CN102478461B - 用于燃料电池车的燃料效率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池车的燃料效率测量系统，包括燃料效率测量氢储罐，测量该氢储罐的重量的电子秤，车辆侧氢储罐，和堆，还包括：串联安装在车辆侧氢储罐与堆之间的第二氢气供应管线上的减压阀和第四阀；从燃料效率测量氢储罐的出口端延伸并直接连接于第二氢气供应管线的第一氢气供应管线；连接于燃料效率测量氢储罐的出口端的高压调节器和快速接头；串联安装于第一氢气供应管线的第一阀和第二阀；安装在从第一氢气供应管线分支的分支管线上并使用从车辆侧氢储罐排出的氢气去除第一氢气供应管线中的残余空气的残余空气排放单元；以及安装在从分支管线再次分支的管线上并在氢气压力等于或高于基准高压时将氢气排出的氢气清除安全单元。

Description

用于燃料电池车的燃料效率测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池车的燃料效率测量系统。更具体地，涉及一种改进的用于燃料电池车的燃料效率测量系统，其简化了该系统内部的各种阀和氢气管线，并使其单个元件模组化。

背景技术

燃料电池是一种电力产生系统，其不是通过燃烧将燃料的化学能转换为热能，而是在燃料电池堆中用电化学方法将化学能直接转换为电能。燃料电池可应用于例如便携设备的小型电气和电子设备，以及工业和家用电器及车辆的电力供应。燃料电池堆安装在燃料电池车上，以通过使用氢和空气中的氧作为燃料的电化学反应产生电力。在电化学反应期间，由燃料供应系统中的氢储罐供应氢，并由空气供应系统中的鼓风机供应空气中的氧。

本领域技术人员将会意识到，使用已应用于通用内燃机的现有的燃料消耗测量方法不能评估安装有燃料电池堆的氢燃料电池车的效率，因为一般而言这些方法测量排气中的碳含量。由于碳不存在于氢燃料电池的处理中，因此需要一种能够应用于氢燃料电池车的新的燃料效率测量方法。

考虑到市场欠缺，申请人提出了专利申请，韩国专利第10-0831567号，和2008年5月29日提出的名称为“用于燃料电池车的燃料效率测量系统和方法”的美国专利申请公开第2009/0030625号，其通过引用结合于此。此在先提交的申请涉及一种用于准确测量使用氢作为燃料的燃料电池车的燃料效率的系统和方法。然而，该燃料效率测量系统和方法存在许多不足。

一个明显的缺点在于该先前的系统由许多部分组成。例如，图2是示出如上所述的常规的用于燃料电池的燃料效率测量系统的示意图。从该图可以看出，先前设计的燃料效率测量方法包括配置用于向燃料电池堆供应氢的氢储罐1，配置用于测量氢储罐(1)的重量的电子秤，安装在连接氢储罐1与车辆并且位于氢储罐1与车辆之间的氢气供应管线中的多个阀(V4，V5，V6和V7)。另外，分离式接头连接燃料效率测量单元与车辆，并被配置用于当车辆偏离时防止氢气泄漏。净化氢储罐2被配置用于在可进行系统的测试前去除管线中的残余空气。更具体地，阀V1，V2和V3被配置用于控制从净化氢储罐(2)排出的氢气的方向，并且管线仪表(G1)被配置用于测量调节器或更确切地说高压调节器(HPR1)的下游侧的氢气的压力。另外，三通阀(V8)被配置用于改变车辆侧氢储罐3与燃料效率测量氢储罐1之间的氢气的供应方向。从图2可以看出，该先前的系统由许多部分组成，从而使装置复杂。因此，装配过程可能困难且费时。因此，很难制造该系统并且相当昂贵。

另外，当将连接于氢储罐的接头或更确切地说快速接头C1分离以使电子秤能够准确测量氢储罐的重量时，大约350巴的剩余氢气压力存在于氢储罐的出口端与快速接头之间。因此，很难在需要时将快速接头与系统分离。

发明内容

本发明涉及一种改进的用于燃料电池车的燃料效率测量系统，其消除了用于去除氢气供应管线中的残余空气的净化氢储罐，并使用车辆侧氢储罐作为替代去除氢气供应管线中的残余空气。更特别地，本发明简化了安装在氢气供应管线中的各种阀和接头的使用，同时通过消除常规采用的将燃料效率测量单元与车辆连接的高成本的分离式接头而显著降低了制造成本。

在本发明的一个实施方式中，一种用于燃料电池车的燃料效率测量系统可包括燃料效率测量氢储罐，配置用于测量燃料效率测量氢储罐的重量的电子秤，车辆侧氢储罐，以及堆。更具体地，本发明的燃料效率测量系统可采用串联安装在可布置于多个车辆侧氢储罐与堆之间的第二氢气供应管线上的减压阀和第四阀。第一氢气供应管线从燃料效率测量氢储罐的出口端延伸，并直接连接于第四阀与堆之间的第二氢气供应管线。另外，高压调节器和快速接头可顺序地连接于燃料效率测量氢储罐的出口端，并且第一阀和第二阀可串联安装到从快速接头延伸出的第一氢气供应管线上。

为去除第一氢气供应管线中的残余空气，残余空气排放单元可安装在从第一氢气供应管线分支并布置于第一阀与第二阀之间的分支管线上。残余空气排放单元使用从车辆侧氢储罐排出的氢气去除第一氢气供应管线中的所有残余空气。另外，为在氢气的压力等于或高于基准高压时将氢气排出至系统外部，氢气清除安全单元可安装在从分支管线再次分支的管线上。

在本发明的优选实施方式中，燃料效率测量系统可包含余量监控器用于监控电子秤的检测值。如上所述，电子秤可配置用于检测燃料效率测量氢储罐的重量。另外，控制器还可配置用于控制阀的开启/关闭操作。

另外，残余空气排放单元还可包括串联安装到分支管线上的止回阀和第三阀，以及从第三阀的出口延伸至系统外部的排气管线。

优选地，氢气清除安全单元还可包括在位于残余空气排放单元的止回阀和第三阀之间的分支管线与从第三阀的出口端延伸的排气管线之间连接的清除管线，以及可安装到清除管线的预定位置的安全阀。如果供应的氢气的压力等于或高于基准值，则安全阀可被设置为开启。

此外，本发明的优选实施方式还可包括配置用于将氢气压力信号传送至控制器的压力传感器，其可共同安装到燃料效率测量氢储罐的出口端和布置于快速接头与第一阀之间的第一氢气供应管线上。

优选地，氢泄漏检测传感器可配置用于检测氢气的泄漏并将信号传送至控制器。氢泄漏检测传感器可安装在安装有燃料效率测量氢储罐的壳体中。

有利地，本发明通过使用车辆侧氢储罐代替常规的净化氢储罐来去除氢气供应管线中的残余空气而有助于降低制造成本。此外，通过简化在氢气供应管线中安装的各种阀和接头，可节省附加的制造成本并可提高整个系统的可操作性。

通过消除通常连接燃料效率测量单元与车辆的高成本的分离式接头，还可显著地降低制造成本并可使燃料效率测量设备更加紧凑。

另外，通过将高压调节器安装到燃料效率测量氢储罐的出口端，将快速接头设置在高压调节器的下游侧，并降低施加于快速接头的氢气的压力，可在测量氢储罐的重量时平稳地分离快速接头。

附图说明

现在将参照附图中示出的某些示例性实施方式详细说明本发明的上述和其它特征，附图在下文中仅以例示的方式给出且因此不限制本发明，并且其中：

图1是示出根据本发明的实施方式的用于燃料电池的燃料效率测量系统的示意图；并且

图2是示出常规的用于燃料电池的燃料效率测量系统的示意图。

具体实施方式

在本发明的一方面，提供了一种用于测量燃料电池车的燃料效率的方法。首先，监控装置测量在燃料电池车行驶前的氢储罐的重量。然后排放单元在车辆行驶前使用从车辆侧氢储罐排出的氢气去除第一氢气供应管线中的所有残余空气。燃料电池车随后以发电机系统运行预定时间。在运行期间，所消耗的氢气经由直接连接于燃料电池车的第一氢气供应管线供应。一旦车辆行驶了预定时间，监控装置测量在燃料电池车已运行预定时间后的氢储罐的重量的变化。另外，燃料电池车在预定时间内行驶的距离也被测量。燃料电池车的燃料效率于是可通过分析在车辆以发电机系统行驶后氢储罐的重量的变化以及行驶的距离而进行计算。

在本发明的另一方面，用于燃料电池车的燃料效率测量系统包括第一氢储罐，配置用于测量该氢储罐的重量的电子秤，至少一个第二车辆侧氢储罐，以及堆。更具体地，燃料效率测量系统具有安装在至少一个车辆侧氢储罐与堆之间的第二氢气供应管线上的减压阀和第四阀。另外，第一氢气供应管线从第一氢储罐的出口端延伸，并直接连接于第四阀与堆之间的第二氢气供应管线。调节器和管接头也连接于第一氢储罐的出口端；第一阀和第二阀串联安装到从管接头延伸的第一氢气供应管线上。排放单元安装在从第一氢气供应管线分支并布置在第一阀与第二阀之间的分支管线上。该排放单元被配置用于使用从车辆侧氢储罐排出的氢气去除第一氢气供应管线中的残余空气。

以下，将参照附图详细说明本发明的示例性实施方式，使得本发明相关领域的技术人员能够容易地实施本发明。

如图1中所述，根据本发明的说明性实施方式的用于燃料电池车的燃料效率测量系统包括燃料效率测量单元，其具有燃料效率测量氢储罐100和配置用于测量燃料效率测量氢储罐100的重量的电子秤101。燃料效率测量单元还包括布置在车辆/氢动力车内的车辆侧氢储罐200和堆(stack)202。

燃料效率测量单元的部件可共同安装在具有一定容积的壳体内。具体地，燃料效率测量氢储罐100放置在电子秤101上，并且朝向车辆延伸的第一氢气供应管线102与燃料效率测量氢储罐100的出口端连接。随后高压调节器104和快速接头106可顺序地连接至燃料效率测量氢储罐100的出口端。

常规地，快速接头首先安装在氢储罐的出口端。当将快速接头分离以测量氢储罐的重量时，在氢储罐的出口端与快速接头之间存在大约350巴的残余氢气压力。因此，由于残余压力很难将快速接头分离。

然而，与常规技术不同，本发明利用高压调节器104首先安装在氢储罐100的出口端然后安装在快速接头106上。在高压调节器104后端的氢气压力于是从大约350巴降低至大约10巴，从而使使用者能够容易地将快速接头106分离。

此外，在本发明的说明性实施方式中，第一阀108和第二阀110可安装到从快速接头106延伸的第一氢气供应管线102上使得能够在控制器132的控制下打开和关闭。第一氢气供应管线102还从第二阀110延伸，使得第一氢气供应管线102通过使用通用管线接头直接连接到车辆侧的第二氢气供应管线204上。

更具体地，减压阀206和第四阀208可串联安装到在车辆侧氢储罐200与堆202之间连接于车辆侧氢储罐200与堆202二者的第二氢气供应管线204。另外，第一氢气供应管线102的远端直接连接到在第四阀208与堆202之间连接第四阀208与堆202的第二氢气供应管线204。

常规地，燃料效率测量单元的第一氢气供应管线与车辆侧的第二氢气供应管线通过分离式接头彼此连接。如果车辆/氢动力车与燃料效率测量单元400分离，则分离式接头使车辆/氢动力车能够在不泄漏氢气的情况下平稳地分离。然而，在本发明的系统和方法中，在燃料效率测量测试期间车辆不可能分离。因此消除了分离式接头，并且第一氢气供应管线102的远端通过通用管线接头直接连接到在第四阀208与堆202之间连接第四阀208与堆202的第二氢气供应管线204。

根据本发明的说明性实施方式，分支管线112从第一阀108与第二阀110之间的第一氢气供应管线102分支。残余空气排放单元安装在分支管线112上，并被配置用于使用从车辆侧氢储罐200排出的氢气去除第一氢气供应管线102中残留的空气。

也就是说，残余空气排放单元具有首先安装到从第一氢气供应管线102分支的分支管线112上的止回阀114。在止回阀114的后端还串联安装有第三阀116。此外，排气管线118连接于第三阀116的出口并且延伸至燃料效率测量单元400的外侧。

根据本发明的一个方面，当在第一氢气供应管线102中流动的氢气的压力等于或高于基准值时，通过清除氢气而进行安全调节。为了实现这一点，氢气清除安全单元被配置用于当氢气的压力等于或高于基准值时将氢气排放到系统外侧。氢气清除安全单元安装在从分支管线112再次分支的管线上。

例如，氢气清除安全单元可包括清除管线120和安全阀122。清除管线120的一端与残余空气排放单元的止回阀114和第三阀116之间的分支管线112连接，而其另一端连接于从第三阀116的出口端延伸的排气管线118。安全阀122安装在清除管线120的预定位置，并被设置为如果供应的氢气的压力升高至基准值或更高，则安全阀122自动开启。

同时，还可将配置用于监控电子秤101的检测值的余量监控器与电子秤101连接。特别地，用于控制阀的开启/关闭操作的控制器132连接于可为电磁阀的阀108、110、116和208。

还可将配置用于传送氢气压力信号至控制器132的压力传感器124安装到燃料效率测量氢储罐100的出口端以及快速接头106与第一阀108之间的第一氢气供应管线102上。

另外，还可将配置用于检测氢气的泄漏并传送信号至控制器132的氢泄漏检测传感器128安装在其中安装有燃料效率测量氢储罐100的壳体中。在本说明性实施方式中，燃料效率测量氢储罐100被安装成使得当氢气泄漏时，所有的阀可被控制器132控制关闭，同时产生警报声。

以下，将详细说明基于上述配置的燃料效率测量过程。首先，执行在被测量燃料效率的车辆行驶前检测燃料效率测量氢储罐的重量的步骤。

在这方面，电子秤102测量燃料效率测量氢储罐100的重量，并且余量监控器(balancingmonitor)130监控所测量的结果值。

然后，在位于与高压调节器104相邻的快速接头106从燃料效率测量氢储罐100的出口端分离后，对燃料效率测量氢储罐100的重量进行测量。有利地，由于高压调节器104的后端的氢气压力从大约350巴降低至大约10巴，因此快速接头106可容易地分离。

接着，通过在车辆行驶前去除氢气供应管线中的任何残余空气，来保证适合于燃料效率测试的最优的条件。

在这方面，第一阀108被控制关闭，并且阀110，116和208可被控制开启。

因此，在从车辆侧氢储罐200排出的氢气的压力在减压阀206中被调节后，排出的氢气通过第四阀208进入第一氢气供应管线102，随后经过第二阀110、止回阀114和第三阀116，并通过排气管线118排出至外部，使得第一氢气供应管线102中剩余的残余空气随氢气一起被排出并去除至外部。

在通过上述过程去除氢气供应管线中的残余空气后，执行实际的燃料效率测量过程。即，测试车辆以底盘发电机系统(chassisdynamosystem)行驶，从而通过供应燃料效率测量氢储罐100中的氢气而阻塞车辆的氢气供应系统，使得在车辆行驶期间燃料电池堆202需要使用燃料效率测量氢储罐100中的氢气作为燃料。有效地，基于在车辆行驶后燃料效率测量氢储罐100的重量的变化和车辆的行驶距离，计算车辆的燃料效率。

为了防止氢储罐200中的氢气被传送至堆202，第四阀208被控制关闭，并且通过控制第一阀108和第二阀110开启同时第三阀116关闭，燃料效率测量氢储罐100中的氢气沿第一氢气供应管线102流动。

然后，排出至第一氢气供应管线102的氢气进入第二氢气供应管线204，同时被供应至燃料电池堆202，从而启动燃料电池堆202的电力产生操作。

其间，如果施加于第一氢气供应管线102的氢气的压力等于或高于基准值，则其通过止回阀114影响清除管线120的安全阀122。即，高压氢气可能会在安全阀122自动开启时引起安全问题。在该情况下，基准值或更高的氢气经过安全阀122，同时通过排气管线118被排出。

在消耗燃料效率测量氢储罐100中的氢气同时运行堆预定时间后，启动钥匙被转至关闭位置以完成燃料效率测试。随后，阀108、110、116和208根据控制器132的指示而被控制关闭，使得不能再供应燃料效率测量氢储罐110中的氢气。

最后，在分离快速接头106后，电子秤101测量在燃料电池车行驶后燃料效率测量氢储罐100的重量，并且余量监控器130监控车辆的燃料效率。因此，可通过分析在车辆行驶后燃料效率测量燃料罐的重量变化以及控制器132所收集的行驶距离二者，确定汽油等效燃料效率计算。

已参照其示例性实施方式详细说明了本发明。然而，本领域技术人员将会理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的前提下，可在这些实施方式中做出改变，本发明的范围限定在所附权利要求及其等效形式中。此外，在不脱离本发明的本质的前提下，可对具体情况和材料做出多种修改。因此，本发明不限于优选实施方式的详细说明，而是包括在所附权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池车的燃料效率测量系统，包括燃料效率测量氢储罐，配置用于测量所述燃料效率测量氢储罐的重量的电子秤，车辆侧氢储罐，以及堆，所述燃料效率测量系统包括：

串联安装在所述车辆侧氢储罐与所述堆之间的第二氢气供应管线上的减压阀和第四阀；

从所述燃料效率测量氢储罐的出口端延伸并且直接连接于所述第四阀与所述堆之间的所述第二氢气供应管线的第一氢气供应管线；

顺序地连接于所述燃料效率测量氢储罐的出口端的高压调节器和快速接头，所述高压调节器被安装在所述燃料效率测量氢储罐和所述快速接头之间；

串联安装于从所述快速接头延伸的所述第一氢气供应管线的第一阀和第二阀；

安装在从所述第一阀与第二阀之间的所述第一氢气供应管线分支的分支管线上并且配置用于使用从所述车辆侧氢储罐排出的氢气去除所述第一氢气供应管线中的残余空气的残余空气排放单元；以及

安装在从所述分支管线再次分支的管线上并且配置用于当氢气的压力等于或高于基准高压时将氢气排出至外部的氢气清除安全单元。

2.如权利要求1所述的燃料效率测量系统，还包括：

配置用于监控所述电子秤的检测值的余量监控器，所述电子秤被配置用于检测所述燃料效率测量氢储罐的重量；以及

配置用于控制所述阀的开启/关闭操作的控制器。

3.如权利要求1所述的燃料效率测量系统，其中所述残余空气排放单元还包括：

串联安装到所述分支管线上的止回阀和第三阀；以及

从所述第三阀的出口延伸至所述燃料效率测量系统的外部的排气管线。

4.如权利要求1所述的燃料效率测量系统，其中所述氢气清除安全单元还包括：

在位于所述残余空气排放单元的所述止回阀和所述第三阀之间的所述分支管线与从所述第三阀的出口端延伸的所述排气管线之间连接的清除管线；以及

安装到所述清除管线的预定位置的安全阀。

5.如权利要求4所述的燃料效率测量系统，其中如果供应的氢气的压力等于或高于基准值，则所述安全阀被设置为开启。

6.如权利要求1所述的燃料效率测量系统，其中配置用于将氢气压力信号传送至控制器的压力传感器安装到所述燃料效率测量氢储罐的出口端和所述第一氢气供应管线上，所述压力传感器布置于所述快速接头与所述第一阀之间。

7.如权利要求1所述的燃料效率测量系统，其中配置用于检测氢气的泄漏并将信号传送至控制器的氢泄漏检测传感器安装在安装有所述燃料效率测量氢储罐的壳体中。

8.一种利用权利要求1所述的用于燃料电池车的燃料效率测量系统测量燃料电池车的燃料效率的方法，所述方法包括：

通过监控装置测量在所述燃料电池车行驶前的氢储罐的重量；

通过排放单元在车辆行驶前使用从车辆侧氢储罐排出的氢气去除氢气供应管线中的所有残余空气；

通过使所述燃料电池车中的燃料电池堆运行预定时间，使所述燃料车以发电机系统运行预定时间，其中在所述预定时间内消耗的氢气经由直接连接于所述燃料电池车的所述氢气供应管线供应；

通过所述监控装置测量在所述燃料电池车已运行预定时间后的所述氢储罐的重量变化；

测量所述燃料电池车在所述预定时间内行驶的距离；以及

通过分析在车辆以发电机系统行驶后的所述氢储罐的重量变化和所述行驶的距离，计算所述燃料电池车的燃料效率。