CN111725543A - 一种氢燃料电池及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池及其控制方法，通过控制单向调节阀、压缩机和三通调节阀开启，压缩机对空气加热，并将加热后的空气输送至空气换热机构，通过空气换热机构对固态储氢材料罐内的储氢材料加热产生氢气，并控制氢气出气阀开启，最后基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀的开合度，使符合目标压力和流量的氢气进入电堆，从而杜绝通过氢气燃烧加热带来的安全事故，并节约了氢能源，使车辆在氢材料一定时，车辆续航能力达到最大。

Description

一种氢燃料电池及其控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体为一种氢燃料电池及其控制方法。
背景技术
氢能具有来源多样、燃烧值高、利用高效、清洁环保等优点，受全球能源消费量不断增长和能源消耗导致气候问题的影响，氢燃料电池汽车作为一种“零排放、无污染”的载运工具，氢燃料电池一般为质子交换膜燃料电池，这种电池不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，同时其使用温度较低，低于100℃，功率密度高，是目前车用氢燃料电池中技术最为成熟、应用最为广泛的燃料电池类型之一。
固态储氢***放氢时需要加热，需要加热至大于280℃，且供氢时需要降温，使得固态储氢使用于质子交换膜燃料电池氢燃料电池时，一般是通过燃烧氢气达到加热目的。
但是，通过燃烧氢气加热时，对设计要求较高，容易引发安全事故，且浪费能源，使得汽车的续航能力下降。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种氢燃料电池及其控制方法，以解决现有技术中通过燃烧氢气加热，导致的安全事故发生、能源浪费和汽车的续航能力下降问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面公开了一种氢燃料电池，包括：空气压缩***和固态储氢加热***；
所述空气压缩***包括：压缩机；
所述固态储氢加热***包括：固态储氢材料罐，和用于同所述固态储氢材料罐配合的空气换热机构；
所述压缩机的排气口连通于所述空气换热机构的进气口。
优选的，所述空气换热机构为设置在所述固态储氢材料罐外部的空气夹层。
所述储氢装置外部为空气夹层，内部为固态储氢罐。
优选的，还包括：空气预热***；
所述空气预热***包括：空气预热器和水泵；
所述水泵的进口连通于所述压缩机的冷却液出口，所述水泵的出口连通于所述空气预热器的进液口；
所述空气预热器的出液口连通于所述压缩机的进液口，所述空气预热器的出气口连通于所述压缩机的进气口。
优选的，所述空气预热***还包括：三通调节阀；
所述三通调节阀的第一进口连通于所述空气预热器的出气口，所述三通调节阀的第二进口连通于所述空气换热机构的出气口，所述三通调节阀的出口连通于所述压缩机的进气口；
所述氢燃料电池还包括：控制***，所述控制***能够通过控制所述三通调节阀调节所述第一进口、所述第二进口和出口的流量。
优选的，还包括：气体冷却***；
所述气体冷却***包括：中冷器和单向调节阀；
所述中冷器的进口连通于所述固态储氢材料罐的出口；
所述单向调节阀设置于所述中冷器的出口。
优选的，还包括：氢气缓冲罐；
所述氢气缓冲罐的入口通过所述单向调节阀连通于所述中冷器的出口。
优选的，还包括：压力调节***和电堆；
所述压力调节***包括：入堆氢气调节阀；
所述电堆通过所述入堆氢气调节阀连通于所述氢气缓冲罐的出口。
优选的，还包括与电堆连接的蓄电池组。
本发明第二方面公开了一种氢燃料电池控制方法，采用本发明第一方面公开中任一项所述的氢燃料电池，包括：
控制单向调节阀、压缩机和三通调节阀开启，使经过压缩机升温的气体进入固态储氢加热***的外部空气夹层对所述空气夹层升温；
基于空气夹层升温，控制氢气出气阀开启，使得氢气进去氢气缓冲罐中；
基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀的开合度。
优选的，还包括：
控制水泵、空气进气阀、空气排气阀、三通调节阀和压缩机关闭；
当固态储氢加热***的空气夹层温度降低至目标温度时，控制氢气出气阀、入堆氢气调节阀和单向调节阀关闭。
由上述内容可知，本发明的公开了一种氢燃料电池及其控制方法，在氢燃料电池启动时，控制单向调节阀、压缩机和三通调节阀开启，使经过压缩机升温的气体进入固态储氢加热***的外部空气夹层对所述空气夹层升温；基于空气夹层升温，控制氢气出气阀开启，使得氢气进去氢气缓冲罐中；基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀的开合度。通过上述公开的氢燃料电池控制方法，通过控制单向调节阀、压缩机和三通调节阀开启，压缩机对空气加热，并将加热后的空气输送至空气换热机构，通过空气换热机构对固态储氢材料罐内的储氢材料加热产生氢气，并控制氢气出气阀开启，最后基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀的开合度，使符合目标压力和流量的氢气进入电堆，从而杜绝通过氢气燃烧加热带来的安全事故，并节约了氢能源，使车辆在氢材料一定时，续航能力达到最大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种氢燃料电池结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种氢燃料电池控制方法中启动时流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种氢燃料电池控制方法中停止时流程示意图。
其中，空气预热器1、控制***2、水泵3、空气进气阀4、固态储氢加热***5、氢气出气阀6、氢气缓冲罐7、电堆8、入堆氢气调节阀9、单向调节阀10、中冷器11、空气排气阀12、压缩机13和三通调节阀14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供一种氢燃料电池，参见图1，为氢燃料电池的结构示意图，所述氢燃料电池包括：空气压缩***和固态储氢加热***5；
所述空气压缩***包括：压缩机13；
所述固态储氢加热***5包括：固态储氢材料罐，和用于同所述固态储氢材料罐配合的空气换热机构；
所述压缩机13的排气口连通于所述空气换热机构的进气口。
需要说明的是，所述压缩机13是一种通过内部做功，并转化为空气的内能加热装置，通过所述压缩机13可以使空气升温；
所述固态储氢材料罐主要用于存储固态氢材料，所述空气换热机构能通过压缩机13所加热的空气对固态储氢材料罐加热，当固态储氢材料罐内的储氢材料温度达到一定时，储氢材料受热就能放出氢气。
通过上述公开的技术方案，采用压缩机对空气加热，并将加热后的空气输送至空气换热机构，通过空气换热机构对固态储氢材料罐内的储氢材料加热，从而杜绝通过氢气燃烧加热带来的安全事故，并节约了氢能源，使车辆在氢材料一定时，车辆续航能力达到最大。
进一步，所述空气换热机构为设置在所述固态储氢材料罐外部的空气夹层。
所述储氢装置5外部为空气夹层，内部为固态储氢罐。
需要说明的是，将空气换热机构设置在所述固态储氢材料罐外部的空气夹层，将压缩机13加热后的空气输送至空气夹层中，加热的空气对内部的固态储氢罐直接加热，使得固态储氢罐内的储氢材料受热放出氢气。
优选的，所述氢燃料电池，还包括：空气预热***；
所述空气预热***包括：空气预热器1和水泵3；
所述水泵3的进口连通于所述压缩机13的冷却液出口，所述水泵3的出口连通于所述空气预热器1的进液口；
所述空气预热器1的出液口连通于所述压缩机13的进液口，所述空气预热器1的出气口连通于所述压缩机13的进气口。
需要说明的是，所述空气预热器1主要是对空气进行预热，降低压缩机13的工作强度，通过空气预热器1和压缩机13同时对空气加热，能使空气的温度更容易达到理想温度。
优选的，所述空气预热***，还包括：三通调节阀14；
所述三通调节阀14的第一进口连通于所述空气预热器1的出气口，所述三通调节阀14的第二进口连通于所述空气换热机构的出气口，所述三通调节阀14的出口连通于所述压缩机13的进气口；
所述氢燃料电池还包括：控制***2，所述控制***能够通过控制所述三通调节阀(14)调节所述第一进口、所述第二进口和出口的流量。
需要说明的是，空气换热机构中的空气对固态储氢罐内的储氢材料加热，空气换热机构中的空气温度大于外界环境的温度，因此，通过控制***2对三通调节阀14的控制，将空气换热机构中的空气循环至空气预热器1再次加热，可以有效降低空气预热器1和压缩机13的工作强度，另外在***初次运行时，能够快速将空气温度加热至目标温度，使固态储氢罐内的储氢材料受热放出氢气。
进一步，所述空气预热***，还包括：气体冷却***；
所述气体冷却***包括：中冷器11和单向调节阀10；
所述中冷器11的进口连通于所述固态储氢材料罐的出口；
所述单向调节阀10设置于所述中冷器11的出口。
需要说明的是，所述中冷器11主要用于对氢气降温，并将降温后的氢气通过单向调节阀10输送出去，所述单向调节阀10能够防止因***停机后，气体倒流回固态储氢材料罐。
进一步，所述空气预热***，还包括：氢气缓冲罐7；
所述氢气缓冲罐7的入口通过所述单向调节阀10连通于所述中冷器11的出口。
需要说明的是，所述氢气缓冲罐7能够收集氢气，为需要氢气的设备提供氢气。
进一步，所述空气预热***，还包括：压力调节***和电堆8；
所述压力调节***包括：入堆氢气调节阀9；
所述电堆8通过所述入堆氢气调节阀9连通于所述氢气缓冲罐7的出口。
需要说明的是，所述入堆氢气调节阀9能够根据电堆8对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀9开合度，使进入电堆8的氢气压力和流量符合目标值。
进一步，所述空气预热***，还包括与电堆8连接的蓄电池组。
需要说明的是，所述蓄电池组能够将电堆8所产生的电能储存，以满足特殊情况下车辆或车辆内的气体设备可以使用纯电模式运行。
为了便于理解上述方案，参考图1，下面进行具体说明。
一种氢燃料电池车辆，包括空气预热***、空气压缩***、固态储氢加热***、气体冷却***、氢气缓冲罐、压力调节***、控制***；
所述空气预热***用于气体进入空压机前的预热，包括换热器及循环水泵，来自于周围环境的空气与空压机冷却液进行换热及水循环；
所述液空气压缩***用于空气的加热，通过内部做功，将其转化为空气的内能，达到空气升温的目的；
所述固态储氢加热***用于将热空气热量传递给储氢材料，使储氢材料受热放氢；
所述气体冷却***用于储氢材料受热释放的氢气的冷却，使在温度较低的情况下储存于氢气缓冲罐中；
所述氢气缓冲罐用于临时储存氢气，使得车辆在启动及大功率供氢时的及时响应，避免供氢不及时影响车辆运行及电堆健康状态；
所述压力调节***用于进入电堆前气体的压力的调节；
所述控制***用于上述整个***的启动、运行控制，包括对空气预热***、空气压缩***、固态储氢加热***、气体冷却***的控制；
作为进一步的改进，所述燃料电池电堆还与蓄电池组连接，将燃料电池电堆产生的电能储存在蓄电池组中，满足特殊情况下车辆可以纯电模式运行。
具体的，一种燃料电池，包括：空气预热器1、控制***2、水泵3、空气进气阀4、固态储氢加热***5、氢气出气阀6、氢气缓冲罐7、电堆8、入堆氢气调节阀9、单向调节阀10、中冷器11、空气排气阀12、压缩机13和三通调节阀14。
环境空气在空气预热器1中与压缩机冷却液进行换热，实现入压缩机空气的预热及冷却液降温，升温后的空气通过三通调节阀14进入压缩机13，经压缩机13升温后的空气通过空气进气阀4进入固态储氢加热***5(固态储氢加热***5外部为空气夹层，内部是固态储氢材料罐)，内部的固态储氢材料经过热空气加热，放出的氢气通过氢气出气阀6进入，中冷器11对产生的氢气降温，降温后的氢气经过单向调节阀10(避免气体倒流)进入氢气缓冲罐7临时储存，并经过入堆氢气调节阀9进入电堆。由于压缩机13工作过程中产生很大的热量，超过一定温度时，需要冷却以保证其可以正常工作，因此空压机冷却液经过水泵3进入空气预热器1，与空气换热后温度降低，再循环进入压缩机13进行冷却。
运行过程中，水泵3、空气进气阀4、氢气出气阀6、入堆氢气调节阀9、单向调节阀10、空气排气阀12、压缩机13、三通调节阀14与控制***连接，通过控制***调控其动作，完成车辆的启动、运行及停车各过程，具体如下：
车辆启动及运行过程时，压缩机13开启，三通调节阀开启，环境空气经过空气预热器1进入压缩机13，经过压缩升温的气体经过空气进气阀4进入固态储氢加热***5的外部空气夹层，给空气夹层升温，空气循环经过空气排气阀12再返回压缩机13，环境空气及空气夹层进压缩机13的流量及流量分配通过控制***2控制三通调节阀14进行调节。经过空气夹层的加热，固态储氢加热***5内部的固态储氢罐受热，使得氢气逸出，控制***2打开氢气出气阀6，使得氢气经过中冷器11降温，氢气经过单向调节阀10进入氢气缓冲罐7，根据电堆对氢气流量及压力的需求，调节入堆氢气调节阀9，满足电堆8反应的氢气需求。由于压缩机13工作过程中产生很大的热量，超过一定温度时，需要冷却以保证其可以正常工作，因此空压机冷却液经过水泵3进入空气预热器1，与空气换热后温度降低，再循环进入压缩机进行冷却。
关机时，关闭空气进气阀4、三通调节阀14、空气排气阀12、水泵3、压缩机13，使得固态储氢加热***5的空气夹层温度降低，低于一定温度后固态储氢加热***5不再产生氢气，然后关闭氢气出气阀6、入堆氢气调节阀9、单向调节阀10，燃料电池运行停止。
本发明关键点和保护点：
1、为燃料电池的动力***提供了一套完整的固态储氢***。
2、通过压缩机完成了固态储氢材料的加热，不使用氢气直接加热的方式，同时可以满足固态储氢放氢的所需温度，且温度可控。
3、在空气进入压缩机加热前，利用压缩机冷却液的低位热能进行空气预热，使得热量利用充分，提高压缩机升温效率。
本发明优点：
1、使用压缩机对空气进行加热，可以达到固态储氢***放氢时的技术要求。
2、避免加热燃料带来的能源浪费，提高了续航里程。
3、避免了氢气直接燃烧带来的危险隐患，提升了氢燃料电池汽车的安全性能。
4、充分利用燃料电池***自身运行过程产生的热量，提升了能量利用率。
与上述氢燃料电池相对应，本申请实施例还提供了一种氢燃料电池控制方法，采用上述氢燃料电池，在上述氢燃料电池启动时，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S201：控制单向调节阀10、压缩机13和三通调节阀14开启，三通调节阀使经过压缩机13升温的气体进入固态储氢加热***5的外部空气夹层对所述空气夹层升温。
步骤S202：基于空气夹层升温，控制氢气出气阀6开启，使得氢气进去氢气缓冲罐7中。
步骤S203：基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀9的开合度。
本申请在氢燃料电池启动时，控制单向调节阀、压缩机和三通调节阀开启，使经过压缩机升温的气体进入固态储氢加热***的外部空气夹层对所述空气夹层升温；基于空气夹层升温，控制氢气出气阀开启，使得氢气进去氢气缓冲罐中；基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀的开合度。通过上述公开的氢燃料电池控制方法，通过控制单向调节阀、压缩机和三通调节阀开启，压缩机对空气加热，并将加热后的空气输送至空气换热机构，通过空气换热机构对固态储氢材料罐内的储氢材料加热产生氢气，并控制氢气出气阀开启，最后基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀的开合度，使符合目标压力和流量的氢气进入电堆，从而杜绝通过氢气燃烧加热带来的安全事故，并节约了氢能源，使车辆在氢材料一定时，车辆续航能力达到最大。
进一步，在上述氢燃料电池停止时，如图3所示，还包括以下步骤：
步骤S301：控制水泵3、空气进气阀4、空气排气阀12、三通调节阀14和压缩机13关闭。
步骤S302：判断固态储氢加热***5的空气夹层温度是否低至目标温度。
步骤S303：若固态储氢加热***5的空气夹层温度降低至目标温度，控制氢气出气阀6、入堆氢气调节阀9和单向调节阀1关闭。
上述本发明实施例公开的氢燃料电池控制方法的各个模块和单元具体执行原理和执行过程，与上述本发明实施例公开的燃料电池相同，可参见上述本发明实施例公开的燃料电池中相应部分，这里不再进行赘述。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的***及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池，其特征在于，包括：空气压缩***和固态储氢加热***(5)；
所述空气压缩***包括：压缩机(13)；
所述固态储氢加热***(5)包括：固态储氢材料罐，和用于同所述固态储氢材料罐配合的空气换热机构；
所述压缩机(13)的排气口连通于所述空气换热机构的进气口。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气换热机构为设置在所述固态储氢材料罐外部的空气夹层；
所述储氢装置(5)外部为空气夹层，内部为固态储氢罐。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，还包括：空气预热***；
所述空气预热***包括：空气预热器(1)和水泵(3)；
所述水泵(3)的进口连通于所述压缩机(13)的冷却液出口，所述水泵(3)的出口连通于所述空气预热器(1)的进液口；
所述空气预热器(1)的出液口连通于所述压缩机(13)的进液口，所述空气预热器(1)的出气口连通于所述压缩机(13)的进气口。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气预热***还包括：三通调节阀(14)；
所述三通调节阀(14)的第一进口连通于所述空气预热器(1)的出气口，所述三通调节阀(14)的第二进口连通于所述空气换热机构的出气口，所述三通调节阀(14)的出口连通于所述压缩机(13)的进气口；
所述氢燃料电池还包括：控制***(2)，所述控制***能够通过控制所述三通调节阀(14)调节所述第一进口、所述第二进口和出口的流量。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，还包括：气体冷却***；
所述气体冷却***包括：中冷器(11)和单向调节阀(10)；
所述中冷器(11)的进口连通于所述固态储氢材料罐的出口；
所述单向调节阀(10)设置于所述中冷器(11)的出口。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池，其特征在于，还包括：氢气缓冲罐(7)；
所述氢气缓冲罐(7)的入口通过所述单向调节阀(10)连通于所述中冷器(11)的出口。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池，其特征在于，还包括：压力调节***和电堆(8)；
所述压力调节***包括：入堆氢气调节阀(9)；
所述电堆(8)通过所述入堆氢气调节阀(9)连通于所述氢气缓冲罐(7)的出口。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池，其特征在于，还包括与电堆(8)连接的蓄电池组。
9.一种氢燃料电池控制方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的氢燃料电池，包括：
控制单向调节阀(10)、压缩机(13)和三通调节阀开启，使经过压缩机(13)升温的气体进入固态储氢加热***(5)的外部空气夹层对所述空气夹层升温；
基于空气夹层升温，控制氢气出气阀(6)开启，使得氢气进去氢气缓冲罐(7)中；
基于电堆对氢气流量和压力的需求，调节入堆氢气调节阀(9)的开合度。
10.根据权利要求9所述的氢燃料电池控制方法，其特征在于，还包括：
控制水泵(3)、空气进气阀(4)、空气排气阀(12)、三通调节阀(14)和压缩机(13)关闭；
当固态储氢加热***5的空气夹层温度降低至目标温度时，控制氢气出气阀(6)、入堆氢气调节阀(9)和单向调节阀(1)关闭。
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