CN104875628A - 可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源汽车领域，旨在提供可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统。该可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统包括液氢储罐、主燃料电池电堆、电气组件、电机、压力变送元件、辅燃料电池电堆、燃料电池辅助设备、蓄电池组和控制系统模块，液氢储罐的燃料出口分别连接至主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆，主燃料电池电堆经电气组件后分别与电机和蓄电池组连接，辅燃料电池电堆经电气组件后与蓄电池组连接。本发明不仅避免了氢气的间歇性泄放，而且使挥发的氢气得到充分利用，避免了能源的浪费，蓄电池组中储存的能量可供汽车行驶一定距离，避免了液氢燃料电池汽车长期停放后因燃料挥发耗尽而无法行驶的情况。

Description

可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统

技术领域

本发明是关于新能源汽车领域，特别涉及可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统。

背景技术

随着全球污染的加剧，各国政府和企业都加紧新能源汽车的研发，其中燃料电池汽车以极低的污染物排放、良好的续驶里程和动力受到各大汽车公司的青睐。世界各大汽车公司在近些年相继发布了数十款燃料电池汽车，有些产品已经走上了产业化的道路，发展势头迅猛。在燃料电池汽车整车技术中，车载储氢技术一直是制约燃料电池汽车性能的重要方面，如何在车辆上有限的空间内储存足够多的氢气燃料是各大汽车公司面临的共同问题。现有的车载储氢技术主要有高压气态储氢、液氢储存、金属氢化物储氢、化学氢化物储氢、吸附储氢以及上述储氢方式结合的复合储氢。对比而言，高压气态储氢和液氢储存在技术上较为成熟，是近期燃料电池汽车产业化推进的重点。

高压气态储氢与液氢储存相比，高压气态储氢设备简单，操作更加方便；但是液氢的储存密度要远高于气态储氢，如在20.3K、0.1MPa下，液氢密度可达70.9kg/m³，而对于目前高压气态储氢常用的70MPa储存技术而言，氢气在273K、70MPa下，密度仅为41.7kg/m³。这就是说，储存同样重量的氢气，液氢储罐的容积可以远小于高压气态氢气储罐，这也是航天系统常采用液氢作为燃料的原因。

车载液氢储罐的基本结构是多层的真空绝热容器，在其使用过程中，特别是车辆停放过程中，不可避免的会有热量进入容器内部使液氢气化，进而造成容器内压力上升，当压力值达到容器的最高工作压力后，容器的安全泄放装置就会开启泄放其内部的氢气。液氢燃料电池汽车停放过程中氢气的间歇性泄放将引起以下问题：

(1)由于氢气易燃易爆，泄放的氢气如果在某些密闭空间或死角积聚会造成极大的安全隐患，泄放的氢气遇到明火会产生喷射火焰，对周围人员或物品造成伤害；

(2)间歇性氢气泄放会造成燃料的浪费，特别是使用频率不高的车辆，燃料利用率较低；

(3)液氢燃料电池汽车在长时间停放后会因为氢气的泄放造成燃料耗尽，导致车辆无法正常发动行驶。

专利[ZL 200610155439.7]中提出一种基于低温制冷机的液氢无损储存系统，该系统利用低温制冷机给液氢储存系统不断补充冷量从而避免液氢的挥发损失，但是由于制冷机通常体积庞大，质量较重，不适合车载使用。

综上所述，要做到既避免氢气间歇性泄放带来的安全隐患，又使挥发的氢气得到充分利用，避免能源的浪费，是液氢燃料电池汽车亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能消耗液氢燃料电池汽车停放过程中挥发的氢气，并把在氢气消耗转化过程中产生的能量储存起来的液氢燃料电池汽车动力系统。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统，包括液氢储罐、主燃料电池电堆、电气组件、电机，还包括压力变送元件、辅燃料电池电堆、蓄电池组和控制系统模块；所述液氢储罐用于存储作为汽车燃料的液氢，液氢储罐的燃料出口分别连接至主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆；

所述主燃料电池电堆经电气组件后分别与电机和蓄电池组连接，用于将主燃料电池电堆产生的电能经电气组件处理后输送至电机和蓄电池组；所述辅燃料电池电堆经电气组件后与蓄电池组连接，用于将辅燃料电池电堆产生的电能经电气组件处理后输送至蓄电池组；所述电气组件采用DC/DC转换器，用于控制主燃料电池电堆、辅燃料电池电堆的最大输出电流和功率，以及输出电压的稳定调节；所述电机用于驱动汽车行驶；所述蓄电池组用于存储电能；

所述压力变送元件用于监测液氢储罐内的压力，并将压力信号传递至控制系统模块；

所述控制系统模块用于监测压力变送元件传递的液氢储罐内压力信号，并对主燃料电池电堆、辅燃料电池电堆、电机的运行，以及蓄电池组的充放电进行控制：

在汽车行驶过程中，控制系统模块启动主燃料电池电堆进行运行工作，并控制辅燃料电池电堆停止工作，主燃料电池电堆用于产生电能提供给电机，电机驱动汽车行驶；汽车停放过程中，控制系统模块控制主燃料电池电堆停止工作，当监测到液氢储罐内的压力超过设定值后，控制辅燃料电池电堆进行运行工作。

控制系统模块的实现方式可采用硬件、软件或硬件与软件的结合。本领域技术人员可根据本发明所述功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能。由于这些内容并非本发明重点，故不再赘述。

作为进一步的改进，所述液氢燃料电池汽车动力系统还包括燃料电池辅助设备，并通过控制系统模块对燃料电池辅助设备的运行进行控制；燃料电池辅助设备包括空气压缩机、加湿器、散热器，用于保障主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆正常工作所需的氧气、水分以及温度环境。

作为进一步的改进，所述蓄电池组还与电机连接，用于向电机提供电能，保证液氢储罐内燃料挥发耗尽时汽车的行驶。

作为进一步的改进，所述蓄电池组设置有可供外部用电负荷的接口。

作为进一步的改进，所述辅燃料电池电堆的耗氢速度不低于液氢储罐中液氢的挥发速度。

本发明的工作原理：采用主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆相结合的方式，在汽车停放过程中，当液氢储罐内压力超过设定值后，功率相对较小的辅燃料电池电堆开始工作，将气化的氢气以合适的速率转化为电能，并储存在蓄电池组中，或由蓄电池组供给其他外部用电负荷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明不仅避免了氢气的间歇性泄放，消除了由于氢气泄放带来的安全隐患，而且使挥发的氢气得到充分利用，避免了能源的浪费，蓄电池组中储存的能量可供汽车行驶一定距离，避免了液氢燃料电池汽车长期停放后因燃料挥发耗尽而无法行驶的情况。另外，由于在汽车停放过程中，液氢储罐的自然氢气挥发量相对于汽车行驶过程中的氢气需求量而言少很多，所以如果采用功率较大的主燃料电池电堆对上述挥发氢气进行消耗，效率低、能耗大，得不偿失，采用功率相对较小的辅燃料电池电堆可较为合理地将自然挥发的氢气转化为电能。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统，包括液氢储罐、主燃料电池电堆、电气组件、电机、压力变送元件、辅燃料电池电堆、燃料电池辅助设备、蓄电池组和控制系统模块。所述液氢储罐用于存储作为汽车燃料的液氢，液氢储罐的燃料出口分别连接至主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆；且辅燃料电池电堆的耗氢速度不低于液氢储罐中液氢的挥发速度。

所述主燃料电池电堆经电气组件后分别与电机和蓄电池组连接，用于将主燃料电池电堆产生的电能经电气组件处理后输送至电机和蓄电池组。所述辅燃料电池电堆经电气组件后与蓄电池组连接，用于将辅燃料电池电堆产生的电能经电气组件处理后输送至蓄电池组。所述电气组件是DC/DC转换器，用于主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆的最大输出电流和功率的控制，以及输出电压的稳定调节。所述电机用于驱动汽车行驶。所述蓄电池组用于存储电能，并与电机连接，能向电机提供电能；蓄电池组还设置有可供外部用电负荷的接口，可作为应急电源使用。在液氢燃料电池汽车长时间停放过程中，必然不断有氢气转换为电能，因此蓄电池组内电量处于高位状态，即使液氢储罐内的燃料耗尽，汽车仍可以依靠蓄电池组内的电能行驶一定距离。

所述压力变送元件用于监测液氢储罐内的压力，并将压力信号传递至控制系统模块。

所述燃料电池辅助设备包括：空气压缩机、加湿器、散热器，上述设备分别用于保障燃料电池正常工作所需的氧气、水分以及温度环境。

所述控制系统模块用于液氢储罐内压力的监测，主燃料电池电堆、辅燃料电池电堆、燃料电池辅助设备、电机的运行控制，以及蓄电池组的充放电控制。

在汽车行驶过程中，主燃料电池电堆工作，辅燃料电池电堆不工作。在汽车停放过程中，主燃料电池电堆停止工作；由于传热作用的影响，液氢储罐内的液态氢气不断吸热挥发成气态氢，进而液氢储罐内的压力不断上升，当压力变送元件输出压力信号超过设定值后，控制系统模块控制辅燃料电池电堆开始工作，其以一定的速率将液氢储罐内的氢气转化为电能，并储存到蓄电池组中。辅燃料电池电堆的耗氢速度不低于液氢储罐内液氢的挥发速度，保证了液氢储罐内的压力不再继续攀升。

在可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统中，采用小功率、高效率的辅燃料电池电堆转化液氢储罐中气态氢的方式，避免了液氢储罐间歇性释放氢气带来的安全隐患和燃料浪费，同时由于蓄电池组的存在，不仅可以作为应急电源为外部用电负荷供电，而且使得液氢燃料电池汽车在长时间停放后依然可以依靠电能行驶一定距离。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统，包括液氢储罐、主燃料电池电堆、电气组件、电机，其特征在于，还包括压力变送元件、辅燃料电池电堆、蓄电池组和控制系统模块；所述液氢储罐用于存储作为汽车燃料的液氢，液氢储罐的燃料出口分别连接至主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆；

所述主燃料电池电堆经电气组件后分别与电机和蓄电池组连接，用于将主燃料电池电堆产生的电能经电气组件处理后输送至电机和蓄电池组；所述辅燃料电池电堆经电气组件后与蓄电池组连接，用于将辅燃料电池电堆产生的电能经电气组件处理后输送至蓄电池组；所述电气组件采用DC/DC转换器，用于控制主燃料电池电堆、辅燃料电池电堆的最大输出电流和功率，以及输出电压的稳定调节；所述电机用于驱动汽车行驶；所述蓄电池组用于存储电能；

所述压力变送元件用于监测液氢储罐内的压力，并将压力信号传递至控制系统模块；

所述控制系统模块用于监测压力变送元件传递的液氢储罐内压力信号，并对主燃料电池电堆、辅燃料电池电堆、电机的运行，以及蓄电池组的充放电进行控制：

在汽车行驶过程中，控制系统模块启动主燃料电池电堆进行运行工作，并控制辅燃料电池电堆停止工作，主燃料电池电堆用于产生电能提供给电机，电机驱动汽车行驶；汽车停放过程中，控制系统模块控制主燃料电池电堆停止工作，当监测到液氢储罐内的压力超过设定值后，控制辅燃料电池电堆进行运行工作。

2.根据权利要求1所述的液氢燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述液氢燃料电池汽车动力系统还包括燃料电池辅助设备，并通过控制系统模块对燃料电池辅助设备的运行进行控制；燃料电池辅助设备包括空气压缩机、加湿器、散热器，用于保障主燃料电池电堆和辅燃料电池电堆正常工作所需的氧气、水分以及温度环境。

3.根据权利要求1所述的液氢燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述蓄电池组还与电机连接，用于向电机提供电能，保证液氢储罐内燃料挥发耗尽时汽车的行驶。

4.根据权利要求1所述的液氢燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述蓄电池组设置有可供外部用电负荷的接口。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的液氢燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述辅燃料电池电堆的耗氢速度不低于液氢储罐中液氢的挥发速度。