CN215705808U - 一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用*** - Google Patents

一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用*** Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，液氢储罐通过液氢阀门与气化器管程入口相连，气化器管程出口与燃料电池氢气入口相连；燃料电池冷却液出口与冷却循环泵入口相连，冷却循环泵出口与主散热器相连，主散热器与燃料电池冷却液入口相连；空调换热器、气化器壳程与主散热器相互并联，并在空调换热器入口管路上设有第一调控阀，并在气化器壳程出口管路上设有气化水阀；气化器壳程出口处与空调换热器入口处通过管路连接并设有第二调控阀。本实用新型能够根据不同的季节需要，对燃料电池有轨电车热量进行综合利用，提高整车***能源利用率。

Description

一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***。
背景技术
环境污染、全球变暖、资源匮乏等问题，迫使人们加大力度对新能源进行开发。氢能因其具有高含能特性、高能源转化率、碳的零排放等特点，而被视为新世纪重要二次能源。而低温液态储氢方式因其单位质量储氢密度高、安全性能好等特点，受到越来越多的关注。
燃料电池是一般以氢氧作为反应物质、通过电化学反应把化学能转换成电能的发电装置。作为将化学能直接转换成电能的新型发电技术的应用，燃料电池具有许多独特优点：一是热损耗小，发电效率高，一般可达到40％～50％，最高可达到60％～70％，而且不受负荷变动的影响。二是低污染，燃料电池在发电过程中，既不需要锅炉、燃烧器等燃烧设备，也不需要汽轮机等高速旋转设备，因此，既不排放温室效应物质和有毒物质，也没有噪音干扰。三是原燃料适应性强，燃料电池所用燃料可以多种多样。
燃料电池将氢中的化学能直接转换为电能。在实际应用中，燃料电池效率约50％，也就是意味着会产生大量热量，而这些热量的积累会提升燃料电池温度。燃料电池运行性能与其工作温度直接相关，温度过低会加强极化，温度过高会导致电导率下降、膜脱水，所以，燃料电池温度过高过低都会恶化电池性能，需要冷却***散热，维持燃料电池工作在合适温度。另一方面，由于燃料电池不能直接使用液氢参与反应，当采用液态储氢***时，就需要将液氢气化为氢气，以供燃料电池使用，而液氢气化过程或低温氢气升温过程，会产生大量的冷量。而目前国内外没有关于燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用的现有技术。
实用新型内容
为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，关联燃料电池供气***、燃料电池冷却***和列车空调***结合车辆本身特性，根据不同的季节需要，对燃料电池有轨电车热量进行综合利用，提高整车***能源利用率。
为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，包括液氢储罐、液氢阀门、气化器、燃料电池、冷却循环泵、主散热器、空调换热器、第一调控阀、气化水阀和第二调控阀；液氢储罐通过液氢阀门与气化器管程入口相连，气化器管程出口与燃料电池氢气入口相连；燃料电池冷却液出口与冷却循环泵入口相连，冷却循环泵出口与主散热器相连，主散热器与燃料电池冷却液入口相连；空调换热器、气化器壳程与主散热器相互并联，并在空调换热器入口管路上设有第一调控阀，并在气化器壳程出口管路上设有气化水阀；气化器壳程出口处与空调换热器入口处通过管路连接并设有第二调控阀。
进一步的是，还包括氢气罐，气化器管程出口通过氢气罐与燃料电池氢气入口相连。
进一步的是，还包括止回阀，气化器管程出口依次通过氢气罐和止回阀与燃料电池氢气入口相连。
进一步的是，还包括燃料电池冷却液温度传感器、压强传感器、氢气温度传感器和车厢温度传感器，燃料电池冷却液入口处设有燃料电池冷却液温度传感器，氢气罐处设有压强传感器，气化器氢气出口设有氢气温度传感器，列车车厢内设有车厢温度传感器。
进一步的是，还包括控制器，所述控制器与燃料电池冷却液温度传感器、压强传感器、氢气温度传感器和车厢温度传感器电连接，所述控制器与液氢阀门、第一调控阀、气化水阀和第二调控阀的控制端电连接，所述控制器与主散热器的控制端电连接。
控制器通过采集燃料电池冷却液温度传感器、车厢环境温度传感器、氢气温度、氢气罐压强传感器等信号，用于控制液氢阀门、第一调控阀、气化水阀和第二调控阀的开关及开度大小，以及主散热器风扇的启停和转速大小等。
进一步的是，所述气化器采用管壳水浴式，管程内流体为液氢，壳程内流体为冷却液，在所述气化器的外部采用导热性材料缠绕成便于热交换结构。
采用本技术方案的有益效果：
在本实用新型中根据不同的季节需要，控制第一调控阀、第二调控阀、气化水阀的工作状态；在冬季工况下，燃料电池出来的冷却液热水，提供给气化器，加热液氢使其气化，满足燃料电池用氢需求；同时燃料电池余热对车厢供暖，实现燃料电池-空调***热量综合管理；此外，调节主散热器，控制燃料电池冷却液入口温度，满足燃料电池热管理需求。在夏季工况下，燃料电池冷却液输送到气化器，冷却液获取液氢气化所产生的冷量，辅助空调***完成车厢的制冷；此外，调节主散热器，控制燃料电池冷却液入口温度，满足燃料电池热管理需求。在春秋季节工况下，利用液氢气化产生的冷量，为燃料电池辅助散热，从而实现热量和冷量的综合利用。能够针对不同的季节特性对燃料电池车辆进行液氢利用，从而使燃料电池产生的热量和液氢气化产生的冷量可以综合利用，从而提高整车***能源利用率。
附图说明
图1为本实用新型一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***的第一种实施方式的结构示意图；
图2为本实用新型的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***的第二种实施方式的结构示意图；
图3为本实用新型的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***的第三种实施方式的结构示意图；
图4为本实用新型的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***的第四种实施方式的结构示意图；
其中，1是燃料电池，2是冷却循环泵，3是主散热器，4是气化器，5是液氢储罐，6是空调换热器，7是第一调控阀，8是气化水阀，9是燃料电池冷却液温度传感器，10是车厢温度传感器，11是压强传感器，12是氢气罐，13是止回阀，14是控制器，15是第二调控阀，16是液氢阀门，17是氢气温度传感器。
具体实施方式
为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。
在本实施例1中，参见图1所示，一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，包括液氢储罐5、液氢阀门16、气化器4、燃料电池1、冷却循环泵2、主散热器3、空调换热器6、第一调控阀7、气化水阀8和第二调控阀15；液氢储罐5通过液氢阀门16与气化器4管程入口相连，气化器4管程出口与燃料电池1氢气入口相连；燃料电池1冷却液出口与冷却循环泵2入口相连，冷却循环泵2出口与主散热器3相连，主散热器3与燃料电池1冷却液入口相连；空调换热器6、气化器4壳程与主散热器3相互并联，并在空调换热器6入口管路上设有第一调控阀7，并在气化器4壳程出口管路上设有气化水阀8；气化器4壳程出口处与空调换热器6入口处通过管路连接并设有第二调控阀15。
在本实施例2中，为基于上述实施例的优化方案，参见图2所示，一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，包括液氢储罐5、液氢阀门16、氢气罐12、气化器4、燃料电池1、冷却循环泵2、主散热器3、空调换热器6、第一调控阀7、气化水阀8和第二调控阀15；液氢储罐5通过液氢阀门16与气化器4管程入口相连，气化器4管程出口通过氢气罐12与燃料电池1氢气入口相连；燃料电池1冷却液出口与冷却循环泵2入口相连，冷却循环泵2出口与主散热器3相连，主散热器3与燃料电池1冷却液入口相连；空调换热器6、气化器4壳程与主散热器3相互并联，并在空调换热器6入口管路上设有第一调控阀7，并在气化器4壳程出口管路上设有气化水阀8；气化器4壳程出口处与空调换热器6入口处通过管路连接并设有第二调控阀15。
在本实施例3中，为基于上述实施例的优化方案，参见图3所示，一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，包括液氢储罐5、液氢阀门16、氢气罐12、止回阀13、气化器4、燃料电池1、冷却循环泵2、主散热器3、空调换热器6、第一调控阀7、气化水阀8和第二调控阀15；液氢储罐5通过液氢阀门16与气化器4管程入口相连，气化器4管程出口依次通过氢气罐12和止回阀13与燃料电池1氢气入口相连；燃料电池1冷却液出口与冷却循环泵2入口相连，冷却循环泵2出口与主散热器3相连，主散热器3与燃料电池1冷却液入口相连；空调换热器6、气化器4壳程与主散热器3相互并联，并在空调换热器6入口管路上设有第一调控阀7，并在气化器4壳程出口管路上设有气化水阀8；气化器4壳程出口处与空调换热器6入口处通过管路连接并设有第二调控阀15。
在本实施例4中，为基于上述实施例的优化方案，参见图4所示，一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，还包括燃料电池冷却液温度传感器9、压强传感器11、氢气温度传感器17和车厢温度传感器10，燃料电池1冷却液入口处设有燃料电池冷却液温度传感器9，氢气罐12处设有压强传感器11，气化器4氢气出口设有氢气温度传感器17，列车车厢内设有车厢温度传感器10。
所述燃料电池冷却液温度传感器9、车厢环境温度传感器、氢气温度传感器17、氢气罐12压强传感器11分别用于监测燃料电池1入口处冷却液温度、车厢内的温度、氢气的温度和氢气罐12的压强。
还包括控制器14，所述控制器14与燃料电池冷却液温度传感器9、压强传感器11、氢气温度传感器17和车厢温度传感器10电连接，所述控制器14与液氢阀门16、第一调控阀7、气化水阀8和第二调控阀15的控制端电连接，所述控制器14与主散热器3的控制端电连接。
控制器14通过采集燃料电池冷却液温度传感器9、车厢环境温度传感器、氢气温度、氢气罐12压强传感器11等信号，用于控制液氢阀门16、第一调控阀7、气化水阀8和第二调控阀15的开关及开度大小，以及主散热器3风扇的启停和转速大小等。
优选的，所述气化器4采用管壳水浴式，管程内流体为液氢，壳程内流体为冷却液，在所述气化器4的外部采用导热性材料缠绕成便于热交换结构。
为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：
根据不同的季节需要，控制第一调控阀7、第二调控阀15、气化水阀8的工作状态，完成***不同工作模式的切换。
在冬季工况下，开启液氢阀门16、第一调控阀7、气化水阀8，关闭第二调控阀15。通过调节液氢阀门16和气化水阀8的开度，控制液氢的气化量和气体氢气温度，使得氢气罐12压强和氢气温度达到燃料电池1正常供气水平。通过调节第一调控阀7的开度，控制流过空调换热器6冷却液流量，使得车厢温度达到预设温度。在液氢阀门16、气化水阀8和第一调控阀7开度设定后，通过控制冷却水泵和主散热器3风扇转速，使燃料电池1冷却液入口温度达到预设的燃料电池1工作温度。
在夏季工况下，开启液氢阀门16、气化水阀8、第二调控阀15，关闭第一调控阀7。调节气化水阀8、液氢阀门16开度，控制液氢的气化量和气体氢气温度，使得氢气罐12压强达到较高且合理水平，氢气温度达到燃料电池1正常工作温度，以同时满足燃料电池1供气和车厢制冷需求。通过调节气化水阀8、第二调控阀15开度，分配流过气化水阀8和空调换热器6冷却液的流量，使得车厢温度达到预设温度。当液氢气化产生的冷量不足以保证车厢制冷时，则开启列车原有制冷空调，使得车厢温度达到预设温度。在液氢阀门16、气化水阀8、第二调控阀15开度设定后，通过控制冷却水泵和主散热器3风扇转速，使燃料电池1冷却液入口温度达到预设的燃料电池1正常工作温度。
在春秋季节工况下，开启液氢阀门16和气化水阀8，关闭第一调控阀7和第二调控阀15。通过调节液氢阀门16和气化水阀8的开度，控制液氢的气化量和气体氢气温度，使得氢气罐12压强和氢气温度达到燃料电池1正常供气水平。另一方面，流过气化器4的冷却液吸收冷量冷却后，与流过主散热器3的冷却液混合，进入燃料电池1冷却液入口，完成燃料电池1冷却液的一次循环；控制冷却水泵和主散热器3风扇转速，使燃料电池1冷却液入口温度达到预设的燃料电池1正常工作温度。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，其特征在于，包括液氢储罐(5)、液氢阀门(16)、气化器(4)、燃料电池(1)、冷却循环泵(2)、主散热器(3)、空调换热器(6)、第一调控阀(7)、气化水阀(8)和第二调控阀(15)；液氢储罐(5)通过液氢阀门(16)与气化器(4)管程入口相连，气化器(4)管程出口与燃料电池(1)氢气入口相连；燃料电池(1)冷却液出口与冷却循环泵(2)入口相连，冷却循环泵(2)出口与主散热器(3)相连，主散热器(3)与燃料电池(1)冷却液入口相连；空调换热器(6)、气化器(4)壳程与主散热器(3)相互并联，并在空调换热器(6)入口管路上设有第一调控阀(7)，并在气化器(4)壳程出口管路上设有气化水阀(8)；气化器(4)壳程出口处与空调换热器(6)入口处通过管路连接并设有第二调控阀(15)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，其特征在于，还包括氢气罐(12)，气化器(4)管程出口通过氢气罐(12)与燃料电池(1)氢气入口相连。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，其特征在于，还包括止回阀(13)，气化器(4)管程出口依次通过氢气罐(12)和止回阀(13)与燃料电池(1)氢气入口相连。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，其特征在于，还包括燃料电池冷却液温度传感器(9)、压强传感器(11)、氢气温度传感器(17)和车厢温度传感器(10)，燃料电池(1)冷却液入口处设有燃料电池冷却液温度传感器(9)，氢气罐(12)处设有压强传感器(11)，气化器(4)氢气出口设有氢气温度传感器(17)，列车车厢内设有车厢温度传感器(10)。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，其特征在于，还包括控制器(14)，所述控制器(14)与燃料电池冷却液温度传感器(9)、压强传感器(11)、氢气温度传感器(17)和车厢温度传感器(10)电连接，所述控制器(14)与液氢阀门(16)、第一调控阀(7)、气化水阀(8)和第二调控阀(15)的控制端电连接，所述控制器(14)与主散热器(3)的控制端电连接。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池轨道交通车辆液氢综合利用***，其特征在于，所述气化器(4)采用管壳水浴式，管程内流体为液氢，壳程内流体为冷却液，在所述气化器(4)的外部采用导热性材料缠绕成便于热交换结构。
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