CN109860671B - 一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统及其控制方法 - Google Patents

一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统及其控制方法，针对燃料电池车在密闭空间排放氢气导致的安全隐患，本发明通过改进氢气的存储和供给装置，并利用测距传感器检测车辆是否处于密闭空间，当车辆处于密闭空间并需要排出剩余氢气时控制氢气排放到固体储氢单元中，当车辆处于开放空间时，再将存储于固体储氢单元中的氢气排出，保证了燃料电池车在密闭空间内的安全。

Description

一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统及其控制 方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统。
背景技术
燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。其中质子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池的首选。燃料电池工作方式与内燃机类似的，其燃料是在电池外携带的，燃料电池所用的氢气可以像传统汽油一样充装速度快，只需要几分钟时间，显示出比纯电动汽车较大的优势。燃料电池汽车在加氢、续驶里程等特性方面与传统车具有一定的相似性。
为保证燃料电池运行性能稳定，燃料电池系统的氢气供应必须保证燃料氢气均匀、充足、稳定地供给电池组的每个单电池。为了提高氢气的利用率，电堆运行过程中，电堆出气口排出的氢气都会在氢气循环泵的作用下再次循环到进气口再次被利用，然而随着氢气循环利用次数的增多，氢气中水分以及氮气的含量都会逐步增多，这将导致电堆性能的降低。因此，氢气排气口需要每隔一定时间开启，通过氢气高速流出带走阳极侧的水分以及杂质气体。在开阔的地方，氢气由于密度最小，排出的氢气可以迅速扩散出去并被外界的空气所稀释，然而对于密闭的车库或是地下停车场，排出的氢气很容易在顶棚处聚集，氢气的爆炸极限为4%~76%，一旦遇到明火或静电就会发生燃烧甚至爆炸。因此，妥善的处理燃料电池车排出的氢气尾气有利于燃料电池汽车的安全使用和发展。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，提高氢燃料电池车在使用过程中的安全性。
本发明所采用的技术方案具体如下
一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，主要包括：燃料电池堆1、储氢罐2、固体储氢单元3、氢循环泵4、水汽分离器5、电磁阀Ⅰ6、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅲ19、角阀8、减压阀9、单向阀Ⅰ10、单向阀Ⅱ11、车载电脑16，隔膜泵17和测距传感器18，
燃料电池堆1上分别设有氢气进气口12、氢气出气口13、空气进气口14和空气出气口15，储氢罐2通过管路依次连接角阀8、减压阀9、单向阀Ⅰ10和氢气进气口12，单向阀Ⅰ10只允许氢气进气方向流通，氢气出气口13通过管路依次连接水汽分离器5、单向阀Ⅱ11、电磁阀Ⅱ7、隔膜泵17、固体储氢单元3和电磁阀Ⅲ19，单向阀Ⅱ11只允许氢气出气方向流通，电磁阀Ⅲ19连接外排管路；
单向阀Ⅱ11和电磁阀Ⅱ7之间的管路上连接循环支路，循环支路上设有氢循环泵4和电磁阀Ⅰ6，循环支路另一端连接在减压阀9和单向阀Ⅰ10之间；
测距传感器18安装于车辆顶棚，其发出信号竖直向上，测距传感器18的工作频率为1~1000Hz，用于测量车辆上方物体的距离；
固体储氢单元3主要由储氢单元壳体3-1、加热棒3-2和储氢芯体3-3组成，加热棒3-2安装在储氢芯体3-3中心设置的通孔中，储氢单元壳体3-1包裹在储氢芯体3-3的外侧。
车载电脑16与氢循环泵4、电磁阀Ⅰ6、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅲ19、隔膜泵17，以及固体储氢单元3中的加热棒3-2控制连接，从测距传感器18获取车辆上方物体的距离信号。
该系统的控制方法具体如下：
在车辆启动后，测距传感器18将距离讯号传递给车载电脑16，根据车辆上方物体的距离进行控制：
当车辆上方物体为0~100m时，则认为此时车辆处于密闭空间，当在电堆累积工作10~120min的氢气需要排出时，在车载电脑16的控制下氢循环泵4和电磁阀Ⅰ6停止工作，电磁阀Ⅱ7开启，隔膜泵17开始工作，电磁阀Ⅲ19处于关闭状态；从电堆排出的氢气经过水汽分离器5时会将氢气中的水分过滤干净，并在隔膜泵17的作用下使氢气加压到2~3bar，加压后的氢气进入固体储氢单元3中，进而氢气被存储于固体储氢芯体3-3中。
车辆上方物体的距离为∞时，则认为此时车辆处于开阔空间，且当电堆内循环的氢气不需要排出时，电磁阀Ⅰ6与氢循环泵4工作，电磁阀Ⅱ7与隔膜泵17不工作，电磁阀Ⅲ19开启，固体储氢单元3中的加热棒3-2开始加热，固体储氢单元3中的固体储氢芯体3-3受热后将氢气释放，并排向外界大气，这样就实现了固体储氢单元的再生。
车辆上方物体的距离为∞时，则认为此时车辆处于开阔空间，且当电堆累积工作10~120min的氢气需要排出时，电磁阀Ⅰ6与氢循环泵4停止工作，电磁阀Ⅱ7开启，隔膜泵17不工作，电磁阀Ⅲ19开启，固体储氢单元3中的加热棒3-2开始加热，固体储氢单元3中的固体储氢芯体3-3受热后将氢气释放，同时与电堆排出的氢气一并排向外界大气。
所述的固体储氢单元主要有壳体、固体储氢芯体以及加热棒三部分组成，固体储氢芯体为储氢合金。储氢合金可以为稀土类化合物LaNi5、钛系化合物TiFe、镁系化合物Mg2Ni以及钒、铌、镐等金属合金，可以是其中一种或是其中两种或两种以上的组合物。固体储氢单元的体积根据实际需求，体积为1~20L。
所述的测距传感器，可以安置一个，也可均布两个或三个或四个或五个。可以是超声波测距传感器或是红外测距传感器或是激光测距传感器。
所述的加热棒，可以是电阻式或是PTC陶瓷式，功率为200~600W。
所述的储氢罐、氢循环泵、水汽分离器、电磁阀、角阀、减压阀、单向阀等均能满足燃料电池系统安全使用需求。
本发明的有益效果：
提供一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统和控制方法，能够准确判断出车辆是否处于密闭状态，保证在其处于密闭状态下氢气不会排出，并由固体储氢单元对氢气进行存储，提高氢燃料电池车在使用过程中的安全性。
附图说明
图1 减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气系统示意图。
图2 固体储氢单元示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
实施例
一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，主要包括：燃料电池堆1、储氢罐2、固体储氢单元3、氢循环泵4、水汽分离器5、电磁阀Ⅰ6、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅲ19、角阀8、减压阀9、单向阀Ⅰ10、单向阀Ⅱ11、车载电脑16，隔膜泵17和测距传感器18，
燃料电池堆1上分别设有氢气进气口12、氢气出气口13、空气进气口14和空气出气口15，储氢罐2通过管路依次连接角阀8、减压阀9、单向阀Ⅰ10和氢气进气口12，单向阀Ⅰ10只允许氢气进气方向流通，氢气出气口13通过管路依次连接水汽分离器5、单向阀Ⅱ11、电磁阀Ⅱ7、隔膜泵17、固体储氢单元3和电磁阀Ⅲ19，单向阀Ⅱ11只允许氢气出气方向流通，电磁阀Ⅲ19连接外排管路；
单向阀Ⅱ11和电磁阀Ⅱ7之间的管路上连接循环支路，循环支路上设有氢循环泵4和电磁阀Ⅰ6，循环支路另一端连接在减压阀9和单向阀Ⅰ10之间；
测距传感器18安装于车辆顶棚，其发出信号竖直向上，测距传感器18的工作频率为1~1000Hz，用于测量车辆上方物体的距离；
固体储氢单元3主要由储氢单元壳体3-1、加热棒3-2和储氢芯体3-3组成，加热棒3-2安装在储氢芯体3-3中心设置的通孔中，储氢单元壳体3-1包裹在储氢芯体3-3的外侧。
车载电脑16与氢循环泵4、电磁阀Ⅰ6、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅲ19、隔膜泵17，以及固体储氢单元3中的加热棒3-2控制连接，从测距传感器18获取车辆上方物体的距离信号。
该系统的控制方法具体如下：
在车辆启动后，测距传感器18将距离讯号传递给车载电脑16，根据车辆上方物体的距离进行控制：
当车辆上方物体为0~100m时，则认为此时车辆处于密闭空间，当在电堆累积工作10~120min的氢气需要排出时，在车载电脑16的控制下氢循环泵4和电磁阀Ⅰ6停止工作，电磁阀Ⅱ7开启，隔膜泵17开始工作，电磁阀Ⅲ19处于关闭状态；从电堆排出的氢气经过水汽分离器5时会将氢气中的水分过滤干净，并在隔膜泵17的作用下使氢气加压到2~3bar，加压后的氢气进入固体储氢单元3中，进而氢气被存储于固体储氢芯体3-3中。
车辆上方物体的距离为∞时，则认为此时车辆处于开阔空间，且当电堆内循环的氢气不需要排出时，电磁阀Ⅰ6与氢循环泵4工作，电磁阀Ⅱ7与隔膜泵17不工作，电磁阀Ⅲ19开启，固体储氢单元3中的加热棒3-2开始加热，固体储氢单元3中的固体储氢芯体3-3受热后将氢气释放，并排向外界大气，这样就实现了固体储氢单元的再生。
车辆上方物体的距离为∞时，则认为此时车辆处于开阔空间，且当电堆累积工作10~120min的氢气需要排出时，电磁阀Ⅰ6与氢循环泵4停止工作，电磁阀Ⅱ7开启，隔膜泵17不工作，电磁阀Ⅲ19开启，固体储氢单元3中的加热棒3-2开始加热，固体储氢单元3中的固体储氢芯体3-3受热后将氢气释放，同时与电堆排出的氢气一并排向外界大气。
所述的固体储氢单元主要有壳体、固体储氢芯体以及加热棒三部分组成，固体储氢芯体为储氢合金。储氢合金可以为稀土类化合物LaNi5、钛系化合物TiFe、镁系化合物Mg2Ni以及钒、铌、镐等金属合金，可以是其中一种或是其中两种或两种以上的组合物。固体储氢单元的体积根据实际需求，体积为1~20L。
所述的测距传感器，可以安置一个，也可均布两个或三个或四个或五个。可以是超声波测距传感器或是红外测距传感器或是激光测距传感器。
所述的加热棒，可以是电阻式或是PTC陶瓷式，功率为200~600W。
所述的储氢罐、氢循环泵、水汽分离器、电磁阀、角阀、减压阀、单向阀等均能满足燃料电池系统安全使用需求。

Claims (7)

1.一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，其特征在于，该系统主要包括：燃料电池堆（1）、储氢罐（2）、固体储氢单元（3）、氢循环泵（4）、水汽分离器（5）、电磁阀Ⅰ（6）、电磁阀Ⅱ（7）、电磁阀Ⅲ（19）、角阀（8）、减压阀（9）、单向阀Ⅰ（10）、单向阀Ⅱ（11）、车载电脑（16），隔膜泵（17）和测距传感器（18），
燃料电池堆（1）上分别设有氢气进气口（12）、氢气出气口（13）、空气进气口（14）和空气出气口（15），储氢罐（2）通过管路依次连接角阀（8）、减压阀（9）、单向阀Ⅰ（10）和氢气进气口（12），单向阀Ⅰ（10）只允许氢气进气方向流通，氢气出气口（13）通过管路依次连接水汽分离器（5）、单向阀Ⅱ（11）、电磁阀Ⅱ（7）、隔膜泵（17）、固体储氢单元（3）和电磁阀Ⅲ（19），单向阀Ⅱ（11）只允许氢气出气方向流通，电磁阀Ⅲ（19）连接外排管路；
单向阀Ⅱ（11）和电磁阀Ⅱ（7）之间的管路上连接循环支路，循环支路上设有氢循环泵（4）和电磁阀Ⅰ（6），循环支路另一端连接在减压阀（9）和单向阀Ⅰ（10）之间；
测距传感器（18）安装于车辆顶棚，其发出信号竖直向上，测距传感器（18）的工作频率为1~1000Hz，用于测量车辆上方物体的距离；
固体储氢单元（3）主要由储氢单元壳体（3-1）、加热棒（3-2）和储氢芯体（3-3）组成，加热棒（3-2）安装在储氢芯体（3-3）中心设置的通孔中，储氢单元壳体（3-1）包裹在储氢芯体（3-3）的外侧；
车载电脑（16）与氢循环泵（4）、电磁阀Ⅰ（6）、电磁阀Ⅱ（7）、电磁阀Ⅲ（19）、隔膜泵（17），以及固体储氢单元（3）中的加热棒（3-2）控制连接，从测距传感器（18）获取车辆上方物体的距离信号。
2.根据权利要求1所述的减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，其特征在于，所述的储氢芯体（3-3）由储氢合金制成，所述的储氢合金为LaNi5、TiFe、Mg2Ni以及钒、铌、镐的金属合金中的一种或多种的组合物。
3.根据权利要求1所述的减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，其特征在于，固体储氢单元的体积为1~20L。
4.根据权利要求1所述的减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，其特征在于，所述的测距传感器（18）的数量为一个或均布的多个。
5.根据权利要求1所述的减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，其特征在于，所述的测距传感器（18）为红外测距传感器或是激光测距传感器。
6.根据权利要求1所述的减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统，其特征在于，所述的加热棒（3-2）是电阻式或是PTC陶瓷式，功率为200~600W。
7.一种如权利要求1所述的减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统的控制方法，具体步骤如下：
在车辆启动后，测距传感器（18）将距离讯号传递给车载电脑（16），根据车辆上方物体的距离进行控制：
当车辆上方物体为0~100m时，则认为此时车辆处于密闭空间，当在电堆累积工作10~120min的氢气需要排出时，在车载电脑（16）的控制下氢循环泵（4）和电磁阀Ⅰ（6）停止工作，电磁阀Ⅱ（7）开启，隔膜泵（17）开始工作，电磁阀Ⅲ（19）处于关闭状态；从电堆排出的氢气经过水汽分离器（5）时会将氢气中的水分过滤干净，并在隔膜泵（17）的作用下使氢气加压到2~3bar，加压后的氢气进入固体储氢单元（3）中，进而氢气被存储于固体储氢芯体（3-3）中；
车辆上方物体的距离为∞时，则认为此时车辆处于开阔空间，且当电堆内循环的氢气不需要排出时，电磁阀Ⅰ（6）与氢循环泵（4）工作，电磁阀Ⅱ（7）与隔膜泵（17）不工作，电磁阀Ⅲ（19）开启，固体储氢单元（3）中的加热棒（3-2）开始加热，固体储氢单元（3）中的固体储氢芯体（3-3）受热后将氢气释放，并排向外界大气，这样就实现了固体储氢单元的再生；
车辆上方物体的距离为∞时，则认为此时车辆处于开阔空间，且当电堆累积工作10~120min氢气需要排出时，电磁阀Ⅰ（6）与氢循环泵（4）停止工作，电磁阀Ⅱ（7）开启，隔膜泵（17）不工作，电磁阀Ⅲ（19）开启，固体储氢单元（3）中的加热棒（3-2）开始加热，固体储氢单元（3）中的固体储氢芯体（3-3）受热后将氢气释放，同时与电堆排出的氢气一并排向外界大气。
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