具有广阔的应用前景。

4、公开号为cn113707903a的中国专利申请公开了一种固态储氢为氢源的燃料电池系统，燃料电池、储氢装置、传热件；换热模块，与所述燃料电池电性连接，并设置于所述燃料电池与所述固态储氢罐之间，能够将所述燃料电池工作产生的废热提供给所述固态储氢罐加热升温。该系统能够实现在较低温度下启动。

5、该方案安装了氢气暂存罐，在固态储氢罐中安装传热件和内加热槽，旁边安装了第二换热水槽，同时在燃料电池周边安装了第一换热水槽，结构复杂，重量较重，换热结构设计不合理。另外该方案需要增加氢气暂存罐也就是缓冲罐，用于低温的时候燃料电池启动用氢，该罐子体积大储氢密度低，不管需不需要都不能拆卸，削弱了固态储氢密度高的优点，属于常规的气固混合供氢。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供氢燃料电池系统、热管理方法及轨道交通车辆，利用氢燃料电池的热量用于加热固态储氢模块，提高系统能量利用率。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种氢燃料电池系统，包括氢燃料电池模块、固态储氢模块、分别与氢燃料电池模块、所述固态储氢模块连通的热管理模块，所述氢燃料电池模块包括主模块和辅助模块，其特征在于，所述主模块和所述固态储氢模块之间安装有主热管理模块，所述辅助部件和所述固态储氢模块之间安装有辅助热管理模块；

4、所述主热管理模块包括第一换热器，所述主模块外周安装有第一传热管，所述第一传热管的出水口与所述第一换热器的热介质进水口连通，所述第一换热器的热介质出水口与所述第一传热管的进水口连通，所述固态储氢模块外周安装有第二传热管，所述第一换热器的冷介质出水口通过水泵与所述第二传热管的进水口连通，所述第二传热管的出水口与所述第一换热器的冷介质进水口连通；

5、所述固态储氢模块还包括水箱，所述水箱中安装有加热器，所述水箱与所述第一换热器回路并联，所述水箱的出水口与所述第二传热管的进水口连通，所述第二传热管出水口与所述水箱的进水口连通；

6、优选地，所述主热管理模块(31)中冷却液的电导率为＜5μs/cm。

7、所述辅助热管理模块(32)中冷却液的电导率没有特殊要求。

8、优选地，所述加热器为ptc加热器。

9、本发明分别采用主热管理模块和辅助热管理模块，主热管理模块对冷却液的电导率要求较高，离子电导率太高会导电影响燃料电池寿命。辅助热管理模块的辅助冷却液没有要求，没有特殊要求，成本低。主模块和辅助回路的散热温度不一致，分开散热，保证散热效果和电导率要求。

10、本发明双回路的冷却系统，采用主回路第一换热器和主回路第二换热器串联冷却的形式，主回路冷却介质不与辅助回路连接。

11、当换热器采用水-水换热器时，固态储氢模块所需循环水采用主回路供应，通过换热器与主回路换取热量，并通过水泵改变固态储氢辅助回路中水流量来控制固态储氢模块获取的热量，从而达到控制氢气放出速率的效果。

12、在本发明的一个优选的实施例中，所述第一换热器的热介质处出水口通过主三通阀的其中一接口连通有第二换热器的进液口，所述第二换热器的出液口再与所述第一传热管的进液口连通。

13、主模块热量一部分用于固态储氢放氢所需热量，剩余热量通过第一换热器至第二换热器吹至大气中，减小主模块冷却风扇功率，提高了系统效率。

14、在本发明的一个优选的实施例中，所述主三通阀的另一接口与所述第一传热管的进水口连通。

15、当氢燃料电池模块不产热、或者氢燃料电池模块产生的热量较少时，调整主三通阀使得第一换热器的热介质出水口直接第一传热管的进水口连通。

16、在本发明的一个优选的实施例中，所述辅助热管理模块包括第三换热器，所述辅助模块外侧安装有第三传热管，所述第三传热管的出液口通过辅助三通阀的其中一接口与所述第三换热器的进液口连通，所述第三换热器的出液口与第三传热管的进液口连通，所述辅助三通阀的其中另一接口与所述第二传热管的进液口连通，所述第二传热管的出液口与所述第三传热管的进液口连通。

17、在本发明的一个优选的实施例中，所述第一换热器、所述主三通阀、第二换热器组成的回路与主水箱并联，所述主水箱的出水口与所述第一传热管的进水口连通，所述主水箱的进水口与所述第一传热管的出水口连通。

18、在本发明的一个优选的实施例中，所述第一换热器的冷介质出水口与所述水箱的进水口连通，所述水箱的出水口与所述第一换热器的冷介质进水口连通。

19、优选地，辅助模块包括空压机、空压机控制器、中冷器和dc/dc变流模块。

20、优选地，所述第三换热器回路与辅助水箱回路并联，所述辅助水箱出水口与所述第三传热管的进液口连通，所述第三传热管的出液口与所述辅助水箱进水口连通。

21、优选地，所述第一换热器的加热介质为水。

22、优选地，所述第二换热器为水-风换热器。

23、优选地，所述第三换热器为水-风换热器。

24、优选地，所述加热器为ptc加热器。

25、本发明还公开了一种氢燃料电池系统的热管理方法，包括以下步骤：

26、s1、固态储氢模块未达到启动温度时，通过加热器加热水箱至固态储氢模块可以小流量放氢满足氢燃料电池小功率启动；

27、s2、第二传热管中温度不需要继续加热时，停止加热器加热水箱。

28、当低温环境时，氢燃料电池模块无法启动，固态储氢无法获取来自氢燃料电池的热量而稳定放氢，仅需要少量热量外部加热。

29、在本发明的一个优选的实施例中，s1时同时切换主三通阀，使所述第一换热器的出水口与所述第一传热管的进水口连通；

30、切换辅助三通阀使所述第三换热器的出液口与第二传热管的进液口连通，所述第二传热管的出液口与所述第三传热管的进液口连通。

31、在本发明的一个优选的实施例中，所述的氢燃料电池系统的热管理方法还包括s3、切换主三通阀，所述第一换热器的热介质处出水口与第二换热器的进液口连通，所述第二换热器的出液口与所述第一传热管的进液口连通；

32、切换辅助三通阀，所述第三传热管的出液口与所述第三换热器的进液口连通，所述第三换热器的出液口与第三传热管的进液口连通。

33、当固态储氢模块正常启动后，启动第二换热器用于主模块散热。启动第三换热器用于辅助热管理模块散热。

34、优选地，s1固态储氢模块的启动温度大于等于60℃。

35、优选地，s2第二传热管中温度大于35℃时，停止加热器加热水箱。

36、优选地，s1时，主三通阀和辅助三通阀关闭主回路和辅助回路，切换至虚线所示的小循环，使得氢燃料电池产生的热和发电、辅助系统产热全部用来加热固态储氢模块，用以快速启动固态储氢模块，从而使整个系统快速进入稳定工作状态。

37、本发明还公开了一种轨道交通车辆，其特征在于包括所述的氢燃料电池系统。

38、与公开号为cn113707903a的中国专利申请相比，本技术不需要增加缓冲罐，只需要增加ptc加热器就可以，利用车载储能电源低温加热，温度达到固态储氢放氢就不需要使用ptc加热器，满足应用的条件下不增加空间和重量。

39、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

40、(1)提出了一种固态储氢放氢的热管理系统：固态储氢的放氢需要的热量来自氢燃料电池模块的废热，减小主回路水-风散热器的负担，降低了主回路冷却风扇功率，提高了系统能量利用率10％以上。

41、(2)提出一种氢燃料电池系统低温启动的控制方法：当低温启动时，可通过开启小循环的模式，采用氢燃料电池产生的热和发电加热、辅助系统产热全部用来加热固态储氢模块，快速启动氢燃料电池系统，通过自身热电联供大大节约启动时间，减少对外部电源的依赖程度，提高整车使用便捷性提升。