CN112701322B - 一种车载供氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载供氢系统。所述的车载供氢系统包括重整制氢单元、分离净化单元、氢气增压单元、辅助电池单元和供水单元。所述重整制氢单元包括微型重整制氢反应器，所述氢气增压单元包括膜增压装置。重整制氢单元与分离净化单元连接，分离净化单元与氢气增压单元连接，辅助电池单元与氢气增压单元连接，供水单元分别与重整制氢单元和氢气增压单元连接。车载供氢系统还包括燃料存储单元、燃料预处理单元、储气单元、气体减压单元、气体检测单元、燃料电池单元、废气吸收单元、热量交换单元/外接充电单元、车辆制动能量回收单元。本发明的车载供氢系统具有体积小、氢气纯化和加压能耗低、污染物排放少的优点。
Description
技术领域
本发明涉及车载燃料电池技术领域，特别涉及一种车载供氢系统。
背景技术
在能源和环保压力下，新能源汽车将是未来汽车的发展方向。新能源汽车主要包括四大类型：混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车和其他新能源汽车。其中氢燃料电池汽车以其较高的续航能力，能源添加便利，环保无污染的优点，是新能源汽车未来发展的重要方向。
氢燃料电池汽车的燃料为氢气，氢气的储存是氢燃料电池汽车的燃料供应的重要环节。现有的燃料电池汽车主要采用高压气瓶储存氢气燃料，为了满足实际需要的续航里程，高压气瓶的承压性能需要在700MPa以上，这不仅对高压气瓶材料提出很高的要求，同时也存在极大的安全隐患。
车载在线制氢技术被认为是解决上述问题的有效途径。目前车载制氢技术路线分为以下几种：电解水制氢，需要额外消耗电能，这对于电动车是不可取的；化石燃料重整制氢，通常制氢装置体积庞大，且氢气纯化和增压需要消耗额外的能量；金属反应制氢，但金属价格昂贵，经济性较差。由此可见，化石燃料重整制氢仍然是可行性较高的制氢解决方案。因此，需要开发一种体积小、氢气纯化和加压能耗低的车载供氢系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种车载供氢系统，该车载供氢系统具有体积小、氢气纯化和加压能耗低的优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种车载供氢系统，所述车载供氢系统包括重整制氢单元、分离净化单元、氢气增压单元、辅助电池单元和供水单元。
如图1所示，所述重整制氢单元与分离净化单元连接，分离净化单元与氢气增压单元连接，辅助电池单元与氢气增压单元连接，供水单元分别与重整制氢单元和氢气增压单元连接。
所述重整制氢单元与分离净化单元、分离净化单元与氢气增压单元、供水单元分别与重整制氢单元和氢气增压单元之间的连接是通过可流通气、液的管路连接，辅助电池单元与氢气增压单元之间的连接是通过可导电的线路连接。
所述重整制氢单元包括微型重整制氢反应器。所述微型重整制氢反应器为常压反应器，包括板式反应器、管式反应器，优选板式反应器。
重整制氢反应器的工作温度为300-400℃，板式反应器相对于管式反应器可以有效减少设备的体积。重整制氢单元产生的气体为氢气体积分数为60%-70%的混合气体，除氢气外还含有20%-25%的CO2，5%左右的CO和少量未反应的水蒸气。
所述分离净化单元包括金属钯膜钝化器，所述金属钯膜钝化器包括金属钯膜。
分离净化单元的作用为将重整制氢单元产生的混合气中的CO、CO2等气体与氢气分离。金属钯膜纯化器的基质材料为多孔陶瓷或者不锈钢，膜管长度为50-1000mm，膜管直径为5-15mm，膜厚度为5-140um，工作温度为200-400℃。
分离净化单元的氢气分离过程示意图如图4所示，氢气分子在金属钯膜钝化器混合气一侧吸附到膜表面，然后分解为氢原子，氢原子通过扩散渗透等作用穿过膜，进入膜的另一侧，氢原子再形成氢气分子，而除氢气以外的其他气体分子则无法透过膜，从而实现了氢气与CO2、CO和水蒸气的分离。
所述氢气增压单元包括膜增压装置。所述氢气增压单元的结构示意图如图5所示，包括阳极、阴极和质子交换膜。质子交换膜设置在阳极和阴极之间，其设置顺序为阳极、质子交换膜和阴极，阳极、质子交换膜和阴极将氢气增压单元分隔为两个空间，与阳极接触的空间内通入增压前的氢气，包括来自于分离净化单元的氢气，在外加电场的作用下，在与阴极接触的空间得到增压后的氢气。阳极与辅助电池单元的正极连接，阴极与辅助电池单元的负极连接。优选地，阳极和阴极与质子交换膜接触。
通过外加电场来给氢气增压的原理：类似于电堆，质子交换膜的两侧分别为阳极和阴极，在阳极侧通入未增压前的H2，H2在阳极失去电子，变成氢离子H+，氢离子可以穿过质子交换膜，并在阴极得到外加电场提供的电子，重新生成H2，通过控制外加电场的电压值，可以改变PH2，C的值，很明显的看到增加电压，阴极侧得到的氢气的压力增加。采用这种方法的氢气压力可以到达80MPa，理论计算外加电压只需要0.1V。本发明的阳极和阴极之间的电压大于0.1V。
辅助电池的作用是为氢气增压单元提供外接电场，辅助电池可以是锂离子电池、蓄电池等的一种或几种联用，辅助电池的电量来源为外接充电桩，和/或，车辆制动系统能量回收产生的电能。
供水单元由水储罐、换热器、液位监测、水泵和相关管路组成，用来收集车载供氢系统反应产生的水，并可以将这些水提供给车载供氢系统相关组成单元使用。
所述车载供氢系统还包括燃料存储单元、燃料预处理单元、储气单元、气体减压单元、气体检测单元和燃料电池单元。
燃料存储单元包括甲醇储罐，容积为30-90 L，将甲醇燃料储存于储罐中，该储罐的容易为30-90L，其内部压力为小于1MPa，温度为常温。甲醇储罐的出口安装有减压装置，用于燃料的减压，甲醇储罐中燃料为甲醇和水的溶液，甲醇质量分数为40%~70%之间。
所述燃料预处理单元中设置有过滤装置和用于含硫物质吸收及去除的装置。
燃料预处理单元的作用如下：对燃料进行过滤，确保进入重整制氢单元的燃料中没有任何颗粒杂质，因长时间运行颗粒物质会对管道和阀门产生堵塞；对甲醇中含硫物质进行吸收和去除，因硫会引起催化剂中毒。
所述储气单元包括高压氢气储存装置，材质包括碳纤维，高压氢气储存装置的入口连接有自动控制电磁阀和压力传感器，顶部有安全泄放装置，防止氢气超压，同时在泄放口连接有泄放管路，及时将泄放气体排出系统，防止氢气积累，发生爆炸等危险。
所述气体减压单元包括减压装置，高压氢气储存装置的出气口有调压装置，其作用是将氢气压力降低。所述减压装置为减压阀组。
所述气体检测单元的作用是检测进堆气体的组成，当气体组成出现异常时，发出警报指示。
所述燃料电池单元包括氢燃料电池，其作用是以氢气为燃料，将其转化为电能，为汽车提供动力来源。
如图2所示，所述燃料存储单元与燃料预处理单元连接，燃料预处理单元与重整制氢单元连接，氢气增压单元与储气单元连接，储气单元与气体减压单元连接，气体减压单元与气体检测单元连接，气体检测单元与燃料电池单元连接，供水单元还分别与燃料预处理单元和燃料电池单元连接。上述连接是通过可流通气、液的管路连接。
所述车载供氢系统还包括废气吸收单元，所述废气吸收单元与分离净化单元连接，所述废气吸收单元由催化反应器或者吸收装置组成。
废气吸收单元的作用是将系统产生的NOx和SOx等有毒有害气体，通过吸收或者催化反应降低到满足排放标准。催化反应器可以是三元催化器，有害气体发生氧化还原反应，达到无害化目的。吸收装置内设置有吸收剂，所述吸收剂包括CaO或者天然矿石。
所述车载供氢系统还包括热量交换单元，所述热量交换单元分别与重整制氢单元、氢气增压单元和燃料电池单元连接。
热量交换单元的作用是将系统中的热量回收并加以利用。主要包括重整制氢单元中的燃烧废气中的热量通过换热器收集；燃料电池单元产热收集、氢气增压单元产热收集；获得热量用来预热反应原料。
所述车载供氢系统还包括外接充电单元、车辆制动能量回收单元，所述外接充电单元、车辆制动能量回收单元分别与辅助电池单元连接。
本发明所述连接除特殊说明外，均是通过可流通气、液的管路连接。
附图说明
图1为本发明的车载供氢系统示意图；
图2为本发明的车载供氢系统一个实施例示意图；
图3为本发明的车载供氢系统另一个实施例示意图；
图4为本发明的分离净化单元工作原理示意图；
图5为本发明的氢气增压单元工作原理示意图；
其中：
1、燃料存储单元，2、燃料预处理单元，3、重整制氢单元，4、分离净化单元，5、氢气增压单元，6、储气单元，7、气体减压单元，8、气体检测单元，9、燃料电池单元，10、辅助电池单元，11、供水单元，12、热量交换单元，13、废气吸收单元，14、外接充电单元，15、车辆制动能量回收单元；
4-1、金属钯膜，5-1、阳极，5-2、阴极，5-3、质子交换膜。
本发明的效果
采用本发明的车载供氢系统的有益效果是：①使用微型反应器作为制氢反应器，利用具有小体积优势的金属膜过滤净化氢气，利用质子交换膜增压系统为氢气增压，使本发明的车载供氢系统体积大幅降低，为安装到常规汽车上提供可能，且降低了氢气增压的能耗；②具有热量回收和汽车制动电能回收功能，进一步降低系统的能量消耗；③具有废气吸收功能，能够大幅减少污染气体的排放，有利于环境保护。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用如图1所示的车载供氢系统，其组成及运行过程如下：
甲醇燃料经净化后，进入重整制氢单元3的微型重整制氢反应器，反应器形式为板式反应器，工作温度为400℃，产生氢气体积分数为69%的混合气，还含有21%的CO2和3%的CO以及少量反应的水蒸气；混合气进入分离净化单元4，其中设置有金属钯膜4-1钝化器，其基质材料为多孔陶瓷，膜管长度为1000mm，膜管直径为15mm，膜厚度为140um，工作温度为400℃，得到净化后的氢气；净化后的氢气进入氢气增压单元5，氢气增压单元的结构如图5所示，使用阳极5-1、阴极5-2和质子交换膜5-3，阳极5-1和阴极5-2之间的电压设置为0.22V，其电能来源于辅助电池单元10，增压后的氢气压力达到70 MPa；增压后的氢气经存储、减压、检测后，用于氢燃料电池的运行。
实施例2
本实施例采用如图2所示的车载供氢系统，其组成及运行过程如下：
燃料存储单元1中的40%的甲醇通过燃料管路进入燃料预处理单元2，经过其中的过滤装置和硫吸收剂的作用后，将燃料中的颗粒和含硫物质去除；然后进入重整制氢单元3的微型重整制氢反应器，反应器形式为管式反应器，工作温度为300℃，产生氢气体积分数为60%的混合气体，还含有20%的CO2和5%的CO以及少量反应的水蒸气；混合气进入分离净化单元4，其中设置有金属钯膜4-1钝化器，其基质材料为不锈钢，膜管长度为50mm，膜管直径为5mm，膜厚度为140um，工作温度为200℃，得到净化后的氢气；净化后的氢气进入氢气增压单元5，氢气增压单元的结构如图5所示，使用阳极5-1、阴极5-2和质子交换膜5-3，阳极5-1和阴极5-2之间的电压设置为0.3V，其电能来源于辅助电池单元10，增压后的氢气压力达到80 MPa；增压后的氢气进入储气单元6，储气单元设置有高压氢气储存装置，材质为碳纤维；储气单元的高压氢气再经过气体减压单元7的减压阀组和气体检测单元8，进入燃料电池单元9的氢燃料电池，进行氧化还原反应，产生电能，为汽车提供电能；氢燃料电池产生的水进入供水单元11，再回用于的燃料预处理单元2、重整制氢单元3、氢气增压单元5等。
实施例3
本实施例采用如图3所示的车载供氢系统，其组成及运行过程如下：
燃料存储单元1中的60%的甲醇通过燃料管路进入燃料预处理单元2，经过其中的过滤装置和硫吸收剂的作用后，将燃料中的颗粒和含硫物质去除；然后经热量交换单元12加热后，进入重整制氢单元3的微型重整制氢反应器，反应器形式为板式反应器，工作温度为360℃，产生氢气体积分数为66%的混合气体，还含有23%的CO2和4%的CO以及少量反应的水蒸气；混合气进入分离净化单元4，其中设置有金属钯膜4-1钝化器，如图4所示，其基质材料为不锈钢，膜管长度为500mm，膜管直径为10mm，膜厚度为20um，工作温度为300℃，得到净化后的氢气，产生的废气通过管道进入废气吸收单元13，其中设置有三元催化器，将其中的有害气体经催化反应变为无害气体；净化后的氢气进入氢气增压单元5，氢气增压单元的结构如图5所示，使用阳极5-1、阴极5-2和质子交换膜5-3，阳极5-1和阴极5-2之间的电压设置为0.2V，其电能来源于辅助电池单元10，辅助电池单元10的电能来自于外接充电单元14和车辆制动能量回收单元15产生的电能，增压后的氢气压力达到60 MPa；增压后的氢气进入储气单元6，储气单元设置有高压氢气储存装置，材质为碳纤维；储气单元的高压氢气再经过气体减压单元7的减压阀组和气体检测单元8，进入燃料电池单元9的氢燃料电池，进行氧化还原反应，产生电能，为汽车提供电能；氢燃料电池产生的水进入供水单元11，再回用于的燃料预处理单元2、重整制氢单元3、氢气增压单元5等。
Claims (5)
1.一种车载供氢系统，其特征在于，所述车载供氢系统包括重整制氢单元（3）、分离净化单元（4）、氢气增压单元（5）、辅助电池单元（10）和供水单元（11）；
所述重整制氢单元（3）与分离净化单元（4）连接，分离净化单元（4）与氢气增压单元（5）连接，辅助电池单元（10）与氢气增压单元（5）连接，供水单元（11）分别与重整制氢单元（3）和氢气增压单元（5）连接；
所述重整制氢单元（3）包括微型重整制氢反应器；
所述氢气增压单元（5）包括膜增压装置；
所述微型重整制氢反应器为常压反应器，包括板式反应器、管式反应器；
所述分离净化单元（4）包括金属钯膜钝化器，所述金属钯膜钝化器包括金属钯膜（4-1）；
所述氢气增压单元（5）包括阳极（5-1）、阴极（5-2）和质子交换膜（5-3）；
所述车载供氢系统还包括热量交换单元（12），所述热量交换单元（12）分别与重整制氢单元（3）、氢气增压单元（5）和燃料电池单元（9）连接；
所述车载供氢系统还包括外接充电单元（14）、车辆制动能量回收单元（15），所述外接充电单元（14）、车辆制动能量回收单元（15）分别与辅助电池单元（10）连接。
2.根据权利要求1所述的车载供氢系统，其特征在于，所述车载供氢系统还包括燃料存储单元（1）、燃料预处理单元（2）、储气单元（6）、气体减压单元（7）、气体检测单元（8）和燃料电池单元（9）；
所述燃料存储单元（1）与燃料预处理单元（2）连接，燃料预处理单元（2）与重整制氢单元（3）连接，氢气增压单元（5）与储气单元（6）连接，储气单元（6）与气体减压单元（7）连接，气体减压单元（7）与气体检测单元（8）连接，气体检测单元（8）与燃料电池单元（9）连接，供水单元（11）还分别与燃料预处理单元（2）和燃料电池单元（9）连接。
3.根据权利要求1或2所述的车载供氢系统，其特征在于，所述车载供氢系统还包括废气吸收单元（13），所述废气吸收单元（13）与分离净化单元（4）连接，所述废气吸收单元（13）由催化反应器或者吸收装置组成。
4.根据权利要求2所述的车载供氢系统，其特征在于，所述燃料存储单元（1）的容积为30-90 L，所述燃料存储单元（1）设置有减压装置。
5.根据权利要求2所述的车载供氢系统，其特征在于，所述燃料预处理单元（2）中设置有过滤装置和用于含硫物质吸收及去除的装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN101540410A (zh) * | 2009-04-29 | 2009-09-23 | 华南理工大学 | 天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电的方法及装置 |
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| CN111302306A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-06-19 | 苏州钧峰新能源科技有限公司 | 一种可用于高温燃料电池的微型甲醇重整制氢反应器 |
-
2020
- 2020-12-08 CN CN202011440714.6A patent/CN112701322B/zh active Active
Patent Citations (5)
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