CN110053494A - 基于固体氢技术的燃料电池汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固体氢技术的燃料电池汽车,包括:固体氢氢气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、水路系统、储能电池系统、电机以及控制系统。本发明中,通过固体氢和水在固体氢气发生装置内反应生成氢气,固体氢存储方便安全,解决了传统氢气在存储方面的问题;氢气发生反应可控,氢气作为燃料电池系统原料,绿色环保无污染。本发明采用储能电池系统和以固体氢为供氢原料的燃料电池系统混联作为整车动力系统,能满足整车各种工况需求,完美解决了纯电动汽车的里程焦虑,以固体氢作为燃料电池系统的供氢来源,安全高效,固体氢相对于液态氢和高压气氢,储氢率更高,也可节省不少整车空间,进而减少整车成本。
Description
技术领域
本发明涉及交通工具领域,特别涉及一种基于固体氢技术的燃料电池汽车。
背景技术
汽车是人们日常出行常用的交通工具,为出行提供了很大的便利性和灵活性。现有汽车大多是以汽油或柴油为主要燃料的内燃机汽车,在汽车产业快速发展和扩张的过程中却也伴随能源危机和环境污染的问题。为解决能源和环境问题,世界范围内的各汽车厂商均在大力开展新能源汽车技术研究,新能源汽车研究主要的两个方向为纯电动车和燃料电池汽车。纯电动汽车是以车载电源为动力的汽车,以电能为能源,具有污染小、噪声低等优点,但在实际应用场景下,也有续航里程短、充电时间长等严重缺点。燃料电池汽车是使用燃料电池作为能源的汽车,不仅具有无污染、噪声低、效率高等优点,也解决了纯电动汽车续航短、充电时间长的问题。氢气作为燃料电池的主要燃料,却也存在储存困难、运输不安全等问题,固体氢具有储运方便、安全等优势,其利用金属氢化物与水反应生成氢气,固体氢可应用到汽车领域,但现在缺少能利用固体氢解决上述问题的成熟技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种基于固体氢技术的燃料电池汽车。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种基于固体氢技术的燃料电池汽车,包括:固体氢氢气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、水路系统、储能电池系统、电机以及控制系统;
所述固体氢氢气发生装置中通过固体氢与水反应生成氢气;
所述燃料电池系统以所述固体氢氢气发生装置产生的氢气为原料与氧气反应发电并生成水,发出的电供给所述电机;
所述DC/DC转换器用于将所述燃料电池系统发出的电进行电压转换后供给所述电机或储能电池系统。
所述水路系统用于为所述固体氢氢气发生装置提供原料水,以及回收所述燃料电池系统产生的水;
所述储能电池系统用于存储所述燃料电池系统产生的多余的电能,以及为整车启动和所述控制系统供电;
所述电机用于为整车提供动力。
优选的是,所述控制系统包括氢气发生装置控制器、燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统、电机控制器以及整车控制器。
优选的是,所述水路系统包括水箱和水泵,所述水泵用于将所述水箱中存储的水注入所述固体氢氢气发生装置;所述燃料电池系统产生的水通过管道输送至所述水箱。
优选的是,所述氢气发生装置控制器连接所述固体氢氢气发生装置和水泵,其用于根据整车工况和动力需求控制所述固体氢氢气发生装置的反应速率和水泵的注水量。
优选的是,所述燃料电池控制器连接所述燃料电池系统,其用于根据整车工况和动力需求控制所述燃料电池系统的反应速率。
优选的是,所述电池管理系统连接所述储能电池系统,其用于对所述储能电池系统的电池能量进行管理;
所述DC/DC控制器连接所述DC/DC转换器,其用于根据整车工况控制所述DC/DC转换器工作。
优选的是,所述电机控制器连接所述电机,其用于根据整车工况和动力需求控制所述电机工作。
优选的是,所述整车控制器与所述控制系统中的其他控制单元均连接,用于收集整车工况参数和动力需求,以及协同所述控制系统中的其他各控制单元工作。
优选的是,所述水箱的出水口通过管道与所述水泵连接,所述水泵再通过管道连接至所述固体氢氢气发生装置;
所述出水口上设置有复合过滤网,所述复合过滤网包括滤网本体及依次设置在所述滤网本体上的无纺布层、PTFE纤维层、聚丙烯纤维层、玻璃纤维层和纳米碳纤维布层。
优选的是,所述固体氢为氢化镁;所述固体氢氢气发生装置和水箱采用316不锈钢制成,且所述316不锈钢中的成分的质量分数满足以下要求:碳≤0.08、硅≤1.00、锰≤2.00、硫≤0.030、磷≤0.035、铬:16.00~18.50、镍:10.00~14.00、钼:2.00~3.00。
本发明的有益效果是:
本发明中,通过固体氢和水在固体氢气发生装置内反应生成氢气,固体氢存储方便安全,解决了传统氢气在存储方面的问题;氢气发生反应可控,氢气作为燃料电池系统原料,绿色环保无污染。
本发明中,可利用燃料电池系统为汽车提供动力,具有无污染、噪声低、效率高等优点;
本发明中,燃料电池系统产生的水作为固体氢氢气发生装置所需原料水重复利用,节约了原料;
本发明中,储能电池系统能存储所述燃料电池系统产生的多余的电能,并为整车启动和所述控制系统供电,能实现制动能量回收;
本发明采用储能电池系统和以固体氢为供氢原料的燃料电池系统混联作为整车动力系统,能满足整车各种工况需求,完美解决了纯电动汽车的里程焦虑,以固体氢作为燃料电池系统的供氢来源,安全高效,固体氢相对于液态氢和高压气氢,储氢率更高,也可节省不少整车空间,进而减少整车成本。
附图说明
图1为本发明的基于固体氢技术的燃料电池汽车的原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示,本实施例的一种基于固体氢技术的燃料电池汽车,包括:固体氢氢气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、水路系统、储能电池系统、电机以及控制系统;
所述固体氢氢气发生装置中装有固体氢(如镁基氢化物),通过固体氢与水反应生成氢气;
所述燃料电池系统以所述固体氢氢气发生装置产生的氢气为原料与氧气反应发电并生成水,发出的电供给所述电机;
所述DC/DC转换器用于将所述燃料电池系统发出的电进行电压转换后供给所述电机或储能电池系统。
所述水路系统用于为所述固体氢氢气发生装置提供原料水,以及回收所述燃料电池系统产生的水;
所述储能电池系统用于存储所述燃料电池系统产生的多余的电能,以及为整车启动和所述控制系统供电;并实现制动能量回收;
所述电机用于为整车提供动力。
其中,所述水路系统包括水箱和水泵,所述水泵用于将所述水箱中存储的水注入所述固体氢氢气发生装置;所述燃料电池系统产生的水通过管道输送至所述水箱,燃料电池系统产生的水作为固体氢氢气发生装置所需的原料水重复利用。
其中,所述控制系统包括氢气发生装置控制器、燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统、电机控制器以及整车控制器;
所述氢气发生装置控制器连接所述固体氢氢气发生装置和水泵,其用于根据整车工况和动力需求控制所述固体氢氢气发生装置的反应速率和水泵的注水量;
所述燃料电池控制器连接所述燃料电池系统,其用于根据整车工况和动力需求控制所述燃料电池系统的反应速率;
所述电池管理系统连接所述储能电池系统,其用于对所述储能电池系统的电池能量进行管理;
所述DC/DC控制器连接所述DC/DC转换器,其用于根据整车工况控制所述DC/DC转换器工作;
所述电机控制器连接所述电机,其用于根据整车工况和动力需求控制所述电机工作;
所述整车控制器与所述控制系统中的其他控制单元均连接,用于收集整车工况参数和动力需求,以及协同所述控制系统中的其他各控制单元工作。
参照图1为本发明的基于固体氢技术的混合动力汽车的原理结构示意图,需要理解的是本发明中主要详细公开了基于固体氢技术的混合动力汽车的动力系统,该汽车的其他机构(汽车本体等)未详细说明。
本实施例中,通过固体氢和水在固体氢气发生装置内反应生成氢气,固体氢存储方便安全,解决了传统氢气在存储方面的问题;氢气发生反应可控,氢气作为燃料电池系统原料,绿色环保无污染。
本实施例中,可利用燃料电池系统为汽车提供动力,具有无污染、噪声低、效率高等优点;
本实施例中,燃料电池系统产生的水作为固体氢氢气发生装置所需原料水重复利用,节约了原料;
本实施例中,储能电池系统能存储所述燃料电池系统产生的多余的电能,并为整车启动和所述控制系统供电,能实现制动能量回收;
本发明采用储能电池系统和以固体氢为供氢原料的燃料电池系统混联作为整车动力系统,能满足整车各种工况需求,完美解决了纯电动汽车的里程焦虑,以固体氢作为燃料电池系统的供氢来源,安全高效,固体氢相对于液态氢和高压气氢,储氢率更高,也可节省不少整车空间,进而减少整车成本。
在一种进一步优选的实施例中,所述水箱的出水口通过管道与所述水泵连接,所述水泵再通过管道连接至所述固体氢氢气发生装置;所述燃料电池系统通过水管连接至水箱的进水口,以将所述燃料电池系统产生的水输送至所述水箱。
所述出水口上设置有复合过滤网,所述复合过滤网包括滤网本体及依次设置在所述滤网本体上的无纺布层、PTFE纤维层、聚丙烯纤维层、玻璃纤维层和纳米碳纤维布层。滤网本体采用不锈钢材质或塑料材质。
其中,无纺布层既具有一定的过滤作用,又能对内层形成保护。PTFE纤维层能有效提高复合过滤网的强度,能显著延长其使用寿命。聚丙烯纤维层有极好的吸附效果,且吸附速率高,能有效过滤掉水中的杂质颗粒。玻璃纤维层能进一步提高过滤性能和机械强度。纳米碳纤维布层能进一步进行深层过滤,且能有效增强复合过滤网的机械强度,延长其使用寿命。
水箱中的水经复合过滤网过滤后由水泵抽吸至所述固体氢氢气发生装置,与其中的固体氢反应,产生氢气。复合过滤网用于将水中的杂质颗粒进行高效过滤,防止杂质颗粒进入固体氢氢气发生装置中影响固体氢与水的反应,也能避免杂质颗粒进入水泵而影响水泵的工作。水箱中回收燃料电池系统产生的水,长期使用时,水箱中容易混入杂质颗粒(水垢、铁锈等),杂质颗粒进入固体氢氢气发生装置中时,容易降低固体氢与水的反应反应速率,还容易影响氢气发生装置控制器对固体氢氢气发生装置内反应速率的控制。复合过滤网通过各过滤层配合,能对水箱的出水进行有效过滤,能极大减小进入水泵和固体氢氢气发生装置中的水中的杂质颗粒,保证固体氢氢气发生装置的正常工作。
在一种优选的实施例中,所述固体氢为镁基氢化物氢化镁(MgH2),氢化镁通过反应Mg+H2→MgH2制得,具体过程为先切削Mg铸锭得到Mg薄片,然后对Mg薄片进行压缩、成型,最后与氢气进行反应;进一步优选的,所述氢化镁(MgH2)具备以下技术参数特点:
氢化镁(MgH2)密度:1.2g/cm3
氢化镁(MgH2)质量能量密度2.145万J/Kg
氢化镁(MgH2)体积能量密度3217.5万J/m3。
本系统使用环境中需要长期与水溶液和氢气接触,各装置主体材质(如固体氢氢气发生装置和水箱)所使用的材料需要满足一定的耐腐蚀性和防氢脆性能,在一种优选的实施例中,使用316不锈钢(但不限于316不锈钢),耐腐蚀性和防氢脆性能满足要求的材料均可使用。
进一步优选的,本发明中使用的316不锈钢的成分(质量百分比%)满足:
碳C:≤0.08;硅Si:≤1.00;锰Mn:≤2.00;硫S:≤0.030;磷P:≤0.035;铬Cr:16.00~18.50;镍Ni:10.00~14.00;钼Mo:2.00~3.00;余量为铁。
其中,316不锈钢增加了钼元素,可以显著提高其耐晶间腐蚀、氧化物应力腐蚀的能力以及减少焊接时的热裂倾向性,其还有良好的耐氯化物腐蚀的性能。316不锈钢添加的钼元素还可提高防氢脆性能。
进一步优选的,本发明中,与固体氢反应的水质满足以下要求:
电导率mS/m,(25℃):≤0.01;
比电阻(MΩ.cm.)(25℃):≥10;
可氧化物质mg/L:0;
吸光度(254mm,1cm光程):≤0.001;
蒸发残渣(105±2℃),mg/L:0;
可溶性硅mg/L:<0.01;
铁离子ppm:≤0.2;
氯离子ppm:≤0.2。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,包括:固体氢氢气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、水路系统、储能电池系统、电机以及控制系统;
所述固体氢氢气发生装置中通过固体氢与水反应生成氢气;
所述燃料电池系统以所述固体氢氢气发生装置产生的氢气为原料与氧气反应发电并生成水,发出的电供给所述电机;
所述DC/DC转换器用于将所述燃料电池系统发出的电进行电压转换后供给所述电机或储能电池系统。
所述水路系统用于为所述固体氢氢气发生装置提供原料水,以及回收所述燃料电池系统产生的水;
所述储能电池系统用于存储所述燃料电池系统产生的多余的电能,以及为整车启动和所述控制系统供电;
所述电机用于为整车提供动力。
2.根据权利要求1所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述控制系统包括氢气发生装置控制器、燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统、电机控制器以及整车控制器。
3.根据权利要求2所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述水路系统包括水箱和水泵,所述水泵用于将所述水箱中存储的水注入所述固体氢氢气发生装置;所述燃料电池系统产生的水通过管道输送至所述水箱。
4.根据权利要求3所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述氢气发生装置控制器连接所述固体氢氢气发生装置和水泵,其用于根据整车工况和动力需求控制所述固体氢氢气发生装置的反应速率和水泵的注水量。
5.根据权利要求4所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述燃料电池控制器连接所述燃料电池系统,其用于根据整车工况和动力需求控制所述燃料电池系统的反应速率。
6.根据权利要求5所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述电池管理系统连接所述储能电池系统,其用于对所述储能电池系统的电池能量进行管理;
所述DC/DC控制器连接所述DC/DC转换器,其用于根据整车工况控制所述DC/DC转换器工作。
7.根据权利要求6所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述电机控制器连接所述电机,其用于根据整车工况和动力需求控制所述电机工作。
8.根据权利要求7所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述整车控制器与所述控制系统中的其他控制单元均连接,用于收集整车工况参数和动力需求,以及协同所述控制系统中的其他各控制单元工作。
9.根据权利要求3-7中任意一项所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述水箱的出水口通过管道与所述水泵连接,所述水泵再通过管道连接至所述固体氢氢气发生装置;
所述出水口上设置有复合过滤网,所述复合过滤网包括滤网本体及依次设置在所述滤网本体上的无纺布层、PTFE纤维层、聚丙烯纤维层、玻璃纤维层和纳米碳纤维布层。
10.根据权利要求7所述的基于固体氢技术的燃料电池汽车,其特征在于,所述固体氢为氢化镁;所述固体氢氢气发生装置和水箱采用316不锈钢制成,且所述316不锈钢中的成分的质量分数满足以下要求:碳≤0.08、硅≤1.00、锰≤2.00、硫≤0.030、磷≤0.035、铬:16.00~18.50、镍:10.00~14.00、钼:2.00~3.00。
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