CN101323248A - 车载高压输氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明车载高压输氢系统主要包括：气瓶及阀组件、气阻气容、减压阀组、流量调节检测装置、管路及附件。气瓶是储存氢燃料的容器，容积140L至200L，充气压力35MPa或70MPa。在气瓶上集成阀组主要包括电磁阀和安全阀。电磁阀作为输氢系统的通断开关，安全阀作为压力安全装置。气阻气容包括一个固定节流器和两个容腔。减压阀组包括一级减压阀和二级减压阀，两级减压阀之间有容腔。流量调节检测装置包括可调节流阀和流量计。管路及附件包括连接各元件的管路，以及测定压力的压力表和滤除气体杂质的滤清器等附件。本发明解决了氢燃料电池车上气态高压氢燃料的输送问题，实现了车载高压气动系统的压力控制。

Description

车载高压输氢系统

技术领域

本发明属于气动控制和清洁能源技术领域，具体涉及适用于氢燃料电池汽车上的储氢复合气瓶向燃料电池堆输送氢气的车载高压输氢系统。

背景技术

目前，地球能源短缺和环境保护已成为世界各国的重要研究课题。随着世界石油资源的不断枯竭，各国科学家及制造商竞相研究以氢为原料的燃料电池作为替代石油的新能源汽车。250年前人类发现氢以来，氢及氢能源已经在工业中获得了广泛的应用。二十世纪以来，氢能已经成功地为人类航天所用，如我国长征系列火箭CZ-3A，利用液氢液氧作为推进器燃料发射火箭、航天飞机去探索太空的奥秘。气动控制起源于第二次世界大战前后导弹与火箭飞行器姿态控制，采用燃气发生器、气动伺服阀和燃气马达的燃气伺服系统。约10年前，世界各地制造商陆续开发气动阀，民用商品问世，应用于产业过程的远程控制等，但普遍采用低压控制。国内外超高压气动技术研究和商品尚不多见。

燃料电池汽车直接利用氢和氧发生化学反应产生电能，排出纯水，是高效、清洁的新能源汽车。世界各大汽车厂商，如福特、通用、戴克、日产、本田、丰田等公司，都在争相研制氢燃料电池汽车。燃料电池汽车存在的一个难点就是氢燃料的储存及输送问题。目前，氢的储存方法主要有以下几种：高压气态储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢等。目前大部分的燃料电池汽车采用气态高压储氢方式。2005年8月我国研制的首辆燃料电池混合动力轿车“超越一号”采用增强碳钎维缠绕的铝合金内胆，气瓶压力30MPa。

目前气动控制领域需要研究的主要问题有：(1)通常气动控制压力为0.5MPa，高压控制压力也仅为5MPa左右。但是，氢能源汽车多采用超高压储氢，为保证一次加氢后行使距离达200km，通常储氢压力35MPa以上；要保证一次加氢后行驶距离500Km时，储氢压力则要求高达70MPa；然而燃料电池对氢燃料的压力要求在0.16MPa，那么气瓶中的高压氢气如何转化为适用于燃料电池的低压氢燃料就成了车载高压输氢系统所要解决的关键问题。目前各国涉及车载高压储氢容器的专利仍然不多见。(2)在车辆的大温度范围、振动、冲击和离心等极限环境下气动控制将变得极为复杂，目前这方面的研究还极少见。随着燃料电池汽车的商业化和实用化，车载极限环境下超高压储氢容器的安全性已经成为人们需要亟待解决的关键问题。这就导致越来越需要一种新的高压输氢方法及其控制系统来解决上述问题，实现车载高压输氢，气动控制和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢燃料电池车上车载高压输氢系统，通过硬件措施来解决气动系统的高压控制的问题，克服现有气动系统由于压力低而导致难于在车载系统中应用的问题，实现车载高压输氢及其安全压力控制。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种车载高压输氢系统可采用35MPa和70MPa两个压力等级。其主要包括：气瓶及阀组、气阻气容、减压阀组、流量调节检测装置、管路及附件。

气瓶是储存氢燃料的容器，容积在140L至200L，预充气压力在35MPa或70MPa。在气瓶上集成阀组，阀组主要包括电磁阀和安全阀。电磁阀作为输氢系统的通断开关，安全阀作为压力安全装置。

气阻气容包括一定面积的气阻，即固定节流器；还包括一定体积的气容，即容腔。气阻可以起到一定的降压作用，提供阻尼，达到安全保护的目的。气容由于被吸收气体的压缩性，可以起到压力缓冲的动态调节作用。

减压阀组包括一级减压阀和二级减压阀，两级减压阀之间有容腔。35MPa输氢系统中，一级减压阀出口压力5MPa，二级减压阀出口压力0.16MPa。70MPa输氢系统中，一级减压阀出口压力10MPa，一级减压阀入口增加固定节流器，二级减压阀出口压力0.16MPa，入口处还增加了长度可变和面积可变的固定节流器。流量调节检测装置包括流量调节阀和流量计。流量调节阀根据汽车的瞬时功率要求自动调节阀口大小从而调节输送给燃料电池堆的流量。流量计可检测输氢系统的流量。

管路及附件包括连接各元件间的输氢管路，以及测定压力的压力表和滤除气体杂质的滤清器等附件。

进一步，所述的固定节流器是阻尼孔大小和长度可调节的采用可更换方式的节流口的结构。

本发明在几何结构上，具体而言，在固定节流器和两级减压阀之间有多个容腔，该容腔由一体化的组合阀块之间所构成的几何容腔形成。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：采用两级减压的压力控制方案并将两级减压阀集成为一体，使控制部件结构紧凑、压力控制稳定精确；固定节流器提供动态阻尼和安全保护作用；在气瓶与减压阀组间增加气阻气容，改善了静态和动态压力调节特性，使压力调节更加安全平稳。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是一种氢能源汽车在不同车速下的输氢系统所需供氢流量的示意图。

图3是充气压力为35Mpa的输氢系统工作过程压力特性的示意图。

图4是充气压力为70Mpa的输氢系统工作过程压力特性的示意图。

图中标号：1为储氢气瓶，2为安全阀，3为电磁阀，4为固定节流器，5为滤清器，6为一级减压阀，7为二级减压阀，8为压力表，9为流量计，10为可调节流阀，11为安全阀，12为气容，13为气容，14为压力表。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的一种实施例的主要部分的示意图。如图所示，输氢系统主要包括：气瓶及阀组、气阻气容、减压阀组、流量调节检测装置、管路及附件。

气瓶1是储存氢燃料的容器，容积为140L至200L之间，充气压力为35MPa或70MPa。在气瓶上集成阀组，阀组主要包括电磁阀3和安全阀2。电磁阀作为输氢系统的通断开关，安全阀作为压力安全装置。气阻气容包括一个面积为0.04mm²至1mm²的固定节流孔4和一定体积的容腔13(如体积1mL至50mL的某一数值)。固定节流孔4所形成的气阻可以起到一定的降压作用，提供阻尼，达到安全保护的目的。一定体积的容腔13形成的气容由于被吸收气体的压缩性，可以起到压力缓冲的作用。减压阀组包括一级减压阀6和二级减压阀7，两级减压阀之间有容腔12。35MPa输氢系统中，一级减压阀6出口压力可为5MPa，二级减压阀7出口压力为0.16MPa。70MPa输氢系统中，一级减压阀6出口压力可为10MPa，二级减压阀7出口压力0.16MPa；一级减压阀6保证其出口压力基本稳定在一定范围内；二级减压阀7保证其出口压力基本稳定在一定范围内，即0.15MPa至0.17MPa，向燃料电池堆提供稳定的气体输送。流量调节检测装置包括流量调节阀10和流量计9。流量调节阀10根据汽车的瞬时功率要求自动调节阀口大小从而调节输送给燃料电池堆的流量。流量计9可检测输氢系统的流量。管路及附件包括连接各元件间的输氢管路，以及测定压力的压力表8和压力表14和滤除气体杂质的滤清器5等附件。

输氢系统的具体工作过程如下：当需要给燃料电池堆输送氢气时，则提供一个电信号给电磁阀3，电磁阀得电后换位接通输氢系统，气瓶1开始经管路放出氢气。氢气首先流经气阻气容，然后经滤清器到达一级减压阀。对于35MPa的输氢系统，一级减压后的压力可为5MPa；而在70MPa输氢系统中，一级减压后的压力控制可在10MPa，一级减压阀的入口处还增加了长度可变的固定节流孔。气体经过阀间容腔12后到达二级减压阀，出口压力控制在0.16MPa，入口处还增加了长度可变和面积可变的固定节流器。然后流经流量控制元件可调节流阀10和流量检测元件流量计9。流量调节阀根据汽车的瞬时功率要求自动调节阀口大小从而调节输送给燃料电池堆的流量。当汽车停止不需要氢气供应时，切断给电磁阀3的电信号，使其自动回位而关闭，输氢系统被切断而处于非工作状态。

图2是一种氢能源汽车在不同车速下的输氢系统供氢流量的示意图。如图所示，行驶速度与氢气流量并非成线性关系。由于行驶速度越快，空气阻力越大，所需能量的功率越大，则所需氢气流量越大。当汽车的速度达到最大速度120km/h时，所需氢气的流量达到约0.56g/s；速度100km/h时，所需氢气的流量约0.40g/s；速度60km/h时，所需氢气的流量达到约0.18g/s；速度30km/h时，所需氢气的流量达到约0.08g/s。

以上结果是在一定环境条件下，对于某一型号轿车的理论结果。随着轿车参数和环境条件的变化，输氢系统供氢流量也有所变化。

根据最大速度下所需供氢流量，并留有一定余量，综合考虑输氢系统供氢能力可定为：流量Q_m0不大于100g/min。

图3、图4显示了输氢系统工作过程压力特性的示意图。图3为35MPa的一种输氢系统工作状态下，汽车分别以30km/h、60km/h和120km/h行驶时气瓶压力特性。气瓶体积为160L，初始压力35MPa。在低速行驶时，压力下降较为平缓，车速越高，压力下降越迅速，系统工作时间越短。图4是70MPa的一种输氢系统在不同车速下工作时的气瓶压力特性。在相同车速下，其工作比35MPa输氢系统工作时间长，但压力下降趋势基本相同。

表1列出的是一种氢能源汽车输氢系统在不同车速下的工作时间与行驶距离的关系。在初始压力35MPa的条件下，在低速(30km/h)行驶时，系统放气时间可达12.1h左右，行驶距离可以达到约363km，但如果车速太高(120km/h)，则行驶距离则会减到204公里左右。在初始压力70MPa的条件下，在低速(30km/h)行驶时，行驶距离可以达到555km左右，在60km/h以上行驶时，行驶距离下降到498km，在最高时速(120km/h)时，行驶距离324km。为了达到较长的行驶距离，必须做到：1)控制行驶速度，保持汽车大部分时间行驶在低速状态，系统得以具有较长的工作时间；2)增加气瓶储存压力，获得较大的氢气质量密度，使得系统连续工作时间增加。

表1

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种车载高压输氢系统，其特征在于：其包括相互配合的气瓶及阀组、气阻气容、减压阀组、流量调节检测装置、管路及附件。

2、如权利要求1所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该气瓶上集成有阀门组合，并与气阻气容相连通；该阀门组合包括电磁阀和安全阀。

3、如权利要求1所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该气阻气容与减压阀组相连通，其包括固定节流孔和容腔。

4、如权利要求1所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该减压阀组与流量调节检测装置，其包括一级减压阀和二级减压阀，两级减压阀之间设有容腔。

5、如权利要求1所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该流量调节检测装置包括可调节流阀和流量计，其通过安全阀控制输送氢气至燃料电池。

6、如权利要求1所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该管路及附件包括连接各元件间的输氢管路，以及测定压力压力表和滤除气体杂质的滤清器；滤清器设置在气阻气容与减压阀组之间；压力表设置在气瓶与气阻气容之间以及流量调节检测装置的可调节流阀与流量计之间。

7、如权利要求2所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该气瓶的容积在140L至200L，其预充气压力为35MPa或70MPa，其电磁阀作为输氢系统的通断开关，安全阀作为压力安全装置。

8、如权利要求3所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该固定节流器为阻尼孔大小和长度可调节的，且其为可更换方式的节流口的结构。

9、如权利要求3-4中任一项所述的车载高压输氢系统，其特征在于：该容腔由一体化的组合阀块之间所构成的几何容腔形成。

10、如权利要求7所述的车载高压输氢系统，其特征在于：35MPa输氢系统中，一级减压阀出口压力可为5MPa，二级减压阀出口压力为0.16MPa。70MPa输氢系统中，一级减压阀入口增加固定节流器，出口压力可为10MPa；二级减压阀出口压力为0.16MPa，入口处还增加了长度可变和面积可变的固定节流器。

Images