CN115360379A - 一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法，涉及氢能应用技术领域，该液氢动力系统，包括：液氢储罐、缓冲罐、燃料电池(或发动机)、中冷器、空气压缩机、液氢泵和盘管；其平衡利用热量方法能够有效利用液氢的冷量冷却燃料电池(或发动机)，并利用燃料电池(或发动机)的热量使液氢汽化，代替传统汽化器的功能，实现系统内部的热量平衡利用，提高系统能量利用效率。

Description

一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法

技术领域

本发明涉及氢能应用技术领域，具体涉及一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法。

背景技术

传统的液氢动力系统中，往往存在局部热量、冷量的不平衡，造成大量的能量浪费；其中，液氢温度极低，约为-253℃，在供给燃料电池(或发动机)使用前，需要通过汽化器吸热汽化，提高使用温度；而燃料电池(或发动机)等氢能利用装置，在工作过程中释放大量热量，需要额外冷却工质进行循环冷却，如液冷式燃料电池电堆；或需要额外结构设计，利用空气进行冷却，如空冷式燃料电池电堆。综上所述，液氢汽化吸热过程需要吸收大量热量，而燃料电池(或发动机)的冷却又需要大量冷量，通过合理的流程与结构设计，液氢系统与燃料电池(或发动机)能够实现冷量、热量的互补利用，提高整体效率。

现有的燃料电池冷却技术主要是利用空气或循环水对燃料电池系统进行热管理，现有液氢供氢系统需使用汽化器实现液氢汽化，传统汽化器的热量也来源于与空气换热或与循环水换热。例如，申请号为CN201611056763.3的专利，是利用循环水对燃料电池系统进行热管理，利用循环水携带的热量使液氢储罐升温，进而加速液氢汽化。该流程引入了额外工质，且仍需散热器对冷却用的循环水进行散热，储存循环水的水箱也增加了整体系统的体积和重量。

总而言之，如何通过系统流程设计，实现液氢和燃料电池(或发动机)所在的整体动力系统的热量平衡利用，避免能量浪费，尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法，能够有效利用液氢的冷量冷却燃料电池(或发动机)，并利用燃料电池(或发动机)的热量使液氢汽化，代替传统汽化器的功能，实现系统内部的热量平衡利用，提高系统能量利用效率。

本发明的技术方案为：一种平衡利用热量的液氢动力系统，包括：液氢储罐、缓冲罐、燃料电池、中冷器、空气压缩机、液氢泵和盘管；

所述液氢储罐、缓冲罐、燃料电池、中冷器和空气压缩机依次通过输送管路连接，且液氢储罐和缓冲罐之间的输送管路上设置气相阀Ⅰ，缓冲罐和燃料电池之间的输送管路上设置气相阀Ⅱ；

所述液氢储罐和中冷器之间通过两条并联的输送管路连接，且一条输送管路上设有液氢泵，另一条输送管路上设有液相阀；所述燃料电池的外表面上环绕有盘管，其通过输送管路与中冷器连接；同时，燃料电池外表面上的盘管与缓冲罐之间通过输送管路连接。

一种平衡利用热量的液氢动力系统，包括：液氢储罐、缓冲罐、发动机、空气压缩机、液氢泵和盘管；

所述液氢储罐、缓冲罐、发动机和空气压缩机依次通过输送管路连接，且液氢储罐和缓冲罐之间的输送管路上设置气相阀Ⅰ，缓冲罐和发动机之间的输送管路上设置气相阀Ⅱ；

所述发动机的外表面上环绕有盘管，所述液氢储罐和盘管之间通过两条并联的输送管路连接，且一条输送管路上设有液氢泵，另一条输送管路上设有液相阀；同时，发动机外表面上的盘管与缓冲罐之间通过输送管路连接。

优选地，所述液氢储罐的形状可为球形或圆柱形。

一种平衡利用热量的液氢动力系统的热量平衡利用方法，包括以下步骤：

步骤一：液氢储罐内存储额定量的液氢，缓冲罐内存储一定容量和压力的氢气，此时，气相阀Ⅰ和液相阀关闭，气相阀Ⅱ打开，缓冲罐中的氢气进入燃料电池；同时，空气压缩机开始工作，将压缩后的空气通过中冷器降温后送入燃料电池；

步骤二：液氢泵开始工作，将液氢经中冷器和盘管，与压缩空气和燃料电池换热，液氢吸热汽化后进入缓冲罐，同时对燃料电池进行了冷却；

步骤三：燃料电池持续工作产生热量，通过液氢泵调节液氢流量以维持燃料电池的工作温度，当盘管中的液氢汽化后形成的氢气的压力大于液氢储罐中压力时，气相阀Ⅰ和液相阀均打开，液氢储罐中的液氢在氢气压力的作用下被不断挤出，通过调整气相阀Ⅰ和液相阀的阀门开度控制液氢的流出流量，当液氢储罐的压力满足液氢流出的流量大于等于液氢泵的输送流量时，关闭液氢泵；

步骤四：在该液氢动力系统准备停止工作时，关闭液相阀和气相阀Ⅱ，使燃料电池停机后再关闭气相阀Ⅰ。

一种平衡利用热量的液氢动力系统的热量平衡利用方法，包括以下步骤：

步骤一：液氢储罐内存储额定量的液氢，缓冲罐内存储一定容量和压力的氢气，此时，气相阀Ⅰ和液相阀关闭，气相阀Ⅱ打开，缓冲罐中的氢气进入发动机；同时，空气压缩机开始工作，使压缩后的空气进入发动机，发动机开始工作；

步骤二：液氢泵开始工作，将液氢经盘管与发动机换热，液氢吸热汽化后进入缓冲罐，同时对发动机进行了冷却；

步骤三：发动机持续工作产生热量，通过液氢泵调节液氢流量以维持发动机的工作温度，当盘管中的液氢汽化后形成的氢气的压力大于液氢储罐中压力时，气相阀Ⅰ和液相阀均打开，液氢储罐中的液氢在氢气压力的作用下被不断挤出，通过调整气相阀Ⅰ和液相阀的阀门开度控制液氢的流出流量，当液氢储罐的压力满足液氢流出的流量大于等于液氢泵的输送流量时，关闭液氢泵；

步骤四：在该液氢动力系统准备停止工作时，关闭液相阀和气相阀Ⅱ，使发动机停机后再关闭气相阀Ⅰ。

有益效果：

1、本发明通过合理布置液氢管路，调控液氢流量，增添存储氢气的缓冲罐，从而利用液氢的冷量冷却燃料电池，并利用燃料电池的热量使液氢汽化，实现了将液氢的冷量与压缩空气的热量和燃料电池的热量之间的平衡利用，直接将液氢管路与燃料电池进行换热，代替了传统汽化器的功能，可有效实现系统内部的热量平衡；同时，利用阀门与缓冲罐的协调作用，可实现液氢输送，减少液氢泵的使用，提高系统能量利用效率。

2、本发明通过合理布置液氢管路，调控液氢流量，增添存储氢气的缓冲罐，从而利用液氢的冷量冷却发动机，并利用发动机的热量使液氢汽化，实现了将液氢的冷量与发动机的热量之间的平衡利用，代替传统汽化器的功能，可减少能量损失，有效实现系统内部的热量平衡，提高系统能量利用效率；同时，利用阀门与缓冲罐的协调作用，可实现液氢输送，减少液氢泵的使用，进一步提高系统能量利用效率。

3、现有的液氢动力系统的热管理方法，主要是使用循环水，利用液氢冷量对燃料电池进行冷却，引入了额外的工质，增大了系统体积和重量，而液氢的汽化，往往是通过汽化器与空气或循环水进行换热；本发明的方法采用液氢管路与燃料电池或发动机直接换热的方式，使液氢吸热汽化，从而取代了传统的汽化器，通过液氢冷量与燃料电池或发动机的热量平衡利用，避免了引入额外工质，提高了热量利用效率；同时，本发明还采用了缓冲罐与阀门相互协调配合的液氢供应方式，针对液氢动力系统的启动、运行、停机等状态采取不同的供氢方式，从而在满足动力系统用氢需求和系统安全的前提下，节约能源，提高系统效率。

附图说明

图1为本发明液氢动力系统的一种实施例示意图。

图2为本发明液氢动力系统的另一种实施例示意图。

其中，1-液氢储罐，2-气相阀Ⅰ，3-缓冲罐，4-输送管路，5-气相阀Ⅱ，6-燃料电池，7-中冷器，8-空气压缩机，9-液氢泵，10-液相阀，11-电力线路，12-电动机，13-盘管，14-发动机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供了一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法，能够有效利用液氢的冷量冷却燃料电池，并利用燃料电池的热量使液氢汽化，代替传统汽化器的功能，实现系统内部的热量平衡利用，提高系统能量利用效率。

如图1所示，该液氢动力系统包括：液氢储罐1、缓冲罐3、燃料电池6、中冷器7、空气压缩机8、液氢泵9、电动机12和盘管13；

所述液氢储罐1、缓冲罐3、燃料电池6、中冷器7和空气压缩机8依次通过输送管路4连接，且液氢储罐1和缓冲罐3之间的输送管路4上设置气相阀Ⅰ2，缓冲罐3和燃料电池6之间的输送管路4上设置气相阀Ⅱ5；

所述液氢储罐1和中冷器7之间通过两条并联的输送管路4连接，且一条输送管路4上设有液氢泵9，另一条输送管路4上设有液相阀10；所述燃料电池6的外表面上环绕有盘管13，该盘管13通过输送管路4与中冷器7连接，且与并联在液氢储罐1和中冷器7之间的两条输送管路4连通，盘管13和中冷器7之间的输送管路4与并联在液氢储罐1和中冷器7之间的两条输送管路4共同构成液氢管路；同时，燃料电池6外表面上的盘管13与缓冲罐3之间通过输送管路4连接；

其中，液氢储罐1的形状可为球形或圆柱形或其他传统、异型结构；气相阀Ⅰ2、气相阀Ⅱ5和液相阀10均由外部的控制系统控制；缓冲罐3用于储存汽化后的氢气；燃料电池6外表面上环绕的盘管13用于对燃料电池6进行冷却降温；空气压缩机8用于对来流空气进行压缩，中冷器7用于对压缩后的空气进行降温，其冷量来源于液氢储罐1和中冷器7之间的液氢管路所携带的冷量；液氢泵9用于调控液氢储罐1流出的液氢流量。

本实施例中，燃料电池6通过电力线路11向电动机12提供电能，进而为外部的其他系统或设备等提供动力。

该液氢动力系统的工作原理或方法为：

在初始状态(即该液氢动力系统未启动工作的状态)下，液氢储罐1内存储额定量的液氢，缓冲罐3内存储一定容量和压力的氢气，此时，气相阀Ⅰ2和液相阀10处于关闭状态，打开气相阀Ⅱ5，缓冲罐3中的氢气由输送管路4进入燃料电池6内部；同时，空气压缩机8开始工作，将压缩后的空气通过中冷器7降温后送入燃料电池6，燃料电池6开始工作，且可为电动机12提供电能；

燃料电池6开始工作之后，液氢泵9开始工作，将较小流量(即满足盘管13的出口温度为环境温度的流量)的液氢经中冷器7和燃料电池6外表面的盘管13，与压缩空气和燃料电池6换热，液氢吸热汽化后进入缓冲罐3，同时对燃料电池6进行了冷却；至此，该液氢动力系统完成启动并开始工作；其中，中冷器7的冷量由液氢提供(即中冷器7的冷量为进入中冷器7的液氢所携带的冷量)；液氢汽化吸热过程需要吸收大量热量，而燃料电池6的冷却又需要大量冷量；

在该液氢动力系统启动并开始工作后，燃料电池6持续工作产生大量热量，通过液氢泵9调节液氢流量以维持燃料电池6的工作温度在合理范围(一般为25-90℃，优选70-85℃)内，随着盘管13中的液氢汽化后形成的氢气在缓冲罐3中大量存储，当缓冲罐3中压力大于液氢储罐1中压力时，气相阀Ⅰ2和液相阀10均打开，液氢储罐1中的液氢在缓冲罐3中的氢气所产生的压力下被不断挤出，通过调整气相阀Ⅰ2和液相阀10的阀门开度可控制液氢的流出流量，当液氢储罐1的压力满足液氢流出的流量大于等于液氢泵9的输送流量时，关闭液氢泵9，从而减少液氢泵9的能量消耗，提高系统整体效率；

在该液氢动力系统准备停止工作时，关闭液相阀10和气相阀Ⅱ5，保证燃料电池6安全停机后再关闭气相阀Ⅰ2，避免温度过高或过低对燃料电池6造成损害。

实施例2：

本实施例提供了一种平衡利用热量的液氢动力系统及其平衡利用热量方法，能够有效利用液氢的冷量冷却发动机，并利用发动机的热量使液氢汽化，代替传统汽化器的功能，实现系统内部的热量平衡利用，提高系统能量利用效率。

如图2所示，该液氢动力系统包括：液氢储罐1、缓冲罐3、发动机14、空气压缩机8、液氢泵9和盘管13；

所述液氢储罐1、缓冲罐3、发动机14和空气压缩机8依次通过输送管路4连接，且液氢储罐1和缓冲罐3之间的输送管路4上设置气相阀Ⅰ2，缓冲罐3和发动机14之间的输送管路4上设置气相阀Ⅱ5；

所述发动机14的外表面上环绕有盘管13，所述液氢储罐1和盘管13之间通过两条并联的输送管路4连接，且一条输送管路4上设有液氢泵9，另一条输送管路4上设有液相阀10；此处，两条并联的输送管路4构成液氢管路；同时，发动机14外表面上的盘管13与缓冲罐3之间通过输送管路4连接；

其中，液氢储罐1的形状可为球形或圆柱形或其他传统、异型结构；气相阀Ⅰ2、气相阀Ⅱ5和液相阀10均由外部的控制系统控制；缓冲罐3用于储存汽化后的氢气；发动机14外表面上环绕的盘管13可用于对发动机14进行冷却降温；空气压缩机8用来对来流空气进行压缩，作为发动机14的氧气来源；液氢泵9可调控液氢储罐1流出的液氢流量；发动机14为外部的其他系统或设备等提供动力。

该液氢动力系统的工作原理为：

在初始状态(即该液氢动力系统未启动工作的状态)下，液氢储罐1内存储额定量的液氢，缓冲罐3内存储一定容量和压力的氢气，此时，气相阀Ⅰ2和液相阀10关闭，气相阀Ⅱ5打开，缓冲罐3中的氢气由输送管路4进入发动机14；同时，空气压缩机8开始工作，使压缩后的空气进入发动机14，发动机14开始工作，从而为外部的其他系统或设备等提供动力；

发动机14开始工作之后，液氢泵9开始工作，将较小流量(即满足盘管13的出口温度为环境温度的流量)的液氢经发动机14外表面上的盘管13，与发动机14换热，液氢吸热汽化后进入缓冲罐3，同时对发动机14进行了冷却；至此，该液氢动力系统完成启动并开始工作；其中，液氢汽化吸热过程需要吸收大量热量，而发动机14的冷却又需要大量冷量；

在该液氢动力系统启动并开始工作后，发动机14持续工作产生大量热量，通过液氢泵9调节液氢流量以维持发动机14的工作温度在预设范围内(即发动机14降温到预设范围内，保证其能够稳定运行)，随着盘管13中的液氢汽化后形成的氢气在缓冲罐3中大量存储，当缓冲罐3中压力大于液氢储罐1中压力时，气相阀Ⅰ2和液相阀10均打开，液氢储罐1中的液氢在缓冲罐3中的氢气所产生的压力下被不断挤出，通过调整气相阀Ⅰ2和液相阀10的阀门开度可控制液氢的流出流量，当液氢储罐1的压力满足液氢流出的流量大于等于液氢泵9的输送流量时，关闭液氢泵9，从而减少液氢泵9的能量消耗，提高系统整体效率；

在该液氢动力系统准备停止工作时，关闭液相阀10和气相阀Ⅱ5，保证发动机14安全停机后再关闭气相阀Ⅰ2，避免温度过高或过低对发动机14造成损害。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (5)

1.一种平衡利用热量的液氢动力系统，其特征在于，包括：液氢储罐(1)、缓冲罐(3)、燃料电池(6)、中冷器(7)、空气压缩机(8)、液氢泵(9)和盘管(13)；

所述液氢储罐(1)、缓冲罐(3)、燃料电池(6)、中冷器(7)和空气压缩机(8)依次通过输送管路(4)连接，且液氢储罐(1)和缓冲罐(3)之间的输送管路(4)上设置气相阀Ⅰ(2)，缓冲罐(3)和燃料电池(6)之间的输送管路(4)上设置气相阀Ⅱ(5)；

所述液氢储罐(1)和中冷器(7)之间通过两条并联的输送管路(4)连接，且一条输送管路(4)上设有液氢泵(9)，另一条输送管路(4)上设有液相阀(10)；所述燃料电池(6)的外表面上环绕有盘管(13)，其通过输送管路(4)与中冷器(7)连接；同时，燃料电池(6)外表面上的盘管(13)与缓冲罐(3)之间通过输送管路(4)连接。

2.一种平衡利用热量的液氢动力系统，其特征在于，包括：液氢储罐(1)、缓冲罐(3)、发动机(14)、空气压缩机(8)、液氢泵(9)和盘管(13)；

所述液氢储罐(1)、缓冲罐(3)、发动机(14)和空气压缩机(8)依次通过输送管路(4)连接，且液氢储罐(1)和缓冲罐(3)之间的输送管路(4)上设置气相阀Ⅰ(2)，缓冲罐(3)和发动机(14)之间的输送管路(4)上设置气相阀Ⅱ(5)；

所述发动机(14)的外表面上环绕有盘管(13)，所述液氢储罐(1)和盘管(13)之间通过两条并联的输送管路(4)连接，且一条输送管路(4)上设有液氢泵(9)，另一条输送管路(4)上设有液相阀(10)；同时，发动机(14)外表面上的盘管(13)与缓冲罐(3)之间通过输送管路(4)连接。

3.如权利要求1或2所述的平衡利用热量的液氢动力系统，其特征在于，所述液氢储罐(1)的形状可为球形或圆柱形。

4.一种平衡利用热量的液氢动力系统的热量平衡利用方法，其特征在于，它使用如权利要求1所述的液氢动力系统，包括以下步骤：

步骤一：液氢储罐(1)内存储额定量的液氢，缓冲罐(3)内存储一定容量和压力的氢气，此时，气相阀Ⅰ(2)和液相阀(10)关闭，气相阀Ⅱ(5)打开，缓冲罐(3)中的氢气进入燃料电池(6)；同时，空气压缩机(8)开始工作，将压缩后的空气通过中冷器(7)降温后送入燃料电池(6)；

步骤二：液氢泵(9)开始工作，将液氢经中冷器(7)和盘管(13)，与压缩空气和燃料电池(6)换热，液氢吸热汽化后进入缓冲罐(3)，同时对燃料电池(6)进行了冷却；

步骤三：燃料电池(6)持续工作产生热量，通过液氢泵(9)调节液氢流量以维持燃料电池(6)的工作温度，当盘管(13)中的液氢汽化后形成的氢气的压力大于液氢储罐(1)中压力时，气相阀Ⅰ(2)和液相阀(10)均打开，液氢储罐(1)中的液氢在氢气压力的作用下被不断挤出，通过调整气相阀Ⅰ(2)和液相阀(10)的阀门开度控制液氢的流出流量，当液氢储罐(1)的压力满足液氢流出的流量大于等于液氢泵(9)的输送流量时，关闭液氢泵(9)；

步骤四：在该液氢动力系统准备停止工作时，关闭液相阀(10)和气相阀Ⅱ(5)，使燃料电池(6)停机后再关闭气相阀Ⅰ(2)。

5.一种平衡利用热量的液氢动力系统的热量平衡利用方法，其特征在于，它使用如权利要求2所述的液氢动力系统，包括以下步骤：

步骤一：液氢储罐(1)内存储额定量的液氢，缓冲罐(3)内存储一定容量和压力的氢气，此时，气相阀Ⅰ(2)和液相阀(10)关闭，气相阀Ⅱ(5)打开，缓冲罐(3)中的氢气进入发动机(14)；同时，空气压缩机(8)开始工作，使压缩后的空气进入发动机(14)，发动机(14)开始工作；

步骤二：液氢泵(9)开始工作，将液氢经盘管(13)与发动机(14)换热，液氢吸热汽化后进入缓冲罐(3)，同时对发动机(14)进行了冷却；

步骤三：发动机(14)持续工作产生热量，通过液氢泵(9)调节液氢流量以维持发动机(14)的工作温度，当盘管(13)中的液氢汽化后形成的氢气的压力大于液氢储罐(1)中压力时，气相阀Ⅰ(2)和液相阀(10)均打开，液氢储罐(1)中的液氢在氢气压力的作用下被不断挤出，通过调整气相阀Ⅰ(2)和液相阀(10)的阀门开度控制液氢的流出流量，当液氢储罐(1)的压力满足液氢流出的流量大于等于液氢泵(9)的输送流量时，关闭液氢泵(9)；

步骤四：在该液氢动力系统准备停止工作时，关闭液相阀(10)和气相阀Ⅱ(5)，使发动机(14)停机后再关闭气相阀Ⅰ(2)。

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