CN109167086B - 车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法 - Google Patents

车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法，包括依次通过管道连接成回路的液态储氢材料箱、车载放氢器、循环泵；车载放氢器包括依次通过管道连接的计量泵、催化装置、气液分离器；催化装置、气液分离器的底部均通过管道与循环泵连接；气液分离器的顶部通过管道与氢气出口连通；液态储氢材料箱通过管道与计量泵连接；液态储氢材料箱内设置有氢浓度传感器。本发明能耗小、氢利用率高。

Description

车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法
技术领域
本发明属于车载液态有机储氢供氢技术领域，具体涉及一种车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法。
背景技术
与传统的加压气态储氢、低温液化储氢、金属合金储氢等储氢手段相比，有机液态储氢有以下优点：(1)催化过程可逆，储氢密度高；(2)氢载体储存、运输和维护安全方便，储存设备简单，尤其适合长距离氢能运送；(3)储氢效率高；(4)氢气以化学的方式被加到储氢载体之后会形成在常温常压下稳定存在的氢化物液体，这种液体与石油类似，原则上可同汽油一样在常温常压下被安全的储存和运输，具有直接利用现有汽油/柴油输送方式和加油站等能源基础设施的优势。
目前已有的液态有机储氢供氢系统，加热与催化都在液态储氢罐里完成，需要对储氢罐里的储氢有机材料整体加热，并且维持高温，能耗较大。而且氢气释放有一个先快后慢的过程，随着储氢罐里的储氢有机材料含氢量随着氢气的释放不断降低，含氢量越来越低，氢气释放量也跟随越来越慢，不适合车载使用。汽车工况复杂突变，必须根据工况维持燃料电池发电功率，即必须维持氢气的释放量。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法，解决了现有技术中存在的液态有机储氢供氢系统能耗大、氢利用率低的问题。
本发明所采用的技术方案是，车载液态有机储氢供氢系统，包括依次通过管道连接成回路的液态储氢材料箱、车载放氢器、循环泵；
车载放氢器包括依次通过管道连接的计量泵、催化装置、气液分离器；催化装置、气液分离器的底部均通过管道与循环泵连接；气液分离器的顶部通过管道与氢气出口连通；液态储氢材料箱通过管道与计量泵连接；液态储氢材料箱内设置有氢浓度传感器。
本发明的特点还在于：
计量泵至催化装置的管道设置有流量传感器及压力传感器；催化装置内设置有温度传感器及加热装置；气液分离器顶部至氢气出口的管道依次设置有氢气压力传感器及氢气阀门；气液分离器内设置有尾液液位传感器；气液分离器底部与循环泵连接的管道设置有尾液阀门。
浓度传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器、尾液液位传感器、氢气压力传感器均与控制器连接；控制器分别与计量泵、加热装置、尾液阀门、氢气阀门、循环泵连接。
催化装置为催化床。
催化床内部为多层网状结构。
催化床外部与内部均采用良导热性且高绝缘性的材料。
车载液态有机储氢供氢系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤a，控制器通过CAN接口接收来自动力总成CAN总线上燃料电池发电负荷需求信息并将其转化为供氢量信息；
步骤b，控制器接收来自氢浓度传感器的氢浓度信号C、流量传感器的流量信号F、压力传感器的压力信号P1、温度传感器的温度信号T、氢气压力传感器的氢气压力信号P2；
步骤c，控制器运用多目标优化算法对步骤a、步骤b的信号进行多目标优化；
步骤d，控制器输出转速控制信号Uf1至计量泵调节其转速、温度控制信号Ut至催化装置调节其催化温度、控制信号Uv1至氢气阀门控制其关闭或开启、控制信号Uv2至尾液阀门控制其关闭或开启、转速控制信号Uf2至循环泵调节其转速。
计量泵的控制流程为：燃料电池发电负荷需求增加，计量泵流量增加，以量大补足氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，计量泵流量减小，以量小减少氢气的释放。
催化装置的控制流程为：燃料电池发电负荷需求增加，加热装置加热催化装置，从而促进催化反应，加速氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，加热装置降低加热温度，从而减慢催化反应，减少氢气的释放。
气液分离器的控制流程为：当氢气压力达到阈值，氢气阀门打开，氢气从气液分离器顶部释放；当尾液液位达到阈值，尾液阀门开启，尾液从气液分离器底部回流至液态储氢材料箱。
本发明的有益效果是：
(1)液态有机储氢材料释氢先快后慢，本发明的循环系统通过液态有机储氢材料的含氢量控制释氢速度，因此，在复杂的工况下仍可维持燃料电池的需氢量。
(2)液态有机储氢材料的催化加热只在催化装置进行，而不是对所有的液态有机储氢材料同时整体加热，因此，节约能耗的同时提高了效率。
(3)本发明中的气液分离器采用精确的压力控制、液位控制及时间控制，减少了氢气串回至液态储氢材料箱的情形。
附图说明
图1是本发明车载液态有机储氢供氢系统的结构示意图；
图2是本发明车载液态有机储氢供氢系统中控制器信号接口图；
图3是本发明车载液态有机储氢供氢系统中计量泵的控制流程图；
图4是本发明车载液态有机储氢供氢系统中催化装置的控制流程图；
图5是本发明车载液态有机储氢供氢系统中气液分离器的控制流程图。
图中，1.液态储氢材料箱，2.车载放氢器，3.循环泵，4.计量泵，5.催化装置，6.气液分离器，7.尾液阀门，8.氢气阀门，9.氢浓度传感器，10.流量传感器，11.压力传感器，12.温度传感器，13.尾液液位传感器，14.氢气压力传感器，15.加热装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明车载液态有机储氢供氢系统，包括依次通过管道连接成回路的液态储氢材料箱1、车载放氢器2、循环泵3；
车载放氢器2包括依次通过管道连接的计量泵4、催化装置5、气液分离器6；催化装置5、气液分离器6的底部均通过管道与循环泵3连接；气液分离器6的顶部通过管道与氢气出口连通；液态储氢材料箱1通过管道与计量泵4连接；液态储氢材料箱1内设置有氢浓度传感器9。
进一步的：
计量泵4至催化装置5的管道设置有流量传感器10及压力传感器11；催化装置5内设置有温度传感器12及加热装置15；气液分离器6顶部至氢气出口的管道依次设置有氢气压力传感器14及氢气阀门8；气液分离器6内设置有尾液液位传感器13；气液分离器6底部与循环泵3连接的管道设置有尾液阀门7。
进一步的：
浓度传感器9、流量传感器10、压力传感器11、温度传感器12、尾液液位传感器13、氢气压力传感器14均与控制器连接；控制器分别与计量泵4、加热装置15、尾液阀门7、氢气阀门8、循环泵3连接。
进一步的：
催化装置5为催化床。
进一步的：
催化床内部为多层网状结构。
进一步的：
催化床外部与内部均采用良导热性且高绝缘性的材料。
进一步的：
车载液态有机储氢供氢系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤a，控制器通过CAN接口接收来自动力总成CAN总线上燃料电池发电负荷需求信息并将其转化为供氢量信息；
步骤b，控制器接收来自氢浓度传感器的氢浓度信号C、流量传感器的流量信号F、压力传感器的压力信号P1、温度传感器的温度信号T、氢气压力传感器的氢气压力信号P2；
步骤c，控制器运用多目标优化算法对步骤a、步骤b的信号进行多目标优化；
步骤d，控制器输出转速控制信号Uf1至计量泵调节其转速、温度控制信号Ut至催化装置调节其催化温度、控制信号Uv1至氢气阀门控制其关闭或开启、控制信号Uv2至尾液阀门控制其关闭或开启、转速控制信号Uf2至循环泵调节其转速。
进一步的：
计量泵的控制流程为：燃料电池发电负荷需求增加，计量泵流量增加，以量大补足氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，计量泵流量减小，以量小减少氢气的释放。
进一步的：
催化装置的控制流程为：燃料电池发电负荷需求增加，加热装置加热催化装置，从而促进催化反应，加速氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，加热装置降低加热温度，从而减慢催化反应，减少氢气的释放。
进一步的：
气液分离器的控制流程为：当氢气压力达到阈值，氢气阀门打开，氢气从气液分离器顶部释放；当尾液液位达到阈值，尾液阀门开启，尾液从气液分离器底部回流至液态储氢材料箱。
本发明车载液态有机储氢供氢系统的优选方案为：
如图1所示，包括依次通过LOHC管道连接成回路的液态储氢材料箱1、计量泵4、流量传感器10、压力传感器11、催化装置5、气液分离器6；催化装置5的底部通过LOHC管道与循环泵3连接；气液分离器6的底部通过设置有尾液阀门7的LOHC管道与循环泵3连接；气液分离器6的顶部通过设置有氢气阀门8的管道与氢气出口连通。其中，催化装置5为催化床，催化床内部为多层网状结构，且催化床外部与内部均采用良导热性且高绝缘性的材料。催化床外外部设置有加热装置15；液态储氢材料箱1内设置有氢浓度传感器9；催化床内部设置有温度传感器12；气液分离器6内设置有尾液液位传感器13；气液分离器6顶部到氢气阀门8的管道设置有氢气压力传感器14。
如图2所示，氢浓度传感器9、流量传感器10、压力传感器11、温度传感器12、尾液液位传感器13、氢气压力传感器14均通过导线与控制器连接；控制器通过导线分别与计量泵4、加热装置15、尾液阀门7、氢气阀门8、循环泵3连接。
本发明车载液态有机储氢供氢系统的工作过程为：计量泵将液态有机储氢材料从液态储氢材料箱抽出，经过流量传感器、压力传感器后注入到催化床，生成的氢气经过管道进入气液分离器，氢气从气液分离器的顶部释放供燃料电池使用；尾液从气液分离器底部回流至液态储氢材料箱；反应完的液态有机储氢材料从催化床底部回流至液态储氢材料箱。
本发明车载液态有机储氢供氢系统的控制方法为：
步骤a，控制器通过CAN接口接收来自动力总成CAN总线上燃料电池发电负荷需求信息并将其转化为供氢量信息；
步骤b，控制器接收来自氢浓度传感器的氢浓度信号C、流量传感器的流量信号F、压力传感器的压力信号P1、温度传感器的温度信号T、氢气压力传感器的氢气压力信号P2；
步骤c，控制器运用多目标优化算法对步骤a、步骤b的信号进行多目标优化；
步骤d，控制器输出转速控制信号Uf1至计量泵调节其转速、温度控制信号Ut至催化装置调节其催化温度、控制信号Uv1至氢气阀门控制其关闭或开启、控制信号Uv2至尾液阀门控制其关闭或开启、转速控制信号Uf2至循环泵调节其转速。
其中，计量泵的控制流程如图3所示，燃料电池发电负荷需求增加，计量泵流量增加，以量大补足氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，计量泵流量减小，以量小减少氢气的释放。
催化装置的控制流程如图4所示，燃料电池发电负荷需求增加，加热装置加热催化装置，从而促进催化反应，加速氢气的释放。燃料电池发电负荷需求减小，加热装置降低加热温度，从而减慢催化反应，减少氢气的释放。
气液分离器的控制流程如图5所示，当氢气压力达到阈值，打开氢气阀门，氢气从气液分离器顶部释放；当尾液液位达到阈值，开启尾液阀门，尾液从气液分离器底部回流至液态储氢材料箱；其中，尾液阀门开启时间采取高精度时间控制，可避免氢气串流随尾液一起释放掉。
本发明车载液态有机储氢供氢系统及其控制方法的优点为：
(1)本发明车载液态有机储氢供氢系统，采用车载放氢器来释放氢气，而不是从传统的储氢罐里释放氢气。液态有机储氢材料在车载放氢器中的催化床上释放氢气，根据储氢材料箱的氢含量浓度调节液态有机储氢材料参与反应的量及催化温度。因加热是局部加热，只对参与反应且需要释放氢气的储氢材料加热，所以，能耗大大降低。未释放完氢气的液态有机储氢材料通过循环泵返回至储氢材料箱，提成了储氢材料的利用率及效率。
(2)传统的气液分离器不对尾液进行精确控制。本发明的气液分离器采用氢气压力、尾液液位来触发尾液的排放控制，当氢气达到一定压力，尾液积累一定量的时候，打开尾液阀门，向下释放尾液，尾液阀门采用高精度控制，避免氢气从气液分离器底部连接的管道释放掉。
(3)液态有机储氢材料释氢先快后慢，本发明的循环系统通过液态有机储氢材料的含氢量控制释氢速度，因此，在复杂的工况下仍可维持燃料电池的需氢量。
(4)液态有机储氢材料的催化加热只在催化装置进行，而不是对所有的液态有机储氢材料同时整体加热，因此，节约能耗的同时提高了效率。
(5)本发明中的气液分离器采用精确的压力控制、液位控制及时间控制，减少了氢气串回至液态储氢材料箱的情形。

Claims (4)

1.车载液态有机储氢供氢系统的控制方法，其特征在于，包括依次通过管道连接成回路的液态储氢材料箱（1）、车载放氢器（2）、循环泵（3）；
所述车载放氢器（2）包括依次通过管道连接的计量泵（4）、催化装置（5）、气液分离器（6）；催化装置（5）、气液分离器（6）的底部均通过管道与循环泵（3）连接；气液分离器（6）的顶部通过管道与氢气出口连通；所述液态储氢材料箱（1）通过管道与计量泵（4）连接；液态储氢材料箱（1）内设置有氢浓度传感器（9）；
所述计量泵（4）至催化装置（5）之间设置有流量传感器（10）及压力传感器（11）；催化装置（5）内设置有温度传感器（12）及加热装置（15）；气液分离器（6）顶部至氢气出口的管道依次设置有氢气压力传感器（14）及氢气阀门（8）；气液分离器（6）内设置有尾液液位传感器（13）；气液分离器（6）底部与循环泵（3）连接的管道设置有尾液阀门（7）；
所述氢浓度传感器（9）、流量传感器（10）、压力传感器（11）、温度传感器（12）、尾液液位传感器（13）、氢气压力传感器（14）均与控制器连接；控制器分别与计量泵（4）、加热装置（15）、尾液阀门（7）、氢气阀门（8）、循环泵（3）连接；
所述催化装置（5）为催化床；
所述催化床内部为多层网状结构；
所述催化床外部与内部均采用导热且绝缘的材料；
具体按照以下步骤实施：
步骤a，控制器通过CAN接口接收来自动力总成CAN总线上燃料电池发电负荷需求信息并将其转化为供氢量信息；
步骤b，控制器接收来自氢浓度传感器的氢浓度信号C、流量传感器的流量信号F、压力传感器的压力信号P1、温度传感器的温度信号T、氢气压力传感器的氢气压力信号P2；
步骤c，控制器运用多目标优化算法对步骤a、步骤b的信号进行多目标优化；
步骤d，控制器输出转速控制信号Uf1至计量泵调节其转速、温度控制信号Ut至催化装置调节其催化温度、控制信号Uv1至氢气阀门控制其关闭或开启、控制信号Uv2至尾液阀门控制其关闭或开启、转速控制信号Uf2至循环泵调节其转速。
2.如权利要求1所述的车载液态有机储氢供氢系统的控制方法，其特征在于，所述计量泵的控制流程为：燃料电池发电负荷需求增加，计量泵流量增加，以量大补足氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，计量泵流量减小，以量小减少氢气的释放。
3.如权利要求2所述的车载液态有机储氢供氢系统的控制方法，其特征在于，所述催化装置的控制流程为：燃料电池发电负荷需求增加，加热装置加热催化装置，从而促进催化反应，加速氢气的释放；燃料电池发电负荷需求减小，加热装置降低加热温度，从而减慢催化反应，减少氢气的释放。
4.如权利要求3所述的车载液态有机储氢供氢系统的控制方法，其特征在于，所述气液分离器的控制流程为：当氢气压力达到阈值，氢气阀门打开，氢气从气液分离器顶部释放；当尾液液位达到阈值，尾液阀门开启，尾液从气液分离器底部回流至液态储氢材料箱。
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