一种固态储氢燃料电池叉车系统及其热管理方法技术方案

技术编号：40929673 阅读：2 留言：0更新日期：2024-04-18 14:51

本发明专利技术公开了一种固态储氢燃料电池叉车系统及其热管理方法，系统包括燃料电池系统、动力电池部件、氢气存储与缓冲部件。方法包括分别计算燃料电池系统和动力电池的释放热量，以及储氢材料和吸热储能材料的吸收热量，并根据热量守恒关系指导散热风扇选型或吸热储能材料选择及用量。本发明专利技术采用系统整体热管理方式，使得电堆或动力电池产生的热量能够充分利用，具有较高的能量利用效率；采用吸热储能材料为系统进行温度调控，在叉车散热能力有限的条件下，能够进行大功率运行；吸热储能材料能够所储存能力能够帮助系统在低温下快速启动，通过对固态储氢装置及动力电池加热，使得燃料电池快速升温，快速启动；而且能够实现能量的快速调节与分配。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池技术方案，具体涉及一种固态储氢燃料电池叉车系统及其热管理方法。

技术介绍

1、节能减排已经深入各行业，尤其在交通及工业运输领域，改变传统能源利用方式，采用清洁无污染的氢能已经受到广泛认同。

2、叉车具有操作简单可靠，机动灵活性强，生产效率高，运行成本低等优势得到广泛应用，主要运用于海港、库房等作业半径小流通量大的领域。此类运行场景适合采用氢燃料电池动力系统为叉车提供清洁高效的动力。氢燃料电池系统在运行过程中，具有较快的加载速率，较快的补能速度以及较大的输出功率等优势，能够充分满足叉车的应用场景，助力叉车系统脱碳减排。

3、然而目前的燃料电池叉车开发面临一些问题，叉车自身具有一些限制因素，如体积与重量较小，车身结构紧凑，导致动力系统预留空间较小等。此外在叉车运行过程中，功率快速上升的工况使得动力系统散热需求大，在较小的空间中难以布置快速散热系统。散热问题成为氢燃料电池叉车面临的主要问题之一，以上限制因素也是氢燃料电池动力系统难以推广利用的难点。

技术实现思路

1、本专利技术提供一种固态储氢燃料电池叉车系统及其热管理方法，有效地解决了上述问题。固态储氢既可在较低的气压、较小的空间存储大量氢气，又可在温和的条件下，连续可控释放氢气。与传统高压罐相比，不仅减少了占用空间，还大幅降低了存储压力。此外，储氢材料在充放氢过程中还可使氢气“纯化”，从而显著降低输出氢气的杂质含量，提升燃料电池设备的性能与寿命。通过固态储氢代替气态氢瓶具有较好的实用性。</p>

2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：

3、一种固态储氢燃料电池叉车系统，包括相互连接的燃料电池系统、动力电池部件、氢气存储与缓冲部件，其中，所述燃料电池系统包括有固态储氢装置，所述固态储氢装置包括固态储氢罐、绝热箱，固态储氢罐中填充有储氢材料，固态储氢罐置于绝热箱中，箱体空余部分填充吸热储能材料。

4、作为上述方案的优选，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆及与燃料电池电堆配套的氢气子系统、空气进气系统以及冷却液循环系统；所述燃料电池电堆采用液冷型封闭式电堆，电堆为石墨双极板电堆，金属双极板电堆或者复合极板电堆中的一种；所述氢气子系统包括固态储氢装置、氢气缓冲罐以及气体管路与阀门；所述空气进气系统包括空气滤清器、空气压缩机以及进气管路及其阀门；所述冷却液循环系统包括冷却液循环泵、冷却管路及散热风扇。

5、作为上述方案的优选，所述吸热储能材料为相变材料。

6、作为上述方案的优选，所述吸热储能材料内部设有冷却液管，吸热储能材料将冷却管路完全包裹，绝热箱上预留有冷却管路入口与出口、氢气管路入口与出口及其阀门，绝热箱冷却管路入口连接动力电池部件的冷却液出口，冷却管路出口连接电堆冷却液入口，氢气管路入口为外部供氢口，氢气管路出口连接氢气缓冲部件。

7、作为上述方案的优选，所述动力电池部件包括动力电池，动力电池也置于绝热箱中，动力电池部件与固态储氢装置共用一套冷却管路。

8、作为上述方案的优选，所述氢气存储与缓冲部件为小型氢气罐，氢气罐设有单向进出口，氢气罐与固态储氢装置间加装有单向阀。

9、一种固态储氢燃料电池叉车系统的热管理方法，包括以下步骤：

10、s1、分别计算燃料电池系统和动力电池的释放热量；

11、s2、分别计算储氢材料和吸热储能材料的吸收热量；

12、s3、根据热量守恒关系指导散热风扇选型和/或吸热储能材料选择及用量。

13、作为上述方案的优选，步骤s1中，根据以下公式(1)计算燃料电池系统散热量：

14、

15、式中，qfc为燃料电池系统散热量；wfc为燃料电池系统输出功率；η0为换热效率；

16、根据以下公式(2)计算动力电池释放热量：

17、qe＝we·(1-ηe) (2)

18、式中，qe为动力电池释放热量；we为动力电池电量；ηe为动力电池充放电效率。

19、作为上述方案的优选，步骤s2中，根据以下公式(3)计算储氢材料吸收热量：

20、qa＝δha·ma (3)

21、式中，qa为储氢材料吸收热量，当固态储氢罐中氢气完全释放所吸收的热量为qa，max；δha为储氢材料释放氢气过程中焓变；ma为储氢材料质量；

22、并根据以下公式(4)计算吸热储能材料吸收热量：

23、qb＝mb·cb·δt·ηb (4)

24、式中，qb为吸热储能材料吸收热量，吸热储能材料的最大吸收热量为qb,max；ma为吸热储能材料质量；cb为吸热储能材料比热容；ηb为吸热储能材料吸热效率；δt为吸热前后温度差值。

25、作为上述方案的优选，步骤s3中，热量守恒关系为qfc+qe＝qa,max+qb,max+qf,max，式中，qf,max为散热器单位时间最大散热量。

26、由于具有上述结构，本专利技术的有益效果在于：

27、1、本专利技术采用系统整体热管理方式，使得电堆或动力电池产生的热量能够充分利用，具有较高的能量利用效率。

28、2、采用吸热储能材料为系统进行温度调控，在叉车散热能力有限的条件下，能够进行大功率运行。

29、3、本专利技术吸热储能材料能够所储存能力能够帮助系统在低温下快速启动，通过对固态储氢装置及动力电池加热，使得燃料电池快速升温，快速启动。

30、4、本专利技术结构紧凑，无需添加额外散热或加热装置，即可实现能量的快速调节与分配。并且以冷却液作为传热介质进行联动管理，实现燃料电池系统闭环调控。

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【技术保护点】

1.一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：包括相互连接的燃料电池系统、动力电池部件、氢气存储与缓冲部件，其中，所述燃料电池系统包括有固态储氢装置，所述固态储氢装置包括固态储氢罐、绝热箱，固态储氢罐中填充有储氢材料，固态储氢罐置于绝热箱中，箱体空余部分填充吸热储能材料。

2.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：所述燃料电池系统包括燃料电池电堆及与燃料电池电堆配套的氢气子系统、空气进气系统以及冷却液循环系统；

3.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：所述吸热储能材料为相变材料。

4.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：所述吸热储能材料内部设有冷却液管，吸热储能材料将冷却管路完全包裹，绝热箱上预留有冷却管路入口与出口、氢气管路入口与出口及其阀门，绝热箱冷却管路入口连接动力电池部件的冷却液出口，冷却管路出口连接电堆冷却液入口，氢气管路入口为外部供氢口，氢气管路出口连接氢气缓冲部件。

5.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：所述动力电池

6.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：所述氢气存储与缓冲部件为小型氢气罐，氢气罐设有单向进出口，氢气罐与固态储氢装置间加装有单向阀。

7.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统的热管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统的热管理方法，其特征在于：步骤S1中，根据以下公式(1)计算燃料电池系统散热量：

9.根据权利要求7所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统的热管理方法，其特征在于：步骤S2中，根据以下公式(3)计算储氢材料吸收热量：

10.根据权利要求7所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统的热管理方法，其特征在于：步骤S3中，热量守恒关系为Qfc+Qe＝Qa,max+Qb,max+Qf,max，式中，Qf,max为散热器单位时间最大散热量。

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【技术特征摘要】

3.根据权利要求1所述的一种固态储氢燃料电池叉车系统，其特征在于：所述吸热储能材料为相变材料。

5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：江坤，唐廷江，黄易元，黄浩，徐扬，李武俊，李子毅，罗马吉，
申请(专利权)人：武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

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