固态储氢与燃料电池热交互方法及车载氢能源电池系统-j9九游会真人

1.本发明属于燃料电池与氢能领域，具体涉及一种固态储氢与燃料电池热交互方法及车载氢能源电池系统。


背景技术：

2.发展新型清洁能源汽车是当前的国际共识，也是我国战略性能源革命与新兴产业发展的重要举措。氢能以其能量密度高、来源丰富、绿色低污染的三大优势，被公认为最具开发潜力的清洁能源，在交通运输领域，是最具应用前景的新能源汽车之一。
3.燃料电池动力系统是氢能源汽车的核心，由燃料电池、储氢装置以及其他辅助设备构成。现阶段的车载储氢方式包括高压储氢，液化储氢与固态储氢，其中，金属氢化物储氢装置具有高体积密度和高安全性的优势，是极具潜力的未来车载储氢方案之一，随着新型储氢金属材料与储氢罐结构设计的研发应用，面向车载应用需求的释氢过程控制成为当前研究热点。质子交换膜燃料电池功率密度高、启动迅速的优点确立了其在车载应用领域的优势地位，二者构成的氢能系统具有能量密度高、空间占比小、耦合性强、安全性高等显著优点，成为各国燃料电池商用车研究领域的热点，极具发展前景。
4.金属氢化物储氢材料的吸氢与放氢过程即为氢原子进出合金晶格的过程，该过程伴随强烈的热交换。吸氢过程为放热过程，快速散热有助于氢气吸收速度的提高；放氢过程为吸热过程，需要额外补充热量保证氢气释放速度满足燃料电池的需求。
5.质子交换膜燃料电池是通过氧化剂，主要是氧气，将存储在氢气中的化学能转化成电能与热能的电化学装置，高效移除废热，有助于保持电池内部温度平衡，维护反应稳定进行；若无法按需散发废热，燃料电池运行温度过高或过低都会降低能量转化效率，甚至对燃料电池电堆造成不可逆的伤害。
6.由金属氢化物储氢装置与质子交换膜燃料电池构成的氢能系统存在强烈热电耦合：氢气作为燃料电池的入口燃料，其温度、压力、流量等参数极大地影响燃料电池的电流输出特性，研究表明，温度变化会改变燃料电池中氢气扩散层和催化剂层的模电导率和水分输送，从而影响燃料电池的性能；适当提高反应气体的压力有助于提高燃料电池效率，此外，当氢气流速较低时，燃料电池处于饥饿状态，除降低能源转换效率外还会导致交换膜老化；同时，储氢装置输出特性会随着外界热量传输而变化。利用燃料电池余热调节储氢装置运行被证明为一种有效的方式：热量可经由铜导热管传递给储氢罐，使得氢气解析速度提高；通过打开燃料电池阴极排出热空气，约有35％的热量可供给储氢罐，提高氢气解析率的同时，储氢罐体积需求量降低20％。然而，单一热交换器件不足以满足温度控制需求。现有技术公开的固态储氢供氢燃料电池系统通过水热循环系统，其为水热套，将燃料电池与金属氢化物储氢罐相连通，提高系统废热利用率与集成化。然而，面对燃料电池发动机的变工况需求，采用单纯的水循环作为换热介质温度变化速度低，且对于环境温度较高或较低的情况无法满足换热需求，导致能源利用率降低，对复杂场景适应性不足。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题：
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种固态储氢与燃料电池热交互的车载氢能源电池系统，是利用固态储氢与燃料电池热交互与热管理紧密协调的耦合系统，该系统能够在保证系统输出特性的同时，降低热量损耗，提高系统的整体性与集成性，提高能量利用率；同时本发明还提供一种热交换协同控制方法，针对所提供的车载氢能源系统中热量管理模块，给出面向变工况的热交换控制策略，提高系统工作效率，该方法可用于采用金属氢化物储氢装置进行车载储氢、质子交换膜燃料电池进行驱动的的燃料电池汽车能量管理与控制领域，以及其他需要应用由固态储氢与燃料电池构成的能源装置的技术领域。
9.本发明的技术方案是：一种固态储氢与燃料电池热交互的控制方法，具体步骤如下：
10.步骤1：布置温度测量系统；
11.所述温度测量系统包括测量储氢装置内的温度测量组件、测量燃料电池的温度测量组件、测量燃料电池进/出口的温度测量组件；
12.步骤2：测量环境的温度数据，做出温度状态判断；
13.所述温度状态根据温度值分为三种，即大于30℃的较高温度、10℃-30℃内的适宜温度、小于10℃的较低温度；
14.步骤3：基于温度状态判断结果，通过控制器控制温控系统，对供氢系统的温度进行预处理；
15.步骤4：运行供氢系统给负载供电，通过控制器控制温控系统，对供氢系统进行实施温度调控。
16.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，储氢罐内的温度测量组件为储氢罐温度传感器组，由多个分布于储氢罐内的温度传感器构成；测量燃料电池的温度测量组件为燃料电池温度传感器组，由多个分布于燃料电池上的温度传感器构成；测量燃料电池进/出口的温度测量组件包括燃料电池入口水流温度传感器和燃料电池出口水流温度传感器。
17.本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，采用环境温度传感器测量供氢系统所处环境的温度。
18.本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，当环境温度状态为较高温度时，启动温控系统的冷却部件，根据功率需求与供氢需求调整冷却部件的运行功率；当环境温度状态为适宜温度时，同时启动温控系统的冷却部件和加热部件，根据功率需求与供氢需求调整冷却部件和加热部件的运行功率；当环境温度状态为较低温度时，启动温控系统的加热部件，根据功率需求与供氢需求调整加热部件的运行功率。
19.本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，根据温度测量系统获取的不同位置的温度值，做出供氢系统运行时的温度状态判断；以温度与温差为控制目标，采用pid控制器，调节温控系统的运行功率；
20.当温度状态为较高温度时，通过温控系统的冷却部件调节燃料电池的温度，以燃料电池进出口温差与燃料电池电堆温度为控制目标，调整冷却部件；当温度状态为适宜温度时，同时启动温控系统的冷却部件和加热部件，以满足运行温度需求；当温度状态为较低温度时，启动温控系统的加热部件，提高储氢装置入口温度，根据供氢需求，提高释氢反应
速率。
21.本发明的进一步技术方案是：所述温控系统包括水循环管路、热交换器、电阻加热器、水泵和换热风扇；所述水循环管路贯穿于储氢装置和燃料电池，其上串联安装有热交换器、电阻加热器、水泵，通过水泵控制管路内水流速度，通过热交换器冷却管路内水温，通过电阻加热器加热管路内水温；所述换热风扇设置于供氢系统所处环境内，增加环境空气流通速度；
22.其中，换热风扇、热交换器配合水泵为冷却部件，电阻加热器配合水泵为加热部件。
23.本发明的进一步技术方案是：所述通过pid控制器控制燃料电池堆的温度表达式如下：
[0024][0025]
其中，m
fc
表示燃料电池的质量，c
pfc
表示燃料电池的比热，表示反应中产生的能量，power
fc
表示反应中产生的堆功率，表示循环水驱动的辐射排热，表示换热风扇驱动的热对流排热；
[0026]
反应中产生的能量的表达式为：
[0027][0028]
其中，为氢气的质量比焓，为氧气的质量比焓，为水的质量比焓，为氢气的比热容，为氧气的比热容，为生成水的比热容。t
fc
为燃料电池电堆温度，t
amb
为环境温度，t0为参考温度；
[0029]
循环水驱动的辐射排热的表达式为：
[0030][0031]
其中，mw为循环水流量，cw为循环水的比热容，为循环水进入燃料电池电堆时的入口温度；
[0032]
散热风扇驱动的热对流排热的表达式为：
[0033]qconv
＝λ
fan
(t
fc-t
amb
)/r
t
[0034]
其中，λ
fan
为散热风扇转动系数，r
t
为热辐射系数；
[0035]
所述金属氢化物储氢装置反应过程中的能量守恒计算公式如下：
[0036][0037]
其中，c
pg
为氢气的比热，c
ps
是储氢材料的比热，q是储氢罐获得的总热量，v
tank
为金属氢化物储氢装置体积，v
mh
为储氢装置内填充储氢材料的体积，ε为储氢装置内部孔隙率，为储氢材料质量变化，δh为反应焓；
[0038]
通过pid控制器控制的循环水温度变化表达式为：
[0039][0040]
其中，为金属氢化物储氢罐进口处的循环水温度，为金属氢化物储氢罐出口处的循环水温度，t
mh
为储氢装置的温度；a是储氢罐与循环水之间的热交换系数。
[0041]
一种固态储氢与燃料电池热交互的车载氢能源电池系统，包括金属氢化物储氢装置、质子交换膜燃料电池、供氢系统、负载、控制器、温控系统、信号采集器和温度测量系统；所述金属氢化物储氢装置通过供氢系统向质子交换膜燃料电池内通入氢气，质子交换膜燃料电池为负载供电；通过控制器控制温控系统，调节供氢系统、金属氢化物储氢装置、质子交换膜燃料电池的温度；通过温度测量系统测量金属氢化物储氢装置、质子交换膜燃料电池及燃料电池进出口温度，并由信号采集器采集温度测量系统的测量温度值。
[0042]
本发明的进一步技术方案是：所述供氢系统包括输氢管道、单向开关阀、压力调节器、增湿器、进气电磁阀、空气压缩机、输氧管路、废气输出管路和排气电磁阀；所述输氢管道连接于金属氢化物储氢装置和质子交换膜燃料电池之间，并在其上依次串联单向开关阀、压力调节器、增湿器、进气电磁阀；所述空气压缩机通过输氧管路连接于质子交换膜燃料电池的空气输入端口；所述排气电磁阀通过废气输出管路连接于质子交换膜燃料电池的空气排出端口。
[0043]
本发明的进一步技术方案是：所述温度测量系统还包括电阻加热器进出口的加热器入口水流温度传感器和加热器出口水流温度传感器。
[0044]
有益效果
[0045]
本发明的有益效果在于：本发明所提供的固态储氢与燃料电池热交互的车载氢能源电池系统及其控制方法，通过设置共通水循环管路，结合pid控制器控制温控系统，将燃料电池运行余热用于固态储氢装置的释氢反应，降低能源损耗。同时通过pid控制器调节温控系统中的电阻加热器、散热风扇与热交换器，不仅能够满足运行温度需求，还可以降低辅助部件功率消耗，以高效节能的方式实现系统稳定运行。
[0046]
本发明所提供的车载氢能源电池系统，能够满足较大输出功率需求，同时降低了辅助系统冗余，提高了系统的集成性。本发明提供的热交互控制方法，可用于不同环境温度下车载氢能源电池的高效应用，采用的控制方法简单高效，对车载固态储氢与燃料电池的温度控制与热量管理等多方面的研究具有重要意义。
[0047]
经具体实施例验证，如图3所示，当电流为310a时，燃料电池的输出功率达到30kw，而氢气以稳定的速度释放。燃料电池温度波动控制在8k。尽管金属氢化物储氢罐温度在开始时下降，但在进入储氢罐之前加热循环水后温度升高。当储氢余量降低时，这种操作有助于氢气的产生。因此，本发明的系统与方法能够利用固态储氢与燃料电池之间的热量交互，提高系统能源效率与集成性，且针对不同的储氢材料，该方法具有较高的普适性。本发明能够在车载氢能源系统设计、建模与控制等领域得到一定的应用，有利于氢能源交通的发展，对燃料电池具有良好的推广应用价值。
附图说明
[0048]
图1是具体实施方式中固态储氢与燃料电池热交互的车载氢能源电池系统结构图。
[0049]
图2是具体实施方式中pid控制器设计方案图。
[0050]
图3是具体实施方式中系统动态变化曲线。
[0051]
图4是具体实施方式中水循环关键部位温度变化曲线。
[0052]
附图标记说明：1、金属氢化物储氢装置；2、质子交换膜燃料电池；3、输氢管道；4、单向开关阀；5、压力调节器；6、增湿器；7、进气电磁阀；8、空气压缩机；9、输氧管路；10、废气输出管路；11、排气电磁阀；12、负载；13、控制器；14、信号采集器；15、水循环管路；16、热交换器；17、电阻加热器；18、水泵；19、换热风扇；20、储氢罐温度传感器组；21、燃料电池温度传感器组；22、燃料电池入口水流温度传感器；23、燃料电池出口水流温度传感器；24、加热器入口水流温度传感器；25、加热器出口水流温度传感器。
具体实施方式
[0053]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0054]
基于现有技术面对燃料电池发动机的变工况需求时，温度控制效率低，且无法满足大于30
°
和小于10
°
时的温度调节需求，导致能源利用率降低，对复杂场景适应性不足等问题，本发明提出一种固态储氢与燃料电池热交互方法及车载氢能源电池系统，该系统能够在保证系统输出特性的同时，降低热量损耗，提高系统的整体性与集成性，提高能量利用率；同时本发明还提供一种热交换协同控制方法，针对所提供的车载氢能源系统中热量管理模块，给出面向变工况的热交换控制策略，提高系统工作效率。
[0055]
参照图1所示，本发明一种固态储氢与燃料电池热交互的车载氢能源电池系统，包括金属氢化物储氢装置1、质子交换膜燃料电池2、输氢管道3、单向开关阀4、压力调节器5、增湿器6、进气电磁阀7、空气压缩机8、输氧管路9、废气输出管路10、排气电磁阀11、负载12、控制器13、信号采集器14、水循环管路15、热交换器16、电阻加热器17、水泵18、换热风扇19、储氢罐温度传感器组20、燃料电池温度传感器组21、燃料电池入口水流温度传感器22、燃料电池出口水流温度传感器23、加热器入口水流温度传感器24和加热器出口水流温度传感器25。
[0056]
所述输氢管道3、单向开关阀4、压力调节器5、增湿器6、进气电磁阀7、空气压缩机8、输氧管路9、废气输出管路10和排气电磁阀11构成供氢系统；所述输氢管道3连接于金属氢化物储氢装置1和质子交换膜燃料电池2之间，并在其上依次串联单向开关阀3、压力调节器4、增湿器5、进气电磁阀6；所述空气压缩机8通过输氧管路9连接于质子交换膜燃料电池2的空气输入端口；所述排气电磁阀11通过废气输出管路10连接于质子交换膜燃料电池2的空气排出端口。
[0057]
所述水循环管路15贯穿金属氢化物储氢装置1和质子交换膜燃料电池2，作为热交互的主要途径；所述热交换器16、电阻加热器17和换热风扇19作为温度调节器件，用于调整水流温度；所述水泵18用于调节水流速度；所示热交换器16、电阻加热器17、水泵18依次串联于水循环管路，和换热风扇19共同构成温控系统。
[0058]
所述储氢罐温度传感器组20、燃料电池温度传感器组21、燃料电池入口水流温度传感器22、燃料电池出口水流温度传感器23、加热器入口水流温度传感器24和加热器出口水流温度传感器25，连接于信号采集器14，用于实施监测温度变化，构成温度测量系统。所
述控制器13，用于控制换热部件热交换效率，并根据采集数据特征，改变控制策略，调整换热速度。
[0059]
基于上述车载氢能源电池系统，本实施例一种固态储氢与燃料电池热交互的控制方法，具体步骤如下：
[0060]
步骤1：布置温度测量系统；
[0061]
所述温度测量系统包括测量储氢装置内的温度测量组件、测量燃料电池的温度测量组件、测量燃料电池进/出口的温度测量组件；具体的，储氢罐内的温度测量组件为储氢罐温度传感器组20，由多个分布于储氢罐内的温度传感器构成；测量燃料电池的温度测量组件为燃料电池温度传感器组21，由多个分布于燃料电池上的温度传感器构成；测量燃料电池进/出口的温度测量组件包括燃料电池入口水流温度传感器22和燃料电池出口水流温度传感器23，以及加热器入口水流温度传感器24和加热器出口水流温度传感器25。
[0062]
步骤2：测量环境的温度数据，做出温度状态判断；
[0063]
所述温度状态根据环境温度值分为三种，即大于30℃的较高温度、10℃-30℃内的适宜温度、小于10℃的较低温度；
[0064]
采用环境温度传感器测量供氢系统所处环境的温度，即供氢系统的初始温度。
[0065]
步骤3：基于温度状态判断结果，通过控制器控制温控系统，对供氢系统的温度进行预处理；
[0066]
当温度状态为较高温度时，启动温控系统的冷却部件，根据功率需求与供氢需求调整冷却部件的运行功率；当温度状态为适宜温度时，同时启动温控系统的冷却部件和加热部件，根据功率需求与供氢需求调整冷却部件和加热部件的运行功率；当温度状态为较低温度时，启动温控系统的加热部件，根据功率需求与供氢需求调整加热部件的运行功率。
[0067]
步骤4：运行供氢系统给负载供电，通过控制器控制温控系统，对供氢系统进行实施温度调控；
[0068]
根据温度测量系统获取的不同位置的温度值，做出供氢系统运行时的温度状态判断；以温度与温差为控制目标，采用pid控制器，调节温控系统的运行功率；
[0069]
当温度状态为较高温度时，通过温控系统的冷却部件调节燃料电池的温度，以燃料电池进出口温差与燃料电池电堆温度为控制目标，调整冷却部件；当温度状态为适宜温度时，同时启动温控系统的冷却部件和加热部件，以满足运行温度需求；当温度状态为较低温度时，启动温控系统的加热部件，提高储氢装置入口温度，根据供氢需求，提高释氢反应速率。
[0070]
实施例：
[0071]
为了详细介绍本发明的技术路线与使用效果，参照附图介绍本发明的具体实施方式：
[0072]
本实施例以功率为30kw的燃料电池，填充材料为lani5的金属氢化物储氢装置构成的车载氢能源电池为例，环境温度为25℃,通过pid控制器，测试系统热交互控制效果。由于环境温度较为适宜，启动换热风扇、热交换器与电阻加热器，根据功率需求与供氢需求调整换热风扇、热交换器、电阻加热器与水泵运行功率。
[0073]
系统运行时，燃料电池产生的废热通过水循环与散热风扇带走，保证燃料电池温度处于最优运行状态，考虑到水形成反应中产生的能量产生的堆功率power
fc
、辐射
排热和对流排热燃料电池堆的温度变化可以表示为：
[0074][0075]
其中m
fc
和c
pfc
分别表示燃料电池的质量与比热。
[0076]
可以表示为：
[0077][0078]
其中，为氢气的质量比焓，为氧气的质量比焓，为水的质量比焓，为氢气的比热容，为氧气的比热容，为生成水的比热容。t
fc
为燃料电池电堆温度，t
amb
为环境温度，t0为参考温度。
[0079]
循环水驱动的辐射热可通过以下公式计算：
[0080][0081]
其中，mw为循环水流量，cw为循环水的比热容，为循环水进入燃料电池电堆时的入口温度。
[0082]
散热风扇驱动的热对流计算公式为：
[0083]qconv
＝λ
fan
(t
fc-t
amb
)/r
t
[0084]
其中，λ
fan
为散热风扇转动系数，r
t
为热辐射系数。
[0085]
对于金属氢化物储氢罐，反应过程中的能量守恒可由以下公式计算：
[0086][0087]
其中，c
pg
为氢气的比热，c
ps
是储氢材料的比热，是储氢罐获得的总热量，v
tank
为金属氢化物储氢装置体积，v
mh
为储氢装置内填充储氢材料的体积，ε为储氢装置内部孔隙率，为储氢材料质量变化，δh为反应焓。
[0088]
经过热交换后，循环水温度变化为：
[0089][0090]
其中，为金属氢化物储氢罐进口处的循环水温度，为金属氢化物储氢罐出口处的循环水温度，t
mh
为储氢装置的温度；a是储氢罐与循环水之间的热交换系数。
[0091]
参照图2所示，以燃料电池温度、燃料电池水循环进出口温度、储氢罐温度与储氢罐水循环进出口温度为控制目标，以散热风扇、水泵与加热器为控制对象，控制热交换系数。
[0092]
参照图3所示，是系统动态变化曲线。当电流为310a时，燃料电池的输出功率达到30kw，而氢气以稳定的速度释放。燃料电池温度波动控制在8k。尽管金属氢化物储氢罐温度在开始时下降，但在进入储氢罐之前加热循环水后温度升高。当储氢余量降低时，这种操作有助于氢气的产生。
[0093]
参照图4所示，为水循环关键部位温度变化曲线。为了激活制氢反应，通过加热器提高进水温度。然而，在用于释放氢气的金属氢化物储氢罐中进行热交换之后，出口水的温度出现大幅度下降。燃料电池运行过程中产生的废热会使电堆升高，结合具体实施实例，测试质子交换膜燃料电池的最优工作温度为333k，因此燃料电池水循环进水温度应低于储氢罐的出水温度，出口水温升高至与燃料电池组相同。
[0094]
以上实例说明我们提出的一种固态储氢与燃料电池热交互的车载氢能源电池系统及其控制方法是切实可行的，该系统与方法能够利用固态储氢与燃料电池之间的热量交互，提高系统能源效率与集成性，且针对不同的储氢材料，该方法具有较高的普适性。本发明能够在车载氢能源系统设计、建模与控制等领域得到一定的应用，有利于氢能源交通的发展，对燃料电池具有良好的推广应用价值。
[0095]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。