全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统及工作方法
阅读说明：本技术 全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统及工作方法 (Full-air-cooling self-circulation full-immersion type mobile vehicle-mounted fuel cell system and working method ) 是由 梁波 刘亚青 崔磊 谌睿 欧阳友 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统,涉及清洁能源应用和运输交通领域。它包括第一水密封容器,金属密封容器,燃料电池堆,第一水密封容器和储氢罐；第一水密封容器和金属密封容器表面均为散热结构。本发明将车载燃料电池堆通过金属密封容器全浸入水中,完全隔绝静电,使得车辆运行中的静电防护问题得已有效解决。本发明还涉及这种全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统的工作方法。(The invention discloses a full-air-cooling self-circulation full-immersion type mobile vehicle-mounted fuel cell system, and relates to the fields of clean energy application and transportation. The fuel cell comprises a first water-sealed container, a metal sealed container, a fuel cell stack, a first water-sealed container and a hydrogen storage tank; the surfaces of the first water sealing container and the metal sealing container are both heat dissipation structures. The vehicle-mounted fuel cell stack is completely immersed in water through the metal sealing container, so that static electricity is completely isolated, and the problem of static electricity protection in vehicle operation is effectively solved. The invention also relates to a working method of the full air-cooling self-circulation full-immersion type mobile 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空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统。本发明还涉及这种全空冷自循环全浸式移动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，主要的危险特征是泄漏引起氢气和空气混合易爆。从燃料电池来说，都装有过压泄放装置、碰撞传感器、过流过温保护等，目的即为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)此外，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，研发一种保证车载燃料电池在防爆、泄漏检测、隔离静电方面的安全性，大大简化相应设备设施的全空冷自循环全浸式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，而提供一种全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统。
本发明的第二目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供这种全空冷自循环全浸式移动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：全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统，其特征在于：包括注满水的第一水密封容器，位于第一水密封容器内的金属密封容器，位于金属密封容器内的燃料电池堆，位于第一水密封容器外，通过输氢管道依次贯穿第一水密封容器和金属密封容器与燃料电池堆连接的储氢罐；
所述第一水密封容器和金属密封容器表面均为散热结构。
在上述技术方案中，液位补给装置的侧面与第一水密封容器顶部连接，液位补给装置底部与第一水密封容器侧面上部连接,液位补给装置侧面通过自循环补水阀与第一水密封容器(1)顶部连接。
在上述技术方案中，所述第一水密封容器顶部有泄漏收集贮气间；所述泄漏收集贮气间顶部有排气阀。
在上述技术方案中，所述泄漏收集贮气间上有观察窗。
在上述技术方案中，所述泄漏收集贮气间内有氢气传感器和氧气传感器。
在上述技术方案中，所述液位补给装置底部与第一水密封容器侧面上部的连接处有液面传感器。
在上述技术方案中，所述储氢罐位于第二水密封容器内，输氢管道与第二水密封容器的连接处有水密封输氢接口；所述输氢管道与第一水密封容器、金属密封容器和燃料电池堆的接触处有阀门.
为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：全空冷自循环全浸式移动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：首先，通过自循环补水阀将第一水密封容器和第二水密封容器充满水，充水量以充满第一水密封容器和第二水密封容器，同时不溢满泄漏收集贮气间为标准；充水工作完成时，整个装置平稳工作；
步骤2：当金属密封容器或金属密封容器内的输氢管道发生氢气泄漏时，泄漏氢气形成气泡，泄漏探测报警器第一时间发现气泡运动轨迹，发出黄色警报；随后泄漏氢气将集中到泄漏收集贮气间，由于氢气不溶于水，此时泄漏氢气将集中到泄漏收集贮气间；泄漏收集贮气间的压强逐渐增大，同时设在泄漏收集贮气间的氢气传感器会对集中到该处的氢气发出报警；
当泄漏收集贮气间压强大于2MPa时，此时排气阀打开；由于排气阀位于泄漏收集贮气间顶部，氢气密度大于空气，因此主要泄散的气体为氢气；排气阀打开的信号传递至报警系统，系统发出橙色警报；
当氢气持续泄漏，通过排气阀无法有效泄散氢气，泄漏收集贮气间压强大于5MPa时，此时泄水阀打开，排泄第一水密封容器内的水，并发出红色警报。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明将车载燃料电池堆通过金属密封容器全浸入水中，完全隔绝静电，使得车辆运行中的静电防护问题得已有效解决。
2)本发明的金属密封容器和水密封容器都采用了散热结构，从而通过全空冷方式进行燃料电池堆的冷却，从而大幅提高车载燃料电池的安全性、可靠性、经济性。
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：全空冷自循环全浸式移动车载燃料电池系统，其特征在于：包括注满水的第一水密封容器1，位于第一水密封容器1内的金属密封容器2，位于金属密封容器2内的燃料电池堆3，位于第一水密封容器1外，通过输氢管道41依次贯穿第一水密封容器1和金属密封容器2与燃料电池堆3连接的储氢罐4；
所述第一水密封容器1和金属密封容器2表面均为散热结构5。
液位补给装置6的侧面与第一水密封容器1顶部连接，液位补给装置6底部与第一水密封容器1侧面上部连接,液位补给装置6侧面通过自循环补水阀61与第一水密封容器1顶部连接。
所述第一水密封容器1顶部有泄漏收集贮气间11；所述泄漏收集贮气间11顶部有排气阀111。
所述泄漏收集贮气间11上有观察窗112。
所述泄漏收集贮气间11内有氢气传感器113和氧气传感器114。
所述液位补给装置6底部与第一水密封容器1侧面上部的连接处有液面传感器12。
所述储氢罐4位于第二水密封容器42内，输氢管道41与第二水密封容器42的连接处有水密封输氢接口43；所述输氢管道41与第一水密封容器1、金属密封容器2和燃料电池堆3的接触处有阀门44.
全空冷自循环全浸式移动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：首先，通过自循环补水阀61将第一水密封容器1和第二水密封容器42充满水，充水量以充满第一水密封容器1和第二水密封容器42，同时不溢满泄漏收集贮气间11为标准；充水过程中，排气阀11打开，逐渐排空第一水密封容器内空气，仅留泄漏收集贮气间11内少量空气；充水工作完成时，整个装置平稳工作；
步骤2：当金属密封容器2或金属密封容器2内的输氢管道41发生氢气泄漏时，泄漏氢气形成气泡，泄漏探测报警器第一时间发现气泡运动轨迹，发出黄色警报；随后泄漏氢气将集中到泄漏收集贮气间11，由于氢气不溶于水，此时泄漏氢气将集中到泄漏收集贮气间11；泄漏收集贮气间11的压强逐渐增大，同时设在泄漏收集贮气间11的氢气传感器113会对集中到该处的氢气发出报警；
当泄漏收集贮气间11压强大于2MPa时，此时排气阀111打开；由于排气阀111位于泄漏收集贮气间11顶部，氢气密度大于空气，因此主要泄散的气体为氢气；排气阀111打开的信号传递至报警系统，系统发出橙色警报；
当氢气持续泄漏，通过排气阀111无法有效泄散氢气，泄漏收集贮气间11压强大于5MPa时，此时泄水阀打开，排泄第一水密封容器1内的水，并发出红色警报。
本发明在车的纵向设置通风沟或通风槽，在车辆运行过程中，通过空气循环实现第一水密封容器1的自然冷却；设置液位补给装置6，液位补给装置6可以利用燃料电池堆3的副产品水来自循环；在保证防爆、泄漏检测、隔离静电方面的安全性的前提下，并大大简化相应设备设施。
燃料电池堆3用于氢气和氧气反应，产生电和水；燃料电池堆3的各种管路均通过阀门44引出。。
金属密封容器2为导热系统高的金属材料，箱体采用带冷却翅或散热片的结构。
第一水密封容器1根据金属密封容器2外形定制，第一水密封容器1外壳可采用不锈钢、纯铝等防锈金属材料，也可以采用导热系数高、可以良好耐受氢气的材质。壳体具备正常气压下水密/气密条件。第一水密封容器1上设置透明观察窗(柱)，用于观察内部气体泄漏情况。
阀门44用于控制和开启/关闭各种气液体管路中的流量。
自循环补水阀61用于向水密封容器内补充水。
排气阀111用于向室外排出氢气，保障氢气安全泄散。
观察窗112用于观测气体泄露情况。
泄漏收集贮气间11用于短时存储泄漏的氢气。
输氢管道41用于在水密封法兰接口43的防护下向燃料电池堆3输入氢气。
氢气传感器113用于监测泄漏收集贮气间11内的氢气信号，使得气体泄漏可监测。
氧气传感器114用于监测泄漏收集贮气间11内的氧气信号，使得气体泄漏可监测。
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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