CN112054227A - 氢燃料电池车的氢气利用装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池车的氢气利用装置，包括绝热保温壳、多孔导热金属层和催化层；绝热保温壳的一端开口；多孔导热金属层安装在绝热保温壳的开口处，并且多孔导热金属层上的透孔用于使氢燃料电池车泄露的氢气进入绝热保温壳；多孔导热金属层用于贴近或包覆氢燃料电池车的储氢瓶；催化层安装在绝热保温壳内，用于催化进入绝热保温壳内的氢气进行燃烧。该氢气利用装置中设有催化层，能对氢燃料电池汽车在正常运行过程中泄露的氢气进行催化燃烧，并加热储氢瓶，避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。本发明还提供一种氢燃料电池车的氢气利用方法。

Description

氢燃料电池车的氢气利用装置和方法

技术领域

本发明涉及机械工业技术领域，更具体地说，涉及一种氢燃料电池车的氢气利用装置，还涉及一种氢燃料电池车的氢气利用方法。

背景技术

氢燃料电池汽车在运行过程中，电堆、燃料电池系统、氢系统，尾排系统都难免因为泄漏，排气，通风等原因，不可避免地向外排出未经反应的氢气。氢气向外排出的浓度有可能超过4％的爆炸下限，不仅会使得氢气利用率下降，还存在一定氢安全风险。

因此，如何利用氢燃料电池车上外排的氢气，提高氢气利用率，并避免产生氢气浓度超标的安全风险，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种氢燃料电池车的氢气利用装置，其设有催化层，能对氢燃料电池汽车在正常运行过程中泄露的氢气进行催化燃烧，并加热储氢瓶，避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。本发明还提供一种氢燃料电池车的氢气利用方法，用于上述氢气利用装置，有效利用氢燃料电池车在正常运行过程中泄露的氢气燃烧并加热储氢瓶，确保氢燃料电池车正常运行，同时避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氢燃料电池车的氢气利用装置，包括：

绝热保温壳，所述绝热保温壳的一端开口；

多孔导热金属层，所述多孔导热金属层安装在所述绝热保温壳的开口处，用于使氢燃料电池车泄露的氢气进入所述绝热保温壳；所述多孔导热金属层用于贴近或包覆所述氢燃料电池车的储氢瓶；

催化层，所述催化层安装在所述绝热保温壳内，用于催化进入所述绝热保温壳内的氢气进行燃烧。

优选的，上述氢气利用装置中，还包括与所述绝热保温壳连通的第一连通管，所述第一连通管用于将所述氢燃料电池车中尾排系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内，并且所述第一连通管上设有第一进气控制电磁阀，所述第一进气控制电磁阀由所述氢燃料电池车的控制器控制。

优选的，上述氢气利用装置中，所述第一连通管上设有分别由所述控制器控制的尾排系统循环泵和第一流量控制器。

优选的，上述氢气利用装置中，还包括与所述绝热保温壳连通的第二连通管，所述第二连通管用于将所述氢燃料电池车中燃料电池系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内，并且所述第二连通管上设有第二进气控制电磁阀，所述第二进气控制电磁阀由所述控制器控制。

优选的，上述氢气利用装置中，所述第二连通管上设有分别由控制器控制的燃料电池系统循环泵和第二流量控制器。

优选的，上述氢气利用装置中，还包括与所述绝热保温壳连通的第三连通管，所述第三连通管用于将所述氢燃料电池车中减压器下游的低压气体输送至所述绝热保温壳内，并且所述第三连通管上设有第三进气控制电磁阀，所述第三进气控制电磁阀由所述控制器控制。

优选的，上述氢气利用装置中，所述第三连通管上通过四通调节阀与所述减压器的出口连通，并且所述第三连通管上设有第三流量控制器。

优选的，上述氢气利用装置中，所述催化层为多层，并且各所述催化层分别与所述多孔导热金属层平行。

一种氢燃料电池车的氢气利用方法，用于上述技术方案提供的氢气利用装置，包括：

所述控制器利用所述储氢瓶的温度传感器检测所述储氢瓶的温度是否低于第一预设温度，若是，则所述控制器控制所述第一进气控制电磁阀打开，使所述第一连通管将所述氢燃料电池车中尾排系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内进行催化燃烧。

优选的，上述氢气利用方法中，在所述温度传感器检测到所述储氢瓶的温度低于第一预设温度时，所述控制器还控制所述氢气利用装置的第二进气控制电磁阀打开，使所述第二连通管将所述氢燃料电池车中燃料电池系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内；

在所述第一、第二进气控制电磁阀打开时，所述控制器利用所述储氢瓶的温度传感器检测所述储氢瓶的温度是否持续降低，若是，则所述控制器控制所述氢气利用装置的第三进气控制电磁阀打开，使所述第三连通管将所述氢燃料电池车中减压器下游的低压气体输送至所述绝热保温壳内。

本发明提供一种氢燃料电池车的氢气利用装置，包括绝热保温壳、多孔导热金属层和催化层；绝热保温壳的一端开口；多孔导热金属层安装在绝热保温壳的开口处，并且多孔导热金属层上的透孔用于使氢燃料电池车泄露的氢气进入绝热保温壳；多孔导热金属层用于贴近或包覆氢燃料电池车的储氢瓶；催化层安装在绝热保温壳内，用于催化进入绝热保温壳内的氢气进行燃烧。

本发明提供的氢气利用装置中设有催化层，能对氢燃料电池汽车在正常运行过程中泄露的氢气进行催化燃烧，并加热储氢瓶，避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。

本发明还提供一种氢燃料电池车的氢气利用方法，用于上述氢气利用装置，有效利用氢燃料电池车在正常运行过程中泄露的氢气燃烧并加热储氢瓶，确保氢燃料电池车正常运行，同时避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的氢气利用装置在氢燃料电池车上的布置图；

图2为本发明实施例提供的氢燃料电池车的氢气利用装置的结构示意图；

其中，图1-图2中：

第一瓶阀1；第一手阀2；第一储氢瓶3；压力传感器4；第二瓶阀5；第二手阀6；第二储氢瓶7；氢气利用装置8；控制器9；减压器10；燃料电池系统循环泵11；第二流量控制器12；第三流量控制器13；四通调节阀14；第二温度传感器15；第二电磁阀16；第二单向阀17；第一温度传感器18；第一电磁阀19；第一单向阀20；尾排系统循环泵21；第一流量控制器22；干燥过滤器23；第一进气控制电磁阀24；绝热保温层25；多孔导热金属层26；第三温度传感器27；第三进气控制电磁阀28；第二进气控制电磁阀29；第二催化层30、第一催化层31。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种氢燃料电池车的氢气利用装置，其设有催化层，能对氢燃料电池汽车在正常运行过程中泄露的氢气进行催化燃烧，并加热储氢瓶，避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。本发明还提供一种氢燃料电池车的氢气利用方法，用于上述氢气利用装置，有效利用氢燃料电池车在正常运行过程中泄露的氢气燃烧并加热储氢瓶，确保氢燃料电池车正常运行，同时避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，本发明实施例提供一种氢燃料电池车的氢气利用装置，包括绝热保温壳、多孔导热金属层和催化层；绝热保温壳的一端开口；多孔导热金属层安装在绝热保温壳的开口处，并且多孔导热金属层上的透孔用于使氢燃料电池车泄露的氢气进入绝热保温壳；多孔导热金属层用于贴近或包覆氢燃料电池车的储氢瓶；催化层安装在绝热保温壳内，用于催化进入绝热保温壳内的氢气进行燃烧。

本发明实施例提供的氢气利用装置中，绝热保温壳和多孔导热金属层配合能收集氢燃料电池车正常运行时各系统排出的未利用氢气，催化层对上述氢气进行催化燃烧，使之加热储氢瓶，避免氢气外排的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。

另外，在现有技术中，氢燃料电池车的供氢系统在供氢过程中氢瓶内气体温度会降低，甚至低于环境温度，而车载储氢气瓶及供氢系统的设计温度一般为-40℃～85℃，当燃料电池在低温下持续工作时，气源温度会逐渐下降，甚至低于零部件及供氢系统的设计温度，使得氢燃料电池车辆不能持续工作；另一方面，气源温度过低会影响燃料电池内部电化学反应速率，影响系统输出功率，故为使得燃料电池在低温下能够持续高功率工作，需要维持供氢系统中储氢瓶温度大于-40℃。而本实施例提供的氢气利用装置，利用氢燃料电池车泄露的氢气来加热供氢系统，使储氢瓶温度大于-40℃，使得氢燃料电池车辆能持续工作，确保燃料电池在低温下能够持续高功率工作。

再者，氢气本身具有较高的热值，其直接燃烧产生的温度较高，甚至爆炸，一方面危险性很大，另一方面有可能会使储氢瓶中瓶阀上的TPRD(温度驱动泄压装置)开启，TPRD开启是一个不可逆的破环过程，一旦开始泄放则会将储氢瓶内的气体完全排出，即使温度恢复后也不会关闭。而本实施例提供的氢气利用装置利用催化层使氢气催化燃烧，催化燃烧的方式具有快速起燃、温度上升速度快、产热温度低等特点，既能够满足供氢系统加热的温度需求，又不会使得温度过高，导致超过零部件的设计温度发生失效，也不会使得TPRD开启，避免储氢瓶产生不可逆的泄放过程。

具体的，上述实施例提供的氢气利用装置中，氢气利用装置作为加热层，包裹在氢燃料电池车的储氢系统外侧，使得储氢瓶内的气体维持在零部件的设计温度之上，并在零部件的设计温度范围内提高气源温度，以提高进堆氢气温度，从而提升燃料电池系统输出性能。

催化层可设置为由Pt-Sn/Al3O3、Pt-Zr/Fe-CrAlY、Pd/Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3，或者Pd/γ-Al2O3制成的催化层，本实施例不做限定。催化层设置为多层(具体可设置为两层)，并且各催化层分别与多孔导热金属层平行。

上述氢气利用装置中，还包括与绝热保温壳连通的第一连通管，第一连通管用于将氢燃料电池车中尾排系统的含氢气体输入绝热保温壳内，并且第一连通管上设有第一进气控制电磁阀，第一进气控制电磁阀由氢燃料电池车的控制器控制。第一连通管上还设有分别由控制器控制的尾排系统循环泵和第一流量控制器。

优选的，上述氢气利用装置还包括与绝热保温壳连通的第二连通管，第二连通管用于将氢燃料电池车中燃料电池系统的含氢气体输入绝热保温壳内，并且第二连通管上设有第二进气控制电磁阀，第二进气控制电磁阀由控制器控制。第二连通管上还设有分别由控制器控制的燃料电池系统循环泵和第二流量控制器。

进一步的，上述氢气利用装置还包括与绝热保温壳连通的第三连通管，第三连通管用于将氢燃料电池车中减压器下游的低压气体输送至绝热保温壳内，并且第三连通管上设有第三进气控制电磁阀，第三进气控制电磁阀由控制器控制。第三连通管通过四通调节阀与减压器的出口连通，并且第三连通管上设有第三流量控制器。

本发明实施例还提供一种氢燃料电池车的氢气利用方法，用于用于上述实施例提供的氢气利用装置，包括：控制器利用储氢瓶的温度传感器检测储氢瓶的温度是否低于第一预设温度，若是，则控制器控制第一进气控制电磁阀打开，使第一连通管将氢燃料电池车中尾排系统的含氢气体输入绝热保温壳内进行催化燃烧。

上述实施例提供的氢气利用方法中，在温度传感器检测到储氢瓶的温度低于第一预设温度时，控制器还控制氢气利用装置的第二进气控制电磁阀打开，使第二连通管将氢燃料电池车中燃料电池系统的含氢气体输入绝热保温壳内。

进一步的，在第一、第二进气控制电磁阀打开时，控制器利用储氢瓶的温度传感器检测储氢瓶的温度是否持续降低，若是，则控制器控制氢气利用装置的第三进气控制电磁阀打开，使第三连通管将氢燃料电池车中减压器下游的低压气体输送至绝热保温壳内。

本发明实施例提供的氢气利用方法用于上述实施例提供的氢气利用装置，有效利用氢燃料电池车在正常运行过程中泄露的氢气燃烧并加热储氢瓶，确保氢燃料电池车正常运行，同时避免氢气的浓度超过4％的爆炸下限，降低安全风险，且提高氢气利用率。当然，本实施例提供的氢气利用方法还具有上述实施例提供的有关氢气利用装置的其它效果，在此不再赘述。

下面以2瓶储氢瓶的储氢系统为例(实际应用可扩展至单瓶储氢系统或者3瓶以上储氢系统)，介绍本发明实施例提供的氢气利用装置在氢燃料电池车上供氢系统上的连接关系，以及该系统利用氢气的方法：

请参阅图1，第一瓶阀1用于控制第一储氢瓶3内高压气体的流入和流出；第一瓶阀1为组合阀，一般包括第一手阀2、第一温度传感器18、第一电磁阀19、第一单向阀20；其中，第一手阀2用于手动控制第一瓶阀1开断，一般将该阀位于开启位置，在系统维修时将该阀关闭；第一温度传感器18用于监测第一储氢瓶3内的温度，并与控制器9匹配通信；第一电磁阀19用于控制第一储氢瓶内气体的流出，并与控制器9匹配通信；第一单向阀用于防止加氢时第一储氢瓶3内气体倒流。第一储氢瓶3用于储存高压气体，压力传感器4用于监测高压管道内的压力，并与控制器9匹配通信。

第二瓶阀5用于控制第二储氢瓶7内高压气体的流入和流出；第二瓶阀5为组合阀，一般包括第二手阀6、第二温度传感器15、第二电磁阀16、第二单向阀16；其中，第二手阀6用于手动控制第二瓶阀5开断，一般将该阀位于开启位置，在系统维修时将该阀关闭；第二温度传感器用15于监测第二储氢瓶7内的温度，并与控制器9匹配通信；第二电磁阀16用于控制第二储氢瓶7内气体的流出，并与控制器9匹配通信；第二单向阀17用于防止加氢时第二储氢瓶7内气体倒流；第二储氢瓶7用于储存高压气体。

氢气利用装置8用于氢气的催化燃烧反应，其上含有多个含氢气体入口，包括自燃料电池系统(含电堆)，自尾排系统，供氢系统自身的泄漏氢气。

控制器9用于系统的状态监控与调节；减压器10用于将第一储氢瓶3和第二储氢瓶7内的高压气体减压至燃料电池电池系统入口的压力等级；燃料电池系统循环泵11用于将燃料电池系统(含电堆)上方的含氢气体泵入氢气利用装置8，与控制器9匹配通信；第二流量控制器12用于监控自燃料电池系统的气体流量，并与控制器9匹配通信；第三流量控制器13用于监控自供氢系统的气体流量，并与控制器9匹配通信；四通调节阀14用于控制减压器10出口气体与氢气利用装置8、燃料电池系统、手动泄放的连通，并与控制器9匹配通信。

尾排系统循环泵21用于将尾排系统的含氢气体泵入氢气利用装置8，并与控制器9匹配通信；第一流量控制器22用于监控自尾排系统的气体流量，并与控制器9匹配通信；干燥过滤器23用于干燥尾排气体，尾排气体通常含有较多的水分和杂质，为避免对氢气利用装置8中催化层的影响，需要对尾排气体进行干燥和过滤。

请参阅图2，氢气利用装置8中，第一进气控制电磁阀24用于控制进气支路(即第一连通管)的开断，并与控制器9匹配通信；绝热保温层25用于防止热量散失到系统外，产生热量浪费；多孔导热金属层26上分布多个微孔，微孔用于氢系统泄漏的含氢气体进入氢气利用装置8反应，另一方面，微孔可将氢气利用装置8与外界大气连通，避免温度升高产生内外压差；第三温度传感器27用于监测氢气利用装置8内温度，并与控制器9匹配通信；第三进气控制电磁阀28用于控制进气支路(即第三连通管)的开断，并与控制器9匹配通信；第二进气控制电磁阀29用于控制进气支路(即第二连通管)的开断，并与控制器9匹配通信；第一催化层31、第二催化层30分别用于提供氢气催化燃烧反应的催化剂。

该装置及系统运行前，控制器9进行自检，确认第二温度传感器15，第一温度传感器18，第三温度传感器27，可与其正常通讯，且温度第三温度传感器27的温度低于70℃。

供氢系统正常供氢过程中，控制器9发出指令，使得第二电磁阀16与第一电磁阀19开启，四通调节阀14连通手动泄放支路及氢气利用装置8支路关闭，连通燃料电池系统侧的支路开启。

氢气的扩散性强，分子量小，供氢系统正常运行过程泄漏的氢气在向上扩散的过程中通过多孔导热金属层26中的微孔进入氢气利用装置8中第二催化层30，第一催化层31发生反应，有效利用这部分泄漏氢气发生催化燃烧反应。正常运行过程中各漏点的泄漏氢气较少，不足以产生较高的热量。

当控制器9检测到第二温度传感器15和/或第一温度传感器18温度低于0℃，且不断降低时，请求通过其他支路向氢气利用装置8补充含氢气体：开启燃料电池系统循环泵11，尾排系统循环泵21，第一进气控制电磁阀24，第二进气控制电磁阀29，使得来自燃料电池系统和尾排系统的含氢气体进入氢气利用装置8。通过控制器9调节燃料电池系统循环泵11，尾排系统循环泵21的转速，以控制氢气利用装置8的进气量，使第二温度传感器15、第一温度传感器18温度在相对恒定的温度。

当遇到上述进气无法满足加热需求时，即第一温度传感器18和/或第二温度传感器15温度还在不断下降时，可进一步开启四通调节阀14连通氢气利用装置8的进气支路及第三进气控制电磁阀28，使得来自减压器10下游的低压气体进入氢气利用装置8。通过控制器9调节四通调节阀14的开度，以控制氢气利用装置8的进气量，使第二温度传感器15，第一温度传感器18温度在相对恒定的温度。

关机时，通过控制器9关闭燃料电池系统循环泵11，四通调节阀14，尾排系统循环泵21，第一进气控制电磁阀24，第三进气控制电磁阀28，第二进气控制电磁阀29，停止向氢气利用装置8进气。

停车过程中，供氢系统的泄漏的氢气还可以通过多孔导热金属层26中的微孔进入氢气利用装置8发生反应，消耗正常泄漏的氢气，避免氢气系统的泄漏氢气积聚。

运行过程中，不断监控第二温度传感器15，第一温度传感器18，第三温度传感器27的温度，不仅可以通过四通调节阀14的开度和循环泵的转速实现气源温度的实时控制调节，还可以实现系统的安全保护。当第二温度传感器15，第一温度传感器18温度大于70℃时，通过控制器9关闭燃料电池系统循环泵11，四通调节阀14，尾排系统循环泵21，第一进气控制电磁阀24，第三进气控制电磁阀28，第二进气控制电磁阀29，停止向氢气利用装置8进气。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池车的氢气利用装置，其特征在于，包括：

绝热保温壳，所述绝热保温壳的一端开口；

多孔导热金属层，所述多孔导热金属层安装在所述绝热保温壳的开口处，用于使氢燃料电池车泄露的氢气进入所述绝热保温壳；所述多孔导热金属层用于贴近或包覆所述氢燃料电池车的储氢瓶；

催化层，所述催化层安装在所述绝热保温壳内，用于催化进入所述绝热保温壳内的氢气进行燃烧。

2.根据权利要求1所述的氢气利用装置，其特征在于，还包括与所述绝热保温壳连通的第一连通管，所述第一连通管用于将所述氢燃料电池车中尾排系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内，并且所述第一连通管上设有第一进气控制电磁阀，所述第一进气控制电磁阀由所述氢燃料电池车的控制器控制。

3.根据权利要求2所述的氢气利用装置，其特征在于，所述第一连通管上设有分别由所述控制器控制的尾排系统循环泵和第一流量控制器。

4.根据权利要求2所述的氢气利用装置，其特征在于，还包括与所述绝热保温壳连通的第二连通管，所述第二连通管用于将所述氢燃料电池车中燃料电池系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内，并且所述第二连通管上设有第二进气控制电磁阀，所述第二进气控制电磁阀由所述控制器控制。

5.根据权利要求4所述的氢气利用装置，其特征在于，所述第二连通管上设有分别由控制器控制的燃料电池系统循环泵和第二流量控制器。

6.根据权利要求4所述的氢气利用装置，其特征在于，还包括与所述绝热保温壳连通的第三连通管，所述第三连通管用于将所述氢燃料电池车中减压器下游的低压气体输送至所述绝热保温壳内，并且所述第三连通管上设有第三进气控制电磁阀，所述第三进气控制电磁阀由所述控制器控制。

7.根据权利要求6所述的氢气利用装置，其特征在于，所述第三连通管上通过四通调节阀与所述减压器的出口连通，并且所述第三连通管上设有第三流量控制器。

8.根据权利要求1所述的氢气利用装置，其特征在于，所述催化层为多层，并且各所述催化层分别与所述多孔导热金属层平行。

9.一种氢燃料电池车的氢气利用方法，用于权利要求2-7任意一项所述的氢气利用装置，其特征在于，包括：

所述控制器利用所述储氢瓶的温度传感器检测所述储氢瓶的温度是否低于第一预设温度，若是，则所述控制器控制所述第一进气控制电磁阀打开，使所述第一连通管将所述氢燃料电池车中尾排系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内进行催化燃烧。

10.根据权利要求9所述的氢气利用方法，其特征在于，在所述温度传感器检测到所述储氢瓶的温度低于第一预设温度时，所述控制器还控制所述氢气利用装置的第二进气控制电磁阀打开，使所述第二连通管将所述氢燃料电池车中燃料电池系统的含氢气体输入所述绝热保温壳内；

在所述第一、第二进气控制电磁阀打开时，所述控制器利用所述储氢瓶的温度传感器检测所述储氢瓶的温度是否持续降低，若是，则所述控制器控制所述氢气利用装置的第三进气控制电磁阀打开，使所述第三连通管将所述氢燃料电池车中减压器下游的低压气体输送至所述绝热保温壳内。

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