全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统及工作方法
阅读说明：本技术 全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统及工作方法 (Full-immersion type self-circulation evaporative cooling vehicle-mounted fuel cell system and working method ) 是由 梁波 刘亚青 崔磊 谌睿 李璇 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统,涉及清洁能源应用和运输交通领域。它包括金属密封箱,燃料电池堆,液位补给装置,储氢罐；金属密封箱下部有挡风板,上部和顶部为散热结构；液位补给装置包括介质膨胀补偿箱和第一排气阀；介质膨胀补偿箱与金属密封箱连接,介质膨胀补偿箱底部与金属密封箱上部侧面连接。本发明的膨液位补给装置可以补充金属密封箱内的液位,保证金属密封箱内的全浸状态,同时吸收燃料电池堆冷热状态时蒸发冷却介质的膨胀。本发明还涉及这种全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统的工作方法。(The invention discloses a full-immersion self-circulation evaporative cooling vehicle-mounted fuel cell system, and relates to the fields of clean energy application and transportation. The device comprises a metal seal box, a fuel cell stack, a liquid level supply device and a hydrogen storage tank; the lower part of the metal sealing box is provided with a wind shield, and the upper part and the top part of the metal sealing box are provided with heat dissipation structures; the liquid level supply device comprises a medium expansion compensation box and a first exhaust valve; the medium expansion compensation box is connected with the metal sealing box, and the bottom of the medium expansion compensation box is connected with the side face of the upper part of the metal sealing box. The expansion liquid level supply device can supplement the liquid level in the metal seal box, ensure the full immersion state in the metal seal box and absorb the expansion of the evaporative cooling medium when the fuel cell stack is in a cold and hot state. The invention also relates to an operating method of the full-immersion self-circulation evaporative cooling vehicle-mounted fuel cell system.)
技术领域
本发明涉及清洁能源应用和运输交通领域，更具体地说它是一种全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统。本发明还涉及这种车载燃料电池系统的工作方法。
背景技术
目前氢燃料电池车多采用35Mpa或70Mpa储氢罐，两个或多个(重载卡车或大型客车)并联，通过管道连接至燃料电池装置的氢气输入口；上述车载燃料电池存在发生氢气或氧气泄漏的可能；当氢气发生泄漏时，只能快速排放到大气中，因此对燃料电池的布置方式、防静电及明火等有非常高的要求。具体局限性表现为：
1)对于车载燃料电池，主要的危险特征是电堆压紧力变小或密封件老化等原因导致的各种密封通路的泄漏，引起氢气和空气混合，产生易爆风险；因此从燃料电池的安全性考虑，都须装有过压泄放装置、碰撞传感器、过流过温保护等，以充分保证燃料电池堆的安全性。
2)车载燃料电池在运行中需要冷却，应布置在通风良好的地方或设计相应通风措施，且保证发生泄漏时氢气能迅速扩散到大气环境中。同时，车载氢系统在车内的布置上还需考虑燃料电池距离车边缘有一定的安全距离。上述特征都对氢燃料电池车的存放和车内氢设备布置提出较高要求。
3)为保证氢泄漏时的安全性，燃料电池车的导体外壳与大地还需要进行可靠相连，防止产生静电引燃氢气。
因此，研发一种全浸式自循环蒸发冷却方式的移动车载燃料电池系统很有必要。
发明内容
本发明的第一目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统。
本发明的第二目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供这种全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统的工作方法。
为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统，其特征在于：包括注满蒸发冷却介质的金属密封箱，位于金属密封箱内的燃料电池堆，与金属密封箱左侧顶部连接的液位补给装置，与金属密封箱右侧连接的储氢罐；
所述金属密封箱下部有挡风板，上部和顶部为散热结构；
所述液位补给装置包括介质膨胀补偿箱和位于介质膨胀补偿箱顶部的第一排气阀；所述介质膨胀补偿箱下部侧面与金属密封箱顶部连接，介质膨胀补偿箱底部与金属密封箱上部侧面连接；
还包括介质回收装置；所述介质回收装置顶部通过压力释放阀与金属密封箱左侧上部连接，介质回收装置侧面通过介质释放阀门与金属密封箱左侧下部连接，介质回收装置底部与第二排气阀连接；
所述金属密封箱内部上端的左侧有介质液位计；所述介质膨胀补偿箱底部与介质液位计连接。
在上述技术方案中，还包括位于金属密封箱右侧顶部的泄漏收集贮藏间；所述泄漏收集贮藏间内有氢气氧气在线监测装置，泄漏收集贮藏间顶部与第三排气阀连接。
在上述技术方案中，所述泄漏收集贮藏间侧面有观察窗。
在上述技术方案中，所述储氢罐通过第一阀门与燃料电池堆连接；所述燃料电池堆右侧通过第二阀门与外部连通。
在上述技术方案中，所述散热结构为带冷却翅或散热片的结构。
在上述技术方案中，所述介质液位计为带浮球阀的液位翻板计型式。
为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将燃料电池堆固定在金属密封箱1中，金属密封箱采用上法兰密封盖；真空泵抽取金属密封箱内的空气，再通过介质加注口注入蒸发冷却介质，直到液位到达与金属密封箱连通的介质膨胀补偿箱设定的位置，即完成蒸发冷却介质的加注；车载燃料电池系统正常工作；
步骤2：当有泄漏的微量氢气时，利用氢气、氧气不溶于蒸发冷却介质的特性，会集中在泄漏收集贮藏间，当氢气氧气在线监测装置测到氢气、氧气或其混合气体泄漏时，发出警报；
当有氢气、氧气持续泄漏，或由于内部的温度升高导致金属密封箱内部压力升高超过限值时，压力释放阀打开，释放危险压力，并自动控制关闭储氢罐输氢管道，中止燃料电池堆反应工作。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)在车辆运行过程中，空气的导流通风，风冷集中在金属密封箱上部和顶部，形成单路风冷通道，使金属密封箱上部结构成有冷凝效果；在金属密封箱的外部风冷方式下，内部燃料电池堆的热量使金属密封箱内部的介质蒸发后形成气态，在金属密封箱内顶部冷却，从而形成两相流自循环，利用自然形成的压力差自循环蒸发冷却。
2)本发明的膨液位补给装置可以补充金属密封箱内的液位，保证金属密封箱内的全浸状态，同时吸收燃料电池堆冷热状态时蒸发冷却介质的膨胀。
3)本发明的燃料电池堆全浸并封闭在金属密封箱内，有效防止单元电池泄漏时的气体混合，并完全隔离外部空气以及有危害的静电、明火，从而大幅改进燃料电池车辆的安全性。
4)本发明在冷却、防爆、泄漏检测、隔离静电方面的安全性得以大大提高，并可取消外置冷却设备，取消向燃料电池堆内通冷却水或冷却介质，取消燃料电池堆每个单元的双极板冷却通道和密封，加大单元电池有效反应面积，大大简化相应设备设施。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：全浸式自循环蒸发冷却的车载燃料电池系统，其特征在于：包括注满蒸发冷却介质的金属密封箱1，位于金属密封箱1内的燃料电池堆2，与金属密封箱1左侧顶部连接的液位补给装置3，与金属密封箱 1右侧连接的储氢罐4；
所述金属密封箱1下部有挡风板11，上部和顶部为散热结构12；
所述液位补给装置3包括介质膨胀补偿箱31和位于介质膨胀补偿箱31 顶部的第一排气阀32；所述介质膨胀补偿箱31下部侧面与金属密封箱1顶部连接，介质膨胀补偿箱31底部与金属密封箱1上部侧面连接；
还包括介质回收装置6；所述介质回收装置6顶部通过压力释放阀61 与金属密封箱1左侧上部连接，介质回收装置6侧面通过介质释放阀门62 与金属密封箱1左侧下部连接，介质回收装置6底部与第二排气阀63连接。
所述金属密封箱1内部上端的左侧有介质液位计13；所述介质膨胀补偿箱31底部与介质液位计13连接。
还包括位于金属密封箱1右侧顶部的泄漏收集贮藏间7；所述泄漏收集贮藏间7内有氢气氧气在线监测装置71，泄漏收集贮藏间7顶部与第三排气阀72连接。
所述泄漏收集贮藏间7侧面有观察窗73。
所述储氢罐4的水密封输氢接口41通过第一阀门51与燃料电池堆2 连接；所述燃料电池堆2右侧通过第二阀门52与外部连通。
所述散热结构12为带冷却翅或散热片的结构。
所述介质液位计13为带浮球阀的液位翻板计型式或其他型式液位计。
实际使用中，燃料电池堆2用于氢气和氧气反应，产生电和水；
金属密封箱1箱体材质为导热系统高的金属材料，金属密封箱1上部和顶部为散热结构12；燃料电池堆2全浸于充满蒸发冷却介质的金属密封箱1内，各种管路均通过法兰接口引出。
介质膨胀补偿箱31可以补充金属密封箱1内的液位，保证金属密封箱1箱内全浸状态，同时吸收燃料电池堆2冷热状态时蒸发冷却介质的膨胀。
第一阀门51和第二阀门52用于释放超过安全或整定的介质压力，释放的介质通过介质回收装置6回收。
观察窗73用于观察金属密封箱1箱体内介质的两相流态。
泄漏收集贮藏间7用于短时存储泄漏的氢气；
氢气氧气在线监测装置71用于测到氢气、氧气或其混合气体泄漏时，发出警报。
介质释放阀门62设在箱体底部，用于释放金属密封箱1箱体内的介质，释放的介质通过介质回收装置6回收。
介质回收装置6回收第一阀门51、第二阀门52和介质释放阀门62释放的介质。
介质液位计13用于直观显示介质膨胀补偿箱31内介质的液态液位。
在各阀门处均设置有泄漏探测报警器，用于检测探测箱体接口、密封件等处的介质泄漏和氢气泄漏。
本发明采用全浸式、自循环方式的燃料电池冷却、隔离防护系统：将燃料电池堆2及其连接的输氢、输氧、输水管路等全部浸入封闭的金属密封箱1中，金属密封箱1内注满绝缘、不燃、沸点低的蒸发冷却介质(如 HFC-4310)，金属密封箱1上部和顶部有散热结构12，在燃料电池堆2工作时，通过燃料电池堆2的热量使介质超过沸点(如55℃)蒸发，吸收热量，并形成两相流压力头，进行内部自循环冷却；在本发明中，燃料电池堆2全浸并封闭在金属密封箱1内，有效防止单元电池泄漏时的气体混合，并完全隔离外部空气以及有危害的静电、明火，从而大幅改进燃料电池车辆的安全性；与此同时，氢燃料电池的冷却可以不需要外部装置或输入冷却介质，更加高效节能安全可靠。
本发明的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：将燃料电池堆2固定在金属密封箱1中，金属密封箱1采用上法兰密封盖；真空泵抽取金属密封箱1内的空气，再通过介质加注口注入蒸发冷却介质，直到液位到达与金属密封箱1连通的介质膨胀补偿箱31设定的位置，即完成蒸发冷却介质的加注；当蒸发冷却介质注满后，车载燃料电池系统可在车辆运行的各种工况下平稳工作；
步骤2：车载燃料电池系统平时均处于自循环、免维护状态，蒸发冷却介质通过不对称通风冷却形成两相流和内部循环，膨胀补偿箱31吸收热膨胀及车辆运行过程中的各种振动、冲击、惯性力。
当有泄漏的微量氢气时，利用氢气、氧气不溶于蒸发冷却介质的特性，会集中在泄漏收集贮藏间7，当氢气氧气在线监测装置71测到氢气、氧气或其混合气体泄漏时，发出警报；
当有氢气、氧气持续泄漏，或由于内部的温度升高导致金属密封箱1 内部压力升高超过限值时，压力释放阀61打开，释放危险压力，并可自动控制关闭储氢罐4输氢管道，中止燃料电池堆2反应工作。
蒸发冷却介质均可通过介质回收装置6回收，并再通过加注泵和阀注入到金属密封箱1内。
本发明由于车载燃料电池堆栈通过带散热器的金属封箱全浸入绝缘、不燃、沸点低的蒸发介质中，且氢气、氧气难溶其中，因此可完全隔绝静电和危险火源，使得车辆运行中燃料电池堆的静电防护问题得以彻底解决。本发明仅以燃料电池车辆为例，当用于燃料电池堆栈用于轨道交通时，可采用本发明相同的原理和方式。
其它未说明的部分均属于现有技术。
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