CN113871656A - 车载储氢系统与燃料电池车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车载储氢系统与燃料电池车辆。车载储氢系统为车辆的燃料电池供氢。储氢系统包括：储氢单元、控温单元、充氢单元、供氢单元、电控单元、机架单元。储氢单元由气态储氢模块与固态储氢模块组成，它们都能够充放氢循环使用。固态储氢模块中充填金属基储氢材料，控温单元调节金属基储氢材料的温度。在燃料电池启动时，由气态储氢模块向燃料电池供氢；在燃料电池稳态运行时，由固态储氢模块向燃料电池供氢。本发明采用气态储氢模块，在系统启动阶段优先工作，让整个系统快速进入稳定工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载储氢系统，以及使用该系统的设备和车辆，属于氢燃料电池技术领域。
背景技术
车载固态储氢系统是为车辆储存并稳定供应动力燃料的装置，系统将以安全性好、储氢容量高的镁基储氢材料为基础，通过氢热耦合系统来储放氢气，为燃料电池电堆供氢。并与燃料电池电堆系统结合，搭建成固态储氢-燃料电池动力系统，从而提高整个动力系统的能量密度和降低系统成本。
申请号为202011341914.6的发明专利申请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，在固态储氢装置和燃料电池之间串联了一个多功能储气罐，其具有三种功能：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。上述多功能储气罐与固态储氢装置是串联的，两者相互影响，独立工作能力不足。多功能储气罐中的氢气来自固态储氢装置供给，因此储气罐内部氢气压力不会很高，氢气储存量有限。此外，固态储氢装置不能充放氢循环使用。
申请号为202023227255.1的实用新型公开了一种车载固态储供氢系统，包括储氢容器、充氢系统、供氢系统、冷却系统、加热系统。储氢容器内设置有具有吸氢能力的固态材料，充氢系统、供氢系统均与储氢容器连通。冷却系统与储氢容器连通并形成冷却回路；加热系统与储氢容器连通并形成加热回路，用于在供氢前加热储氢容器，使得储氢容器内的固态材料释放氢气。固态材料需要被加热到较高温度才能释放氢气，在此之前燃料电池无法启动。因此，本实用新型提供的固态储供氢系统不能快速启动，其实并不适合在汽车上使用。
综上可知，现有的固态储氢系统不能同时满足循环充放和快速启动两个技术要求，因此尚未实现在汽车上的大规模使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的固态储氢系统不能同时满足循环充放和快速启动。
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面，提供了一种车载储氢系统，包括：
储氢单元，其由气态储氢模块与固态储氢模块组成；气态储氢模块用于容纳氢气，固态储氢模块内部装有金属基储氢材料；储氢单元能够充放氢循环使用，且气态储氢模块与固态储氢模块各自能够独立充氢或放氢；
控温单元，用于调节金属基储氢材料的温度；
充氢单元，其连接至储氢单元，用于向储氢单元充氢；
供氢单元，其连接至储氢单元，用于供氢；
电控单元，用于监控储氢系统的运行；
机架单元，用于承载储氢单元、控温单元、充氢单元、供氢单元以及电控单元。
在一些实施例中，车载储氢系统用于向燃料电池供氢；储氢单元被配置为：在燃料电池启动时，由气态储氢模块向燃料电池供氢；在燃料电池稳态运行时，由固态储氢模块向燃料电池供氢。
在一些实施例中，控温单元包括催化燃烧装置、冷却装置和导热液循环管路，导热液循环管路连接催化燃烧器、冷却装置与固态储氢单元；催化燃烧装置被配置为：在燃料电池启动时，接收源自气态储氢模块释放的氢气作为燃料；在燃料电池稳态运行时，接收源自固态储氢模块释放的氢气作为燃料。
在一些实施例中，气态储氢模块带有第一集成瓶阀，固态储氢模块带有第二集成瓶阀；充氢单元包括加氢口与充氢主管，充氢主管与加氢口连接；充氢管分成以下两个充氢支管：第一充氢支管连接至第一集成瓶阀；第二充氢支管连接至第二集成瓶阀，在第二充氢支管设有第一减压阀与充氢流量控制器。
在一些实施例中，供氢单元包括：
中继管，其是回路形管；
第一受氢管，其第一端连接在第一集成瓶阀，其第二端连接在中继管的第一连接位；
第二受氢管，其第一端连接在第二集成瓶阀，其第二端连接在中继管的第二连接位；
第一出氢管，其第一端用于连接至催化燃烧器，其第二端连接在中继管的第三连接位；
第二出氢管，其第一端用于连接至燃料电池，其第二端连接在中继管的第四连接位。
在一些实施例中，在第二出氢管上安装有缓冲氢气瓶和第二减压阀。
在一些实施例中，
在中继管的第一连接位与第三连接位之间的管路上安装有第一流量控制器；
在中继管的第一连接位与第四连接位之间的管路上安装有第二流量控制器；
在中继管的第二连接位与第三连接位之间的管路上安装有第三流量控制器；
在中继管的第二连接位与第四连接位之间的管路上安装有第四流量控制器；
第一流量控制器、第二流量控制器、第三流量控制器、第四流量控制器分别接受电控单元的控制。
在一些实施例中，机架单元被隔板分为上层和下层；固态储氢模块、充氢单元的主体部分安装在下层；气态储氢模块、放氢单元的主体部分安装在上层。
本发明的第二方面，提供了一种氢燃料电池车辆，以上述车载储氢系统作为燃料来源。
本发明的有益效果：本发明采用高压气瓶作为快速启动模块，在燃料电池启动阶段为催化燃烧器提供氢气，加热固态储氢模块使其中的金属基储氢材料尽早达到放氢温度，从而释放氢气进入稳态工作阶段。本发明提供的储氢系统能够循环使用，适合用在氢燃料电池车辆上。
附图说明
图1为本发明的车载储氢系统的原理图。
图2为本发明的车载储氢系统的整体结构示意图。
图3为本发明的车载储氢系统的机架单元的结构示意图。
图4为本发明的车载储氢系统的各功能模块的结构示意图。
图5为本发明的车载储氢系统的充氢单元的结构示意图。
图6为本发明的车载储氢系统的充氢单元另一视角的结构示意图。
图7为本发明的车载储氢系统的放氢单元的结构示意图。
图8为本发明的车载储氢系统的放氢单元的氢气流向图。
图9为本发明的车载储氢系统的控温单元的结构示意图。
图10为本发明的车载储氢系统的电控单元的结构示意图。
以上各图中的附图标记如下：
100 充氢单元
110 加氢口
120 单向过滤器
130 集成机械减压阀
140 流量控制器
150 充氢主管
151 充氢支管
152 充氢支管
200 储氢单元
210 气态储氢模块
211 集成瓶阀
220 固态储氢模块
221 集成瓶阀
222 输氢管
223 氢气冷却器
300 供氢单元
311 受氢主管
312 缓冲瓶
313 二级减压阀
321 中继管路
322 中继管路
323 中继管路
324 中继管路
331 催化燃烧器进管
332 排空阀
333 出氢管口
334 排空阀
341 流量控制器
342 流量控制器
343 流量控制器
344 流量控制器
400 控温单元
410 氢气催化燃烧器
420 导热液冷却器
430 高温油泵
440 加热管路
450 冷却管路
500 电控单元
510 电控模块
520 显示屏
530 导线
600 机架单元
610 框架
620 底板
621 加氢口固定件
622 减压阀固定件
630 隔板
具体实施方式
本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
以下结合附图，详细阐述本发明的构思。
本发明提供的车载储氢系统的整体结构如图2所示，其工作原理如图1所示。车载储氢系统主要由以下几个部分组成：充氢单元100、储氢单元200、供氢单元300、控温单元400、电控单元500、机架单元600等。
为了便于观察和说明各个车载储氢系统的功能模块，图4隐去了如图3所示的机架单元600，只显示功能模块。整个车载储氢系统的功能模块集成度较高，为了便于详细说明各个单元的结构和功能，从图4中抽离出以上各个单元单独的图，分别得到图5及图6所示的充氢单元100(包括储氢单元200)，图7与图8所示的供氢单元300(包括储氢单元200)，图9所示的控温单元400，以及图10所示的电控单元500。
储氢单元200包括两个并联的储氢模块，它们彼此独立运行，既发挥了各自的优点，又弥补了各自的不足。其中一个是气态储氢模块210，能够快速启动。另一个是固态储氢模块220，单位体积的储氢密度高。气态储氢模块210与固态储氢模块220各自能够独立充氢或放氢。具体是：在燃料电池启动时，由气态储氢模块210向氢气催化燃烧器410和燃料电池供氢，因为气态储氢模块210内部储存的是可以直接使用的氢气。在燃料电池稳态运行时，由固态储氢模块向氢气催化燃烧器410和燃料电池供氢，但这需要金属氢化物持续分解放氢的过程。
气态储氢模块210优选采用35MPa高压气瓶，瓶口带有集成瓶阀211，集成瓶阀211集电磁阀、减压阀、温度/压力传感器、单向阀、泄压阀等多种功能于一体。
固态储氢模块220主要由罐体、聚氨酯保温固定层、气凝胶保温层、镁基储氢材料、导热液管路等组成。固态储氢模块220主要功能是存储和释放氢气。导热液管路穿过镁基储氢材料，其中循环流动的导热液调节镁基储氢材料的温度。在充氢过程中，固态储氢单元220通过导热液进行散热，同时加压充氢。在放氢过程中，固态储氢单元220通过导热液进行吸热，同时释放出氢气。气凝胶保温层包裹住镁基储氢材料，聚氨酯保温固定层位于罐体内壁，起固定和保护镁基储氢材料的作用。如图5和图6所示，固态储氢模块220的入口安装有输氢管222，它大部分盘绕在一起，再加装一个散热风扇，此位置形成了一个氢气冷却器。
如图5所示，充氢单元100主要由加氢口110、单向过滤器120、集成机械减压阀130、流量控制器140以及充氢管路组成。充氢主管150的一端与加氢口110连接，然后分成两路。第一路是充氢支管151，其连接至集成瓶阀211，进而向气态储氢模块210充入高压氢气。第二路是充氢支管152，其连接至集成瓶阀221，进而向固态储氢模块220充入氢气。集成机械减压阀130为充氢支管152前段的高压氢气减压，使进入固态储氢模块220的氢气压力符合要求。在充氢支管152上加装有流量控制器140，监控进入固态储氢模块220氢气量。因此，充氢单元100是一个安全、可控、可计量的充氢单元。
如图7与图8所示，供氢单元300由一系列管路和附件组成，供氢单元300主要功能是将储氢单元200中的氢气输送至给燃料电池和氢气催化燃烧器410。并且，气态储氢模块210与固态储氢模块220能够单独或同时工作。为了实现上述要求，采用一个回路形管作为中继管，其由中继管路321、中继管路322、中继管路323、中继管路324围成。进气和出气的其他管路都连接至这个回路形的中继管，整个供氢单元300的管路紧凑高效。
首先，详细说明气态储氢模块210附近管路的构造。受氢管的第一端连接在集成瓶阀211，它接受气态储氢模块210释放出的氢气，然后依靠三通连接在中继管。这样，气态储氢模块210释放出的氢气可以通过中继管路321流向催化燃烧器进管331，进而为氢气催化燃烧器410供应氢气。氢气也可以通过中继管路322流向出氢管口333，为燃料电池供应氢气。常见图8中所示的氢气流向。为了精确控制氢气流量，在中继管路321加装流量控制器341，在中继管路322加装流量控制器342，它们分别受电控单元500控制。在催化燃烧器进管331连有排空阀332。在燃料电池进管连有排空阀334。
接着，详细说明固态储氢模块220附近管路的构造。受氢主管311的第一端连接在集成瓶阀221，接受固态储氢模块220释放出的氢气，然后经过缓冲瓶312、二级减压阀313，最后依靠三通连接在中继管。这样，气态储氢模块210释放出的氢气可以通过中继管路323流向催化燃烧器进管331，进而为氢气催化燃烧器410供应氢气。氢气也可以通过中继管路324流向出氢管口333，为燃料电池供应氢气。同样常见图8中所示的氢气流向。为了精确控制氢气流量，在中继管路323加装流量控制器343，在中继管路324加装流量控制器344，它们分别受电控单元500控制。
控温单元400的主要用于控制固态储氢模块220的温度。通过氢气催化燃烧为固态储氢模块220提供热量，从而让其中的金属氢化物分解释放氢气。如图9所示，控温单元400主要由氢气催化燃烧器410、导热油冷却器420、高温油泵430、加热管路440以及冷却管路450组成。氢气催化燃烧器410以氢气为燃料，通过催化燃烧产生热量。加热管路440中充满导热液，高温油泵430让这些导热液在氢气催化燃烧器410和固态储氢模块220之间流动，将氢气催化燃烧产生的热量带入固态储氢模块220，加热固态金属氢化物。当需要冷却时，导热液冷却器420开始工作，导热液循环流动，为固态储氢模块降温。
电控单元500主要功能是协调各功能单元的工作，接收外部的输入指令，输出各单元的控制指令。电控单元500主要由电控电池模块510、显示屏520组成，导线530将两者连接。显示屏520优选是触控显示屏，既能实时显示整个燃料电池系统的工作，又能接受操作指令。
机架单元600由钢材和型材通过焊接方式连接而成，包括框架610、底板620、隔板630等。机架单元600的作用是固定车载储氢系统的各个功能单元，为各个功能单元连接成系统提供支撑和保护，保证固态储氢系统的强度、刚度、耐冲击性、抗振性等。机架单元600呈长方体形状，分为上下两层。底板620固定在框架610的底部，充氢单元100、固态储氢模块220、氢气催化燃烧器410等较大较重的零部件安装在底板620上，整套固态储氢系统的重心下移，较稳固。在底板620的边缘焊有加氢口固定件621、减压阀固定件622。隔板630固定在框架610的上层底部，供氢单元300、气态储氢模块210、加热油冷却器420等固定在隔板630。隔板630开有多个通孔供管道穿过。
车载储氢系统的工作流程描述如下：
燃料电池系统启动时，由气态储氢模块210向氢气催化燃烧器310供应氢气。集成瓶阀211接受电控单元500发出的信号打开，一部分氢气从气态储氢模块210流出进入中继管路321，经过流量控制器341，再经过催化燃烧器进管331进入氢气催化燃烧器410，这部分氢气催化燃烧产生的热量用于加热固态储氢模块220，使其温度升高到可分解产生氢气。同时，另一部分氢气从气态储氢模块210流出进入中继管路322，经过流量控制器342，最后从出氢管口333流出并进入燃料电池，实现燃料电池的快速启动，推动车辆的前进。
固态储氢模块220温度升高后，金属氢化物分解产生氢气，集成瓶阀221打开释放出氢气，此时氢气温度较高，超过了燃料电池的工作温度。氢气流经输氢管222时，被氢气冷却器223冷却至燃料电池的工作温度。氢气进入缓冲瓶312，使其流量和压力平稳，然后经过二级减压阀313。接下来，一部分氢气中继管路323，经过流量控制器343，再经过催化燃烧器进管331进入氢气催化燃烧器410，这部分氢气催化燃烧产生的热量用于加热固态储氢模块220，分解产生氢气的过程持续进行。同时，另一部分氢气进入中继管路324，经过流量控制器344，最后从出氢管口333流出并进入燃料电池，让燃料电池的持续工作产生电能，进入稳态运行阶段。
燃料电池系统启动时，氢气催化燃烧器310接受来自气态储氢模块210的氢气，进行催化燃烧，然后通过循环管路中的导热液将热量不断传送到固态储氢模块220，使其中的金属氢化物分解释放出氢气，这个分解反应是一个吸热反应，所以需对固态储氢模块220持续供热。此时，气态储氢模块210可停止工作，节约其中的氢气，已备下次启动之用。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种车载储氢系统，其特征在于，包括：
储氢单元，其由气态储氢模块与固态储氢模块组成，所述气态储氢模块用于容纳氢气，所述固态储氢模块内部装有金属基储氢材料；所述储氢单元能够充放氢循环使用，且所述气态储氢模块与固态储氢模块各自能够独立充氢或放氢；
控温单元，用于调节所述金属基储氢材料的温度；
充氢单元，其连接至所述储氢单元，用于向所述储氢单元充氢；
供氢单元，其连接至所述储氢单元，用于供氢；
电控单元，用于监控所述储氢系统运行；
机架单元，用于承载所述储氢单元、所述控温单元、所述充氢单元、所述供氢单元以及所述电控单元。
2.根据权利要求1所述的车载储氢系统，其特征在于，所述车载储氢系统用于向燃料电池供氢；所述储氢单元被配置为：在所述燃料电池启动时，由所述气态储氢模块向所述燃料电池供氢；在所述燃料电池稳态运行时，由所述固态储氢模块向所述燃料电池供氢。
3.根据权利要求2所述的车载储氢系统，其特征在于，所述控温单元包括催化燃烧装置、冷却装置和导热液循环管路，所述导热液循环管路连接所述催化燃烧器、所述冷却装置与所述固态储氢单元；
所述催化燃烧装置被配置为：在所述燃料电池启动时，接收源自所述气态储氢模块释放的氢气作为燃料；在所述燃料电池稳态运行时，接收源自所述固态储氢模块释放的氢气作为燃料。
4.根据权利要求2所述的车载储氢系统，其特征在于，所述气态储氢模块带有第一集成瓶阀，所述固态储氢模块带有第二集成瓶阀；
所述充氢单元包括加氢口与充氢管，所述充氢管与所述加氢口连接；所述充氢管分成以下两个充氢支管：第一充氢支管连接至所述第一集成瓶阀；第二充氢支管连接至所述第二集成瓶阀，在所述第二充氢支管设有第一减压阀与充氢流量控制器。
5.根据权利要求4所述的车载储氢系统，其特征在于，所述供氢单元包括：
中继管，其是回路形管；
第一受氢管，所述第一受氢管的第一端连接在所述第一集成瓶阀，所述第一受氢管的第二端连接在所述中继管的第一连接位；
第二受氢管，所述第二受氢管的第一端连接在所述第二集成瓶阀，所述第二受氢管的第二端连接在所述中继管的第二连接位；
第一出氢管，所述第一出氢管的第一端用于连接至所述催化燃烧器，所述第一出氢管的第二端连接在所述中继管的第三连接位；
第二出氢管，所述第二出氢管的第一端用于连接至所述燃料电池，所述第二出氢管的第二端连接在所述中继管的第四连接位。
6.根据权利要求5所述的车载储氢系统，其特征在于，在所述第二出氢管上安装有缓冲氢气瓶和第二减压阀。
7.根据权利要求5所述的车载储氢系统，其特征在于，
在所述中继管的第一连接位与第三连接位之间的管路上安装有第一流量控制器；
在所述中继管的第一连接位与第四连接位之间的管路上安装有第二流量控制器；
在所述中继管的第二连接位与第三连接位之间的管路上安装有第三流量控制器；
在所述中继管的第二连接位与第四连接位之间的管路上安装有第四流量控制器；
所述第一流量控制器、所述第二流量控制器、所述第三流量控制器、所述第四流量控制器分别接受所述电控单元的控制。
8.根据权利要求3所述的车载储氢系统，其特征在于，所述机架单元被隔板分为上层和下层；所述固态储氢模块、所述充氢单元的主体部分安装在所述下层；所述气态储氢模块、所述放氢单元的主体部分安装在所述上层。
9.一种燃料电池车辆，其特征在于，包括如权利要求1所述的车载储氢系统。
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