一种氢燃料电池堆余热利用系统技术方案

本发明专利技术涉及氢燃料电池商用车热管理技术领域，尤其是一种氢燃料电池堆余热利用系统，其包括氢燃料电池堆、冷却液循环子系统、换热器、有机工质循环子系统、涡轮发电机组以及电池组。在氢能源汽车行驶进程中，氢燃料电池堆所生成的热量通过换热器传递给有机工质，有机工质吸热后在涡轮发电机组中膨胀做功，且将这部分机械功转化为电能，供向电池组，并储蓄，有机工质在涡轮发电机组做完功后经由有机工质循环子系统进行二次降温，并重新输回换热器，以继续吸收经由氢燃料电池堆传递而来的热量，如此，不但实现对余热的充分利用，而且还确保氢燃料电池堆的工况温度始终维持于合理范围内，确保其内氢氧化学反应效率得以长时间维持于高位。于高位。于高位。

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池堆余热利用系统


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池商用车热管理
，尤其是一种氢燃料电池堆余热利用系统。

技术介绍

[0002]氢燃料电池车是使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机，由电动机推动车辆。氢燃料电池的工作原理为：将氢气送到燃料电池的阳极板，经过催化剂作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板，而由于电子是不能通过质子交换膜的，这个电子经外部电路，到达燃料电池阴极板，与氧原子和氢离子重新结合为水，从而外电路中产生的电流就可以供向电池组。发电过程即电解水的逆反应，而整个过程会产生大量热量，如果不将电堆温度控制在合理的区间内，将会影响化学反应效率及设备寿命，情况严重时，甚至会导致电堆损坏。
[0003]为了解决上述问题，近些年来，开发出了一些氢堆热管理技术，其中较为常用为强制风冷技术，具体为：通过液冷方式，由冷却液经过管路带着氢堆产生的热量到散热器，再由位于散热器上的散热风扇将这部分热量吹向大气，从而降低冷却液温度，低温的冷却液由循环管路再回到氢堆，实现降温效果。然而，随着氢燃料电池商用车所搭载氢燃料电池堆功率越来越高，其散热量也跟之增大，进而导致散热器体积也越来越大，且散热风扇数量也越来越多，究其原因在于，氢堆效率尚未能有突破性进展，如此，不但增加了新能源车制造成本，而且不利于对其进行空间设计、布局。再者，大量余热被直接排入大气，不但会发生热污染现象，而且导致氢燃料电池车的百公里能耗居高不下，不利于进行市场推广。因此，亟待技术人员解决上述问题。

技术实现思路

[0004]故，本专利技术课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断实验以及修改，最终导致该氢燃料电池堆余热利用系统的出现。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术涉及了一种氢燃料电池堆余热利用系统，被应用于氢能源汽车。氢燃料电池堆余热利用系统包括氢燃料电池堆、冷却液循环子系统、换热器、有机工质循环子系统、涡轮发电机组以及电池组。冷却液循环子系统作为氢燃料电池堆和换热器之间的热量交换过渡，而有机工质循环子系统作为换热器和涡轮发电机组之间的热量交换过渡。涡轮发电机组与有机工质循环子系统相配套应用，以将热能转化为可供电池组接受、并储蓄的电能。
[0006]作为本专利技术所公开技术方案的进一步改进，冷却液循环子系统包括有冷却液循环泵和冷却液流通管。冷却液流通管用来流通冷却液，而冷却液循环泵用来为冷却液提供泵送力。实际运行中，冷却液因得到氢燃料电池堆所发出的热能而升温，且在冷却液循环泵的
持续泵送力作用下泵入至冷却液流通管，在换热器内经历热量交换，降温后的冷却液并在泵送力的作用下重新泵回氢燃料电池堆。
[0007]作为本专利技术所公开技术方案的更进一步改进，有机工质循环子系统包括有机工质循环泵、有机工质流通管以及冷凝器。有机工质流通管用来流通有机工质，而有机工质循环泵用来为有机工质提供泵送力。实际运行中，有机工质和冷却液在换热器的媒介作用下进行热量交换，有机工质因得到热量而升温，且在有机工质循环泵的持续泵送力作用下泵入至涡轮发电机组，热能得以转化电能，降温后的有机工质在泵送力的作用下被泵送至冷凝器执行二次降温操作，并重新回流至换热器中。
[0008]作为本专利技术所公开技术方案的更进一步改进，氢燃料电池堆余热利用系统还包括有温度传感器和控制器。实际运行中，温度传感器实时地监测氢燃料电池堆的工况温度。控制器实时地接收工况温度，经数据分析、处理后，以分别向着冷却液循环泵、有机工质循环泵发出控制信号。
[0009]作为本专利技术所公开技术方案的更进一步改进，控制器包括有数值计算模块和数值判断模块。数值判断模块的人为预设判定阈值为
△
。假定氢燃料电池堆的理想工作温度为T，其实时监测温度为t。将t即时通过数据总线发送至控制器，并通过数值计算模块和数值判断模块对T、t进行计算、判断，当t
‑
T≥
△
时，冷却液循环泵和有机工质循环泵因得到启动信号而启动，且满负荷运行；随着时间推进，当t
‑
T＜
△
时，冷却液循环泵和有机工质循环泵降功率运行；随着时间继续推进，当t＜T
‑
1时，冷却液循环泵和有机工质循环泵因得到暂停信号而停止运行。
[0010]作为本专利技术所公开技术方案的更进一步改进，在t
‑
T＜
△
情形下，假定冷却液循环泵的额定功率为P1,实时运行功率为P1
’
；有机工质循环泵的额定功率为P2，实时运行功率为P2
’
，则P1
’
＝(2*t
‑
T
‑△
)
·
P1/2T；P2
’
＝(2*t
‑
T
‑△
)
·
P2/2T。
[0011]作为本专利技术所公开技术方案的更进一步改进，
△
≤10℃；T≤65℃。
[0012]通过采用上述技术方案进行设置，在实现散热目的的同时，还兼顾余热利用。在氢能源汽车行驶进程中，氢燃料电池堆所生成的热量通过换热器传递给有机工质，有机工质吸热后在涡轮发电机组中膨胀做功，且将这部分机械功转化为电能，供向电池组，且进行储蓄，有机工质在涡轮发电机组做完功后经由有机工质循环子系统进行二次降温，并重新输回换热器，以继续吸收经由氢燃料电池堆传递而来的热量，如此，不但实现对余热的充分利用，而且还确保氢燃料电池堆的工况温度始终维持于合理范围内，确保其内氢氧化学反应效率得以长时间维持于高位。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是本专利技术中氢燃料电池堆余热利用系统第一种实施方式的工作原理图；
[0015]图2是本专利技术中氢燃料电池堆余热利用系统第二种实施方式的工作原理图；
[0016]图3是本专利技术氢燃料电池堆余热利用系统第二种实施方式中冷却液循环流程图；
[0017]图4是本专利技术氢燃料电池堆余热利用系统第二种实施方式中有机工质循环及电能转化流程图；
[0018]1‑
氢燃料电池堆；2
‑
冷却液循环子系统；21
‑
冷却液循环泵；22
‑
冷却液流通管；3
‑
换热器；4
‑
有机工质循环子系统；41
‑
有机工质循环泵；42
‑
有机工质流通管；43
‑
冷凝器；5
‑
涡轮发电机组；6
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池堆余热利用系统，被应用于氢能源汽车，其特征在于，包括氢燃料电池堆、冷却液循环子系统、换热器、有机工质循环子系统、涡轮发电机组以及电池组；所述冷却液循环子系统作为所述氢燃料电池堆和所述换热器之间的热量交换过渡，而所述有机工质循环子系统作为所述换热器和所述涡轮发电机组之间的热量交换过渡；所述涡轮发电机组与所述有机工质循环子系统相配套应用，以将热能转化为可供所述电池组接受、并储蓄的电能。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池堆余热利用系统，其特征在于，所述冷却液循环子系统包括有冷却液循环泵和冷却液流通管；所述冷却液流通管用来流通冷却液，而所述冷却液循环泵用来为冷却液提供泵送力；实际运行中，冷却液因得到所述氢燃料电池堆所发出的热能而升温，且在所述冷却液循环泵的持续泵送力作用下泵入至所述冷却液流通管，在所述换热器内经历热量交换，降温后的冷却液并在泵送力的作用下重新泵回所述氢燃料电池堆。3.根据权利要求2所述的氢燃料电池堆余热利用系统，其特征在于，所述有机工质循环子系统包括有机工质循环泵、有机工质流通管以及冷凝器；所述有机工质流通管用来流通有机工质，而所述有机工质循环泵用来为有机工质提供泵送力；实际运行中，有机工质和冷却液在所述换热器的媒介作用下进行热量交换，有机工质因得到热量而升温，且在所述有机工质循环泵的持续泵送力作用下泵入至所述涡轮发电机组，热能得以转化电能，降温后的有机工质在泵送力的作用下被泵送至所述冷凝器执行二次降温操作，并重新回流至所述换热器中。4.根据权利要求3所述的氢燃料电池堆余热利用系统，其特征在于，还包括有温度传感器和控制器；实际运行中，所述温度传感器实时地监测所述氢燃料电池堆的工况温度；所述控制器实时地接收工况温度，经数据分析、处理后，以分别向着所述冷却液循环泵、所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鸿岳，马宇，檀荣科，
申请(专利权)人：茵卡热系统山东有限公司，
类型：发明
国别省市：