一种燃料电池系统的水路设计及其换热方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，主要提供一种燃料电池系统的水路设计及其换热方法的水路设计，以及在此设计方案下，将燃料电池产生的余热换热到固态金属低压储氢装置的方法。


背景技术：

2.燃料电池最佳工作温度区间是70℃左右，且其本身在进行工作的时候会产生大量的废热，所以，常规的燃料电池控制系统都需要设计一条冷却回路，通过冷却回路加装水箱和散热风扇来实现燃料电池的温度控制。固态金属低压储氢装置是一种低压储氢装置，其通过吸收热量，可以将合金内的氢气释放出来。当前存在将燃料电池余热换热到储氢装置的方法，但是既往方法是在燃料电池高温度时候才开启换热功能，在燃料电池达到高温之前还需要加装一个常规氢气罐，以解决以上的缺陷。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的水路设计及其换热方法的水路设计，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统的水路设计及其换热方法，包括燃料电池系统，所述燃料电池系统启动后，冷却液经过节温器走向大小循环，小循环包含加热棒，大循环包括换热装置和散热装置，具体方案步骤如下：
5.第一，在燃料电池启动初期，冷却液只走小循环，既可以加热，也尽可能避免散热，燃料电池可以快速升温；
6.第二，可以将燃料电池反应产生的余热通过换热装置提供给储氢装置；
7.第三，当燃料电池发热功率大于换热功率后，可以通过散热装置继续散热，以保持燃料电池处于适宜的工作温度，燃料电池热量q＝燃料电池自身产热量q1 加热棒热量q2-储氢装置换热量q3-散热装置散热量q4-自然热损耗q5，为减少常规氢气罐的配置，以期固态金属储氢装置内自有的气态氢气可以满足燃料电池早期氢气消耗，因此要尽可能的缩短开机到储氢装置开始升温的时间。
8.优选的，本发明提供一种换热策略，包括以下步骤：
9.步骤s1：开始；
10.步骤s2：判断储氢量是否满足启动条件；否则开启步骤s14；是则开启s3；
11.步骤s3：燃料电池启动。
12.优选的，步骤s4：控制节温器，小循环开路100％，控制加热棒工作；
13.步骤s5：当燃料电池出口温度t2》50℃，且该温度值为系统标定值，该温度值要确保燃料电池系统在环境温度低于-10℃时，q1》q2 q5，则开始步骤s6；否则需要继续等待。
14.优选的，步骤s6：建立“燃料电池入口温度t1—大循环开启比例”map表，通过t1值，控制节温器大、小循环开启比例，采用该方式控制节温器，既能早一点让热量流经大循环，
以期换热给储氢装置，又可以利用小循环中加热棒继续提供热量；
15.步骤s7：建立“燃料电池出口温度t2、储氢压力p—热交换水泵转速”二维map表，通过t2值和p值，控制换热水泵的转速，也就是控制换热装置的功率。该控制方式，可以智能调控热量分配，储氢装置压力低，就提高换热功率，以期储氢装置内压力稳定；储氢装置压力高，就减少换热功率，提高燃料电池功率后，在进行换热。通过t1、t3的差值——即经过换热装置损失的温度，来控制换热水泵的工作频率。该控制是对燃料电池热量消耗进行保护，避免因换热量太大而过度损失燃料电池的温度，从而影响其功率及发热量。
16.优选的，步骤s8：当燃料电池入口温度t1》60℃，且该温度值为系统标定值，该温度值要确保燃料电池系统在环境温度低于-10℃时，q1》q3min q5，则进行下一个步骤；否则继续等待；
17.步骤s9：关闭加热棒；控制节温器大循环开度100％。
18.优选的，步骤s10：当储氢装置温度t4》65℃，当固态金属储氢装置在最佳工作区间55～65℃时，进行下一步，否则继续等待；
19.步骤s11：关闭换热水泵；
20.步骤s12：建立“t2、燃料电池目标温度—散热功率”map表，通过t2值以及燃料电池目标温度，控制散热功率。
21.优选的，步骤s13：燃料电池关闭信号置1；
22.步骤s14：提示加氢；
23.步骤s15：结束。
24.优选的，所述燃料电池系统包括燃料电池，节温器，换热装置，固态金属储氢罐，换热水泵，储氢装置温度传感器，储氢装置压力传感器，散热装置，去离子器，膨胀水壶，加热棒，散热水泵，燃料电池出、入口温度传感器，换热装置后传感器。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该燃料电池系统的水路设计及其换热方法，
26.(1)第一，在燃料电池启动初期，冷却液只走小循环，既可以加热，也尽可能避免散热，燃料电池可以快速升温；
27.(2)第二，可以将燃料电池反应产生的余热通过换热装置提供给储氢装置；
28.(3)第三，当燃料电池发热功率大于换热功率后，可以通过散热装置继续散热，以保持燃料电池处于适宜的工作温度，燃料电池热量q＝燃料电池自身产热量q1 加热棒热量q2-储氢装置换热量q3-散热装置散热量q4-自然热损耗q5，为减少常规氢气罐的配置，以期固态金属储氢装置内自有的气态氢气可以满足燃料电池早期氢气消耗，因此要尽可能的缩短开机到储氢装置开始升温的时间。
附图说明
29.图1为本发明换热策略步骤示意图；
30.图2为本发明燃料电池系统结构示意图。
具体实施方式
31.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。
32.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池系统的水路设计及其换热方法，包括燃料电池系统，所述燃料电池系统启动后，冷却液经过节温器走向大小循环，小循环包含加热棒，大循环包括换热装置和散热装置，具体方案步骤如下：
33.第一，在燃料电池启动初期，冷却液只走小循环，既可以加热，也尽可能避免散热，燃料电池可以快速升温；
34.第二，可以将燃料电池反应产生的余热通过换热装置提供给储氢装置；
35.第三，当燃料电池发热功率大于换热功率后，可以通过散热装置继续散热，以保持燃料电池处于适宜的工作温度，燃料电池热量q＝燃料电池自身产热量q1 加热棒热量q2-储氢装置换热量q3-散热装置散热量q4-自然热损耗q5，为减少常规氢气罐的配置，以期固态金属储氢装置内自有的气态氢气可以满足燃料电池早期氢气消耗，因此要尽可能的缩短开机到储氢装置开始升温的时间。
36.进一步的，本发明提供一种换热策略，包括以下步骤：
37.步骤s1：开始；
38.步骤s2：判断储氢量是否满足启动条件；否则开启步骤s14；是则开启s3；
39.步骤s3：燃料电池启动。
40.进一步的，步骤s4：控制节温器，小循环开路100％，控制加热棒工作；
41.步骤s5：当燃料电池出口温度t2》50℃，且该温度值为系统标定值，该温度值要确保燃料电池系统在环境温度低于-10℃时，q1》q2 q5，则开始步骤s6；否则需要继续等待。
42.进一步的，步骤s6：建立“燃料电池入口温度t1—大循环开启比例”map表，通过t1值，控制节温器大、小循环开启比例，采用该方式控制节温器，既能早一点让热量流经大循环，以期换热给储氢装置，又可以利用小循环中加热棒继续提供热量；
43.步骤s7：建立“燃料电池出口温度t2、储氢压力p—热交换水泵转速”二维map表，通过t2值和p值，控制换热水泵的转速，也就是控制换热装置的功率。该控制方式，可以智能调控热量分配，储氢装置压力低，就提高换热功率，以期储氢装置内压力稳定；储氢装置压力高，就减少换热功率，提高燃料电池功率后，在进行换热，通过t1、t3的差值——即经过换热装置损失的温度，来控制换热水泵的工作频率。该控制是对燃料电池热量消耗进行保护，避免因换热量太大而过度损失燃料电池的温度，从而影响其功率及发热量。
44.进一步的，步骤s8：当燃料电池入口温度t1》60℃，该温度值为系统标定值，该温度值要确保燃料电池系统在环境温度低于-10℃时，如果q1》q3min q5，则进行下一个步骤；否则继续等待；
45.步骤s9：关闭加热棒；控制节温器大循环开度100％。
46.进一步的，步骤s10：当储氢装置温度t4》65℃，当固态金属储氢装置在最佳工作区间55～65℃时，进行下一步，否则继续等待；
47.步骤s11：关闭换热水泵；
48.步骤s12：建立“t2、燃料电池目标温度—散热功率”map表，通过t2值以及燃料电池目标温度，控制散热功率。
49.进一步的，步骤s13：燃料电池关闭信号置1；
50.步骤s14：提示加氢；
51.步骤s15：结束。
52.进一步的，所述燃料电池系统包括燃料电池，节温器，换热装置，固态金属储氢罐，换热水泵，储氢装置温度传感器，储氢装置压力传感器，散热装置，去离子器，膨胀水壶，加热棒，散热水泵，燃料电池出、入口温度传感器，换热装置后传感器。
53.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
54.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。