CN115164096A - 一种氢燃料电池车用固态储供氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢燃料电池储供氢技术领域，提供一种氢燃料电池车用固态储供氢系统及方法。该系统包括控制器、固态储氢装置、稳压供氢装置、换热装置；固态储氢装置上开设有充、供氢口、冷却液进口与出口、换热液进口与出口；稳压供氢装置包括沿供氢方向设置在供氢管道上的第一压力传感器、减压器、电磁阀、比例阀、第二压力传感器、止回阀；换热装置包括沿换热液流向设置在换热管道上的温度传感器、循环泵、节温器、换热器，节温器的另一出液口与换热管道的进液段通过加热管道连通，加热管道上设置加热器，换热器的热媒进出口分别与燃料电池的冷却水出入口连通。本发明能够降低充储氢压力、装置体积，实现低温响应、稳压快速安全供氢及热量综合利用。

Description

一种氢燃料电池车用固态储供氢系统及方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池车用储供氢技术领域，尤其是涉及一种氢燃料电池车用固态储供氢系统及方法。
背景技术
目前，氢燃料电池车主要采用高压气瓶进行储供氢，其主要选用35MPa和70MPa的高压氢气瓶。高压气瓶储供氢技术相对成熟，但存在如下问题：1)配套的加氢站必须配备价格高昂的氢气增压设备和高压储存设备，且输氢管路的耐压性能要求较高；2)车载燃料电池用氢过程中，高压气瓶需要配备精密且昂贵的氢气减压部件，避免损坏燃料电池的膜电极等部件；3)氢气瓶的额定压力越高，加氢过程中的额外能耗就越大，需要额外耗费的电力就越大，在涉氢环境下也带来了安全隐患；4)高压气瓶储供氢装置，如公开号为CN113665597A的专利申请“一种有轨电车用车载供氢装置”及授权公告号为CN212510500U的专利“一种燃料电池汽车用并联连接的车载供氢系统”等中，充氢气压均为35MPa或70MPa，除了压力高外，体积大、整体外形难以调整。
与高压气瓶储供氢技术相比，固态储供氢技术中固态储氢装置采用固态储氢材料作为储氢介质，其主要通过固态储氢材料与氢气发生可逆的化学反应实现氢气的低压、高密度储存。通过单个罐体的排列组合，固态储氢装置可灵活设计成多种不同外形，其主要优势如下：1)充氢压力一般不超过5MPa，可采用长管拖车、氢气钢瓶、氢气管路等对其充氢，充氢便捷、加注成本低；2)供氢过程中，气压从0.5-5MPa减压至40-300kPa，对氢气减压部件的要求大大降低，对管路、部件的耐压要求也相对较低，可大幅降低稳压储供氢装置的成本；3)充氢过程无需消耗大量电能，根据氢气流量接入相应流量的冷却循环水，即可在1.5-5MPa范围内完成充氢。
具备上述优点的同时，固态储氢材料在某一温度下具有近似恒定的吸放氢平衡压，固态储氢装置内残余氢量与装置压力无直接线性关系，且吸放氢平衡压随温度的升高/降低而上升/下降，导致固态储供氢技术存在如下问题：1)在冬天或其它低温环境下，储氢装置的温度过低，导致装置内氢气压力低，供氢速度慢，难以满足燃料电池的启动需求；2)在启动和工作过程中，由于储氢装置内温度、供氢流量等快速变化，装置内氢气压力反复波动，常规的机械减压器难以保证输出氢气压力的稳定性。此外，现有固态储氢装置没有充分考虑与燃料电池间热量的综合利用以及燃料电池的稳压快速供氢需求。例如，公开号为CN110788329A的专利申请“含碳复合储氢合金及其制备方法、复合固态储氢罐及储放氢性能测试方法”中，使用了多种导热良好的粉末状碳材料，其具备良好的放氢性能，但仍然需要外接热源才能达到较好的放氢效果，难以实现稳压快速供氢，其它如公开号为CN110788330A、CN110788331A等的专利申请中，也存在相同的问题。
可见，迫切需要一种比高压气瓶的充氢压力低、装置体积小、外形灵活，且与普通固态储氢装置相比能够低温响应、稳压供氢、综合利用热量的氢燃料电池车用储供氢系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种氢燃料电池车用固态储供氢系统及方法，能够降低充氢压力、储氢压力、装置体积，提高供氢的纯度、安全性与便捷性，可根据需求灵活调整外形，实现低温快速响应、稳压快速安全供氢及固态储氢装置与燃料电池间热量的综合利用。
本发明的技术方案为：
一种氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，包括控制器、固态储氢装置1、稳压供氢装置3、换热装置4；所述固态储氢装置1上开设有充氢口、供氢口、冷却液进口、冷却液出口、换热液进口、换热液出口，所述供氢口连通有供氢管道，所述换热液进口、换热液出口通过换热管道连通；
所述稳压供氢装置3包括沿供氢方向依次设置在所述供氢管道上的第一压力传感器3-1、减压器3-4、电磁阀3-5、比例阀3-6、第二压力传感器3-8、止回阀3-7，所述供氢管道在所述第一压力传感器3-1与所述减压器3-4之间连通有泄压管道，所述泄压管道沿氢气流向依次设置有泄压阀3-2、阻火器3-3；所述换热装置4包括沿换热液流向依次设置在所述换热管道上的温度传感器4-5、循环泵4-3、节温器4-4、换热器4-2，所述节温器4-4的另一出液口与换热管道的进液段通过加热管道连通，所述加热管道上设置有加热器4-1，所述换热器4-2的热媒进口、热媒出口分别与燃料电池的冷却水散热出口、冷却水散热入口连通；
所述控制器的输入端与所述第一压力传感器3-1、第二压力传感器3-8、温度传感器4-5的输出端电连接，所述控制器的输出端与所述电磁阀3-5、比例阀3-6、循环泵4-3、加热器4-1的输入端电连接。
进一步的，所述温度传感器4-5用于测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口关闭、另一出液口打开，控制器控制加热器4-1启动；当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器4-1关闭；
所述第一压力传感器3-1用于测量供氢口氢气压力并传输给控制器，所述控制器用于在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5打开、在供氢口氢气压力低于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5关闭；所述第二压力传感器3-8用于测量供氢压力并传输给控制器，所述控制器用于根据供氢压力控制比例阀3-6的开度。
进一步的，所述节温器4-4为三通蜡式节温器或三通电磁换向阀；当所述节温器4-4为三通蜡式节温器时，所述节温器4-4与换热器4-2相连的出液口为主阀门出口、与加热器4-1相连的另一出液口为旁通阀出口；当所述节温器4-4为三通电磁换向阀时，所述控制器的输出端与所述节温器4-4的输入端电连接。
进一步的，所述供氢管道在所述比例阀3-6与所述第二压力传感器3-8之间还设置有缓冲罐3-9。
进一步的，所述缓冲罐3-9的体积为(2～8)tq，t为比例阀3-6的反应时间，单位为s，q为燃料电池对氢气的额定需求流量，单位为L/s。
进一步的，还包括充氢装置2、冷却装置5；所述充氢口连通有充氢管道，所述充氢装置2包括沿充氢方向依次设置在所述充氢管道上的充氢快插接头2-2、压力表2-1、截止阀2-3；所述冷却装置5包括分别与所述冷却液进口、冷却液出口连通的冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2，所述冷却液与所述换热液为相同的液体介质。
进一步的，所述换热液为纯净水、乙二醇类防冻液、丙三醇类防冻液中的一种或几种。
进一步的，所述固态储氢装置1包括箱体、设置在箱体内部的多层固态储氢单体，每层固态储氢单体中相邻固态储氢单体之间通过管道连通，相邻两层固态储氢单体之间并联；所述充氢口、供氢口开设在所述箱体上，最上层固态储氢单体中有两个固态储氢单体分别与所述充氢口、供氢口连通；所述箱体外包覆有保温层。
进一步的，所述固态储氢单体内装填的固态储氢材料为钛系AB2型、钛系AB型、稀土系AB3型、稀土系AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物、氨硼烷中的一种或几种。
一种使用所述氢燃料电池车用固态储供氢系统进行储供氢的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1：开启冷却液循环
将冷却设备与冷却液进口、冷却液出口连通，开启外接冷却液循环；
步骤2：充氢
将氢源与充氢口连通，进行充氢操作，充氢完毕后，先断开氢源，再断开外接冷却液循环；
步骤3：供氢准备
控制器控制循环泵4-3启动，温度传感器4-5测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口关闭、另一出液口打开，控制器控制加热器4-1启动以对加热管道内的换热液进行加热；
步骤4：供氢
换热液温度升高后，对固态储氢装置1加热，当固态储氢装置1升温至放氢温度时，固态储氢材料吸热放氢，氢气从固态储氢装置1进入供氢管道，第一压力传感器3-1测量供氢口氢气压力并传输给控制器，控制器在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5打开，氢气经减压器3-4减压后流经电磁阀3-5、比例阀3-6、止回阀3-7进入燃料电池，第二压力传感器3-8测量供氢压力并传输给控制器，控制器根据供氢压力控制比例阀3-6的开度，使供氢压力稳定在燃料电池需求的压力；
步骤5：废热利用
当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器4-1关闭；燃料电池内部冷却水通过散热管道进入换热器4-2形成冷却水循环，换热液经换热器4-2吸收冷却水带来的燃料电池废热，保证固态储氢装置1持续供氢。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设置固态储氢装置用于储供氢，与高压气瓶储供氢技术相比，提高了体积储氢密度，降低了充氢压力(不超过5MPa)、储氢压力、装置体积(总体积是高压气瓶的50％-70％)，提高了供氢的纯度、安全性与便捷性，而且能够根据需求灵活调整外形。
(2)本发明通过在供氢管道上设置包括第一压力传感器、减压器、电磁阀、比例阀、第二压力传感器、止回阀的稳压供氢装置，并设置控制器，能够降低供氢压力，并自动控制供氢压力稳定在燃料电池所需的kPa级气压，实现稳压快速供氢；同时在泄压管道上设置泄压阀、阻火器组成安全气路，能够在因环境超温或其他意外情况导致固态储氢装置内氢气压力超标时，泄压阀自动打开，通过阻火器将超压的氢气逸散，实现固态储氢装置安全供氢。
(3)本发明通过在换热管道上设置包括温度传感器、循环泵、节温器、换热器的换热装置，并在节温器与换热管道的进液段之间设置加热器，能够在温度较低时利用加热器对换热液进行加热，从而使得固态储氢装置从换热液中吸热放氢，实现固态储氢装置的低温快速响应(最低可从-10℃启动)，使燃料电池具备低温环境中的快速启动能力，同时在换热器与燃料电池之间形成冷却水循环，能够在燃料电池启动一定时间后，利用燃料电池的废热使固态储氢装置稳定、持续供氢，实现固态储氢装置与燃料电池间热量的综合利用，同时减轻燃料电池的散热器的负担，而且换热器中的燃料电池循环冷却水与固态储氢装置内的换热液换热时无接触，确保了燃料电池循环冷却水的纯度。其中，节温器的设置使得：一方面，燃料电池启动初期，热量不会过早进入固态储氢装置，确保燃料电池可以迅速进入80℃左右的最佳工作温度；另一方面，固态储氢装置可以在加热器的作用下逐步升温，固态储氢装置升温完成后，节温器本身的工作原理可确保主阀门自动开启，此时阀门两侧温度相似，不会导致燃料电池内部的温度突变。
(4)本发明通过在供氢管道上比例阀与第二压力传感器之间设置缓冲罐，能够实现供氢压力的进一步缓冲，使得进入燃料电池的氢气气压更为稳定，而且氢气气流经过缓冲罐后更加稳定和平缓，有助于提升第二压力传感器的检测效果。本发明还考虑比例阀的反应时间、燃料电池对氢气的额定需求流量设计了缓冲罐的体积，使得正常工作气压下缓冲罐所容纳气量可满足燃料电池工作2～8倍的所述反应时间，足够比例阀在压力发生变化时迅速完成开度的调整，进一步提升供氢压力的稳定性。
(5)本发明通过在充氢管道上设置包括充氢快插接头、压力表、截止阀的充氢装置，同时设置冷却装置，能够实现对固态储氢装置的稳定充氢。
附图说明
图1为实施例1中本发明的氢燃料电池车用固态储供氢系统的结构原理图。
图2为实施例3中本发明的氢燃料电池车用固态储供氢系统的结构原理图。
图中，1—固态储氢装置；2—充氢装置，2-1—压力表，2-2—充氢快插接头，2-3—截止阀；3—稳压供氢装置，3-1—第一压力传感器，3-2—泄压阀，3-3—阻火器，3-4—减压器，3-5—电磁阀，3-6—比例阀，3-7—止回阀，3-8—第二压力传感器，3-9—缓冲罐；4—换热装置，4-1—加热器，4-2—换热器，4-3—循环泵，4-4—节温器，4-5—温度传感器，4-6—温度表；5—冷却装置，5-1—冷却液进液快插接头，5-2—冷却液出液快插接头；6—散热器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1所示，本发明的氢燃料电池车用固态储供氢系统包括控制器、固态储氢装置1、稳压供氢装置3、换热装置4；所述固态储氢装置1上开设有充氢口、供氢口、冷却液进口、冷却液出口、换热液进口、换热液出口，所述供氢口连通有供氢管道，所述换热液进口、换热液出口通过换热管道连通。
所述稳压供氢装置3包括沿供氢方向依次设置在所述供氢管道上的第一压力传感器3-1、减压器3-4、电磁阀3-5、比例阀3-6、第二压力传感器3-8、止回阀3-7，所述供氢管道在所述第一压力传感器3-1与所述减压器3-4之间连通有泄压管道，所述泄压管道沿氢气流向依次设置有泄压阀3-2、阻火器3-3；所述换热装置4包括沿换热液流向依次设置在所述换热管道上的温度传感器4-5、循环泵4-3、节温器4-4、换热器4-2，所述节温器4-4的另一出液口与换热管道的进液段通过加热管道连通，所述加热管道上设置有加热器4-1，所述换热器4-2的热媒进口、热媒出口分别与燃料电池的冷却水散热出口、冷却水散热入口连通。
所述控制器的输入端与所述第一压力传感器3-1、第二压力传感器3-8、温度传感器4-5的输出端电连接，所述控制器的输出端与所述电磁阀3-5、比例阀3-6、循环泵4-3、加热器4-1的输入端电连接。
本实施例1中，所述温度传感器4-5用于测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口关闭、另一出液口打开，控制器控制加热器4-1启动；当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器4-1关闭；
所述第一压力传感器3-1用于测量供氢口氢气压力并传输给控制器，所述控制器用于在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5打开、在供氢口氢气压力低于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5关闭；所述第二压力传感器3-8用于测量供氢压力并传输给控制器，所述控制器用于根据供氢压力控制比例阀3-6的开度。
本实施例1中，本发明的氢燃料电池车用固态储供氢系统还包括充氢装置2、冷却装置5。所述充氢口连通有充氢管道，所述充氢装置2包括沿充氢方向依次设置在所述充氢管道上的充氢快插接头2-2、压力表2-1、截止阀2-3。所述冷却装置5包括分别与所述冷却液进口、冷却液出口连通的冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2，所述冷却液与所述换热液为相同的液体介质。
本发明的固态储氢装置1用于氢气的低压高密度存储与持续稳定供应，设计有多个接口；固态储氢装置1与充氢装置2、冷却装置5、稳压供氢装置3、换热装置4相连接；充氢装置2实现氢气加注，冷却装置5实现氢气加注时冷却液的进出；稳压供氢装置3实现对固态储氢装置1释放出的氢气的气压及流量的控制，确保进入燃料电池的氢气稳定在所需压力及流量；换热装置4确保固态储氢装置1在供氢过程中能够持续导入热量，使氢气可以持续供应。
本发明通过设置固态储氢装置1用于储供氢，与高压气瓶储供氢技术相比，提高了体积储氢密度，降低了充氢压力(不超过5MPa)、储氢压力、装置体积(总体积是高压气瓶的50％-70％)，提高了供氢的纯度、安全性与便捷性，而且能够根据需求灵活调整外形。本实施例1中，所述固态储氢装置1包括箱体、设置在箱体内部的多层固态储氢单体。固态储氢单体以一定的排列方式固定装载入箱体中，并被换热液充分浸没；固态储氢装置1进行放氢时，换热液在循环泵4-3的推动下保持流动，与固态储氢单体进行热交换，确保热量的循环，达到控制储氢合金温度的目的。具体的，每层固态储氢单体中相邻固态储氢单体之间通过管道连通，相邻两层固态储氢单体之间并联；所述充氢口、供氢口开设在所述箱体上，最上层固态储氢单体中有两个固态储氢单体分别与所述充氢口、供氢口连通。
其中，所述箱体、固态储氢单体的材质可以为不锈钢或铝合金或其他金属，所述箱体可以外包有塑料或树脂材质或其他低热导率材料的保温层。所述固态储氢单体内装填的固态储氢材料可以为钛系AB2型、钛系AB型、稀土系AB3型、稀土系AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物、氨硼烷中的一种或几种。
本发明通过在充氢管道上设置包括充氢快插接头2-2、压力表2-1、截止阀2-3的充氢装置2，同时设置冷却装置5，能够实现对固态储氢装置1的稳定充氢。
其中，充氢快插接头2-2、压力表2-1、截止阀2-3、冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2可以集成在面板上，压力表2-1可直接显示固态储氢装置1内的气压，充氢快插接头2-2用于充氢，截止阀2-3一般为常开、特殊情况下也可关闭，冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2用于外接冷却液；面板还可以用于实时显示固态储氢装置1的出口气压、进入燃料电池的氢气气压、固态储氢装置1的剩余气量等信息。冷却液、换热液可以为纯净水、乙二醇类防冻液、丙三醇类防冻液中的一种或几种。充氢装置2中，所述充氢快插接头2-2可以为两端开闭式或两端开放式或单路开闭式，面板上可选用公头、母头中的一端；所述压力表2-1可以为圆盘式压力表或数显式压力传感器或数显式压力变送器；所述截止阀2-3可以为球阀或针阀或闸板阀。冷却装置5中，所述冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2可以为两端开闭式或两端开放式或单路开闭式，面板上可选用公头、母头中的一端。
本发明通过在供氢管道上设置包括第一压力传感器3-1、减压器3-4、电磁阀3-5、比例阀3-6、第二压力传感器3-8、止回阀3-7的稳压供氢装置3，并设置控制器，能够降低供氢压力，并自动控制供氢压力稳定在燃料电池所需的kPa级气压，实现稳压快速供氢。具体的，稳压供氢装置3中，氢气从固态储氢装置1中放出时，减压器3-4将氢气的气压减压至较低气压，但不能低于燃料电池的气压需求；通过第二压力传感器3-8监测进入燃料电池的氢气压力，根据进入燃料电池的氢气压力大小来调整比例阀3-6的开度大小从而控制氢气的流速，当燃料电池内氢气压力过低时加大开度，燃料电池内氢气压力过高时减小开度或关闭；通过第一压力传感器3-1监测固态储氢装置1的供氢口氢气压力，压力过低或过高时，均关闭电磁阀3-5。同时，泄压管道上设置的泄压阀3-2、阻火器3-3组成安全气路，在因环境超温或其他意外情况导致固态储氢装置1内氢气压力超标时，泄压阀3-2自动打开，通过阻火器3-3将超压的氢气逸散，保证固态储氢装置1安全供氢。
其中，所述第一压力传感器3-1、第二压力传感器3-8可以为薄膜式或螺纹式；所述减压器3-4可以为正作用式或反作用式，可以为单级反作用式或双级混合式(第一级为正作用式、第二级为反作用式)；所述电磁阀3-5可以为直动式或分布直动式或先导式，内部结构可以为膜片式或活塞式；所述比例阀3-6可以为比例式压力阀或比例式流量阀，采用电信号进行控制，控制信号可以为电压信号或电流信号或脉冲宽度调制信号；所述止回阀3-7可以为弹簧式或重力式或旋启式或塑料隔膜式，内部结构可以为CV型或CH型或CO型或COA型或CL型。
本发明通过在换热管道上设置包括温度传感器4-5、循环泵4-3、节温器4-4、换热器4-2的换热装置4，并在节温器4-4与换热管道的进液段之间设置加热器4-1，能够在温度较低时利用加热器4-1对换热液进行加热，从而使得固态储氢装置1从换热液中吸热放氢，实现固态储氢装置1的低温快速响应(最低可从-10℃启动)，使燃料电池具备低温环境中的快速启动能力，同时在换热器4-2与燃料电池之间形成冷却水循环，能够在燃料电池启动一定时间后，利用燃料电池的废热使固态储氢装置1稳定、持续供氢，实现固态储氢装置1与燃料电池间热量的综合利用。具体的，换热装置4中，循环泵4-3为换热液的流动提供动力，节温器4-4控制循环换热液的流向，温度传感器4-5监测换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值时，控制加热器4-1开启，为固态储氢装置1提供辅热，确保低温环境中的启动能力；换热器4-2与燃料电池的散热水路进行耦合，换热器4-2的热媒进口、热媒出口分别通过第一散热管道、第二散热管道与燃料电池的冷却水出口、冷却水入口连通，在第二散热管道上设置散热器6，能够在利用燃料电池的部分废热的同时，减轻燃料电池的散热器6的负担，而且换热器4-2中的燃料电池循环冷却水与固态储氢装置1内的换热液换热时无接触，确保了燃料电池循环冷却水的纯度。
其中，节温器4-4的设置使得：一方面，燃料电池启动初期，热量不会过早进入固态储氢装置1，确保燃料电池可以迅速进入80℃左右的最佳工作温度；另一方面，固态储氢装置1可以在加热器4-1的作用下逐步升温，固态储氢装置1升温完成后，节温器4-4本身的工作原理可确保主阀门自动开启，此时阀门两侧温度相似，不会导致燃料电池内部的温度突变。
本发明的换热管道上还可以设置温度表4-6，通过将温度表4-6集成在面板上，能够对换热液的温度进行实时显示，以方便驾驶人员根据换热液温度应对异常情况。所述温度传感器4-5可以为热电阻式或热电偶式；所述循环泵4-3可以为离心泵或潜水泵；所述节温器4-4可以为三通蜡式节温器或三通电磁换向阀；所述加热器4-1可以为PTC加热器或其它电阻加热器；所述换热器4-2可以为浮头式换热器或固定管板式换热器或U形管板换热器或板式换热器。当所述节温器4-4为三通蜡式节温器时，所述节温器4-4与换热器4-2相连的出液口为主阀门出口、与加热器4-1相连的另一出液口为旁通阀出口，节温器4-4自动根据温度开启或关闭对应的出液口，温度较低时旁通阀打开、温度达到指定温度后主阀门打开；当所述节温器4-4为三通电磁换向阀时，所述控制器的输出端与所述节温器4-4的输入端电连接，控制器根据换热液温度自动控制三通电磁换向阀的两个出液口的开闭。
本实施例1中，固态储供氢系统用于起运能力1.5吨的氢燃料电池叉车，该叉车所用燃料电池的功率为20kW，对氢气的额定需求流量为150SLPM，上限250SLPM；额定需求氢气压力为40kPa，上限为60kPa。
固态储氢装置1按照储氢量1.5kg的容量进行设计，充氢压力不超过4MPa，最低可为1.5MPa，放氢压力不低于0.7MPa；充氢时需要外接循环冷却液的温度不超过20℃，放氢时装置最理想的温度不超过80℃。固态储氢单体中盛装的储氢合金粉末为稀土系AB5型，共需要储氢合金110kg。固态储氢单体选择圆柱形罐体，长度650mm、直径70mm、壁厚3mm，数量为14根，采用不锈钢管并联连接，用于导出氢气；固态储氢单体采用错列管束的排列方式，从下至上以5-4-5阵列的组合，依次装入共14根列管；箱体采用304不锈钢材质，外形选择长方体，长度720mm、宽度420mm、高度300mm，外包保温层为特氟龙材料；箱体上具备2组进出液口，其中1组进出液口为冷却液进口、冷却液出口用于与冷却装置5相连，另1组进出液口为换热液进口、换热液出口用于与换热装置4相连；换热液选择去离子水。
面板采用长方形设计，宽度42cm、高度26cm，上有多个安装孔洞，可安装充氢快插接头2-2、压力表2-1、截止阀2-3、冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2、温度传感器4-5、温度表4-6。其中，压力表2-1选用圆盘指针式压力表，可选用量程0-5MPa之间的型号；充氢快插接头2-2选用两端开闭式快插接头，耐气压不低于15MPa；截止阀2-3选用球阀，耐压不低于15MPa；冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2选用两端开闭式快插接头，耐水压不低于0.15MPa；温度表4-6选用数显表，可带有信号输出；温度传感器4-5采用热电阻式，量程为120℃。
稳压供氢装置3分为两个支路，其中泄压阀3-2与阻火器3-3组成一路，确保整个装置气压超标时可以排放氢气；减压器3-4、电磁阀3-5、比例阀3-6、止回阀3-7组成一路，确保氢气供应参数符合燃料电池的需求，主要确保燃料电池内部气压在安全范围内，流量满足发电功率的需求。其中，泄压阀3-2的泄压压力为4.5MPa；阻火器3-3的阻火等级为IIC，耐气压不低于15MPa；减压器3-4的进口压力范围为0-15MPa，出口压力范围为0-500kPa，CV值不低于0.015；电磁阀3-5的使用压力范围为0-1.0MPa，通径2.5mm，选用常闭式设计的直动式电磁阀；比例阀3-6的使用压力范围为0-1.0MPa，选用1200Hz脉冲宽度调制信号(PWM信号)的比例流量阀，通径1.2mm；止回阀3-7的开启压力为5kPa，耐压不低于5MPa，CV值不低于0.1，通径4.8mm。
换热装置4分为两个支路，由节温器4-4的两个出液口分别连接。其中加热器4-1组成一路，确保对固态储氢装置1的主动加热；换热器4-2组成一路，确保从燃料电池中吸收废热。加热器4-1的功率为800W-2kW，选用PTC加热棒；节温器4-4的开启温度为65℃；循环泵4-3的类型为离心式，扬程12米，最大流量120L/min，可通过脉冲宽度调制信号(PWM信号)调整流速；换热器4-2的类型为板式换热器，换热功率为10kW，材质为铝合金。
本实施例1中，使用本发明的氢燃料电池车用固态储供氢系统进行储供氢的方法包括下述步骤：
步骤1：开启冷却液循环
将冷却设备与冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2通过循环水管连通，开启外接冷却液循环，循环冷却液的温度不高于20℃，流量不低于200L/min；
步骤2：充氢
选用4MPa的氢源，接入充氢快插接头2-2，进行充氢操作，充氢流量不低于2000SLPM，充氢完毕后，先将氢源拔离充氢快插接头2-2，再断开外接冷却液循环；在充氢过程中，压力表2-1测量充氢压力并显示在面板上，当充氢压力大于预设的高压阈值时关闭截止阀2-3；
步骤3：供氢准备
需要对燃料电池供氢时，控制器控制循环泵4-3启动，温度传感器4-5测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值65℃时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口关闭、另一出液口打开，从而自动关闭换热器4-2所在的支路、加热器4-1所在的支路保持开启，控制器控制加热器4-1启动以对加热管道内的换热液进行加热；
步骤4：供氢
换热液温度升高后，对固态储氢装置1加热，当固态储氢装置1升温至放氢温度60-70℃时，固态储氢材料吸热放氢，氢气从固态储氢装置1进入供氢管道，第一压力传感器3-1测量供氢口氢气压力并传输给控制器，控制器在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5打开，氢气经减压器3-4减压后流经电磁阀3-5、比例阀3-6、止回阀3-7进入燃料电池，第二压力传感器3-8测量供氢压力并传输给控制器，控制器根据供氢压力控制比例阀3-6的开度，使供氢压力稳定在燃料电池需求的压力；
步骤5：废热利用
当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器4-1关闭；燃料电池内部冷却水通过散热管道进入换热器4-2形成冷却水循环，换热液经换热器4-2吸收冷却水带来的燃料电池废热，保证固态储氢装置1持续供氢。本实施例1中，固态储氢装置1的供氢速度最快可达250SLPM，可确保20kW的燃料电池持续满功率发电。
实施例2
本实施例2中，固态储供氢系统用于载货量14-100吨的重型氢燃料电池卡车，该重型卡车所用燃料电池的功率为100kW，对氢气的额定需求流量为700SLPM，上限1500SLPM；额定需求氢气压力为120kPa，上限为200kPa。
固态储氢装置1按照储氢量25kg的容量进行设计，充氢压力不超过4MPa，最低可为3MPa，放氢压力不低于0.7MPa；充氢时需要外接循环冷却液的温度不超过20℃，放氢时装置最理想的温度不超过80℃。固态储氢单体中盛装的储氢合金粉末为稀土系AB5型，共需要储氢合金110kg。固态储氢单体选择圆柱形罐体，长度2500mm、直径89mm、壁厚3mm，数量为38根，采用不锈钢管并联连接，用于导出氢气；固态储氢单体采用错列管束的排列方式，从下至上以10-9-10-9阵列的组合，依次装入共38根列管；箱体采用304不锈钢材质，外形选择长方体，长度2800mm、宽度1200mm、高度500mm，外包保温层为特氟龙材料；箱体上具备2组进出液口，其中1组进出液口为冷却液进口、冷却液出口用于与冷却装置5相连，另1组进出液口为换热液进口、换热液出口用于与换热装置4相连；换热液选择去离子水。
面板采用长方形设计，宽度60cm、高度40cm，上有多个安装孔洞，可安装充氢快插接头2-2、压力表2-1、截止阀2-3、冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2、温度传感器4-5、温度表4-6。其中，压力表2-1选用圆盘指针式压力表，可选用量程0-10MPa之间的型号；充氢快插接头2-2选用两端开闭式快插接头，耐气压不低于15MPa；截止阀2-3选用球阀，耐压不低于15MPa；冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2选用两端开闭式快插接头，耐水压不低于0.15MPa；温度表4-6选用数显表，可带有信号输出；温度传感器4-5采用热电阻式，量程为120℃。
稳压供氢装置3分为两个支路，其中泄压阀3-2与阻火器3-3组成一路，确保整个装置气压超标时可以排放氢气；减压器3-4、电磁阀3-5、比例阀3-6、止回阀3-7组成一路，确保氢气供应参数符合燃料电池的需求，主要确保燃料电池内部气压在安全范围内，流量满足发电功率的需求。其中，泄压阀3-2的泄压压力为4.5MPa；阻火器3-3的阻火等级为IIC，耐气压不低于15MPa；减压器3-4的进口压力范围为0-15MPa，出口压力范围为0-800kPa，CV值不低于0.025；电磁阀3-5的使用压力范围为0-1.0MPa，通径不低于5mm，选用常闭式设计的直动式电磁阀；比例阀3-6的使用压力范围为0-1.0MPa，选用1200Hz脉冲宽度调制信号(PWM信号)的比例流量阀，通径不低于2mm；止回阀3-7的开启压力为5kPa，耐压不低于5MPa，CV值不低于0.2，通径不低于5mm。
换热装置4分为两个支路，由节温器4-4的两个出液口分别连接。其中加热器4-1组成一路，确保对固态储氢装置1的主动加热；换热器4-2组成一路，确保从燃料电池中吸收废热。加热器4-1的功率为15-40kW，选用PTC加热棒；节温器4-4的开启温度为65℃；循环泵4-3的类型为离心式，扬程12米，最大流量2000L/min，可通过脉冲宽度调制信号(PWM信号)调整流速；换热器4-2的类型为板式换热器，换热功率为200kW，材质为铝合金。
本实施例2中，使用本发明的氢燃料电池车用固态储供氢系统进行储供氢的方法包括下述步骤：
步骤1：开启冷却液循环
将冷却设备与冷却液进液快插接头5-1、冷却液出液快插接头5-2通过循环水管连通，开启外接冷却液循环，循环冷却液的温度不高于20℃，流量不低于2500L/min；
步骤2：充氢
选用4MPa的氢源，接入充氢快插接头2-2，进行充氢操作，充氢流量不低于1kg/min，充氢完毕后，先将氢源拔离充氢快插接头2-2，再断开外接冷却液循环；在充氢过程中，压力表2-1测量充氢压力并显示在面板上，当充氢压力大于预设的高压阈值时关闭截止阀2-3；
步骤3：供氢准备
需要对燃料电池供氢时，控制器控制循环泵4-3启动，温度传感器4-5测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值65℃时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口关闭、另一出液口打开，从而自动关闭换热器4-2所在的支路、加热器4-1所在的支路保持开启，控制器控制加热器4-1启动以对加热管道内的换热液进行加热；
步骤4：供氢
换热液温度升高后，对固态储氢装置1加热，当固态储氢装置1升温至放氢温度40-70℃时，固态储氢材料吸热放氢，氢气从固态储氢装置1进入供氢管道，第一压力传感器3-1测量供氢口氢气压力并传输给控制器，控制器在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀3-5打开，氢气经减压器3-4减压后流经电磁阀3-5、比例阀3-6、止回阀3-7进入燃料电池，第二压力传感器3-8测量供氢压力并传输给控制器，控制器根据供氢压力控制比例阀3-6的开度，使供氢压力稳定在燃料电池需求的压力；
步骤5：废热利用
当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器4-4与换热器4-2相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器4-1关闭；燃料电池内部冷却水通过散热管道进入换热器4-2形成冷却水循环，换热液经换热器4-2吸收冷却水带来的燃料电池废热，保证固态储氢装置1持续供氢。本实施例2中，固态储氢装置1的供氢速度最快可达1500SLPM，可确保100kW的燃料电池持续满功率发电。
实施例3
如图2所示，本实施例3与实施例1的不同之处在于：供氢管道在比例阀3-6与第二压力传感器3-8之间设置有缓冲罐3-9。在使用本实施例3中的固态储供氢系统为该重型卡车供氢的过程中，氢气从固态储氢装置1进入供氢管道，经减压器3-4减压后流经电磁阀3-5、比例阀3-6，进入缓冲罐3-9，最后进入燃料电池。缓冲罐3-9的设置，使得供氢压力得到进一步缓冲，从而进入燃料电池的氢气气压更为稳定，而且氢气气流经过缓冲罐3-9后更加稳定和平缓，提升了第二压力传感器3-8的检测效果。
其中，缓冲罐3-9的材质可以为铝合金或不锈钢或其他金属，缓冲罐3-9的体积可以为(2～8)tq，t为比例阀3-6的反应时间，单位为s，q为燃料电池对氢气的额定需求流量，单位为L/s。该体积的设置，使得正常工作气压下缓冲罐3-9所容纳气量可满足燃料电池工作2～8倍的所述反应时间，足够比例阀3-6在压力发生变化时迅速完成开度的调整，进一步提升供氢压力的稳定性。
本实施例3中，缓冲罐3-9的材质为铝合金；比例阀3-6的反应时间t＝0.1s，燃料电池对氢气的额定需求流量q＝150SLPM＝2.5L/s，从而缓冲罐3-9的体积可以为(2～8)tq＝0.5-2L，选取为1L，使得在正常工作气压下缓冲罐3-9所容纳气量可满足燃料电池工作4倍的所述反应时间，给比例阀3-6充足的时间进行调整。
本实施例3中，固态储氢装置1的供氢速度最快可达150SLPM，可确保20kW的燃料电池持续满功率发电。
显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，包括控制器、固态储氢装置(1)、稳压供氢装置(3)、换热装置(4)；所述固态储氢装置(1)上开设有充氢口、供氢口、冷却液进口、冷却液出口、换热液进口、换热液出口，所述供氢口连通有供氢管道，所述换热液进口、换热液出口通过换热管道连通；
所述稳压供氢装置(3)包括沿供氢方向依次设置在所述供氢管道上的第一压力传感器(3-1)、减压器(3-4)、电磁阀(3-5)、比例阀(3-6)、第二压力传感器(3-8)、止回阀(3-7)，所述供氢管道在所述第一压力传感器(3-1)与所述减压器(3-4)之间连通有泄压管道，所述泄压管道沿氢气流向依次设置有泄压阀(3-2)、阻火器(3-3)；所述换热装置(4)包括沿换热液流向依次设置在所述换热管道上的温度传感器(4-5)、循环泵(4-3)、节温器(4-4)、换热器(4-2)，所述节温器(4-4)的另一出液口与换热管道的进液段通过加热管道连通，所述加热管道上设置有加热器(4-1)，所述换热器(4-2)的热媒进口、热媒出口分别与燃料电池的冷却水散热出口、冷却水散热入口连通；
所述控制器的输入端与所述第一压力传感器(3-1)、第二压力传感器(3-8)、温度传感器(4-5)的输出端电连接，所述控制器的输出端与所述电磁阀(3-5)、比例阀(3-6)、循环泵(4-3)、加热器(4-1)的输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述温度传感器(4-5)用于测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值时，节温器(4-4)与换热器(4-2)相连的出液口关闭、另一出液口打开，控制器控制加热器(4-1)启动；当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器(4-4)与换热器(4-2)相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器(4-1)关闭；
所述第一压力传感器3-1用于测量供氢口氢气压力并传输给控制器，所述控制器用于在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀(3-5)打开、在供氢口氢气压力低于预设的压力阈值时控制电磁阀(3-5)关闭；所述第二压力传感器(3-8)用于测量供氢压力并传输给控制器，所述控制器用于根据供氢压力控制比例阀(3-6)的开度。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述节温器(4-4)为三通蜡式节温器或三通电磁换向阀；当所述节温器(4-4)为三通蜡式节温器时，所述节温器(4-4)与换热器(4-2)相连的出液口为主阀门出口、与加热器(4-1)相连的另一出液口为旁通阀出口；当所述节温器(4-4)为三通电磁换向阀时，所述控制器的输出端与所述节温器(4-4)的输入端电连接。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述供氢管道在所述比例阀(3-6)与所述第二压力传感器(3-8)之间还设置有缓冲罐(3-9)。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述缓冲罐(3-9)的体积为(2～8)tq，t为比例阀(3-6)的反应时间，单位为s，q为燃料电池对氢气的额定需求流量，单位为L/s。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，还包括充氢装置(2)、冷却装置(5)；所述充氢口连通有充氢管道，所述充氢装置(2)包括沿充氢方向依次设置在所述充氢管道上的充氢快插接头(2-2)、压力表(2-1)、截止阀(2-3)；所述冷却装置(5)包括分别与所述冷却液进口、冷却液出口连通的冷却液进液快插接头(5-1)、冷却液出液快插接头(5-2)，所述冷却液与所述换热液为相同的液体介质。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述换热液为纯净水、乙二醇类防冻液、丙三醇类防冻液中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述固态储氢装置(1)包括箱体、设置在箱体内部的多层固态储氢单体，每层固态储氢单体中相邻固态储氢单体之间通过管道连通，相邻两层固态储氢单体之间并联；所述充氢口、供氢口开设在所述箱体上，最上层固态储氢单体中有两个固态储氢单体分别与所述充氢口、供氢口连通；所述箱体外包覆有保温层。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统，其特征在于，所述固态储氢单体内装填的固态储氢材料为钛系AB2型、钛系AB型、稀土系AB3型、稀土系AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物、氨硼烷中的一种或几种。
10.一种使用权利要求1至9中任一项所述的氢燃料电池车用固态储供氢系统进行储供氢的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1：开启冷却液循环
将冷却设备与冷却液进口、冷却液出口连通，开启外接冷却液循环；
步骤2：充氢
将氢源与充氢口连通，进行充氢操作，充氢完毕后，先断开氢源，再断开外接冷却液循环；
步骤3：供氢准备
控制器控制循环泵(4-3)启动，温度传感器(4-5)测量换热管道内换热液的温度并传输给控制器，当换热液温度低于预设的温度阈值时，节温器(4-4)与换热器(4-2)相连的出液口关闭、另一出液口打开，控制器控制加热器(4-1)启动以对加热管道内的换热液进行加热；
步骤4：供氢
换热液温度升高后，对固态储氢装置(1)加热，当固态储氢装置(1)升温至放氢温度时，固态储氢材料吸热放氢，氢气从固态储氢装置(1)进入供氢管道，第一压力传感器3-1测量供氢口氢气压力并传输给控制器，控制器在供氢口氢气压力高于预设的压力阈值时控制电磁阀(3-5)打开，氢气经减压器(3-4)减压后流经电磁阀(3-5)、比例阀(3-6)、止回阀(3-7)进入燃料电池，第二压力传感器(3-8)测量供氢压力并传输给控制器，控制器根据供氢压力控制比例阀(3-6)的开度，使供氢压力稳定在燃料电池需求的压力；
步骤5：废热利用
当换热液温度达到所述温度阈值时，节温器(4-4)与换热器(4-2)相连的出液口开启、另一出液口关闭，控制器控制加热器(4-1)关闭；燃料电池内部冷却水通过散热管道进入换热器(4-2)形成冷却水循环，换热液经换热器(4-2)吸收冷却水带来的燃料电池废热，保证固态储氢装置(1)持续供氢。
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