CN114122458A - 氢燃料电池车辆及其供氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种供氢系统，应用于氢燃料电池车辆，所述供氢系统包括：储氢机构；膨胀机，包括进气口，出气口和连接轴；所述进气口连接所述储氢机构；能量回收组件，连接所述连接轴；减压组件，连接在所述出气口与所述氢燃料电池电堆之间；第一泄压机构，设置在所述出气口与所述减压组件之间。上述供氢系统能够提高氢气排空效率。

Description

氢燃料电池车辆及其供氢系统
技术领域
本申请涉及氢燃料电池车辆技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池车辆及其供氢系统。
背景技术
随着燃料电池技术的发展，氢燃料电池汽车已成为未来清洁能源汽车的研究热点。氢气作为燃料电池汽车的燃料，首先需要保证能够安全地存储，目前常见的储氢方式主要为高压气态储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、活性炭储氢、纳米碳管储氢等，其中最常用的储氢方式是高压气态储氢。当前乘用车储氢系统基本采用70MPa的等级，在工作时，高压氢气经过降压后提供给燃料电池。在这一过程中，若没有对高压氢气的压力能进行回收，则产生了极大的浪费，其能量利用效率不高。
目前相关方案采取的措施是在高压储氢罐与降压组件之间设置膨胀机，通过膨胀机对高压氢气进行降温降压，高压氢气在降温降压过程中产生的膨胀功被输出到发电机进行发电，降压后的氢气输送到燃料电池电堆参与阳极反应。而70MPa储氢系统在开发前期需要经常进行瓶内气体排空，但是对于增加了膨胀机，采用传统排空管路设计的供氢系统，存在排空管路释压效率低，氢气排放时间长的问题，有时排气过程需要持续几个小时，如此严重降低了开发效率。
发明内容
本发明提供了一种氢燃料电池车辆及其供氢系统，以解决或者部分解决目前带有膨胀机的供氢系统存在的氢气排空速度慢，效率低的技术问题。
为解决上述技术问题，根据本发明一个可选的实施例，提供了一种供氢系统，应用于氢燃料电池车辆，所述供氢系统包括：
储氢机构；
膨胀机，包括进气口，出气口和连接轴；所述进气口连接所述储氢机构；
能量回收组件，连接所述连接轴；
减压组件，连接在所述出气口与所述氢燃料电池电堆之间；
第一泄压机构，设置在所述出气口与所述减压组件之间。
可选的，供氢系统还包括换热机构，所述换热机构连接在所述出气口与所述减压组件之间；其中，所述第一泄压机构设置在所述出气口与所述换热机构之间。
进一步的，供氢系统还包括三通管，所述三通管包括入口，第一出口和第二出口；
所述入口连接所述出气口；
所述第一出口连接所述第一泄压机构；
所述第二出口连接所述换热机构。
进一步的，所述换热机构的换热介质通道连接驱动电机冷却液回路和燃料电池冷却循环水回路。
可选的，所述能量回收组件包括发电机和电能储存机构；所述发电机连接所述连接轴，所述电能储存机构电连接所述发电机。
进一步的，所述电能储存机构包括蓄电池和超级电容；所述超级电容与所述蓄电池并联。
可选的，供氢系统还包括第二泄压机构，所述第二泄压机构设置在所述减压组件与所述氢燃料电池电堆之间。
可选的，所述储氢机构包括储氢瓶和瓶阀，所述瓶阀设置在所述储氢瓶的出口处。
可选的，所述供氢系统还包括加氢机构，所述加氢机构设置在所述膨胀机与所述储氢机构之间。
根据本发明另一个可选的实施例，提供了一种氢燃料电池车辆，包括上述技术方案中的任一项供氢系统。
通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：
本发明提供了一种供氢系统，通过膨胀机对储氢机构中的高压氢气进行降温降压，降温降压过程中产生的膨胀功输出到能量回收装置进行回收，以实现对高压氢气的压力能的回收利用，提高了车辆的能量利用效率；经过膨胀机降温降压后的氢气再通过减压组件进行第二级减压；以使氢气压力符合氢燃料电池的入堆要求；由于第一泄压机构是设置在膨胀机出气口与所述减压组件之间的氢气管路上，与传统的将泄压机构设置在减压组件之后，电堆阳极入口之前的氢气管路的方案相比，膨胀机出气口处的氢气压力更高，氢气输运管路的口径更大，从而能够实现氢气的快速排放，显著提高供氢系统的排氢效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的供氢系统的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的供氢系统的详细示意图；
附图标记说明：
1、储氢机构；2、膨胀机；3、能量回收组件；31、发电机；32、蓄电池；33、超级电容；4、减压组件；5、第一泄压机构；6、氢燃料电池电堆；7、换热机构；8、第二泄压机构；9、加氢机构。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
对于高压气态储氢，如70MPa级的储氢方案，目前通常是将排气机构或排气管路设计在氢气减压组件之后，燃料电池电堆之前的氢气管路上，在正常工作时，此处的氢气压力约为1.2MPa。对于不带膨胀机的供氢系统，其减压组件常采用两级减压阀进行减压；而对于带有膨胀机的供氢系统，氢气实际上进行了两级减压，第一级减压是在膨胀机处进行的降温降压，第二级减压是在减压组件处进行的减压。
研究表明，之所以带有膨胀机的供氢系统存在氢排放效率低的问题，是因为膨胀机的引入，增加了供氢系统高压氢气管路中的高压氢气的残留量，而传统的排空管路设计在第二级减压的减压组件之后，此处属于低压氢气管路，氢气压力较低，其氢气排放速率小，再结合高压气瓶和气路中残留的高压氢气在从排出系统前，还要依次经过膨胀机进行膨胀降压和减压组件的两次减压过程，因此导致氢气排放时间显著增长。另一方面，根据高压氢气排放的安全操作规程，排气管路也不能直接设计到高压气瓶与膨胀机之间的高压氢气管路上。
基于上述研究基础，为了解决带有膨胀机的供氢系统存在的氢气排空速度慢，效率低的问题，在一个可选的实施例中，如图1所示，提供了一种应用于氢燃料电池车辆的供氢系统，包括：
储氢机构1；
膨胀机2，包括进气口，出气口和连接轴；所述进气口连接所述储氢机构1；
能量回收组件3，连接所述连接轴；
减压组件4，连接在所述出气口与所述氢燃料电池电堆6之间；
第一泄压机构5，设置在所述出气口与所述减压组件4之间。
储氢机构1为高压气态储氢机构，通产使用高压氢气瓶进行气态储氢。目前乘用车常用的高压气态储氢方案为70MPa级的高压气瓶存储。高压气瓶上通常集成有瓶阀，设置在所述储氢瓶的出口上，用于开启或关闭氢气供应。
膨胀机2的工作原理是对高压氢气进行绝热膨胀，气体降压膨胀过程中产生的膨胀功或机械功通过膨胀机连接轴或输出轴传输到能量回收组件3进行能量回收，能量回收后的电能可用于车载电器供能。在工作时，从高压气瓶中释放的高压氢气从膨胀机2的进气口进入，通过在膨胀机2内进行绝热膨胀实现降温降压，然后从膨胀机2的出气口输出。通过膨胀机2的降温降压，使出气口处的氢气压力降至高压气瓶中的氢气压力的10％～15％左右。对于乘用车的70MPa级储氢方案，在经过膨胀机2减压后，氢气压力约为7～10MPa。根据氢气膨胀减压需求，膨胀机2可以选用市售的活塞膨胀机2或透平膨胀机2。
在经过膨胀机2进行第一级减压后，降温降压后的氢气再通入减压组件4进行第二级减压，以符合燃料电池电堆的入堆氢气压力要求。例如，常见的燃料电池电堆的对反应氢气的压力要求为1.2MPa。减压组件4可通过减压阀实现，可选的，减压组件4还包括第一压力传感器，设置在在减压阀与氢燃料电池电堆6之间，用于检测进入电堆的氢气压力。
为了提高泄压效率，本实施例中的第一泄压机构5是设置在膨胀机2的出口管路上，相比于原先设计在减压组件4与电堆阳极入口之间的排空管路，在膨胀机2出口处的氢气管路属于高压氢气管路，其氢气压力较高(约7～10MPa)，而在进入电堆前的氢气管路属于低压氢气管路，其氢气压力约为1.2MPa。故而，将第一泄压机构5设置在膨胀机2的出口侧，既满足高压氢气排放的安全操作规程，又能更快速的进行氢气排放。利用膨胀机2出口侧相对更高的氢气压力和口径更大的氢气管路，可将原先几个小时的氢气排空时间缩短到数分钟左右，从而显著提高的供氢系统的氢气排空效率。
可选的，第一泄压机构5可以使用手动排空阀或电磁排空阀，通过手动或自动的方式实现快速排空功能。
第一泄压机构5可以直接连接在膨胀机2的出口管路上，也可以采用三通管件进行连接，三通管的入口连接膨胀机2的出气口，三通管的一个出口连接第一泄压机构5进行泄压，另一个出口连接减压组件4进行第二级的减压。
总的来说，本实施例提供了一种供氢系统，通过膨胀机2对储氢机构1中的高压氢气进行降温降压，降温降压过程中产生的膨胀功输出到能量回收装置进行回收，以实现对高压氢气的压力能的回收利用，提高了车辆的能量利用效率；经过膨胀机2降温降压后的氢气再通过减压组件4进行第二级减压；以使氢气压力符合氢燃料电池的入堆要求；由于第一泄压机构5是设置在膨胀机2出气口与所述减压组件4之间的氢气管路上，与传统的将泄压机构设置在减压组件4之后，电堆阳极入口之前的氢气管路的方案相比，膨胀机2出气口处的氢气压力更高，氢气输运管路的口径更大，从而能够实现氢气的快速排放，显著提高供氢系统的排氢效率。
由于经过膨胀机2减压会使氢气温度显著降低，因此在一些可选的实施例中，如图2所示，所述供氢系统还包括换热机构7，所述换热机构7连接在所述出气口与所述减压组件4之间。设置换热机构7的目的是将降温降压的氢气升温，以满足燃料电池电堆对参与阳极反应的氢气温度要求。在增加了换热机构7之后，需要将所述第一泄压机构5设置在所述出气口与所述换热机构7之间。换热机构7可使用市售的换热器。
在增加了换热机构7后，第一泄压机构5，膨胀机2出气口和换热机构7的连接方式同样可以采用三通管：所述三通管包括入口，第一出口和第二出口；所述入口连接所述出气口；所述第一出口连接所述第一泄压机构5；所述第二出口连接所述换热机构7。
研究表明，在使用换热机构7对减压后的氢气进行升温后，通过热量传递会使膨胀机2出口侧的氢气温度提高。根据膨胀机2的绝热膨胀原理，膨胀机2出口侧氢气温度的提高，可以使高压氢气在绝热膨胀过程中输出更多的膨胀功。通过模拟计算和试验发现，要使膨胀机2最大化的输出膨胀功，需要同时利用驱动电机和燃料电池电堆的工作产热。因此，在一些可选的实施例中，换热机构7的换热介质通道连接驱动电机冷却液回路和燃料电池冷却循环水回路。具体的，换热机构7中存在两套换热介质回路，第一换热介质回路连接驱动电机冷却液回路，导入携带驱动电机产热的冷却液进行换热；第二换热介质回路连接燃料电池冷却循环水回路，导入携带氢燃料电池反应产热的冷却水进行换热。通过利用驱动电机产热和氢燃料电池产热，使经过膨胀机2降温降压后的氢气温度提高到既能够满足燃料电池电堆的反应温度要求，又能最大化膨胀机2的膨胀功输出量的温度水平，从而进一步提高的燃料车辆的能源利用综合效率。
能量回收组件3是将膨胀机2输出的机械功转化能电能的装置，从而将高压氢气的压力能转变为电能存储。因此在一些可选的实施例中，如图2所示，所述能量回收组件3包括发电机31和电能储存机构；所述发电机31连接所述连接轴，在膨胀功的作用下进行发电；所述电能储存机构电连接所述发电机31，用于存储发电机31产生的电能，以供车辆快速启动响应使用，或车载电器，空压机等使用。
常用的电能存储机构为车载蓄电池32，但考虑到膨胀机2输出功率提高后，目前蓄电池32的容量变得不再能够满足电能存储需求，因此在一些可选的实施例中，电能储存机构还包括超级电容33，超级电容33与蓄电池32并联，用于在蓄电池32满电后存储发电机31的产电。超级电容33可选用容量在3000F以上的市售产品。
在一些可选的实施例中，如图2所示，所述供氢系统还包括第二泄压机构8，所述第二泄压机构8设置在所述减压组件4与所述氢燃料电池电堆6之间。本实施例中的第二泄压机构8的作用不再是氢气排空，而是当换热机构7与氢燃料电池电堆6之间的氢气管路出现超压时进行自动泄压，保证氢燃料电池电堆6的安全。第二泄压机构8可采用安全阀或释压阀，被设置成超过设定压力后自动释放。
在一些可选的实施例中，所述供氢系统还包括加氢机构9，所述加氢机构9设置在所述膨胀机2与所述储氢机构1之间。通过加氢机构9，对储氢机构1中的氢气进行补充。进一步的，在加氢机构9与膨胀机2之间还设置有第二压力传感器，用于检测氢气压力。
在上述供氢系统中，各组件之间的气路连接均可以是管路连接。
基于前述实施例相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，提供了一种氢燃料电池车辆，所述车辆包括前述实施例中的任一种供氢系统。
通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：
本发明提供了一种供氢系统，通过膨胀机对储氢机构中的高压氢气进行降温降压，降温降压过程中产生的膨胀功输出到能量回收装置进行回收，以实现对高压氢气的压力能的回收利用，提高了车辆的能量利用效率；经过膨胀机降温降压后的氢气再通过减压组件进行第二级减压；以使氢气压力符合氢燃料电池的入堆要求；由于第一泄压机构是设置在膨胀机出气口与所述减压组件之间的氢气管路上，与传统的将泄压机构设置在减压组件之后，电堆阳极入口之前的氢气管路的方案相比，膨胀机出气口处的氢气压力更高，氢气输运管路的口径更大，从而能够实现氢气的快速排放，显著提高供氢系统的排氢效率。
进一步的，在膨胀机与减压组件之间的氢气管路上还设置有换热机构，用于对降温降压的氢气进行升温，换热机构的热源来自驱动电机产热和燃料电池产热，结合两部分的热量来源，可以提高膨胀机出口处的氢气温度，从而使膨胀机对外做功量进一步提高，且实现了多余热量的有效利用，故而进一步提高了燃料电池车辆的能量利用效率。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种供氢系统，其特征在于，应用于氢燃料电池车辆，所述供氢系统包括：
储氢机构；
膨胀机，包括进气口，出气口和连接轴；所述进气口连接所述储氢机构；
能量回收组件，连接所述连接轴；
减压组件，连接在所述出气口与所述氢燃料电池电堆之间；
第一泄压机构，设置在所述出气口与所述减压组件之间。
2.如权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，还包括换热机构，所述换热机构连接在所述出气口与所述减压组件之间；其中，所述第一泄压机构设置在所述出气口与所述换热机构之间。
3.如权利要求2所述的供氢系统，其特征在于，还包括三通管，所述三通管包括入口，第一出口和第二出口；
所述入口连接所述出气口；
所述第一出口连接所述第一泄压机构；
所述第二出口连接所述换热机构。
4.如权利要求2所述的供氢系统，其特征在于，所述换热机构的换热介质通道连接驱动电机冷却液回路和燃料电池冷却循环水回路。
5.如权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，所述能量回收组件包括发电机和电能储存机构；所述发电机连接所述连接轴，所述电能储存机构电连接所述发电机。
6.如权利要求5所述的供氢系统，其特征在于，所述电能储存机构包括蓄电池和超级电容；所述超级电容与所述蓄电池并联。
7.如权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，还包括第二泄压机构，所述第二泄压机构设置在所述减压组件与所述氢燃料电池电堆之间。
8.如权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，所述储氢机构包括储氢瓶和瓶阀，所述瓶阀设置在所述储氢瓶的出口处。
9.如权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，还包括加氢机构，所述加氢机构设置在所述膨胀机与所述储氢机构之间。
10.一种氢燃料电池车辆，其特征在于，包括如权利要求1～9任一权项所述的供氢系统。
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