一种金属固态储氢的热管理方法及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆技术领域，特别是一种金属固态储氢的热管理方法及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆。

背景技术

氢燃料电池是一种利用氢和氧之间的电化学反应产生电能的能源装置，具有零污染、高效率、低噪声等优点，在轨道交通车辆牵引供电系统领域具有广阔的应用空间。目前，氢燃料电池系统在机车、动车组、有轨电车和工程车等轨道交通车辆牵引供电系统中已得到应用。

氢燃料电池系统通常由氢燃料电池模块、储氢模块和散热模块构成。其中储氢模块的功能为存储氢，并向氢燃料电池模块提供压强、温度和流量满足要求的氢气流。根据存储氢的机理不同，储氢的方式包括高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢和有机物储氢等。其中，高压气态储氢将H

高压气态储氢具有技术成熟、结构简单、吸放氢条件简单等优势，是目前应用最广泛的储氢方式；应用于轨道交通车辆的不足为体积储氢密度低，仅为24g/L@35MPa或40g/L@70MPa，难以满足轨道交通车辆对大储氢量、长续航里程的要求。固态储氢则具有体积储氢密度高，达到50g/L以上；安全性高，吸、放氢压强通常不高于5MPa等优势，适用于轨道交通车辆，特别是设备安装空间有限但对重量不敏感的机车、工程车等应用场景。因此，固态储氢在轨道交通车辆中具有良好的应用前景。

公开号为CN214093991U的中国专利公开了一种车载固态储供氢系统，涉及氢能源储供技术领域，它包括储氢容器、充氢系统、供氢系统、冷却系统、加热系统；储氢容器内设置有具有吸氢能力的固态材料。需要供氢时，使用加热系统加热储氢容器，使得储氢容器中的固态材料释放氢气，并通过供氢系统供给汽车燃料电池系统。该专利采用整个储氢容器，整个过程都需要利用加热系统加热储氢容器，需要耗费大量的能量，成本较高，且启动速度慢。

公开号为CN113422087A的中国专利公开了一种车载低温液氢燃料电池系统及燃料电池换热方法，该车载低温液氢燃料电池系统，包括：燃料电池，车载储氢系统，余热利用系统和控制器；车载储氢系统包括液氢储罐和液氢汽化单元，液氢汽化单元包括液氢汽化器，液氢储罐通过液氢汽化器与燃料电池连接；余热利用系统包括换热管道，换热管道用于液氢汽化器与燃料电池和/或发热单元换热，换热管道上设置有控制阀；控制器根据燃料电池的响应功率控制控制阀开启或关闭。该专利中配置了专门的余热利用系统。

固态储氢中，储氢合金对H

(1)储氢合金的放氢过程，即对氢燃料电池的供氢过程为吸热反应，须对固态储氢模块持续加热以维持放氢过程；所须的加热功率较大，如TiMn系储氢合金超过12MJ/kg H

(2)储氢合金的放氢过程，即对氢燃料电池的供氢过程为吸热反应，在氢燃料电池系统启动阶段，须首先将储氢合金加热到起始放氢温度，如TiMn储氢合金须达到60℃，耗能量大，限制了氢燃料电池系统的启动速度；

(3)上述对储氢合金放氢过程进行控制所须的加热系统，即固态储氢的热管理系统增加了固态储氢模块的体积和重量，降低固态储氢模块的体积储氢密度和重量储氢密度；消耗功率，降低了氢燃料电池系统的发电效率；所须的压缩机、风机等设备增加了氢燃料电池系统及其氢能源轨道交通车辆的噪声发射，降低了车辆舒适性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种金属固态储氢的热管理方法及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆，提高氢燃料电池系统的启动速度，简化加热系统，提高车辆舒适性，提高了氢燃料电池系统的效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种氢燃料电池系统，包括通过氢气管路连通的氢燃料电池模块和固态储氢模块，所述氢燃料电池模块外周设置有第一支路，所述第一支路的出液端设置有分流阀，其中所述分流阀的其中一支路与散热系统连通，所述分流阀的另一支路与第二支路连通，所述第二支路的进液端设置有加热器，所述固态储氢模块包括两个或两个以上，所述第二支路通过多根支管分别设于多个所述固态储氢模块外周，所述支管的进液口均设置有冷却液截止阀，所述第二支路的出液口分别与所述散热系统连通，所述散热系统的出液端与所述第一支路的进液端连通，所述第一支路和所述第二支路中为冷却液。

本发明提供的固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆，可实现以下几方面的功能，从而解决背景技术中存在的问题。

(1)本发明使用固态储氢模块为氢燃料电池模块提供氢气，包括多个固态储氢模块；

(2)本发明在氢燃料电池系统启动阶段，利用启动加热器将一个固态储氢模块和氢燃料电池模块加热到起始放氢温度，所放出的H

(3)本发明提供的固态储氢热管理系统中，氢燃料电池模块、固态储氢模块、散热系统的液态传热介质相互流通，无须通过换热器交换热量。

(4)本发明利用氢燃料电池模块发电产生的余热为固态储氢模块加热，维持固态储氢模块的放氢过程，无须额外消耗电能为固态储氢模块加热；同时降低了氢燃料电池模块的散热功率，进而降低了散热冷却模块的功耗，提高了氢燃料电池系统的效率；

所述冷却液即为所述固态储氢模块的热管理介质，流经固态储氢模块内部，将热量传递给固态储氢材料。

在本发明的一个优选的实施例中，所述散热系统包括散热器、环绕所述散热器设置的管路，所述散热器外侧安装有散热风机。

本发明还公开了一种金属固态储氢的热管理方法，包括以下步骤：

S1.打开第一固态储氢模块的冷却液截止阀，启动加热器加热冷却液，开始循环冷却液；

S2.当第一固态储氢模块的温度T＞T

S3.氢燃料电池模块的温度T大于T

S4.当第二固态储氢模块的温度T＞T

S5.当第n-1固态储氢模块的温度T＞T

S6.当所有固态储氢模块的温度均满足T＞T

本发明在氢燃料电池系统启动阶段，利用启动加热器将一个固态储氢模块和氢燃料电池模块加热到起始放氢温度，所放出的H

在本发明的一个优选的实施例中，所述第一支路和第二支路的流量比为：

其中，f

△G(H

其中，HHV(H

其中，U为氢燃料电池电堆的输出电压，由氢燃料电池电堆输出端电流传感器测得；U

U

其中，n为氢燃料电池电堆包含的单电池片数。

分流阀的开度为：

其中δ为分流阀的开度，f(sv)为分流阀的传递函数。

所述氢燃料电池模块为质子交换膜氢燃料电池，所述固态储氢模块为TiMn系储氢合金材料，T

本发明还公开了一种轨道交通车辆，所述轨道交通车辆的技术特征为，装备了所述氢燃料电池系统。

氢燃料电池系统稳定工作时，第一支路散热量占氢燃料电池总产热量的约80％。

所述第一支路上安装有冷却液循环泵。

所述氢气管路分别通过多根氢气支管与多个所述固态储氢模块连通，多根所述氢气支管上安装有氢气截止阀。

所述多个固态储氢模块供应的氢气，汇流后向氢燃料电池模块提供H

所述散热器可为管翅式散热器或板翅式散热器；

所述散热风机可为轴流风机或离心风机。

所述第二支路为固态储氢模块提供热量，所述第二支路上设有冷却液控制阀门和启动加热装置，利用氢燃料电池冷却液为固态储氢模块加热，维持固态储氢模块温度；氢燃料电池系统稳定工作时，第二支路利用的热量占氢燃料电池总产热量的约20％；

所述第二支路管路流经固态储氢模块内部，将冷却液和热量传递给固态储氢材料；

所述加热器采用低温启动加热装置，低温启动加热装置由轨道交通车辆供电，可为加热棒、加热板或PTC加热膜。

所述第一支路和第二支路之间通过冷却液分配阀连接至氢燃料电池模块冷却液出口，由冷却液分配阀分配第一支路和第二支路的冷却液流量。

所述第一支路的冷却液流经散热器后，与所述第二支路冷却液流经固态储氢模块后，混合后流入氢燃料电池模块，温度范围为60～80℃。

所述氢燃料电池系统在启动阶段，利用启动加热装置将一个固态储氢模块和氢燃料电池模块加热到起始放氢温度，所放出的H

所述氢燃料电池模块为质子交换膜氢燃料电池，所述固态储氢模块为TiMn系储氢合金材料时，HHV(H

本发明提供的金属固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆具有如下特点：

(1)氢燃料电池发电的产热速率(消耗1kg H

(2)将氢燃料电池模块冷却液分流进入固态储氢模块，利用氢燃料电池发电余热为固态储氢模块提供放氢所须的热量；

(3)储氢材料——TiMn系储氢合金的放氢温度与氢燃料电池冷却液的出口温度范围匹配；

(4)利用氢燃料电池系统发电，提供轨道交通车辆运行所须电能。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明利用氢燃料电池发电产生的热量依次启动固态储氢模块，有利于提高系统的启动速度；

(2)本发明氢燃料电池模块、固态储氢模块和热管理模块的冷却液相互直通，简化了系统结构；

(3)本发明所使用的TiMn系储氢合金的体积储氢密度高，有利于提高轨道交通车辆，特别是大功率机车的储氢量；

(4)本发明利用氢燃料电池发电余热向固态储氢模块供热，无须额外消耗电能，同时降低了散热器的散热功率和功耗，提高了氢燃料电池系统的效率，有利于降低散热器的体积和重量；

附图说明

图1为本发明所述固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统的结构简图。

图2为本发明所述固态储氢模块的结构示意图。

图3为本发明所述固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统低温启动控制逻辑。

图4为本发明所述固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆的结构简图。

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本发明的技术方案和实施方法，下面结合附图，对本发明技术方案的实施方式进行阐述。

图1所示为本发明所述固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统的结构简图一种氢燃料电池系统，包括通过氢气管路5连通的氢燃料电池模块1和固态储氢模块2，所述氢燃料电池模块1外周设置有第一支路3，所述第一支路3的出液端设置有分流阀4，其中所述分流阀4的其中一支路与散热系统连通，所述分流阀4的另一支路与第二支路6连通，所述第二支路6的进液端设置有加热器7，所述固态储氢模块2包括两个或两个以上，包括第一固态储氢模块21、第二固态储氢模块22、第三固态储氢模块23、第n固态储氢模块2n。

所述第二支路6分别通过多根支管设于第一固态储氢模块21、第二固态储氢模块22、第三固态储氢模块23、第n固态储氢模块2n外周，所述支管的进液口均设置有冷却液截止阀11，所述第二支路6的出液口分别与所述散热系统连通，所述散热系统的出液端与所述第一支路3的进液端连通，所述第一支路3和所述第二支路6中为冷却液。所述散热系统包括散热器8、环绕所述散热器8设置的管路9，所述散热器8外侧安装有散热风机10。所述第一支路3上安装有冷却液循环泵19。所述氢气管路12分别通过多根氢气支管与多个所述固态储氢模块2连通，多根所述氢气支管上安装有氢气截止阀14。

所述氢燃料电池模块为质子交换膜氢燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell,PEMFC)，通过H

所述氢燃料电池模块采用液冷散热，冷却液进口温度不低于60℃，冷却液出口温度通常不高于80℃。

所述固态储氢模块为TiMn系储氢合金材料，通过储氢合金与H

所述冷却液由所述冷却液循环泵19驱动，流入氢燃料电池模块内部，带走氢燃料电池模块发电产生的热量后流出，经分流阀分为第一支路和第二支路。

所述第一支路为燃料电池散热器支路，包括散热器和散热风机，通过强迫风冷为氢燃料电池散热，氢燃料电池系统稳定工作时，第一支路散热量占氢燃料电池总产热量的约80％。

所述散热器可为管翅式散热器或板翅式散热器。

所述散热风机可为轴流风机或离心风机。

所述第二支路为固态储氢模块提供热量，包括加热器和冷却液截止阀，利用氢燃料电池冷却液的热量为固态储氢模块加热，维持固态储氢模块温度；氢燃料电池系统稳定工作时，第二支路利用的热量占氢燃料电池总产热量的约20％。

图2所示为本发明所述固态储氢模块的结构示意图，包括金属固态储氢列管12、列管固定隔框13、端板14、氢气汇流排15、氢气截止阀16和热管理介质出口17、热管理介质流道18、侧板(图中未画出)。

所述金属固态储氢列管12为长圆柱管状，内含TiMn系储氢合金材料，列管尾端为封闭结构，头端为氢气流入和流出的接口。

所述固态储氢模块包含多根所述金属固态储氢列管12，所述金属固态储氢列管12平行叠放，由所述列管固定隔框固定，相邻隔框之间间距为200～500mm。

所述端板14位于所述金属固态储氢列管12两端，所述氢气流入和流出的接口突出于该侧端板14表面，所述端板14与所述金属固态储氢列管12采用密封圈密封连接。

所述侧板位于所述固态储氢模块的上、下、左、右侧面，所述侧板之间、所述侧板与所述端板14之间均为焊接连接，所述侧板与所述端板14构成包围所述金属固态储氢列管12的密封空间。

所述氢气汇流排15连接所述金属固态储氢列管端部氢气流入和流出接口，将所有流入和流出接口汇集成一个接口。

所述氢气截止阀16位于所述氢气汇流排端部。

所述热管理介质出口17安装于所述金属固态储氢列管尾端端板表面，所述热管理介质进口安装于所述金属固态储氢列管头端端板表面。

所述热管理介质为去离子水或低离子电导率乙二醇溶液，电导率≤5μS/cm。

所述热管理介质从所述热管理介质进口流入，从所述金属固态储氢列管之间的间隙(构成热管理介质流道)间流过，从所述热管理介质出口流出，与所述金属固态储氢列管之间发生热交换。

所述氢燃料电池系统包含1个或多个所述固态储氢模块。

所述1个或多个固态储氢模块供应的氢气，汇流后通过氢气管路向氢燃料电池模块提供H

所述第一支路和第二支路的流量分配控制方法为：

所述第一支路和第二支路的流量比为：

其中，f

△G(H

其中，HHV(H

其中，U为氢燃料电池电堆的输出电压，由氢燃料电池电堆输出端电流传感器测得；U

U

其中，n为氢燃料电池电堆包含的单电池片数。

分流阀的开度为：

其中δ为分流阀的开度，f(sv)为分流阀的传递函数。

所述低温启动加热装置由轨道交通车辆供电，可为加热棒、加热板或PTC加热膜。

所述冷却液流经加热器后，分流为n路(n为系统所配置的固态储氢模块数量)，每1路由1个所述冷却液截止阀控制，经所述热管理介质入口流入1个固态储氢模块，经所述热管理介质出口流出固态储氢模块。

所述第一支路的冷却液流经散热器后，与所述第二支路冷却液流经固态储氢模块后，混合后经所述冷却液循环泵驱动，流入所述氢燃料电池模块，入口温度不低于60℃。

图3为本发明所述固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统低温启动控制逻辑。

所述氢燃料电池系统在低温启动时，利用所述加热器将一个所述固态储氢模块和所述氢燃料电池模块加热到起始放氢温度，所放出的H

打开所述第一固态储氢模块21的冷却液截止阀；

启动所述加热器和所述冷却液循环泵；

检测所述第一固态储氢模块21的温度T，当满足T＞T

启动所述氢燃料电池模块；

检测所述氢燃料电池模块的温度T，当满足T＞T

打开所述第二固态储氢模块22的冷却液截止阀和氢气截止阀；

检测所述第二固态储氢模块22的温度T，当满足T＞T

按照上述启动程序依次启动所述固态储氢模块，直到第n固态储氢模块2n的温度T满足T＞T

图4为本发明所述固态储氢的热管理系统及其氢燃料电池系统、轨道交通车辆的结构简图。

所述轨道交通车辆的技术特征为，装备了所述氢燃料电池系统，包括氢燃料电池模块1、金属固态储氢模块2和散热系统。

所述轨道交通车辆的技术特征还包括装备了储能电源，储能电源可为磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、双电层超级电容器、电池电容中的一种或几种。

所述氢燃料电池系统和所述储能电源构成氢能源混合动力系统，向所述轨道交通车辆提供牵引供电。所述氢燃料电池系统消耗燃料(H

所述储能电源，在所述氢燃料电池系统低温启动阶段，向所述金属固态储氢的热管理系统的加热器供电。