CN107645003B - 燃料电池车用共轨喷氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池车用共轨喷氢系统，包括氢气源、工作管路、一体插装式气瓶组合阀、氢气加注口、加氢管路、单向阀、限流阀、一体插装式氢集气阀、二级减压阀、共轨喷射器及控制系统、燃料反应电池堆、过流阀、易流栓、排空管路、排空电池阀、排空口；氢气源依次通过工作管路与一体插装式气瓶组合阀、一体插装式氢集气阀、二级减压阀、共轨喷射器及控制系统相连；加氢管路通过充气管路、单向阀、限流阀。本发明可达到大流量时较好的响应性和小流量时较好的稳定性，且集成性较高的效果。

Description

燃料电池车用共轨喷氢系统

技术领域

本发明属于燃料电池的技术领域，特别涉及一种燃料电池车用共轨喷氢系统。

背景技术

现阶段新能源汽车主要包括有纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车三大类。燃料电池作为新一代燃料汽车动力源，已被世界各大国视为战略产品，各大汽车公司都在致力燃料电池的研究及应用。因氢燃料电池汽车具有零排放、加氢速度快和续航里程可观等优势，使用最为广泛。燃料电池在使用时需要外部提供氢气，当需要对氢气进行补给时，传统方法是更换储氢容器，但由于储氢容器较为笨重，给氢气补给带来诸多不便。因此，如何可以长时间高效的供应氢气是一个急需解决的问题。同时安全可靠的储存、传输以及系统的安全性成了氢燃料电池汽车至关重要的性能。

燃料电池中，氢气作为能力的载体，其稳定有效的供给与电堆的输出功率密切相关。常规的燃料电池，电堆阳极多采用二级减压阀减压后稳压定量多供应的方式为电堆提供足够的燃料。此方法虽能使燃料电池满足工作要求，但是在电堆低负荷区时，由于氢气供应过量，导致氢气浪费，有效利用率低；而高负荷时，由于氢气的需求量较大，将会出现氢气供应不足，并导致燃料饥饿，功率输出不足，严重影响燃料电池的工作性能。

因此，在设计燃料电池汽车的氢气工作管路以及喷氢系统时，要减少泄漏点，提升安全性，要保证各种情况下氢气的安全使用。同时，传统的储氢容器很难兼顾大流量时的响应性和小流量时的稳定性，且供氢压力不可调，稳压性能相对较差，体积相对较为庞大。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种使用安全，喷氢压力灵活可调节，氢气的供应量动态可调且保持压力稳定，达到大流量时较好的响应性和小流量时较好的稳定性，且集成性较高的燃料电池车用共轨喷氢系统。

燃料电池车用共轨喷氢系统，包括氢气源、工作管路、一体插装式气瓶组合阀、氢气加注口、加氢管路、单向阀、限流阀、一体插装式氢集气阀、二级减压阀、共轨喷射器及控制系统、燃料电池反应堆、过流阀、易流栓、排空管路、排空电池阀、排空口；氢气源依次通过工作管路与一体插装式气瓶组合阀、一体插装式氢集气阀、二级减压阀、共轨喷射器及控制系统相连；加氢管路通过充气管路、单向阀、限流阀、一体插装式气瓶组合阀、氢气源相连；氢气源依次通过排空管路与过流阀、易流栓、排空电池阀、排空口相连。

所述一体插装式气瓶组合阀包括依次连接的第一阻火器、第一过滤器、第一截止电磁阀、一级减压阀、第一氢瓶安全阀；第一阻火器同时与氢气源连通；一级减压阀同时与限流阀相连；第一氢瓶安全阀与排空管路相连。

所述第一阻火器与氢气源之间连通有压力传感器和温度传感器。

所述一体插装式氢集气阀包括依次连接的第二阻火器、第二过滤器、第二截止电磁阀、二级减压阀、第二氢瓶安全阀；其中第二阻火器同时与一级减压阀相连；第二氢瓶安全阀同时与排空管路相连。

所述第二阻火器与一级减压阀之间连通有压力传感器和温度传感器。

所述共轨喷射器及控制系统包括共轨管、稳压器、球阀、第三阻火器、喷射器闭环控制单元、一级压差传感器、一级温度传感器、二级压差传感器、二级温度传感器；共轨管、稳压器、球阀、第三阻火器依次相连，上述共轨器同时与插接头相连；上述喷射器闭环控制单元分别与共轨管、一级压差传感器、一级温度传感器、二级压差传感器、二级温度传感器相连；一级压差传感器、一级温度传感器分别布置在插接头与共轨器之间；二级压差传感器、二级温度传感器分别布置在第三阻火器与燃料电池反应堆之间。

本发明的有益效果是：系统中的一体插装式气瓶组合阀将第一阻火器、第一截止电磁阀、第一过滤器、第一氢瓶安全阀、一级减压阀、高压压力传感器以及温度传感器等集成嵌装到一起，减少了管路接头和泄漏点，缩短了高压管路长度，提升了整个系统的安全性。系统采用的一体插装式供氢集成阀主要包括第二阻火器、第二过滤器、二级减压阀、第二氢瓶安全阀、第二截止电磁阀以及第二压力传感器和温度传感器。将第二阻火器和第二过滤器的外壳直接加工在一体插装式供氢集成阀的阀体上，将二级减压阀和第二截止电磁阀设计成插装式并与第二氢瓶安全阀做成一体，插装在一体插装式供氢集成阀阀体上。一体插装式供氢集成阀高度集成，可有效减少管路的接头，缩短管路长度，减少泄漏点，提升了整个系统的安全性；同时，采用二级减压系统，可有效降低上游压力波动和管路对整个供氢系统的影响。系统采用的共轨喷射器及其控制系统，主要包括稳压器、供氢电磁阀组、共轨管、加氢管路、压力和温度传感器、快插接头、喷嘴和喷射器闭环控制单元。采用共轨喷氢技术和压差传感器闭环调节供氢电磁阀组的工作状态和喷嘴的喷氢量，可实现氢气供应量的动态可调且保持压力稳定，解决常规喷氢系统低需求供应过量，高需求供给不足的弊端，有效提高氢气的利用率，延长燃料电池寿命。系统中的一级减压阀和二级减压阀是通过出口侧的气压与弹簧预紧力的平衡控制出口压力，通过旋钮灵活调节弹簧预紧力，从而调节出口压力，进而实现减压的目的。系统中的供氢电磁阀组，通电时动铁芯吸合，打开泄压孔，主阀芯上部压力降低，阀门打开；断电后动铁芯下落，关闭泄压孔，主阀芯上表面形成压力加上主阀芯自重，导致主阀芯下落，阀门关闭。系统中的喷射器由多个并行的喷嘴、稳压器、共轨管和供氢电磁阀组组成。采用电流驱动，系统通过调节多个并行的喷嘴的开启时间和频次以调节供氢量，同时在喷嘴下端采用共轨式汇流装置，保证出口氢气低压波动的动态可调。系统中的压力释放模块，主要包括易熔栓和过流阀，其一端连接氢气源和气瓶组合阀间的工作管路，另一端连接排空口，在高温情况下熔断对氢气源放气。系统中的限流阀和过流阀会在管路流量过大时如管道破裂自动关断氢管路。系统中的球阀在长时间停车时用于阻断工作管路。系统所述的加氢管路由氢气加注口经单向阀、限流阀、一体插装式气瓶组合阀、手动瓶阀至氢气源。氢气加注口和单向阀间装有高压压力表，停机充氢时监测外部氢气压力。本发明采用二级减压技术，有效降低了上游压力波动和管路对整个供氢系统的影响；采用高度集成的一体插装式气瓶组合阀和供氢集成阀，减少了管路接头和泄漏点，缩短了管路长度，提升了整个系统的安全性；采用了共轨喷氢技术和压差传感器闭环调节供氢电磁阀组的工作状态和喷嘴的喷氢量，实现了氢气供应动态可调且保持压力稳定，解决了常规喷氢系统低需求供应过量，高需求供给不足的弊端，提高了氢气的利用率，延长了燃料电池寿命。

附图说明

图1是为本发明燃料电池车用共轨喷氢系统连接示意图。

图中1.氢气源、2.手动瓶阀、3.第一压力传感器、4.第一阻火器、5.第一过滤器、6.第一截止电磁阀、7.一级减压阀、8.限流阀、9.单向阀、10.第二压力传感器、11.高压压力表、12.氢气加注口、13.二级减压阀、14.插接头、15.一级压差传感器、16.温度传感器、17.供氢电磁阀组、18.共轨管、19.喷射器闭环控制单元、20.喷嘴、21. 加氢管路、22.二级压差传感器、23.共轨喷射器及控制系统、24.过流阀、25.易熔栓、27.一体插装式气瓶组合阀、28.第一氢瓶安全阀、30.第二阻火器、31一体插装式供氢集成阀、32.第二过滤器、33.第二截止电磁阀、34.第二氢瓶安全阀、35.排空管路、36.排空电磁阀、37排空口、38.稳压器、39.燃料电池反应堆、40.球阀、41.第三阻火器。

具体实施方式

请参考图1，图中的一种先进的燃料电池车用共轨喷氢系统，包括氢气源1、手动瓶阀2、单向阀9、限流阀8、一体插装式气瓶组合阀27、加氢管路21、工作管路、多个压力传感器和温度传感器16、一体插装式供氢集成阀31、氢气加注口12、高压压力表11、排空电磁阀36、排空管路35、排空口37、共轨喷射器及控制系统23、快插接头和燃料电池反应堆39。工作管路一端连接氢气源1，另一端依次连接手动瓶阀2、一体插装式气瓶组合阀27、一体插装式供氢集成阀31、共轨喷射器及控制系统23至燃料电池反应堆。加氢管路21一端连接氢气加注口12，另一端依次连接单向阀9、限流阀8、一体插装式气瓶组合阀27、手动瓶阀2至氢气源1。共轨喷射器由多个并行的喷嘴20、稳压器38、共轨管18和供氢电磁阀组17组成。氢气源1进、出口处均设有压力传感器和温度传感器16，稳压器38与燃料电池反应堆39间的工作管路上设有快插接头、球阀40和第三阻火器41。

一体插装式气瓶组合阀27包括第一阻火器4、第一截止电磁阀6、第一过滤器5、第一氢瓶安全阀28、一级减压阀7、第一压力传感器3以及温度传感器等。系统中的一体插装式气瓶组合阀27将第一阻火器4、第一截止电磁阀6、第一过滤器5、第一氢瓶安全阀28、一级减压阀7、第一压力传感器3以及温度传感器等集成到一起，减少了管路接头和泄漏点，缩短了高压管路长度，提升了安全性。一级减压阀7也称为高压减压阀，第一压力传感器3也称为高压压力传感器。

压力释放模块包括易熔栓25、过流阀24、排空管路35、排空电磁阀36和排空口37，过流阀24一端连接氢气源1和一体插装式气瓶组合阀27间的工作管路，另一端依次连接易熔栓25、排空管路35、排空电磁阀36和排空口37，在高温情况下熔断对氢气源1放气。

一体插装式供氢集成阀31主要包括第二阻火器30、第二过滤器32、二级减压阀13、第二氢瓶安全阀34、第二截止电磁阀33以及第二压力传感器10和温度传感器，第二压力传感器10也称为中压压力传感器。将第二阻火器30和第二过滤器32的外壳直接加工在一体插装式供氢集成阀31的阀体上，将二级减压阀13和第二截止电磁阀33设计成插装式并与第二氢瓶安全阀34做成一体，插装在一体插装式供氢集成阀31阀体上。一体插装式供氢集成阀31高度集成，可有效减少管路的接头，缩短管路长度，减少泄漏点，提升了整个系统的安全性；同时，采用二级减压技术，可有效降低上游压力波动和管路对整个供氢系统的影响。

共轨喷射器及控制系统23，主要包括稳压器38、供氢电磁阀组17、共轨管18、加氢管路21、二级压差传感器22和温度传感器16、快插接头、喷嘴20和喷射器闭环控制单元19。高压氢气源1内的氢气压力可达35MPa以上，甚至70MPa；供氢电磁阀组17用来控制输送到电堆的氢气量，系统收到供氢命令，供氢电磁阀组17打开，储氢系统开始向电堆供氢；否则，供氢电磁阀组17关闭，停止向电堆供氢；二级压差传感器22主要用于测量喷射器入口和出口的氢气压力，并将信号值传至控制系统。喷射器由多个并行的喷嘴20组成，喷嘴采用的是电流驱动，系统通过调节多个喷嘴的开启时间和频次来调节供氢量；在喷嘴下方采用共轨式汇流装置，以保证出口氢气在低压波动的动态可调；电控单元作为整个喷射器的控制器，通过采集二级压差传感器22信号，判断当前系统工况并通过控制喷射器多个氢气喷嘴开启时间和频次来控制氢气的供应量；通过喷射器入口和出口压力传感器判断控制效果，并对控制进行修正，形成闭环控制，最终达到氢气供应动态可调且压力稳定的目的。采用共轨喷氢技术和压差传感器闭环调节供氢电磁阀组的工作状态和喷嘴的喷氢量，可实现氢气供应量的动态可调且保持压力稳定，解决常规喷氢系统低需求供应过量，高需求供给不足的弊端，有效提高氢气的利用率，延长燃料电池寿命。

工作管路由一体插装式气瓶组合阀27至燃料电池反应堆39，负责为燃料电池提供适压氢气。氢气源1内氢气通过手动瓶阀2、一体插装式气瓶组合阀27即第一阻火器4、第一截止电磁阀6、第一过滤器5、第一氢瓶安全阀28、一级减压阀7、高压压力传感器3以及温度传感器，后依次通过一体插装式供氢集成阀31即第二阻火器30、第二过滤器32、二级减压阀13、第二氢瓶安全阀34、第二截止电磁阀33以及第二压力传感器10和温度传感器、共轨喷射器及控制系统23即稳压器38、供氢电磁阀组17、共轨管18、加氢管路、压力和温度传感器、快插接头、喷嘴20和喷射器闭环控制单元19、球阀40以及第三阻火器41到达燃料电池反应堆39；球阀40在长时间停车时用于阻断工作管路；第三阻火器41可防止外部火灾时火焰通过管路传回氢气瓶。

加氢管路21用于充装氢气，由氢气加注口12经单向阀9、限流阀8、一体插装式气瓶组合阀27、手动瓶阀2至氢气源1。氢气充装时高压氢气由氢气加注口12进入，因加氢时汽车将断电，无法应用压力传感器，通过高压压力表11实时显示氢气源1的压力以免过充；单向阀9防止停止充气后氢气外泄；限流阀8和过流阀24会在管路流量过大时如管道破裂自动关断氢管路。

系统采用的一级减压阀7和二级减压阀13是通过出口侧的气压与弹簧预紧力的平衡控制出口压力，通过旋钮灵活调节弹簧预紧力，从而调节出口压力，进而实现减压的目的。

系统采用的供氢电磁阀组17通电时动铁芯吸合，打开泄压孔，主阀芯上部压力降低，阀门打开；断电后动铁芯下落，关闭泄压孔，主阀芯上表面形成压力加上主阀芯自重，导致主阀芯下落，阀门关闭。

喷射器由多个并行的喷嘴20、稳压器38、共轨管18和供氢电磁阀组17组成。采用的是电流驱动，系统通过调节多个并行的喷嘴的开启时间和频次以调节供氢量，同时在喷嘴的下端采用共轨式汇流装置，以保证出口氢气低压波动动态可调。

本发明采用二级减压技术，有效降低了上游压力波动和管路对整个供氢系统的影响；采用一体插装式气瓶组合阀和供氢集成阀，减少了管路接头和泄漏点，缩短了管路长度，提升了整个系统的安全性；采用共轨喷氢技术和压差传感器闭环调节供氢电磁阀组的工作状态和喷嘴的喷氢量，实现了氢气供应动态可调且保持压力稳定，解决了常规喷氢系统低需求供应过量，高需求供给不足的弊端，提高了氢气的利用率，延长了燃料电池寿命。

应当指出，以上实施例仅是本发明的代表性例子。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。本发明还可以有许多变形。凡是依据本发明的实质进行的修改和修饰等，均应认为属于本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.燃料电池车用共轨喷氢系统，其特征在于：包括氢气源、工作管路、一体插装式气瓶组合阀、氢气加注口、加氢管路、单向阀、限流阀、一体插装式供氢集成阀、二级减压阀、共轨喷射器及控制系统、燃料电池反应堆、过流阀、易熔栓、排空管路、排空电磁阀、排空口；氢气源依次通过工作管路与一体插装式气瓶组合阀、一体插装式供氢集成阀、二级减压阀、共轨喷射器及控制系统相连；加氢管路通过充气管路、单向阀、限流阀、一体插装式气瓶组合阀、氢气源相连；氢气源依次通过排空管路与过流阀、易熔栓、排空电磁阀、排空口相连;所述一体插装式气瓶组合阀包括依次连接的第一阻火器、第一过滤器、第一截止电磁阀、一级减压阀、第一氢瓶安全阀；第一阻火器同时与氢气源连通；一级减压阀同时与限流阀相连；第一氢瓶安全阀与排空管路相连;所述一体插装式供氢集成阀包括依次连接的第二阻火器、第二过滤器、第二截止电磁阀、二级减压阀、第二氢瓶安全阀；其中第二阻火器同时与一级减压阀相连；第二氢瓶安全阀同时与排空管路相连;所述共轨喷射器及控制系统包括共轨管、稳压器、球阀、第三阻火器、喷射器闭环控制单元、一级压差传感器、一级温度传感器、二级压差传感器、二级温度传感器；共轨管、稳压器、球阀、第三阻火器依次相连，上述共轨管同时与插接头相连；上述喷射器闭环控制单元分别与共轨管、一级压差传感器、一级温度传感器、二级压差传感器、二级温度传感器相连；一级压差传感器、一级温度传感器分别布置在插接头与共轨管之间；二级压差传感器、二级温度传感器分别布置在第三阻火器与燃料电池反应堆之间；

所述第一阻火器与氢气源之间连通有压力传感器和温度传感器；

所述第二阻火器与一级减压阀之间连通有压力传感器和温度传感器。