一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统

专利名称：一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111295811.5

专利申请（专利权）人：浙江大学杭州国际科创中心
权利人地址：浙江省杭州市萧山区建设三路733号

专利发明（设计）人：陆军亮,盛况,吴赞,任娜,王珩宇,钟浩,冉飞荣,陈浮,熊丹妮,成骥,韦丽明,史培丰,杨树东,杨嘉帆,刘永坤

专利摘要：本发明公开了一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，属于氢能汽车系统。本发明通过在车载液氢储罐与汽化器之间布置一换热器，使得液氢在进入汽化器之前，在该布置的换热器中将冷能用于冷却系统循环水，经该换热器冷却后的循环水可用于冷却乘座舱内空气，进而调节车内空气温度，降低车载冷却系统的压缩机功率。因此，上述系统可有效回收液氢的冷能，降低氢能汽车的能耗，提高行驶里程。

主权利要求：
1.一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，包括车载液氢储罐(1)、截止阀(2)、第一电子膨胀阀(3)、第一换热器(4)、汽化器(5)、燃料电池(6)、蓄电池(7)、电机(8)、电控系统(9)、电动压缩机(10)、四通阀(11)、冷凝器(12)、第二电子膨胀阀(13)、乘座舱换热器(14)、气液分离器(15)、变频水泵(16)、第三电子膨胀阀(17)、膨胀水箱(18)、第一变频风机(19)、第二变频风机(20)、第三变频风机(21)，所述车载液氢储罐(1)具有液氢出口，所述的第一换热器(4)具有换热用进水口、换热用出水口、液氢进口、液氢出口，所述的汽化器(5)具有液氢进口、气氢出口，所述的燃料电池(6)具有气氢进口、空气进口、尾气出口，所述电动压缩机(10)具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述四通阀(11)具有a、b、c、d四个外部接口，所述冷凝器(12)具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述第二电子膨胀阀(13)具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述乘座舱换热器(14)具有制冷剂进口、制冷剂出口、冷却水进口、冷却水出口，所述气液分离器(15)具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述变频水泵(16)具有进水口、出水口，所述第三电子膨胀阀(17)具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述膨胀水箱(18)具有进水口、出水口，当车辆启动时，截止阀(2)、第一电子膨胀阀(3)、第一变频风机(19)均开启运行，其中：制冷模式工作时，车载液氢储罐中的液氢经过截止阀(2)、第一电子膨胀阀(3)后进入第一换热器（4）中，变频水泵(16)、第三电子膨胀阀(17)、第三变频风机(21)启动，液氢在第一换热器(4)中与循环水进行热交换，将冷能传递给循环水，当车辆制冷负荷不超过一阈值时，电动压缩机(10)不启动，经该第一换热器(4)冷却后的循环水在乘座舱换热器(14)内与车内空气进行热交换，将液氢冷能间接用于对车内空气进行降温，而当车辆制冷负荷超过所述阈值时，电动压缩机(10)启动，制冷负荷不足的部分由电动压缩机(10)驱动的压缩式制冷循环系统补足。
2.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述压缩式制冷循环系统包括电动压缩机(10)、冷凝器(12)、第二电子膨胀阀(13)、乘座舱换热器(14)、四通阀(11)、气液分离器(15)，制冷模式工作时，制冷剂流向为压缩机(10)、四通阀(11)的a‑b、冷凝器(12)、第二电子膨胀阀(13)、乘座舱换热器(14)、四通阀(11)的c‑d，气液分离器(15)；制热工作模式时，制冷剂流向为压缩机(10)、四通阀(11)的a‑d、乘座舱换热器(14)、第二电子膨胀阀(13)、冷凝器(12)、四通阀(11)的b‑c，气液分离器(15)。
3.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述汽化器(5)的气氢出口连通所述燃料电池(6)的气氢进口；汽化器(5)自带的第一变频风机(19)根据车辆控制信号调节风机转速。
4.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：制冷模式下，四通阀(11)a‑b连通、c‑d连通，电动压缩机(10)制冷剂出口连通冷凝器(12)的制冷剂进口；制热模式下，四通阀(11)a‑c连通、b‑d连通，电动压缩机(10)制冷剂出口连通乘座舱换热器(14)的制冷剂出口。
5.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述冷凝器(12)的制冷剂出口连通第二电子膨胀阀(13)的制冷剂进口，所述第二电子膨胀阀(13)的制冷剂出口连通乘座舱换热器(14)的制冷剂进口。
6.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：制冷模式下，四通阀(11)a‑b连通、c‑d连通，所述乘座舱换热器(14)的制冷剂出口连通气液分离器(15)的进口。
7.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述气液分离器(15)的制冷剂出口连通电动压缩机(10)的进口，制冷模式下，四通阀(11)c‑d连通，所述气液分离器(15)的进口连通乘座舱换热器(14)的制冷剂出口；制热模式下，四通阀(11)b‑d连通，气液分离器(15)的进口连通冷凝器(12)的进口。
8.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述变频水泵(16)的出水口连通乘座舱换热器(14)的进水口，所述乘座舱换热器(14)的出水口连通第三电子膨胀阀(17)的进水口，所述第三电子膨胀阀(17)的出水口连通第一换热器(4)的进水口。
9.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述第一换热器(4)的出水口连通膨胀水箱(18)的进水口，所述膨胀水箱(18)的出水口连通变频水泵(16)的进水口。
10.根据权利要求1所述的基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，其特征是：所述变频水泵(16)运行频率根据车辆控制信号进行自动调节。 说明书 : 一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空
调系统技术领域[0001] 本发明属于氢能汽车系统，具体是一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统。背景技术[0002] 臭氧层的破坏、气候变暖及汽车尾气排放是目前全球所面临的主要环境问题。随着老百姓生活水平的提高，机动车的生产和使用量都急剧增长，机动车尾气排放对环境和人们身体健康的影响日趋严重。[0003] 氢能燃料电池汽车，是以氢作为能源的汽车，它将氢与空气中的氧反应所产生的化学能转换为电能，再通过电动机驱动车辆行驶。使用氢为能源的最大好处是它跟空气中的氧反应，仅产生水蒸气排出，有效减少了传统燃油车造成的空气污染问题。[0004] 液氢燃料电池汽车在液氢进入燃料电池中与空气中的氧气进行化学反应前一般需先经过汽化器，在汽化器中液氢将被汽化成氢气。液氢在汽化器中与外侧空气进行热交换，在此过程中液氢中蕴含的冷能会被外侧空气带走，造成液氢冷能的浪费。发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对液氢燃料电池汽车中汽化器中浪费的液氢冷能进行回收，提供一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，该系统一方面可有效回收液氢的冷能，另一方面可降低车载空调冷却系统的冷却功率，从而降低液氢燃料电池汽车的能耗，提高行驶里程数。[0006] 为达到上述目的，本发明的一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，包括车载液氢储罐、截止阀、第一电子膨胀阀(3)、换热器、汽化器、燃料电池、蓄电池、电机、电控系统、电动压缩机、四通阀、冷凝器、第二电子膨胀阀(13)、乘座舱换热器、气液分离器、变频水泵、第三电子膨胀阀(17)、膨胀水箱、第一变频风机(19)、第二变频风机(20)、第三变频风机(21)，所述车载液氢储罐具有液氢出口，所述的换热器具有换热用进水口、换热用出水口、液氢进口、液氢出口，所述的汽化器具有液氢进口、气氢出口，所述的燃料电池具有气氢进口、空气进口、尾气出口，所述电动压缩机具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述四通阀具有a、b、c、d四个外部接口，所述冷凝器具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述第二电子膨胀阀(13)具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述乘座舱换热器具有制冷剂进口、制冷剂出口、冷却水进口、冷却水出口，所述气液分离器具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述变频水泵具有进水口、出水口，所述第三电子膨胀阀(17)具有进水口、出水口，所述膨胀水箱具有进水口、出水口，其特征是：所述车载液氢储罐的液氢出口依次通过电磁阀、第一电子膨胀阀(3)连通所述换热器的液氢进口，所述换热器的液氢出口通过管路连接所述汽化器的液氢进口，所述汽化器的气氢出口连通所述燃料电池的气氢进口，所述冷凝器的制冷剂出口连通第二电子膨胀阀(13)的制冷剂进口，所述第二电子膨胀阀(13)的制冷剂出口连通乘座舱换热器的制冷剂进口，所述气液分离器的制冷剂出口连通电动压缩机的进口，所述变频水泵的出水口连通乘座舱换热器的进水口，所述乘座舱换热器的出水口连通第三电子膨胀阀(17)的进水口，所述第三电子膨胀阀(17)的出水口连通换热器的进水口，所述换热器的出水口连通膨胀水箱的进水口，所述膨胀水箱的出水口连通变频水泵的进水口。[0007] 作为优选技术手段：所述车载液氢储罐的液氢出口依次通过电磁阀、第一电子膨胀阀(3)连通所述换热器的液氢进口。车辆不工作时，电磁阀用于切断车辆液氢管路供气；第一电子膨胀阀(3)可根据车辆控制信号调节液氢管路的供液量。[0008] 作为优选技术手段：所述换热器的液氢出口通过管路连接所述汽化器的液氢进口。[0009] 作为优选技术手段：所述汽化器的气氢出口连通所述燃料电池的气氢进口；汽化器自带的变频风机，可根据车辆控制信号调节风机转速，以保证燃料电池气氢进气工况达到进气要求。[0010] 作为优选技术手段：所述冷凝器的制冷剂出口连通第二电子膨胀阀(13)的制冷剂进口。[0011] 作为优选技术手段：所述第二电子膨胀阀(13)的制冷剂出口连通乘座舱换热器的制冷剂进口。[0012] 作为优选技术手段：所述气液分离器的制冷剂出口连通电动压缩机的进口。[0013] 作为优选技术手段：所述变频水泵的出水口连通乘座舱换热器的进水口。[0014] 作为优选技术手段：所述乘座舱换热器的出水口连通第三电子膨胀阀(17)的进水口。[0015] 作为优选技术手段：所述换热器的出水口连通膨胀水箱的进水口。[0016] 作为优选技术手段：所述膨胀水箱的出水口连通变频水泵的进水口。[0017] 本发明通过在车载液氢储罐与汽化器之间布置一换热器，使得液氢在进入汽化器之前，在该布置的换热器中将冷能用于冷却系统循环水，经该换热器冷却后的循环水用于冷却车载电池与电控等发热部件，进而对液氢的冷能进行了回收利用，降低了车载冷却系统的冷却功率，提高行驶里程数。附图说明[0018] 图1为本发明一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统；[0019] 图中标号说明：1‑车载液氢储罐；2‑电磁阀；3‑电子膨胀阀；4‑换热器；5‑汽化器；6‑燃料电池；7‑蓄电池；8‑电机；9‑电控系统；10‑电动压缩机；11‑四通阀；12‑冷凝器；13‑电子膨胀阀；14‑乘座舱换热器；15‑气液分离器；16‑变频水泵；17‑电子膨胀阀；18‑膨胀水箱；19‑变频风机；20‑变频风机；21‑变频风机。具体实施方式[0020] 以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。[0021] 如图1所示，本发明的一种基于液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合的氢能汽车空调系统，包括车载液氢储罐1、截止阀2、第一电子膨胀阀3、第一换热器4、汽化器5、燃料电池6、蓄电池7、电机8、电控系统9、电动压缩机10、四通阀11、冷凝器12、第二电子膨胀阀13、乘座舱换热器14、气液分离器15、变频水泵16、第三电子膨胀阀17、膨胀水箱18、第一变频风机19、第二变频风机20、第三变频风机(21)，车载液氢储罐1具有液氢出口，第一换热器4具有换热用进水口、换热用出水口、液氢进口、液氢出口，汽化器5具有液氢进口、气氢出口，燃料电池6具有气氢进口、空气进口、尾气出口，电动压缩机10具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述四通阀11具有a、b、c、d四个外部接口，冷凝器12具有制冷剂进口、制冷剂出口，第二电子膨胀阀13具有制冷剂进口、制冷剂出口，乘座舱换热器14具有制冷剂进口、制冷剂出口、冷却水进口、冷却水出口，所述气液分离器15具有制冷剂进口、制冷剂出口，变频水泵16具有进水口、出水口，所述第三电子膨胀阀17具有制冷剂进口、制冷剂出口，所述膨胀水箱18具有进水口、出水口，车载液氢储罐1的液氢出口依次通过截止阀2、第一电子膨胀阀3连通第一换热器4的液氢进口，第一换热器4的液氢出口通过管路连接汽化器5的液氢进口，汽化器5的气氢出口连通燃料电池6的气氢进口，冷凝器12的制冷剂出口连通第二电子膨胀阀13的制冷剂进口，第二电子膨胀阀13的制冷剂出口连通乘座舱换热器14的制冷剂进口，气液分离器15的制冷剂出口连通电动压缩机10的进口，变频水泵16的出水口连通乘座舱换热器14的进水口，乘座舱换热器14的出水口连通第三电子膨胀阀17的进水口，第三电子膨胀阀17的出水口连通第一换热器4的进水口，第一换热器4的出水口连通膨胀水箱18的进水口，膨胀水箱18的出水口连通变频水泵(16)的进水口。[0022] 截止阀2在车辆不工作时可用于切断车辆液氢管路供气。第一电子膨胀阀3可根据车辆控制信号调节液氢管路的供液量以匹配车辆所需动力。[0023] 汽化器5用于对第一换热器4出口的气液两相液氢进行换热汽化，其自带的变频风机14，可根据车辆控制信号调节风机转速，以保证燃料电池6气氢进气工况达到进气要求。[0024] 燃料电池6中氢气与空气中的氧气在催化器的作用下进行化学反应，化学能转化成电能给蓄电池7充电以用于驱动电机8、电动压缩机10以及车载电控系统9等耗电部件。[0025] 电动压缩机10、冷凝器12、第二电子膨胀阀13、乘座舱换热器14、四通阀11、气液分离器15等部件构成一压缩式制冷循环。制冷模式工作时，制冷剂流向为压缩机10、四通阀11的a‑b、冷凝器12、第二电子膨胀阀13、乘座舱换热器14、四通阀11的c‑d，气液分离器15；制热工作模式时，制冷剂流向为压缩机10、四通阀11的a‑d、乘座舱换热器14、第二电子膨胀阀13、冷凝器12、四通阀11的b‑c，气液分离器15。[0026] 第三电子膨胀阀17的开度、变频水泵16的转速可根据制冷负荷在一定的范围内的变动进行自动调节。[0027] 第二电子膨胀阀13的开度可根据压缩式制冷系统上的热负荷进行自动调节。[0028] 膨胀水箱18用于缓冲循环水路里的压力波动。[0029] 车辆启动时，截止阀2、第一电子膨胀阀3、第一变频风机19均开启运行。工作时，车载液氢储罐中的液氢经过截止阀2、第一电子膨胀阀3后进入第一换热器4中。制冷模式工作时，变频水泵16、第三电子膨胀阀17、第三变频风机21启动，液氢在第一换热器4中与循环水进行热交换，将冷能传递给循环水。当车辆制冷负荷不大时，电动压缩机10不启动，经该第一换热器4冷却后的循环水可在乘座舱换热器14内与车内空气进行热交换，将液氢冷能间接用于对车内空气进行降温；而当车辆制冷负荷大时，电动压缩机10启动，制冷负荷不足的部分有电动压缩机10驱动的上述压缩式制冷循环系统补足。制热模式工作时，变频水泵16、第三电子膨胀阀17不启动，第三变频风机21、电动压缩机10、第二电子膨胀阀13启动。从第一换热器4出来的液氢接着流入汽化器5中，在汽化器5中吸热后转变成气态氢，之后进入燃料电池6中与空气中的氧气在催化剂的作用下进行化学反应产生电能给蓄电池7充电，蓄电池7供电给驱动电机8驱动车辆行驶。[0030] 上述将液氢冷能回收技术与热泵技术相耦合运行的方案，在车辆制冷模式下工作时，可有效降低车载冷却系统的冷却功率。[0031] 以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

专利地区：浙江

专利申请日期：2021-11-03

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114228435B