CN113258105B - 一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法 - Google Patents

一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，包括步骤：当燃料电池运行时，实时检测电堆冷却液入口温度Tin，电堆冷却液出口温度Tout，并计算电堆实时发电功率P；将检测温度与温度阈值进行比较，基于温度和发电功率经过计算对四通阀进行调节，进入不同的余热回收模式。本发明提高热能的利用率，降低对散热风机的散热能力要求，且降低散热***功耗，同时减小噪音；结合温度和发电功率计算调控四通阀，能利用余热准确调节电堆内部温度，不会出现局部过冷或局部过热的情况，利于燃料电池性能发挥。

Description

一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法
技术领域
本发明属于液氢燃料电池技术领域，特别是涉及一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法。
背景技术
世界各国目前正致力于发展低污染的新能源，如太阳能、风能等，但其受自然环境的影响较大，无法提供持续稳定的能量输出。氢气是一种清洁的能源载体，其在产生能量时仅生成水，对环境无污染，是连接可再生能源与传统化石能源的桥梁，对氢能的利用具有极大的能源战略意义。
燃料电池在发电时约有50％的能量转换为热能，但其最佳运行温度为60～70℃，目前较常见的燃料电池余热处理方式是通过换热器或散热风机等进行直接散发，热能利用率极低；而液氢用于燃料电池时需要先转化为气态氢，目前常用的方式是减压或增加升温装置，会额外增加部件数量，且会增加功耗。目前市面上常见的燃料电池***冷却液循环的阀门开度大多仅依靠电堆入口冷却液温度进行，而电堆入口冷却液温度受环境影响比较大，不能准确表征电堆内部温度，即可能出现局部过冷或局部过热的情况，不利于燃料电池性能发挥。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，提高热能的利用率，降低对散热风机的散热能力要求，且降低散热***功耗，同时减小噪音；结合温度和发电功率计算调控四通阀，能利用余热准确调节电堆内部温度，不会出现局部过冷或局部过热的情况，利于燃料电池性能发挥。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，液氢燃料电池余热回收***包括：燃料电池电堆冷却液出口连接电堆冷却液出口温度传感器后到四通阀C入口，四通阀A出口连接到散热风机冷却液入口，散热风机冷却液出口与换热器输出的冷却液、四通阀的B出口汇合输入冷却水泵入口，冷却水泵出口连接电堆冷却液入口温度传感器后到电堆冷却液入口，形成循环管路；四通阀的D出口连接到换热器冷却液入口；换热器设置在燃料电池电堆的氢气供给单元中；
上述液氢燃料电池余热回收***的控制方法包括步骤：
S10,当燃料电池运行时，实时检测电堆冷却液入口温度Tin，电堆冷却液出口温度Tout，并计算电堆实时发电功率P；
S20,将检测温度与温度阈值进行比较，基于温度和发电功率经过计算对四通阀进行调节，进入不同的余热回收模式。
进一步的是，将检测温度与温度阈值进行比较，基于温度和发电功率经过计算对四通阀进行调节，进入不同的余热回收模式包括：
S21,若电堆冷却液入口温度Tin低于低温阈值Tlow，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，四通阀的B出口开度调整为100％，冷却液经冷却水泵直接泵回燃料电池电堆，使燃料电池电堆的热量尽量少散发，从而确保电堆快速升温并达到较高性能；
S22,若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀B出口和D出口的开度，调节B、D出口的开度，以充分利用液氢汽化吸收冷却液中的热量；
S23若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀D出口和A出口的开度，四通阀D出口逐渐关闭，同时A出口逐渐打开；散热风机强制降温，且降低发电功率。
S24,若电堆冷却液入口温度Tin高于关机温度阈值Tclose，或电堆冷却液出口温度Tout大于等于电堆工作温度上限Tlimit时，燃料电池***关机。
进一步的是，在液氢燃料电池仅有温度变化为最佳状态时，取燃料电池在低于额定功率60％的电堆冷却液入口温度为阈值温度，其中低于燃料电池正常运行时的阈值为低温阈值Tlow，高于燃料电池正常运行时的阈值为高温阈值Thigh，使燃料电池遭受损坏的最高温度为关机温度Tclose。
进一步的是，若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀D出口的开度，D出口的开度θD通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000031
其中，Pmax是最大发电功率值，Pmin是最小发电功率值。
进一步的是，若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀B出口的开度，B出口开度θB受D出口开度θD影响，B出口的开度θD通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000032
其中，Pmax是最大发电功率值，Pmin是最小发电功率值。
进一步的是，若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀A出口的开度：
A出口的开度θA变化通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000033
进一步的是，若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀D出口的开度：
D出口的开度θD变化通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000034
进一步的是，所所述氢气供给单元中液氢储氢罐出口连接换热器，换热器再通过调节阀连接到电堆氢气入口，电堆氢气出口连接汽水分离器，汽水分离器的气体出口连接氢气循环泵，氢气循环泵将分离的氢气返回电堆氢气入口，汽水分离器液体出口排出液体。
采用本技术方案的有益效果：
本发明利用液氢汽化会吸收大量的热量的特点，将液氢汽化吸热与燃料电池冷却液降温相结合，提出一种能更高效利用氢燃料电池发电时产生的余热的控制方法。
本发明能有效利用电堆内的热量对液氢加热，辅助液氢汽化，同时低温的液氢也能帮助冷却液降温，能降低对散热风机的性能需求，且能减小散热***功耗，降低噪音。
本发明由于在调节四通阀各出口开度时根据不同电堆冷却液入口温度，分情况考虑了电堆冷却液入口温度与燃料电池发电功率对各出口开度的影响，能更精确地控制各出口的流量，能更充分地利用燃料电池余热，且保证燃料电池***不会因过热损坏，能有效延长使用寿命；能够有效避免燃料电池发电功率受氢气流通速率影响、氢气流通速率受氢气汽化速率影响、氢气汽化速率会影响换热器换热量。
附图说明
图1为本发明的一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例中一种液氢燃料电池余热回收***的结构示意图；
其中，1是冷却水泵，2是电堆冷却液入口温度传感器，3是燃料电池电堆，4是调节阀，5是换热器，6是液氢储氢罐，7是氢气循环泵，8是汽水分离器，9是电堆冷却液出口温度传感器，10是四通阀，11是散热风机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，液氢燃料电池余热回收***包括：燃料电池电堆3冷却液出口连接电堆冷却液出口温度传感器9后到四通阀10C入口，四通阀10A出口连接到散热风机11冷却液入口，散热风机11冷却液出口与换热器5输出的冷却液、四通阀10的B出口汇合输入冷却水泵1入口，冷却水泵1出口连接电堆冷却液入口温度传感器2后到电堆冷却液入口，形成循环管路；四通阀10的D出口连接到换热器5冷却液入口；换热器5设置在燃料电池电堆3的氢气供给单元中。
上述液氢燃料电池余热回收***的控制方法包括步骤：
S10,当燃料电池运行时，实时检测电堆冷却液入口温度Tin，电堆冷却液出口温度Tout，并计算电堆实时发电功率P；
S20,将检测温度与温度阈值进行比较，基于温度和发电功率经过计算对四通阀进行调节，进入不同的余热回收模式。
作为上述实施例的优化方案，将检测温度与温度阈值进行比较，基于温度和发电功率经过计算对四通阀进行调节，进入不同的余热回收模式包括步骤S21-S24。
S21,若电堆冷却液入口温度Tin低于低温阈值Tlow，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，四通阀的B出口开度调整为100％，冷却液经冷却水泵直接泵回燃料电池电堆，使燃料电池电堆的热量尽量少散发，从而确保电堆快速升温并达到较高性能。
S22,若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀B出口和D出口的开度，调节B、D出口的开度，以充分利用液氢汽化吸收冷却液中的热量。
D出口的开度θD通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000051
其中，Pmax是最大发电功率值，Pmin是最小发电功率值。
B出口开度θB受D出口开度θD影响，B出口的开度θD通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000052
其中，Pmax是最大发电功率值，Pmin是最小发电功率值。
考虑燃料电池正常工作时发电功率与电堆冷却液入口温度对B出口、D出口开度的影响，以赋予权重的方式来调节发电功率与电堆冷却液入口温度的关键度，2参数的调节会带来更精确的控制效果，且能广泛适应不同型号、不同结构的燃料电池***。
S23若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀D出口和A出口的开度，四通阀D出口逐渐关闭，同时A出口逐渐打开；散热风机强制降温，且降低发电功率。
此时电堆温度受电堆冷却液入口温度Tin影响较大，故可仅考虑电堆冷却液入口温度Tin对电堆的影响，通过A出口使高温冷却液流向散热风机。当前电堆冷却液入口温度Tin与高温阈值Thigh的差值表示当前温度超出高温阈值的大小，关机温度阈值Tclose与高温阈值Thigh的差值表示关机前能承受的最大温度差，则两者的比值可表征高温的程度。
A出口的开度θA变化通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000061
D出口的开度θD变化通过下式得到：
Figure BDA0003033624970000062
通过以上两式计算得到的四通阀D出口和A出口的开度，可使燃料电池在高温状态时立即采用散热风机对其强制降温，且通过电堆冷却液入口温度Tin来调节流经散热风机的冷却液流量，从而控制散热量，具有较好的控制性能。
S24,若电堆冷却液入口温度Tin高于关机温度阈值Tclose，或电堆冷却液出口温度Tout大于等于电堆工作温度上限Tlimit时，燃料电池***关机。
作为上述实施例的优化方案，在液氢燃料电池仅有温度变化为最佳状态时，取燃料电池在低于额定功率60％的电堆冷却液入口温度为阈值温度，其中低于燃料电池正常运行时的阈值为低温阈值Tlow，高于燃料电池正常运行时的阈值为高温阈值Thigh，使燃料电池遭受损坏的最高温度为关机温度Tclose。
作为上述实施例的优化方案，所述氢气供给单元中液氢储氢罐6出口连接换热器5，换热器5再通过调节阀4连接到电堆氢气入口，电堆氢气出口连接汽水分离器8，汽水分离器8的气体出口连接氢气循环泵7，氢气循环泵7将分离的氢气返回电堆氢气入口，汽水分离器8液体出口排出液体。
在本发明中：燃料电池电堆产生的热量经冷却液带出，由四通阀分配冷却液流量，从而分配热量；其中，一部分热量从四通阀A出口经散热风机散发到空气中；一部分热量从四通阀B出口流向冷却水泵并直接回到电堆内部，辅助电堆快速升温；另一部分热量从四通阀D出口经换热器与液氢管路进行换热；换热器既能利用液氢的低温来降低冷却液温度，同时利用冷却液的温度来加热液氢，促进液氢汽化。
需说明的是，本发明中的氢燃料电池***数量可以大于1套，即可以将多套燃料电池***发电时产生的余热送入换热器进行热交换，以更充分利用液氢汽化吸热的特性。
由于在储氢***出口设置了换热器，能有效利用电堆内的热量对液氢加热，辅助液氢汽化，同时低温的液氢也能帮助冷却液降温，能降低对散热风机的性能需求，且能减小散热***功耗，降低噪音。本发明的液氢燃料电池余热回收控制方法，由于在调节四通阀各出口开度时根据不同电堆冷却液入口温度Tin，充分综合考虑了燃料电池发电功率P对各出口开度的影响，，能更精确地控制各出口的流量，能更充分地利用燃料电池余热，且保证燃料电池***不会因过热损坏，能有效延长使用寿命。通过在储氢***出口设置换热器，能充分利用液氢汽化吸热的特性带走冷却液中的余热，同时热量会促使液氢汽化，达到一举两得的效果。此外，若将多套燃料电池的冷却液回路接入换热器，可提高换热器的工作效率，更充分地利用燃料电池余热。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，其特征在于，液氢燃料电池余热回收***包括：燃料电池电堆冷却液出口连接电堆冷却液出口温度传感器后到四通阀C入口，四通阀A出口连接到散热风机冷却液入口，散热风机冷却液出口与换热器输出的冷却液、四通阀的B出口汇合输入冷却水泵入口，冷却水泵出口连接电堆冷却液入口温度传感器后到电堆冷却液入口，形成循环管路；四通阀的D出口连接到换热器冷却液入口；换热器设置在燃料电池电堆的氢气供给单元中；
上述液氢燃料电池余热回收***的控制方法包括步骤：
S10,当燃料电池运行时，实时检测电堆冷却液入口温度Tin，电堆冷却液出口温度Tout，并计算电堆实时发电功率P；
S20,将检测温度与温度阈值进行比较，基于温度和发电功率经过计算对四通阀进行调节，进入不同的余热回收模式包括：
S21,若电堆冷却液入口温度Tin低于低温阈值Tlow，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，四通阀的B出口开度调整为100％，冷却液经冷却水泵直接泵回燃料电池电堆；
S22,若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀B出口和D出口的开度，调节B、D出口的开度；
S23若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀D出口和A出口的开度，四通阀D出口逐渐关闭，同时A出口逐渐打开；散热风机强制降温，且降低发电功率；
S24,若电堆冷却液入口温度Tin高于关机温度阈值Tclose，或电堆冷却液出口温度Tout大于等于电堆工作温度上限Tlimit时，燃料电池***关机；
在液氢燃料电池仅有温度变化为最佳状态时，取燃料电池在低于额定功率60％的电堆冷却液入口温度为阈值温度，其中低于燃料电池正常运行时的阈值为低温阈值Tlow，高于燃料电池正常运行时的阈值为高温阈值Thigh，使燃料电池遭受损坏的最高温度为关机温度Tclose。
2.根据权利要求1所述的一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，其特征在于，若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀D出口的开度，D出口的开度θD通过下式得到：
Figure FDA0003640448830000021
其中，Pmax是最大发电功率值，Pmin是最小发电功率值。
3.根据权利要求2所述的一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，其特征在于，若电堆冷却液入口温度Tin大于等于低温阈值Tlow且小于等于高温阈值Thigh，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，利用电堆冷却液入口温度和发电功率计算获取四通阀B出口的开度，B出口开度θB受D出口开度θD影响，B出口的开度θD通过下式得到：
Figure FDA0003640448830000022
其中，Pmax是最大发电功率值，Pmin是最小发电功率值。
4.根据权利要求1所述的一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，其特征在于，若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀A出口的开度，A出口的开度θA变化通过下式得到：
Figure FDA0003640448830000023
5.根据权利要求4所述的一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，其特征在于，若电堆冷却液入口温度Tin大于高温阈值Thigh且小于等于关机温度阈值Tclose，且电堆冷却液出口温度Tout低于电堆工作温度上限Tlimit时，计算四通阀D出口的开度：
D出口的开度θD变化通过下式得到：
Figure FDA0003640448830000031
6.根据权利要求1所述的一种液氢燃料电池余热回收***的控制方法，其特征在于，所述氢气供给单元中液氢储氢罐出口连接换热器，换热器再通过调节阀连接到电堆氢气入口，电堆氢气出口连接汽水分离器，汽水分离器的气体出口连接氢气循环泵，氢气循环泵将分离的氢气返回电堆氢气入口，汽水分离器液体出口排出液体。
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