CN112349927A - 全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统及启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，包括固态储氢装置、多功能储气罐、燃料电池装置，燃料电池装置包括氢气管路、燃料电池、循环水泵、冷水管路、热水管路；多功能储气罐的一端与固态储氢装置通过安装有单向阀的管道连接，另一端与燃料电池通过氢气管路连接，氢气管路上安装有电磁阀；燃料电池与固态储氢装置通过冷水管路、热水管路连接，热水管路上安装循环水泵。启动时先启动燃料电池，再打开电磁阀，使氢气从固态储氢装置经过单向阀和多功能储气罐流入燃料电池。本发明能够提高氢源的稳定性、防止固态储氢装置反向吸氢、减少罐体壁厚、提高重量储氢密度。

Description

全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统及启动方法
技术领域
本发明属于氢气燃料电池汽车的固态储氢/燃料电池发电及综合热管理领域，具体涉及一种全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统及启动方法。
背景技术
汽车正向着电动化和智能化方向发展，随着社会各界对于清洁能源车辆的需求增长，使用氢气的燃料电池汽车逐渐走向市场，其中配置低压固态车载储氢装置的燃料电池动力系统以其高安全性、高体积储氢密度和快速充氢特性，受到人们的广泛关注。
使用低压固态车载储氢装置供氢的燃料电池动力系统，主要由燃料电池、固态储氢装置及其控制系统组成，其中的固态储氢装置由多个装填储氢合金粉末的储氢装置连接构成，并使用传热介质循环系统调控固态储氢装置内的温度分布。
在燃料电池汽车的实际应用中，固态储氢装置需要满足各种气候条件下的应用需求，尤其要注意解决在低温条件下燃料电池冷启动时的供氢问题、汽车中途停车固态储氢装置内降温冷却时储氢材料的反向吸氢问题及其在高温条件下储氢装置内压过高引发安全隐患的问题。
在低温条件下的冷启动时的供氢问题：汽车启动时，燃料电池动力系统应在秒级范围内迅速做出响应，储氢装置应迅速向燃料电池供氢，满足动力系统动态响应要求。储氢材料吸放氢过程为化学吸附或脱出过程，反应热焓较大，放氢时需从环境中吸热。当储氢装置与燃料电池匹配时，在燃料电池正常工作条件下，燃料电池的余热可以提供储氢材料放氢的所需热源。但在冷启动时，燃料电池没有运转产热，无法为储氢材料放氢提供所需热源，储氢材料只能从空气中或周边环境其他传热介质中获取热量，此时若在低温条件下，储氢材料放氢平衡压较低，放氢驱动力减小，若外界提供的热量满足不了储氢材料的放氢要求，则无法为燃料电池提供所需氢源。
汽车中途停车固态储氢装置内降温冷却时储氢材料的反向吸氢问题：固态储氢装置吸放氢性能与其罐内金属氢化物床体的温度场分布密切相关，供氢压力与流量均与罐内温度有直接关系，温度升高时，放氢速度加快，残余氢量减少，温度降低时，放氢速度降低，残余氢量增加。当燃料电池汽车中途停车时，燃料电池系统不再供热，储氢装置温度逐渐降低，储氢材料的放氢平衡压也随之降低，当储氢装置内气态氢压高于储氢材料在此温度下的平衡压时，材料将不再放氢，当固态储氢装置内剩余氢量较低(如剩余储氢量≤30％)，材料有可能从系统内反向吸入气态氢，储氢装置内氢压降低，气态氢量减少，燃料电池再启动时无法获得压力和流量同时满足需求的氢源，进一步恶化了储氢装置冷启动时的快速响应性能。
高温条件下储氢装置内压过高引发安全隐患问题：为保证储氢装置具有较高的储氢密度，需适当提高储氢材料在罐内的装填密度，此时储氢装置的储氢量增加，装置内的死体积减少。当环境温度高或者当由于系统操作失误而对处于吸氢饱和状态的储氢装置加热时，储氢材料会吸热放氢，产生大量氢气聚集于罐内的死体积中，导致储氢装置内气压急剧上升。如在吸氢饱和状态下对装置加热放氢，装置内会产生最高温升压力。为确保储氢装置在这一极端条件下的安全使用，通常在罐体设计时，增大了罐体壁厚，从而增加了罐体重量，导致储氢装置的重量储氢密度降低，难以满足车载储氢的技术要求。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，在这一系统中，固态储氢装置既具有较高的重量储氢率，满足燃料电池汽车的续驶里程要求，同时通过系统设计，还可满足最高温升压力时的安全使用要求，满足燃料电池汽车冷启动的要求，并且避免燃料电池汽车中途停车时储氢材料对系统内的反向吸氢，进一步恶化储氢系统的冷启动问题的出现。当燃料电池汽车低温启动，储氢材料不能快速放氢时，系统仍能提供压力和流量同时满足启动要求的氢源，实现燃料电池汽车的快速启动，随后带动储氢材料的正常放氢；为应对极端条件下出现最高温升压力，避免采用传统的通过过度增加单个罐体壁厚以实现过压保护的方法，而是通过系统设计，降低储氢单罐内的温升压力在解决这一问题的同时，降低系统总重，提高系统的重量储氢率，满足车载储氢的续驶里程要求。本发明在冷/热启动时均能保证储氢装置供氢效率，实现燃料电池汽车的快速启动和轻量化生产。
本发明采用以下技术方案：
一种全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述动力系统包括固态储氢装置(1)、多功能储气罐(3)、燃料电池装置，燃料电池装置包括氢气管路(5)、燃料电池(6)、循环水泵(7)、冷水管路(9)、热水管路(8)；多功能储气罐(3)的一端与固态储氢装置(1)通过安装有单向阀(2)的管道连接，多功能储气罐(3)的另一端与燃料电池(6)通过氢气管路(5)连接，氢气管路(5)上安装有电磁阀(4)；燃料电池(6)与固态储氢装置(1)通过冷水管路(9)、热水管路(8)连接，热水管路(8)上安装循环水泵(7)。
根据上述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述单向阀(2)与固态储氢装置(1)之间的管道上安装有第一压力表(10)；氢气管路(5)上安装有第二压力表(11)、第三压力表(12)，第二压力表(11)位于多功能储气罐(3)与电磁阀(4)之间，第三压力表(12)位于燃料电池(6)与电磁阀(4)之间。
根据上述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述单向阀(2)的方向为由固态储氢装置(1)单向流入多功能储气罐(3)。
一种基于上述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，所述方法是先启动燃料电池，再打开电磁阀，使氢气从固态储氢装置经过单向阀和多功能储气罐流入燃料电池。
根据上述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，在启动环境温度为-20℃～0℃且固态储氢装置提供的压力低于0.1MPa时，多功能储气罐以2MPa～2.5MPa的初始压力独立向燃料电池供氢5min～10min。
根据上述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，当固态储氢装置在环境温度达到30℃～50℃且放氢压力超过6MPa～12MPa时，多功能储气罐将所述动力系统压力降低至5MPa以下。
根据上述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，所述多功能储气罐的体积与所述燃料电池的功率之比为(3～8)：1。
本发明的有益技术效果：(1)当系统正常工作时，固态储氢装置放氢，通过单向阀和多功能储气罐向燃料电池供氢，燃料电池固态储氢装置受其罐内金属氢化物床体传热传质的限制，其放氢流量会有一定波动，多功能储气罐可以作为固态储氢装置放出氢气的缓冲罐，提高氢源的稳定性，使其向燃料电池系统供氢的压力及流速更加平稳，满足燃料电池工作的动态响应要求。(2)在冬季气温过低或者由于系统长期处于待机状态而温度较低时，由于多功能储气罐内存有一定压力的氢气，并由单向阀阻隔，可防止氢气回流至固态储氢装置内，避免固态储氢装置对多功能储气罐的反向吸氢，导致储气罐内氢压降低，利于冷启动或再启动时的快速供氢。(3)冷启动时，多功能储气罐内的氢气向燃料电池供氢，可使燃料电池迅速启动；当燃料电池正常启动后，电堆温度升高，其散出的废热通过散热装置的热水管路引入到固态储氢装置内，提高了装置内的储氢床体温度，储氢合金粉末受热放氢，提高了储氢装置的放氢动态响应性能，同时降低了燃料电池系统散热装置的能耗，进一步提高了系统的能量利用效率。(4)在夏季炎热天气或者加温操作失误导致固态储氢装置温度过度上升时，原储存于储氢材料内的氢放出，导致储氢装置内氢压升高，当压力高于多功能储气罐的氢压时，装置内的氢气通过单向阀放入多功能储气罐内，降低装置内的温升压力，从而可以适当减小罐体设计壁厚，减轻系统总重量，降低加工难度和成本，提高系统重量储氢密度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为固态储氢装置以及加设多功能储气罐后在30℃/40℃/50℃的高温升压测试结果对比图；
图3为固态储氢装置及多功能储气罐在0℃/-10℃/-20℃的低温降压测试结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明的一种全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，包括固态储氢装置1、多功能储气罐3、燃料电池装置，燃料电池装置包括氢气管路5、燃料电池6、循环水泵7、冷水管路9、热水管路8；多功能储气罐3的一端与固态储氢装置1通过安装有多功能单向阀2的管道连接，多功能储气罐3的另一端与燃料电池6通过氢气管路5连接，氢气管路5上安装有电磁阀4。单向阀2的方向为由固态储氢装置1单向流入多功能储气罐3，防止氢气向固态储氢装置1回流。冷水管路9的一端与燃料电池6连接，冷水管路9的另一端与固态储氢装置1连接；热水管路8的一端与燃料电池6连接，热水管路8的另一端与固态储氢装置1连接。热水管路与冷水管路的两端均连接固态储氢装置和燃料电池，当燃料电池堆工作时，同时向水泵供电，循环水从冷水管路流入燃料电池，将废热吸收，并顺着热水管路流入固态储氢装置，其中热量被固态储氢装置放氢吸热过程吸收，冷水再从冷水管路流回燃料电池。热水管路8上安装循环水泵7。单向阀2与固态储氢装置1之间的管道上安装有第一压力表10，测量固态储氢装置内的氢气压力。氢气管路5上安装有第二压力表11、第三压力表12，第二压力表11位于多功能储气罐3与电磁阀4之间，测量多功能储气罐内的氢气压力；第三压力表12位于燃料电池6与电磁阀4之间，测量燃料电池进气口的氢气压力。
多功能储气罐在本发明动力系统工作过程中，具有三种功能：1)正常工作过程中，保持氢气压力和流量稳定的缓冲罐；2)低温且固态储氢装置内剩余储氢量较低时，保证燃料电池冷启动供氢的氢气保压罐；3)高温且固态储氢装置内吸氢饱和时，防止固态储氢装置过压的氢气泄压罐。
一种基于全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，包括以下步骤：先启动燃料电池6，再打开电磁阀4，使氢气从固态储氢装置1经过单向阀2和多功能储气罐3流入燃料电池。在启动环境温度为-20℃～0℃且固态储氢装置提供的压力低于0.1MPa时，多功能储气罐以2MPa～2.5MPa的初始压力独立向燃料电池供氢5min～10min。当固态储氢装置在环境温度达到30℃～50℃且放氢压力超过6MPa～12MPa时，多功能储气罐将所述动力系统压力降低至5MPa以下。多功能储气罐的体积依据燃料电池的功率确定，多功能储气罐的体积(L)与燃料电池的功率(KW)之比为(3～8)：1。在储氢总量大于30％、环境温度低于0～-20℃的条件下，本发明装置可以提供大于1.96MPa以上的启动氢气压力。
当固态储氢装置在环境温度达到30℃～50℃且放氢压力超过6MPa～12MPa时，多功能储气罐将所述动力系统压力降低至5MPa以下。
当燃料电池启动时，打开电磁阀，氢气从固态储氢装置流出，经过单向阀和多功能储气罐后流入燃料电池，供给电堆发电，多功能储气罐对氢气流量起到缓冲功能。当固态储氢装置因为温度过高而放氢过多时，多功能储气罐实现泄压功能。当固态储氢装置在低温环境停机时，由于单向阀的存在，多功能储气罐内存储的氢气不会回流至固态储氢装置。当系统在低温环境启动，固态储氢装置因为温度过低而无法放氢令燃料电池启动时，多功能储气罐内的氢气可以实现供给燃料电池启动氢气的作用。
在冷启动时本发明动力系统的启动原理包括如下步骤：
(a)当动力系统处于待机状态时，多功能储气罐3内存有一定压力的氢气，电磁阀关闭；
(b)动力系统启动时，电磁阀开启，多功能储气罐3内的气态氢气迅速向燃料电池电堆供氢，使燃料电池电堆迅速启动；
(c)当燃料电池电堆正常启动后，其散热被热水管路引入到固态储氢装置内，储氢材料粉末吸热快速放氢；
(d)当燃料电池电堆关闭时，首先关闭电磁阀，固态储氢装置在停机后温度逐渐降低，固态储氢装置内气态氢回吸于储氢材料内，装置内氢压降低，但此时由于有单向阀的限制，仍存有较高压力的原多功能储气罐内氢气不会回流到固态储氢装置内，保持了较高压力和较多氢量的氢气存放于多功能储气罐内；
(e)再次启动动力系统时，动力系统能够保证足够的氢压和氢量，满足动力系统快速启动的要求。
当本发明动力系统正常工作时，固态储氢装置放氢，通过单向阀和多功能储气罐向燃料电池供氢，燃料电池固态储氢装置受其罐内金属氢化物床体传热传质的限制，其放氢流量会有一定波动，多功能储气罐可以作为固态储氢装置放出氢气的多功能储气罐，提高氢源的稳定性，使其向燃料电池系统供氢的压力及流速更加平稳，满足燃料电池工作的动态响应要求。
在冬季低温环境中启动燃料电池时，如果固态储氢装置内的压力不足，则开始主要以多功能储气罐内氢气向燃料电池供氢，待燃料电池启动后，用燃料电池废热为固态储氢装置加热，提高固态储氢装置内温度，改善储氢材料放氢动力学性能，提高了随后的固态储氢装置供氢动态响应特性。
在夏季炎热天气或者加温操作失误导致固态储氢装置温度过度上升时，原储存于储氢材料内的氢放出，导致储氢装置内氢压升高，当压力高于多功能储气罐的氢压时，装置内的氢气通过单向阀放入多功能储气罐内，降低了储氢装置内的温升压力，从而可适当减小罐体设计壁厚，减轻系统总重量，降低加工难度和成本，提高系统重量储氢密度。
单向阀作用为避免冬季气温过低或停车冷却时，固态储氢装置内储氢材料倒吸罐内氢气，导致储氢装置内氢压降低，多功能储气罐内氢气反向流入固态储氢装置内，防止多功能储气罐内氢压的降低，以及系统的冷启动性能的恶化。
动力系统冷启动时的工作原理为：当系统处于待机状态时，多功能储气罐内存有一定压力的氢气，电磁阀关闭。系统启动时，电磁阀开启，多功能储气罐内的气态氢气迅速向燃料电池电堆供氢，使燃料电池电堆迅速启动。当燃料电池电堆正常启动后，其散热被热水管路引入到固态储氢装置内，储氢材料粉末吸热快速放氢；当燃料电池电堆关闭的时候，首先关闭电磁阀，固态储氢装置在停机后温度逐渐降低，固态储氢装置内气态氢回吸于储氢材料内，装置内氢压降低，但此时由于有单向阀的限制，仍存有较高压力的原多功能储气罐内氢气不会回流到固态储氢装置内，保持了较高压力和较多氢量的氢气存放于多功能储气罐内，在再次启动时，系统能够保证足够的氢压和氢量，满足系统快速启动的要求。
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域技术人员根据本发明内容所作的类似改进与调整在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均应视为本发明保护的范围。
实施例1
将本发明的动力系统进行高温模拟环境测试。首先将实验用固态储氢装置在室温(20℃)充氢至3MPa，待气压稳定后用循环防冻液加热，升温至30℃，通过压力表观察内部压力变化，待压力稳定后再升温至40℃，压力稳定后继续升温至50℃，固态储氢装置内压力随温度变化如图2中曲线所示，固态储氢装置内压力在30℃增压至5.412MPa，在40℃增压至8.446MPa，在50℃增压至11.812MPa。
随后将固态储氢装置与多功能储气罐串联，共同在室温(20℃)充氢至3MPa，压力稳定后共同放入水浴加热器中，升温至30℃，通过压力表观察固态储氢装置内部压力变化，待压力稳定后再升温至40℃，压力稳定后继续升温至50℃，固态储氢装置内压力随温度变化如图2中曲线所示，装置内压力在30℃增压至3.578MPa，在40℃增压至4.167MPa，在50℃增压至4.889MPa。
对比结果显示，不添加多功能储气罐的固态储氢装置，在升温至50℃后，罐内压力升至11.812MPa，接近初始压力的4倍，需要大幅提高内部储氢罐体的壁厚以确保系统安全，以免发生泄露和爆炸危险，同时，高压可能对系统零件寿命造成影响；而添加了多功能储气罐后，压力随温度上升趋势明显降低，50℃仅仅升压至4.889MPa，可以极大降低固态储氢装置内罐体的设计壁厚，同时延长系统使用寿命。
实施例2
将本发明的动力系统进行高温模拟环境测试。首先将实验用固态储氢装置和多功能储气罐串联，其间加入单向阀，单向阀方向为从固态储氢装置到多功能储气罐单向送气。在室温(20℃)充氢至3MPa，待气压稳定后用低温循环防冻液降温，通过两个压力表分别测量固态储氢装置和多功能储气罐罐体内部压力变化。由于单向阀存在，当气压降低时，多功能储气罐内的氢气不会反向流入固态储氢装置，即此过程中，固态储氢装置和多功能储气罐内的压力相对独立。降温至10℃，待压力稳定后再降温至0℃，压力稳定后继续降温至-10℃，压力稳定后继续降温至-20℃，固态储氢装置内压力随温度变化如图3中曲线所示，装置内压力在10℃压力降低至2.092MPa，在0℃压力降低至1.411MPa，在-10℃压力降低至0.913MPa，在-20℃压力降低至0.572MPa；多功能储气罐内压力随温度变化如图3中曲线所示，罐内压力在10℃压力降低至2.721MPa，在0℃压力降低至2.433MPa，在-10℃压力降低至2.135MPa，在-20℃压力降低至1.969MPa。
随后将固态储氢装置释放70％的氢气，保留30％的残留储氢量，压力稳定后测得在室温(20℃)下压力为2.621MPa，待气压稳定后用低温循环防冻液降温，降温至10℃，通过压力表测量固态储氢装置内部压力变化，待压力稳定后再降温至0℃，压力稳定后继续降温至-10℃，压力稳定后继续降温至-20℃，固态储氢装置内压力随温度变化如图3中曲线所示，装置内压力在10℃压力降低至1.592MPa，在0℃压力降低至0.436MPa，在-10℃时，装置内压力已经降低至0.001MPa以下。
对比结果显示，不添加多功能储气罐的固态储氢装置，如果是满氢气状态，在降温至-20℃后，罐内压力依然有0.572MPa，而燃料电池启动压力只需高于0.2MPa，所以仍然能在低温环境启动。但是当固态储氢装置内的储氢量为30％时，在-10℃条件下就会降低至接近0MPa，无法为燃料电池提供氢气，而此时多功能储气罐内的氢气由于有单向阀存在，阻断了氢气向固态储氢装置回流，罐内氢气总量不变，因此气压可以在-20℃时保持1.969MPa，可以为燃料电池提供足量的启动氢气。
实施例1-2表明，在固态储氢装置和燃料电池之间设置多功能储气罐，在升温至50℃后，压力随温度上升趋势较为平缓，最大温升压力不高于5MPa，因此不需要额外增加罐体的厚度以确保系统安全，可以极大降低固态储氢系统的设计厚度，延长系统使用寿命；在满氢气状态下，降温至-20℃后，固态储氢装置内压力仍高于燃料电池启动压力，但在氢气存量≤30％的状态下，降温至-10℃后，固态储氢装置内的氢气压力已经低于燃料电池启动压力，而多功能储气罐在-20℃时，罐内的氢气压力依然接近2MPa，可以为燃料电池启动提供充足的氢气。
由此，在冬季气温过低环境停机时，单向阀可防止固态储氢装置反向吸氢，当低温启动而储氢量不足导致固态储氢装置内压力过低时，多功能储气罐内的氢气可使燃料电池迅速启动；在夏季炎热天气或者加温操作失误导致固态储氢装置温度过度上升时，多功能储气罐可以分担系统压力，从而减少罐体壁厚，提高重量储氢密度。

Claims (7)

1.一种全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述动力系统包括固态储氢装置(1)、多功能储气罐(3)、燃料电池装置，燃料电池装置包括氢气管路(5)、燃料电池(6)、循环水泵(7)、冷水管路(9)、热水管路(8)；多功能储气罐(3)的一端与固态储氢装置(1)通过安装有单向阀(2)的管道连接，多功能储气罐(3)的另一端与燃料电池(6)通过氢气管路(5)连接，氢气管路(5)上安装有电磁阀(4)；燃料电池(6)与固态储氢装置(1)通过冷水管路(9)、热水管路(8)连接，热水管路(8)上安装循环水泵(7)。
2.根据权利要求1所述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述单向阀(2)与固态储氢装置(1)之间的管道上安装有第一压力表(10)；氢气管路(5)上安装有第二压力表(11)、第三压力表(12)，第二压力表(11)位于多功能储气罐(3)与电磁阀(4)之间，第三压力表(12)位于燃料电池(6)与电磁阀(4)之间。
3.根据权利要求1所述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述单向阀(2)的方向为由固态储氢装置(1)单向流入多功能储气罐(3)。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，所述方法是先启动燃料电池，再打开电磁阀，使氢气从固态储氢装置经过单向阀和多功能储气罐流入燃料电池。
5.根据权利要求4所述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，在启动环境温度为-20℃～0℃且固态储氢装置提供的压力低于0.1MPa时，多功能储气罐以2MPa～2.5MPa的初始压力独立向燃料电池供氢5min～10min。
6.根据权利要求4所述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，当固态储氢装置在环境温度达到30℃～50℃且放氢压力超过6MPa～12MPa时，多功能储气罐将所述动力系统压力降低至5MPa以下。
7.根据权利要求5或6所述的全天候快速响应的固态储氢燃料电池动力系统的启动方法，其特征在于，所述多功能储气罐的体积与所述燃料电池的功率之比为(3～8)：1。
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