CN113130940A - 一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，包括高压气瓶（2）和低压气瓶（1），低压气瓶（1）设有压力表A（10），高压气瓶（2）设有压力表B（11），低压气瓶（1）引出的气管依次串联截止阀A（3）、截止阀C（5）、减压阀A（8）后接入燃料电池（9）；高压气瓶（2）引出的气管依次串联截止阀B（4）、截止阀D（6）、减压阀B（7）后接入减压阀A（8）；止回阀（12）一端连接加氢口（13），另一端分别依次串联连接在截止阀A（3）和截止阀C（5）之间、截止阀B（4）和截止阀D（6）之间。本发明能使用不同压力规格的储氢瓶，设计的自由度高，并能灵活地选择低压储氢方案与低加氢成本的用氢与加氢方案。

Description

一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统
技术领域
本发明属于燃料电池汽车领域，尤其涉及一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统。
背景技术
燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）通过在车载质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）内的电化学反应产生电力，进而驱动汽车前进。该电化学反应中氧化剂源于空气中的氧气，而还原剂源于储存于气瓶中的氢气。
为了提高储氢能力，氢气瓶通常使用高压进行储存。常见的储氢压力为35MPa和70MPa。其中，35MPa的III型储氢瓶是国内应用最广的瓶型，为了满足车载用氢需求，实现较长的续航里程，通常其内部储存空间达到100-160L，相对应的，其瓶身长度可能达到1.4-1.8m长，给车内空间布置带来了严峻考验。为了提高空间利用率，可使用70MPa的储氢瓶方案。由于法规限制，国际常见的IV型70MPa储氢瓶无法在国内使用，III型70MPa储氢瓶由于材料属性与规模化问题，其成本较高，给FCV的成本控制带来了严峻考验。
另一方面，在加氢过程中，加氢站的氢气，通常储氢压力为20MPa，需要经过加压才能注入储氢瓶中，根据热力学定律可知，向更高压容器中填充气体需要更多的功，由此可见，完全使用70MPa的气瓶不仅会增加FCV的制造成本，若每次都充满70MPa的氢气瓶，其所需的加氢站能耗也将提升。虽然目前加氢站的计费方式仅以所加氢气质量计算，未考虑最终加氢的压强问题；但是，如果未来加氢需求大规模提升，不同压强填充带来的压缩机能耗问题也将扩大，未来不同压强的氢气填充有可能会面临不同的收费标准。
综上所述，完全使用35MPa氢气瓶的方案无法满足汽车的空间布置与续航里程需求，而完全使用70MPa的氢气瓶方案可能成本过高，且可能存在能量浪费的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于高压氢气瓶和低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统。
本发明的技术方案是：一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，包括高压气瓶（2）和低压气瓶（1），低压气瓶（1）设有压力表A（10），高压气瓶（2）设有压力表B（11），低压气瓶（1）引出的气管依次串联截止阀A（3）、截止阀C（5）、减压阀A（8）后接入燃料电池（9）；高压气瓶（2） 引出的气管依次串联截止阀B（4）、截止阀D（6）、减压阀B（7）后接入减压阀A（8）；止回阀（12）一端连接加氢口（13），另一端分别依次串联连接在截止阀A（3）和截止阀C（5）之间、截止阀B（4）和截止阀D（6）之间。
进一步地，还包括控制单元（14）和加氢口控制模块（17），所述控制单元（14）接入压力信号读取模块（15），并根据压力信号控制截止阀控制模块（16），加氢口控制模块（17）一端与控制单元连接、交互，另一端与加氢机（18）连接、交互。
进一步地，燃料电池（9）首先使用高压气瓶（2）中高于低压气瓶（1）最高压力部分氢气，然后将低压气瓶（1）中的氢气用完，最后再使用高压气瓶（2）中的其余氢气。
进一步地，（a）高压气瓶（2）的压力始终大于或等于低压气瓶（1）的压力；（b）用氢过程中，优先使用低压气瓶（1）的气体，直到低压气瓶（1）内氢气使用至最低限额；（c）此后，开始使用高压气瓶（2）中的氢气；（d）加氢过程中，先将空的低压气瓶（1）充至与高压气瓶（2）压力相等；（e）其后，低压气瓶（1）和高压气瓶（2）同步加至低压气瓶（1）的最高压力；（f）最后，仅对高压气瓶（2）进行填充，加至目标压力。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
（1）本发明允许车载储氢系统使用不同压力规格的储氢瓶，提高了设计的自由度。
（2）本系统能够根据加氢站的收费策略，灵活地选择低压储氢方案与低加氢成本的用氢与加氢方案。
（3）通过优先使用单个储氢瓶中氢气，减少加氢过程的能耗，提高用氢安全性。
附图说明
图1为本发明一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统结构示意图；
图2为本发明控制单元结构示意图；
图3为本发明一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统第一类实施例用氢、加氢策略示意图。
图4为本发明一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统第二类实施例用氢、加氢策略示意图。
附图标记：1、低压气瓶；2、高压气瓶；3、截止阀A；4、截止阀B；5、截止阀C；6、截止阀D；7、减压阀B；8、减压阀A；9、燃料电池；10、压力表A；11、压力表B；12、止回阀；13、加氢口；14、控制单元；15、压力信号读取模块；16、截止阀控制模块；17、加氢口控制模块；18、加氢机。
具体实施方式
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。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和图2，本发明的技术方案是：一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，包括高压气瓶2和低压气瓶1，低压气瓶1设有压力表A10，高压气瓶2设有压力表B11，低压气瓶1引出的气管依次串联截止阀A3、截止阀C5、减压阀A8后接入燃料电池9；高压气瓶2 引出的气管依次串联截止阀B4、截止阀D6、减压阀B7后接入减压阀A8；止回阀12一端连接加氢口13，另一端分别依次串联连接在截止阀A3和截止阀C5之间、截止阀B4和截止阀D6之间。
低压气瓶1，本实施例以典型的35Mpa为例，后续说明中也以35MPa为典型的低压气瓶工作压力；
高压气瓶2，本实施例以70MPa为例，后续说明中也以70MPa为典型的高压气瓶工作压力；
气瓶具体为I，II，III或IV型瓶。更广泛地，两个气瓶为任何一种高低压气瓶的组合，其满足：低压气瓶具备明显的成本优势，高压气瓶具备明显的体积优势，且高压气瓶与低压气瓶合计氢气装载量满足燃料电池汽车的续航里程需求。优选地，高、低压气瓶数量为任意个，且可出现中间规格的气瓶。
截止阀A3，用于控制低压气瓶1与主体气路的通断；为了保证用气安全，该截止阀通常采用气动阀门；
截止阀B4，用于控制高压气瓶2与主体气路的通断；为了保证用气安全，该截止阀通常采用气动阀门；
截止阀C5，主要用于防止加氢过程中，加氢机18给出的氢气通过低压气瓶供气过程中所需使用气路，直接通到后续燃料电池系统；
截止阀D6，主要用于防止加氢过程中，加氢机18给出的氢气通过高压气瓶供气过程中所需使用气路，直接通到后续燃料电池系统；
高压减压阀7，用于将高压气瓶2所供高压氢气减压至低压气瓶1供气压力；
低压减压阀8，用于将低压气瓶1或经过高压减压阀7减压后的气体减压至燃料电池所需的工作压力；
高压减压阀7与低压减压阀8可以由多个不同级别的减压阀组合而成，从而降低管路压力。
燃料电池9，为供气的目标设备，使用较低压的氢气完成氧化还原反应，产生电能与热能。
压力表A10，用于监测低压气瓶1压力；优选地，可增加泄压阀，限制气瓶内气压的极值以保证安全性。
压力表B11，用于检测高压气瓶2压力；
止回阀12，用于保证加氢气路的单向性，即只可从加氢机18向气瓶中输送气体；
加氢口13，用于与加氢机18上的加氢枪相连，同时，完成与加氢机18的通讯功能。
优选地，还包括控制单元14和加氢口控制模块17，所述控制单元14接入压力信号读取模块15，并根据压力信号控制截止阀控制模块16，加氢口控制模块17一端与控制单元连接、交互，另一端与加氢机18连接、交互。
优选地，针对当前氢气计价规则，燃料电池9首先使用高压气瓶2中高于低压气瓶1最高压力部分氢气，然后将低压气瓶1中的氢气用完，最后再使用高压气瓶2中的其余氢气。
优选地，针对可能出现的参考加氢压力进行的氢气计价规则，a高压气瓶2的压力始终大于或等于低压气瓶1的压力；b用氢过程中，优先使用低压气瓶1的气体，直到低压气瓶1内氢气使用至最低限额；c此后，开始使用高压气瓶2中的氢气；d加氢过程中，先将空的低压气瓶1充至与高压气瓶2压力相等；e其后，低压气瓶1和高压气瓶2同步加至低压气瓶1的最高压力；f最后，仅对高压气瓶2进行填充，加至目标压力。
根据气体状态方程：PV=nRT，在不考虑温度变化以及储氢罐体积变化的情况下，填充氢气的质量正比于气压变化率。
相应的，为了将相同质量的氢气注入储氢罐中，当储氢罐内原有压力越高，则所需做的功越多，理论上，加氢成本越高。虽然目前来看，国内加氢价格仅与所加注的氢气质量相关，但在可预见的未来，向不同压力的储氢罐中加注氢气必将面临不同的加氢价格。为了降低燃料电池汽车使用者的用氢成本，本发明的加氢、用氢策略具体见图3所示：
情况一：当前国内加氢价格策略，不考虑加注氢气的压强情况，仅通过所加氢气的质量计算价格。为了减少气瓶的储氢压力，采取的用氢策略可概括为：优先使用高压气瓶2中高于低压气瓶1最高压力部分氢气，其后将低压气瓶1中氢气用完，最后再使用高压气瓶2中的其余氢气。在加氢过程中，首先单独将高压气瓶2加注到低压气瓶1的最高压力，其后单独将低压气瓶1加注到最高压力了，最后单独对高压气瓶2加注到最高压力。该方案的优势在于整体来说氢气的储存压力较低。
具体实现方法如下：
（1）用氢1段：该情况下，低压气瓶1为充满状态，以35MPa为典型压力，高压气瓶2中的气体压力高于低压气瓶1的最高压力，即高压气瓶2内气体压力高于35MPa且小于或等于其最高压力70MPa，加氢口13未与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到燃料电池汽车的用氢需求和来自压力表B11的压力信号，则向截止阀B4、截止阀D6发出接通信号，向截止阀A3、截止阀C5发出断开信号，此时，气体流向为2-4-6-7-8-9，其余各路不流通；止回阀12左侧表压为0，右侧表压为高压气瓶2内压力，在压差的作用下，实现关闭。该状态以高压气瓶2内压力减至低压气瓶1最高压力35MPa或与之接近的压力为止。
（2）用氢2段：该情况下，高压气瓶2内压力约等于低压气瓶1的最高气压35MPa，加氢口13未与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到燃料电池汽车的用氢需求和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀A3、截止阀C5发出开启信号，向截止阀B4、截止阀D6发出关闭信号，此时，气体流向为1-3-5-8-9，其余各路不流通；止回阀12左侧表压为0，右侧表压为低压气瓶1内压力，在压差的作用下，实现关闭。该状态以低压气瓶1内压力减至允许的最低储存压力为止，以0代表可放出的气体用尽。
（3）用氢3段：该情况下，低压气瓶1内已无可用气体，以0代表可放出的气体用尽，加氢口13未与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到燃料电池汽车的用氢需求和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀B4、截止阀D6发出接通信号，向截止阀A3、截止阀C5发出断开信号，此时，气体流向为2-4-6-7-8-9，其余各路不流通；止回阀12左侧表压为0，右侧表压为高压气瓶2内压力，在压差的作用下，实现关闭。该状态以高压气瓶2内压力减至允许的最低储存压力为止，为保证燃料电池汽车仍有动力驶入加氢站，该条件允许的最低储存压力应高于完全无法从高压气瓶2中释放气体，经过2-4-6-7-8-9路线为燃料电池汽车提供动力。
（4）加氢1段：该情况下，燃料电池汽车的用氢情况已经经历过上述用氢3段，加氢口13与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到加氢连接信号和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀B4发出开启信号，向截止阀A3、截止阀C5、截止阀D6发出关闭信号，之后，控制单元14通过加氢口控制模块17向加氢机18发出状态确认信号和加氢请求，加氢机18按照请求向加氢口13提供相应压强的氢气，并开始计算加氢量；此时，气体流向为13-12-4-2，其余各路不流通。由于本方案为当前国内主流的不进行分段计价的加氢方案，因此，本加氢段的终止条件为高压气瓶2的压力达到低压气瓶1最高压力35MPa。
（5）加氢2段：该情况下，加氢情况已经历加氢1段或用氢情况经历用氢2段且未经历用氢3段；加氢口13与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到加氢连接信号和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀A3发出开启信号，向截止阀B4、截止阀C5、截止阀D6发出关闭信号，之后，控制单元14通过加氢口控制模块17向加氢机18发出状态确认信号和加氢请求，加氢机18按照请求向加氢口13提供相应压强的氢气，并开始计算加氢量；此时，气体流向为13-12-3-1，其余各路不流通。本加氢段的终止条件为低压气瓶1的压力达到其最高压力35MPa。
（6）加氢3段：该情况下，加氢情况已经历加氢2段或用氢情况经历用氢1段且未经历用氢2段；加氢口13与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到加氢连接信号和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀B4发出开启信号，向截止阀A3、截止阀C5、截止阀D6发出关闭信号，之后，控制单元14通过加氢口控制模块17向加氢机18发出状态确认信号和加氢请求，加氢机18按照请求向加氢口13提供相应压强的氢气，并开始计算加氢量；此时，气体流向为13-12-4-2，其余各路不流通。本加氢段的终止条件为低高压气瓶2的压力达到其最高压力70MPa。
该方案适用于当前加氢站以加注氢气总质量计价的市场环境，可实现加氢罐的低压储存，提高安全性与设备耐用性。
情况二：该情况应对未来可能出现的加氢价格梯度化方案，由热力学第一定律可知，对于相同体积的容器，注入相同质量的气体，所需做的功正相关于容器内压强。另一方面，由于高压强需要更高转速的空压机，由此可见，向氢气罐内注入相同质量的氢气，注入前压强较低的氢气罐，所需的加注成本较低。现假设存在阶梯加氢价格如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，C 1 <C 2 <C 3 <C 4 ...<C n ，且P 1 <P 2 <P 3 <P 4 ...<P n-1 ，其中C为在P区间内的单位质量氢气价格。
本发明的加氢、用氢策略具体见图4所示，具体实现方法如下：
（1）用氢1段：该情况下，低压气瓶1、高压气瓶2中均有可输出气体，其中，由于后续所述的加氢策略控制，低压气瓶1中的气体压力必将小于或等于高压气瓶2中的压力。加氢口13未与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到燃料电池汽车的用氢需求和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀A3、截止阀C5发出开启信号，向截止阀B4、截止阀D6发出关闭信号，此时，气体流向为1-3-5-8-9，其余各路不流通；截止阀12左侧表压为0，右侧表压为低压气瓶内压力，在压差的作用下，实现关闭。该状态以低压气瓶1内压力减至允许的最低储存压力为止，以0代表可放出的气体用尽。
（2）用氢2段：该情况下，低压气瓶1内已无可用气体，以0代表可放出的气体用尽，加氢口13未与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到燃料电池汽车的用氢需求和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀截止阀B4、截止阀D6发出接通信号，向截止阀A3、截止阀C5发出断开信号，此时，气体流向为2-4-6-7-8-9，其余各路不流通；截止阀12左侧表压为0，右侧表压为高压气瓶2内压力，在压差的作用下，实现关闭。该状态以高压气瓶2内压力减至允许的最低储存压力为止，为保证燃料电池汽车仍有动力驶入加氢站，该允许的最低储存压力应高于完全无法从高压气瓶2中释放气体经过2-4-6-7-8-9路线为燃料电池汽车提供动力。
（3）加氢1段：该情况下，高压气瓶2中的压力低于低压气瓶1的最高压力35MPa，且低压气瓶1中的气体压力低于高压气瓶2的压力。该气瓶状态常见于用氢2段末期或者此前存在未进行高压充气且有过用氢行为的情况。另外，此状态还需要加氢口13与加氢枪连接。此时，控制单元14接收到加氢连接信号和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀A3发出开启信号，向截止阀B4、截止阀C5、截止阀D6发出关闭信号，之后，控制单元14通过加氢口控制模块17向加氢机18发出状态确认信号和加氢请求，加氢机18按照请求向加氢口13提供相应压强的氢气，并开始计算加氢量；此时，气体流向为13-12-3-1，其余各路不流通。本加氢段的终止条件为低压气瓶1的压力达到高压气瓶2的压力值。
（4）加氢2段：该情况下，低压气瓶1、高压气瓶2的压力相等且小于低压气瓶1的最高压力35MPa。加氢口13与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到加氢连接信号和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀A3、截止阀B4发出开启信号，向截止阀C5、截止阀D6发出关闭信号。此时，气体流向为13-12-3&4-1&2，其余各路不流通。本加氢段的终止条件为两气瓶压力达到低压气瓶1的最高压力35MPa。
（5）加氢3段：该情况下，低压气瓶1的压力已达到其最高压力35MPa，且加氢口13与加氢机18连接。此时，控制单元14接收到加氢连接信号和来自压力表A10和压力表B11的压力信号，则向截止阀B4发出开启信号，向截止阀A3、截止阀C5、截止阀D6发出关闭信号，之后，控制单元14通过加氢口控制模块17向加氢机18发出状态确认信号和加氢请求，加氢机18按照请求向加氢口13提供相应压强的氢气，并开始计算加氢量；此时，气体流向为13-12-4-2，其余各路不流通。本加氢段的终止条件为低高压气瓶2的压力达到其最高压力70MPa。
该方案适用于将参考加氢所消耗能量进行的计价规则，通过尽量多的使用低压氢气，实现填充过程中的节能要求。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，包括高压气瓶（2）和低压气瓶（1），其特征在于：低压气瓶（1）设有压力表A（10），高压气瓶（2）设有压力表B（11），低压气瓶（1）引出的气管依次串联截止阀A（3）、截止阀C（5）、减压阀A（8）后接入燃料电池（9）；高压气瓶（2） 引出的气管依次串联截止阀B（4）、截止阀D（6）、减压阀B（7）后接入减压阀A（8）；止回阀（12）一端连接加氢口（13），另一端分别依次串联连接在截止阀A（3）和截止阀C（5）之间、截止阀B（4）和截止阀D（6）之间。
2.根据权利要求1所述的一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，其特征在于：还包括控制单元（14）和加氢口控制模块（17），所述控制单元（14）接入压力信号读取模块（15），并根据压力信号控制截止阀控制模块（16），加氢口控制模块（17）一端与控制单元连接、交互，另一端与加氢机（18）连接、交互。
3.根据权利要求2所述的一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，其特征在于：所述燃料电池（9）首先使用高压气瓶（2）中高于低压气瓶（1）最高压力部分氢气，然后将低压气瓶（1）中的氢气用完，最后再使用高压气瓶（2）中的其余氢气。
4.根据权利要求2所述的一种高低压氢气瓶混装的燃料电池汽车储氢系统，其特征在于：
（a）高压气瓶（2）的压力始终大于或等于低压气瓶（1）的压力；
（b）用氢过程中，优先使用低压气瓶（1）的气体，直到低压气瓶（1）内氢气使用至最低限额；
（c）此后，开始使用高压气瓶（2）中的氢气；
（d）加氢过程中，先将空的低压气瓶（1）充至与高压气瓶（2）压力相等；（e）其后，低压气瓶（1）和高压气瓶（2）同步加至低压气瓶（1）的最高压力；
（f）最后，仅对高压气瓶（2）进行填充，加至目标压力。
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