CN115241492A - 储氢系统 - Google Patents

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CN115241492A
CN115241492A CN202111432626.6A CN202111432626A CN115241492A CN 115241492 A CN115241492 A CN 115241492A CN 202111432626 A CN202111432626 A CN 202111432626A CN 115241492 A CN115241492 A CN 115241492A
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hydrogen
gaseous hydrogen
fuel cell
compressor
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郑世权
全康植
郑贵成
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Hyundai Motor Co
Kia Corp
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Hyundai Motor Co
Kia Corp
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Abstract

一种储氢系统可以包括：存储液态氢的储存容器；连接至储存容器并连接至燃料电池系统的供应管线，该供应管线将气态氢从储存容器供应至燃料电池系统；安装在供应管线中并压缩气态氢的压缩机；连接供应管线和储存容器并允许气态氢从供应管线流动至储存容器的旁通管线；安装在旁通管线中并选择性地调节气态氢旁通流量的控制阀；设置在旁通管线中的孔口；和设置成控制控制阀的控制器，其基于燃料电池的操作条件精确地调节储存容器的供应压力和供应至燃料电池系统的氢的供应量。

Description

储氢系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年4月23日提交的韩国专利申请第10-2021-0053333号的优先权，在此为所有目的通过引用将其全文并入。
技术领域
本发明涉及一种储氢系统，更具体地，涉及一种能够基于应用燃料电池系统的机动车辆的运行条件准确地调节向燃料电池系统供应的氢的供应量和压力的低温储氢系统。
背景技术
燃料电池系统是指通过连续供应的燃料的化学反应连续产生电能的系统。燃料电池系统得以持续的研究和开发，以作为能够解决全球环境问题的替代方案。
基于用于燃料电池系统的电解质类型，燃料电池系统可以分为磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。基于运行温度、输出范围等以及使用的燃料类型，燃料电池系统可以应用于与移动电源、交通、分布式发电等相关的许多种应用领域。
在燃料电池当中，聚合物电解质膜燃料电池应用于正在开发以替代内燃机的氢气车辆(氢燃料电池车辆)领域。此外，聚合物电解质膜燃料电池的应用扩展到海洋和航空航天领域的各种机动车辆。
氢机动车辆包括通过氢和氧之间的氧化还原反应产生电力的燃料电池堆(fuelcell stack)。燃料电池系统由燃料电池堆、向燃料电池堆供应氢和空气(包括氧气)并控制燃料电池堆温度的平衡装置(balance of plant，BOP)和控制器组成。氢气车辆配置成在电动机(motor)由燃料电池堆产生的电力运行时行驶。
近来，为了增加用于燃料电池系统的每单位体积的燃料(例如，氢)的能量存储密度，已经进行许多种将液态氢存储在储存容器中并向燃料电池系统供应存储在储存容器中的氢(液态氢或气态氢)的尝试。
同时，为了有效地运行燃料电池系统，需要基于燃料电池堆的运行条件来准确地调节储存容器中存储的液态氢的汽化量以及储存容器中的压力。
也就是说，基于液态氢的汽化量和储存容器中的压力(储存容器中的压力变化取决于液态氢的汽化)，确定从储存容器供应至燃料电池系统的氢(气态氢)的供应量。因此，需要基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节液态氢的汽化量和储存容器中的压力。
因此，近来已进行了各种研究，以基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节液态氢的汽化量和储存容器中的压力，但研究结果仍然不足。因此，需要开发准确地调节液态氢的汽化量和储存容器中的压力的技术。
在本发明的背景技术部分中公开的信息仅用于增强对本发明的一般背景的理解，而不能视为认可或以任何方式暗示该信息构成了本领域技术人员已经知晓的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供一种配置成基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节供应至燃料电池系统的氢的供应量的储氢系统。
在各个方面，本发明还致力于基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节储存容器中存储的液态氢的供应量和储存容器中的压力。
在各个方面，本发明还致力于提高存储氢的效率，并且更快速地供应氢(以增加的氢气流量控制速度(hydrogen flow control speed)向燃料电池系统供应氢)。
在各个方面，本发明还致力于使氢的排放量最小化，并延迟在储存容器中存储的氢不供应至燃料电池系统的条件下将氢排放至包括储氢容器、连接管和阀的储氢系统的外部所需的时间。
在各个方面，本发明还致力于增加氢的供应流量和压力范围，并且提高能量效率。
在各个方面，本发明还致力于提高稳定性和可靠性。
示例性实施方式要实现的目的并不限于上述目的，而是还包括可从以下描述的解决方案或实施方式中理解的目的或效果。
本发明的各个方面提供一种储氢系统，其包括：储存容器，其配置成存储液态氢；供应管线，其具有连接至储存容器的第一末端部分和连接至燃料电池系统的第二末端部分，所述供应管线配置成将气态氢从储存容器供应至燃料电池系统；压缩机，其安装在供应管线中，并配置成压缩气态氢；旁通管线(bypass line)，其连接供应管线和储存容器，并配置成允许气态氢从供应管线流动至储存容器；控制阀，其安装在旁通管线中，并配置成选择性地调节气态氢的旁通流量(bypass flow rate)；孔口(orifice)，其设置在旁通管线中，并位于控制阀的下游侧；和控制器，其电连接至控制阀和压缩机，并配置成控制控制阀和压缩机。
这是为了基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节供应至燃料电池系统的氢的供应量。
也就是说，当处于液态的氢存储在储存容器中时，每单位体积的能量储存密度可以增加，但难以快速并准确地调节储存容器中的压力和储存容器中存储的液态氢的汽化量。从储存容器供应至燃料电池系统的氢(气态氢)的供应量决定于液态氢的汽化量和储存容器中的压力(储存容器中的压力变化取决于液态氢的汽化和膨胀)。因此，需要基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节液态氢的汽化量和储存容器中的压力。
通常，基于燃料电池系统的运行条件来快速并准确地调节储存容器中的压力和储存容器中存储的液态氢的汽化量是很困难的。因此，难以准确地调节供应至燃料电池系统的氢的供应量。此外，氢在低于燃料电池系统所需的氢供应压力的压力下供应，这导致氢的缺乏(starvation)，或者储存容器中的压力过度地升高，这降低了安全性和可靠性。
相比之下，根据本发明的示例性实施方式，控制阀可以基于储存容器的内部压力(或气态氢的旁通流量)来控制，由此可以调节液态氢的汽化量(储存容器的内部压力)。因此，可以基于燃料电池系统的运行条件来准确地调节液态氢的汽化量。因此，由于可以抑制气态氢沿着旁通管线过度供应(可以抑制施加于液态氢的热量过度增加)，因此可以抑制液态氢过量汽化引起的储存容器中的压力过度增加(储存容器过度膨胀)。此外，由于可以抑制气态氢沿着旁通管线以过少的量供应(可以抑制施加于液态氢的热量过度减少)，所以可以抑制液态氢汽化量过小引起的氢供应量的缺乏。因此，可以获得提高整个机动车辆的安全性和可靠性的有益效果。
在多种其他效果以外，根据本发明的示例性实施方式，旁通管线可以具有孔口，在沿着旁通管线流动的气态氢的流中产生壅塞流(choked flow)(或临界流)。因此，还可以获得更加精确地控制沿着旁通管线流动的气态氢的旁通流量的有益效果。
旁通管线可以具有配置成用于允许气态氢从供应管线流动至储存容器的各种结构。
例如，旁通管线可以设置成通过储存容器的内部，旁通管线的一个末端部分可以连接至压缩机和燃料电池系统之间的供应管线，旁通管线的另一末端部分可以连接至压缩机和储存容器之间的供应管线。作为本发明的各种示例性实施方式，旁通管线的一个末端部分可以连接至压缩机和燃料电池系统之间的供应管线，旁通管线的另一末端部分可以暴露于储存容器的内部。
根据本发明的示例性实施方式，控制器可以配置成根据储存容器的内部压力来控制控制阀。
例如，当储存容器的内部压力低于预定的参考压力时，控制器可以将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定参考流量的流量，当储存容器的内部压力高于参考压力时，控制器可以将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
压缩机的压缩比可以为1.9或更大。由于压缩机的压缩比如上所述为1.9或更大，孔口上游侧的压力和孔口下游侧的压力之间的压力比可以为1.9或更大，使得可以在孔口周围产生壅塞流。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统可以包括流量测量部件，该流量测量部件配置成测量从供应管线流动至旁通管线的气态氢的旁通流量，控制器可以配置成根据通过流量测量部件获得的测量结果来控制控制阀。
流量测量部件可以各种方式测量从供应管线流动至旁通管线的气态氢的旁通流量。
根据本发明的示例性实施方式，流量测量部件可以包括：第一压力传感器，其设置在供应管线中，安置在压缩机和储存容器之间，并且配置成测量压缩机上游侧的气态氢的压力；和第二压力传感器，其设置在供应管线中，安置在压缩机和燃料电池系统之间，并且配置成测量压缩机下游侧的气态氢的压力，并且流量测量部件可以根据通过第一压力传感器测量的气态氢的第一压力和通过第二压力传感器测量的气态氢的第二压力之间的压力比，测量气态氢的旁通流量。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统可以包括温度传感器，其设置在供应管线中，安置在压缩机和燃料电池系统之间，并且配置成测量压缩机下游侧的气态氢的温度。
由流动至旁通管线的气态氢施加于液态氢的热量Q可以由以下公式1定义。
[公式1]
Q＝C1×(P2-P1)×(T-CT)
(其中C1表示由[气态氢的比热]×[压力/流量换算系数]×[旁通管线的传热速率(heat transfer rate)]定义的系数，P2表示通过第二压力传感器测量的气态氢的第二压力，P1表示通过第一压力传感器测量的气态氢的第一压力，T表示通过温度传感器测量的气态氢的温度，CT表示储存容器的内部温度常数。)
根据本发明的示例性实施方式，当压力比(第一压力和第二压力之间的压力比)低于预定的参考压力比时，控制器可以将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
通过如上所述将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量(例如，通过增加控制阀的打开量)，可以增加从储存容器外部供应并施加于液态氢的热量。因此，可以增加液态氢的汽化量(要供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。此外，由于储存容器中的气态氢的压力通过液态氢的汽化而增加，因此可以增加储存容器中的压力。
根据本发明的示例性实施方式，当压力比(第一压力和第二压力之间的压力比)高于参考压力比时，控制器可以将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
如上所述，通过将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量(例如，通过减小控制阀的打开量或关闭控制阀)，可以减少施加于液态氢的热量。因此，可以减少液态氢的汽化量(要供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
根据本发明的示例性实施方式，当由气态氢施加于液态氢的热量Q小于预定的参考热量时，控制器可以将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定参考流量的流量，当由气态氢施加于液态氢的热量Q等于或大于预定的参考热量时，控制器可以将通过控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统可以包括：排放管线，其连接至储存容器，并配置成将气态氢排放至外部；和排放阀，其设置在排放管线中，并配置成选择性地打开或关闭排放管线。
根据本发明的示例性实施方式，在燃料电池系统运行时检测到燃料电池系统的运行停止信号(operation stop signal)的输入时，当满足在控制阀关闭旁通管线的状态下，压缩机运行直至气态氢的第一压力变为等于或低于预设的第一目标压力的条件时，可以停止燃料电池系统的运行。
这是基于以下事实：液态氢的密度随着液态氢压力的下降而增加，当液态氢的压力下降时，液态氢的体积减小，使得在储存容器中提供有用于捕获汽化的气态氢的额外空间。在结束燃料电池系统的运行的过程期间，通过降低储存容器的内部压力来增加液态氢的密度，从而通过在燃料电池系统运行结束的状态(例如，运行停止长时间段的状态)下产生增加储存容器的体积的效果，可以降低液态氢汽化引起的储存容器的内部压力增加的速度。此外，通过增加储存容器中的压力和排放阀的运行压力之间的差异，可以延迟储存容器中的压力达到排放阀的运行压力所需的时间，在上述排放阀的运行压力下排放阀开始运行。因此，可以获得储存容器的内部压力增加引起的气态氢的排放量得以最小化的有益效果。
根据本发明的示例性实施方式，第一目标压力可以定义为低于预设的运行压力的压力，在上述预设的运行压力下排放阀开始运行以打开排放管线。第一目标压力可以是排放阀的运行压力的90％或更小。
例如，第一目标压力可以定义为等于或类似于大气压的低压。第一目标压力可以定义为低于燃料电池系统正常运行时储存容器的内部压力的压力。
根据本发明的示例性实施方式，当气态氢的第二压力等于或大于第一目标压力时，可以停止压缩机的运行。
第一目标压力可以定义为低于预设的运行压力的压力，在上述预设的运行压力下排放阀开始运行。
根据本发明的示例性实施方式，在停止燃料电池系统的运行的时间点，储存容器中剩余的气态氢的剩余量HGR可以满足以下公式2。
[公式2]
HGR＝f(HCL,CP)×P1×液态氢的密度系数
(在此，f表示由储存容器的容量CP和液态氢的液位HCL确定的储存容器中气态氢的占据体积(occupation volume)的函数，P1表示通过第一压力传感器测量的气态氢的第一压力。)
例如，在储存容器为具有圆形横截面的圆柱形状，并且储存容器沿竖直方向安置的情况下，f可以满足以下公式3。在储存容器沿水平方向安置的情况下，f可以满足以下公式4。
[公式3]
f＝CP/h×(h-HCL)
(在此，HCL表示液态氢的液位(％)，CP表示储存容器的容量，h表示储存容器在竖直方向上的高度。)
[公式4]
Figure BDA0003380597950000071
(在此，HCL表示液态氢的液位(％)，CP表示储存容器的容量，r表示储存容器的直径，L表示储存容器在其水平方向上的长度。)
根据本发明的示例性实施方式，在燃料电池系统的运行停止时检测到燃料电池系统的运行开始信号的输入，并且气态氢的第一压力低于预设的第二目标压力时，当满足在控制阀打开旁通管线的状态下，压缩机运行直至气态氢的第一压力变为等于或大于第二目标压力的条件时，燃料电池系统可以运行。
这是基于以下事实：在燃料电池系统的运行结束之后，在燃料电池系统再次开始运行的时间点，储存容器的内部压力变化，这取决于从运行结束部分经历的时间、外部温度和储存容器的隔热性能。在燃料电池系统再次开始运行的过程期间，压缩机可以基于储存容器的内部压力运行。因此，可以获得在燃料电池系统再次开始运行的时间点在储存容器中更加快速地产生足够压力的有益效果。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统可以包括加热部件，其设置在供应管线中，并安置在储存容器和压缩机之间。
本发明的方法和设备具有其它特征和优点，这些特征和优点从附图和下文的具体实施方式将会是显而易见的，并在附图和下文的具体实施方式中更详细地阐述，附图并入本文，附图和下文的具体实施方式一起用于解释本发明的某些原理。
附图说明
图1是用于解释根据本发明各个示例性实施方式的储氢系统的视图。
图2是用于解释根据本发明示例性实施方式的储氢系统中的气态氢的流动的视图。
图3是用于解释根据本发明示例性实施方式的储氢系统中当检测到燃料电池系统的运行停止信号的输入时气态氢的流动的视图。
图4是用于解释根据本发明示例性实施方式的储氢系统中当检测到燃料电池系统的运行开始信号的输入时气态氢的流动的视图。
图5是用于解释根据本发明示例性实施方式的储氢系统中的旁通管线的修改示例的视图。
图6、图7和图8是用于解释根据本发明示例性实施方式的储氢系统的控制方法的流程图。
可以理解到，附图不必要成比例，而是对说明本发明基本原理的各种优选特征的略微简化的呈现。在本文公开的本发明的特定设计特征，包括，例如，特定的尺寸、方向、位置和形状将部分地由具体的既定应用和使用环境所决定。
在附图中，在通篇几张图中参考数字是指本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的各种实施方式，其实施例在附图中加以图示，并在下文加以说明。尽管本发明结合示例性实施方式进行说明，但应当理解到，本文的说明无意于将本发明限定于这些示例性实施方式。相反地，本发明不仅要涵盖本发明的示例性实施方式，还要涵盖各种变化方式、修改方式、等同方式和其他实施方式，其均如所附权利要求所定义，包括在本发明的构思和范围之内。
在下文中，将参考附图对本发明进行详细说明。
然而，本发明的技术精神并不限于本文所述的示例性实施方式，而是可以各种不同的方式实施。在本发明的技术精神的范围内，可以可选地组合和替换示例性实施方式中的一个或多个构成要素进行使用。
此外，除非另外具体、明确地定义和陈述，否则本发明示例性实施方式中使用的术语(包括技术和科学术语)均可以解释为本发明各种示例性实施方式所属的领域中普通技术人员通常可理解的含义。可以考虑相关技术的背景含义来解释常用术语的含义，诸如词典中定义的术语。
此外，在本发明的示例性实施方式中使用的术语用于对实施方式进行解释，而不用于对本发明进行限制。
在示例性实施方式中，除非另外特别说明，否则单数形式也可以包括复数形式。表达“A、B和C中的至少一个(或一个或多个)”可以包括可通过组合A、B和C形成的所有组合中的一个或多个。
此外，诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语可以用于描述本发明示例性实施方式的构成要素。
这些术语仅用于区分一个构成要素与另一个构成要素，并且构成要素的性质、顺序或次序不受这些术语的限制。
此外，当一个构成要素被描述为“连接”、“耦接”或“附接”至另一构成要素时，一个构成要素可以直接地连接、耦接或附接至另一构成要素，或者通过介于其间的再另一个构成要素连接、耦接或附接至另一个构成要素。
此外，表达“一个构成要素设置或安置在另一个构成要素上方(上)或下方(下)”不仅包括两个构成要素彼此直接接触的情况，而且还包括两个构成要素之间设置或安置一个或多个其它构成要素的情况。表达“上方(上)或下方(下)”可以表示基于一个构成要素(constituent element)的向下的方向以及向上的方向。
参考图1、图2、图3、图4和图5，根据本发明示例性实施方式的储氢系统10包括：储存容器20，其配置成存储液态氢LH2；供应管线100，其具有连接至储存容器20的一个末端部分和连接至燃料电池系统30的另一末端部分，该供应管线100配置成将气态氢GH2从储存容器20供应至燃料电池系统30；压缩机130，其设置在供应管线100中，并配置成压缩气态氢GH2；旁通管线200，其连接供应管线100和储存容器20，并配置成允许气态氢GH2从供应管线100流动至储存容器20；流量测量部件300，其配置成测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量；控制阀210，其设置在旁通管线200中，并配置成选择性地调节气态氢GH2的旁通流量；孔口310，其设置在旁通管线200中，并位于控制阀210的下游侧；和控制器400，其配置成基于通过流量测量部件300获得的测量结果来控制控制阀210。
作为参考，根据本发明示例性实施方式的储氢系统10可以应用于可应用燃料电池系统30的各种燃料电池车辆(例如载客车辆或商用车辆)、船舶、航空航天领域的机动车辆等。本发明不受储氢系统10所应用的目标对象的类型和性质的限制或限定。
提供储存容器20，以存储用于燃料电池系统30的液态氢。
储存容器20可以具有各种结构，其配置成用于存储液态氢(例如在-253℃下)，并且本发明不受储存容器20的类型和结构的限制或限定。
例如，存储容器20可以包括其中具有容纳空间(accommodation space)的内部罐(internal tank)、配置成围绕内部罐的外部罐(external tank)以及设置在内罐和外部罐之间的绝热层(thermal insulation layer)。
形成存储容器20的内部罐、外部罐和绝热层可以根据所需的条件和设计规格在材料和特性方面进行各种改变。
此外，液位传感器可以设置在储存容器20中，并测量液态氢LH2的液位。
可以使用配置成用于测量液态氢LH2的液位的接触式液位传感器(例如浮动开关)或非接触式液位传感器(例如超声波液位传感器或电容液位传感器)作为液位传感器。本发明不受液位传感器的类型和液位测量方法的限制或限定。
作为参考，存储容器20的下部空间可以容纳液态氢LH2，存储容器20的上部空间可以容纳从液态氢LH2汽化(或沿旁通管线供应)的气态氢GH2。
供应管线100设置成向燃料电池系统30供应在储存容器20中汽化的气态氢GH2。
供应管线100的一个末端部分可以连接至储存容器20，供应管线100的另一末端部分可以连接至燃料电池系统30。在储存容器20中汽化的气态氢GH2可以沿供应管线100供应至燃料电池系统30。
作为参考，燃料电池系统30是指一种通过燃料(例如氢)的化学反应产生电能的发电装置，燃料电池系统可以通过堆叠数十个或数百个串联的燃料电池(单元电池)来配置。
燃料电池系统30可以具有配置成用于通过燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气)之间的氧化还原反应产生电的各种结构。
例如，燃料电池系统30包括：膜电极组件(MEA)，其在电解质膜的相对两侧处具有催化剂电极层，氢离子穿过电解质膜移动，催化剂电极层中发生电化学反应在；气体扩散层(GDL)，其配置成均匀地分布反应气体，并且配置成传输产生的电能；垫圈(gasket)和紧固件，其配置成维持对于反应气体和冷却剂的防漏密封性，并且维持适当的紧固压力；和隔板(seperator)(双极板)，其配置成移动反应气体和冷却剂。
在燃料电池系统30中，作为燃料的氢和作为氧化剂的空气(氧)分别通过隔板中的流动路径(flow path)供应至膜电极组件的阳极和阴极，使得将氢供应至阳极，将空气供应至阴极。
供应至阳极的氢被电解质膜两侧处设置的电极层中的催化剂分解成氢离子(质子)和电子。只有氢离子穿过作为阳离子交换膜的电解质膜选择性地传输至阴极，同时电子穿过作为导体的气体扩散层和隔板传输至阴极。
在阴极处，穿过电解质膜供应的氢离子和穿过隔板递送的电子与由空气供应装置供应至阴极的空气中的氧相遇，发生生成水的反应。作为氢离子运动的结果，电子通过外部导线流动，由于电子的流动而产生电流。
压缩机130设置在供应管线100中，压缩沿供应管线100供应的气态氢GH2。
作为压缩机130，可以使用典型的配置成用于压缩沿供应管线100供应的气态氢GH2的压缩机130。本发明不受压缩机130的类型和结构的限制或限定。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统10可以包括加热部件120，其设置在供应管线100中，并安置在储存容器20和压缩机130之间。
加热部件120可以将从储存容器20排放的低温(例如，-240℃至-230℃)的气态氢GH2(或汽化的液态氢)加热至适合于燃料电池系统30运行的温度(例如室温)。
加热部件120可以具有配置成用于提高沿供应管线100流动的气态氢GH2的温度的各种结构。本发明不受加热部件120的类型和结构的限制或限定。
例如，加热部件120可以允许冷却剂与沿供应管线100流动的气态氢GH2进行热交换，提高供应至燃料电池系统30的气态氢GH2的温度，上述冷却剂通过穿过燃料电池系统30或车辆中的电子部件(电力电子部件)的冷却管线循环。
根据本发明的各个示例性实施方式，加热部件120可以配置成允许通过车辆中的油循环管线循环的油与沿供应管线100流动的气态氢GH2进行热交换。
另外可选地，可以设置加热器来代替加热部件120，或者在加热部件120之外额外地设置加热器，加热器可以增加从储存容器20排放的气态氢GH2的温度。
此外，根据本发明的示例性实施方式，储氢系统10可以包括截止阀110，其设置在供应管线100中，并安置在存储容器20和加热部件120之间。
作为截止阀110，可以使用典型的配置成选择性地开启或关闭从存储容器20供应至加热部件120的气态氢GH2的流动的阀。本发明不受截止阀110的类型和结构的限制或限定。
根据本发明的各个示例性实施方式，截止阀可以配置成调节从储存容器供应至加热部件的气态氢的流量。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统10可以包括缓冲部件140，其设置在供应管线100中，并安置在压缩机130和燃料电池系统30之间(例如，在第二压力传感器和燃料电池系统之间)。
缓冲部件140包括缓冲室(buffer chamber)，其具有预定的容量(volume)，并配置成在气态氢GH2供应至燃料电池系统30之前暂时存储已经通过压缩机130的气态氢GH2。缓冲室可以根据要求的条件和设计规格不同地改变容量和结构。
如上所述，缓冲部件140设置在压缩机130和燃料电池系统30之间，并且缓冲部件140的缓冲室填充有气态氢GH2。因此，可以获得提高将气态氢GH2供应至燃料电池系统30的稳定性以及更准确地控制要供应至燃料电池系统30的气态氢GH2的供应压力的有益效果。
旁通管线200连接供应管线100和储存容器20，并允许气态氢GH2从供应管线100流动至储存容器20。
在该情况下，气态氢GH2通过旁通管线200从供应管线100流动至储存容器20的配置可以是指通过旁通管线200供应至储存容器20的气态氢GH2在通过储存容器20内部的同时流动，或者直接供应(喷洒)到储存容器20中。
旁通管线200可以具有配置成用于允许气态氢GH2从供应管线100流动至储存容器20的各种结构。本发明不受旁通管线200的结构和形状的限制或限定。
例如，旁通管线200可以具有近似“U”形，并且通过储存容器20的内部。旁通管线200的一个末端部分可以连接至压缩机130和燃料电池系统30之间(例如，在压缩机和缓冲部件之间)的供应管线100。旁通管线200的另一末端部分可以连接至压缩机130和储存容器20之间(例如，在加热部件和压缩机之间)的供应管线100。旁通管线200的下部末端部分(基于图1)可以设置成通过储存容器20的内部。
根据本发明的各个示例性实施方式，旁通管线可连接至加热部件的上游侧(例如，在储存容器和加热部件之间)。
在本发明的示例性实施方式中，旁通管线200通过储存容器20内部的配置可以是指旁通管线200通过储存容器20的下部空间中容纳的液态氢LH2和储存容器20的上部空间中容纳的气态氢GH2中的至少一种。在下文中，将描述旁通管线200仅通过储存容器20的上部空间中容纳的气态氢GH2的实施例。
如上所述，沿供应管线100流动的高温气态氢GH2(例如已经通过加热部件的室温气态氢)通过旁通管线200流动至储存容器20。因此，允许流动至储存容器20的气态氢GH2被配置成用于加热液态氢LH2(提高其温度)以使液态氢LH2汽化的热介质。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统10可以包括流量测量部件300，其配置成测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量。
这是为了准确地确定被从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2汽化的液态氢LH2的汽化量。
这是基于以下事实：当测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量时，可以识别由气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量，并且可以基于施加于液态氢LH2的热量来确定液态氢LH2的汽化量。
流量测量部件300可以使用各种方法来测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量。本发明不受流量测量部件300的结构和旁通流量测量方法的限制或限定。
例如，流量测量部件300可以包括：第一压力传感器320，其设置在供应管线100中，安置在压缩机130和储存容器20之间，并配置成测量压缩机130上游侧的气态氢GH2的压力；和第二压力传感器330，其设置在供应管线100中，安置在压缩机130和燃料电池系统30之间，并配置成测量压缩机130下游侧的气态氢GH2的压力。流量测量部件300可以基于第一压力传感器320测量的气态氢GH2的第一压力P1和第二压力传感器330测量的气态氢GH2的第二压力P2之间的压力比，测量气态氢GH2的旁通流量。
孔口310设置成在从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2流中产生壅塞流(或临界流)或阻塞(choking)。
也就是说，具有预定横截面积的孔口310在旁通管线220中产生壅塞流。因此，即使孔口310下游侧的压力降低，气态氢GH2的流量也可以在孔口310下游侧受到限制。因此，在流量和孔口310上游侧压力和孔口310下游侧压力之间的压力比(孔口上游侧压力/孔口下游侧压力)之间可以成线性关系。例如，通过孔口310的气态氢GH2的流量(旁通流量)可以响应于压力比的增加而线性增加。
如上所述，流量和孔口310上游侧压力和孔口310下游侧压力之间的压力比之间可以成线性关系。因此，通过获得第一压力传感器320测量的气态氢GH2的第一压力P1(孔口下游侧压力)和第二压力传感器330测量的气态氢GH2的第二压力P2(孔口上游侧压力)，可以确定通过孔口310的气态氢GH2的流量(气态氢的旁通流量)。
在这种情况下，第一压力P1是压缩机130的入口压力，并对应于储存容器20的内部压力和孔口310下游侧的压力。此外，第二压力P2是压缩机130的出口压力，并对应于孔口310上游侧的压力。
在上文说明和描述的本发明的示例性实施方式中，已经描述了第一压力传感器设置在供应管线中并安置在储存容器和压缩机之间的实施例。然而，根据本发明的各个示例性实施方式，第一压力传感器可以直接设置在存储容器中(例如，安置在存储容器中)。
孔口310可以根据所需条件和设计规格在类型和尺寸(横截面积)上进行各种改变，本发明不受孔口310的类型和尺寸的限制或限定。
压缩机130的压缩比可以为1.9或更大。
由于如上所述压缩机130的压缩比为1.9或更大，因此孔口310上游侧的压力和孔口310下游侧的压力之间的压力比可以为1.9或更大，使得可以在孔口310周围产生壅塞流。
相比之下，如果孔口310上游侧的压力和孔口310下游侧的压力之间的压力比低于1.9(压缩机的压缩比低于1.9)，则难以在孔口310周围产生壅塞流。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统10可以包括温度传感器150，其设置在供应管线100中，安置在压缩机130和燃料电池系统30之间(例如，在压缩机和第二传感器之间)，并配置成测量压缩机130下游侧的气态氢GH2的温度。
由流动至旁通管线200的气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q可以以下公式定1义。
[公式1]
Q＝C1×(P2-P1)×(T-CT)
(在此，C1表示由[气态氢GH2的比热]×[压力/流量换算系数]×[旁通管线200的传热速率]定义的系数，P2表示第二压力传感器330测量的气态氢GH2的第二压力，P1表示第一压力传感器320测量的气态氢GH2的第一压力，T表示温度传感器150测量的气态氢GH2的温度，CT表示储存容器20的内部温度常数(例如-273℃至-240℃)。)
作为参考，储存容器20的内部温度常数CT是可以根据储存容器20和管的材料和厚度而变化的常数。内部温度常数CT可以通过实验获得。
控制阀210设置在旁通管线200中，并选择性地调节气态氢GH2的旁通流量。
作为控制阀210，可以使用配置成用于选择性地调节气态氢GH2的旁通流量的各种阀装置。本发明不受控制阀210的类型和结构的限制或限定。
例如，可以使用典型的电磁阀或典型的蝶阀作为控制阀210。
作为参考，在本发明的示例性实施方式中，气态氢气GH2的旁通流量的调节可以包括控制阀210开启或关闭通过控制阀210的气态氢GH2流动的配置和控制阀210调节通过控制阀210的气态氢GH2的流量的配置。
控制器400设置成控制控制阀210，其选择性地调节从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢的旁通流量。
根据本发明的示例性实施方式，控制器400可以基于储存容器20的内部压力来控制控制阀210。
如上所述，在本发明的示例性实施方式中，控制阀210基于储存容器20的内部压力(例如，第一压力)来控制，使得可以调节液态氢LH2的汽化量(储存容器的内部压力)。因此，可以基于燃料电池系统30的运行条件准确地调节液态氢LH2的汽化量。
在多种其他效果以外，在本发明的示例性实施方式中，气态氢GH2可以从液态氢LH2仅汽化至储氢系统10所需的水平，并且可以抑制气态氢GH2沿旁通管线200过度供应(可以抑制施加于液态氢的热量过度增加)。因此，还可以获得抑制液态氢LH2的汽化量过度引起的储存容器20中的压力过度上升(储存容器的过度膨胀)，并且提高安全性和可靠性的有益效果。
例如，当储存容器20的内部压力(例如第一压力)低于预定的参考压力时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节到高于预定的参考流量的流量。
当施加的热量Q小于预定的参考热量时，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
如上所述，将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量(例如，通过增加控制阀的打开量)，可以增加施加于液态氢LH2的热量。因此，可以增加液态氢LH2的汽化量(供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
作为本发明的各个示例性实施方式，当储存容器20的内部压力(例如第一压力)高于预定的参考压力时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
当由气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q等于或大于预定的参考热量时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
如上所述，将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量(例如通过减小控制阀的打开量)，可以减少施加于液态氢LH2的热量。因此，可以减少液态氢LH2的汽化量(供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
沿旁通管线200流动的气态氢GH2可以再次引入到供应管线100中，被压缩机130再次加压(压缩)，然后供应至燃料电池系统30。
在这种情况下，控制器400可以基于参考压力和储存容器20的内部压力(例如，第一压力)之间的差异来控制控制阀210，执行增加或减少流动至储存容器20的气态氢GH2的供应量(旁通流量)或者打开或关闭流动至储存容器20的气态氢GH2的流动的反馈控制。
根据本发明的示例性实施方式，储氢系统10可以包括：排放管线160，其连接至储存容器20，并配置成将气态氢GH2排放至外部；和排放阀162，其设置在排放管线160中，并配置成选择性地打开或关闭排放管线160。
例如，排放管线160可以通过供应管线100连接至储存容器20(例如，连接至储存容器和截止阀之间的供应管线)。作为排放阀162，可以使用配置成用于选择性地打开或关闭沿排放管线160排放的气态氢GH2的流动的典型阀。
当储存容器20的内部压力等于或大于预设的运行压力(排放阀开始运行以打开排放管线的压力)时，排放阀162打开(开启)，使得气态氢GH2可以通过排放管线160排放到外部。
在上文说明和描述的本发明的示例性实施方式中，已经描述了排放管线160连接至供应线100的实施例。然而，根据本发明的各个示例性实施方式，排放线可以直接连接至存储容器。
根据本发明的各个示例性实施方式，控制器400可以基于流量测量部件300获得的测量结果来控制控制阀210。
如上所述，本发明的示例性实施方式可以通过基于流量测量部件300获得的测量结果(气态氢的旁通流量)来控制控制阀210，从而调节液态氢LH2的汽化量(储存容器的内部压力)。因此，可以基于燃料电池系统30的运行条件准确地调节液态氢LH2的汽化量。
在多种其他效果以外，在本发明的示例性实施方式中，气态氢GH2可以从液态氢LH2仅汽化至储氢系统10所需的水平，并且可以抑制气态氢GH2沿旁通管线200过度供应(可以抑制施加于液态氢的热量过度增加)。因此，还可以获得抑制液态氢LH2的汽化量过度引起的储存容器20中的压力过度上升(储存容器的过度膨胀)，并且提高安全性和可靠性的有益效果。
例如，当压力比(第一压力传感器检测到的气态氢的第一压力与第二压力传感器检测到的气态氢的第二压力之间的压力比)低于预定的参考压力比时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
如上所述，通过将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定参考流量的流量(例如，通过增加控制阀的打开量)，可以增加施加于液态氢LH2的热量。因此，可以增加液态氢LH2的汽化量(供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
作为本发明的各种示例性实施方式，当压力比高于参考压力比时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量。
如上所述，通过将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量(例如通过减小控制阀的打开量)，可以减少施加于液态氢LH2的热量。因此，可以减少液态氢LH2的汽化量(供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
此外，沿旁通管线200流动的气态氢GH2可以再次引入到供应管线100中，被压缩机130再次加压(压缩)，然后供应至燃料电池系统30。在这种情况下，控制器400可以基于参考压力比和压力比(第一压力传感器检测的气态氢的第一压力和第二压力传感器检测的气态氢的第二压力之间的压力比)之间的差异来控制控制阀210，执行增加或减少流动至储存容器20的气态氢GH2的供应量(旁通流量)或者打开或关闭流动至储存容器20的气态氢GH2的流动的反馈控制。
根据本发明的各个示例性实施方式，控制器400可以基于由流动至旁通管线200的气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q来控制控制阀210。
例如，当由气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q小于预定的参考热量时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
如上所述，通过将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量(例如通过增加控制阀的打开量)，可以增加施加于液态氢LH2的热量。因此，可以增加液态氢LH2的汽化量(供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
作为本发明的各个示例性实施方式，当由气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q等于或大于预定的参考热量时，控制器400可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
如上所述，通过将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量(例如通过减小控制阀的打开量)，可以减少施加于液态氢LH2的热量。因此，可以减少液态氢LH2的汽化量(供应至燃料电池系统的气态氢的供应量)。
同时，根据本发明的示例性实施方式，通过在结束燃料电池系统30运行的过程(或结束车辆运行的过程)期间控制压缩机130和控制阀210，可以使从储存容器20排放的气态氢GH2的排放量得以最小化。
这是基于以下事实：液态氢LH2的密度随着其压力的降低而增加。在结束燃料电池系统30运行的过程期间，通过降低储存容器20的内部压力来增加液态氢LH2的密度，从而可以在燃料电池系统30运行结束的状态(例如运行停止长时间段的状态)下，延迟由液态氢LH2汽化引起的压力增加。因此，可以获得储存容器20的内部压力增加引起的气态氢GH2的排放量得以最小化的有益效果。
例如，参考图3，根据本发明的示例性实施方式，当在燃料电池系统30运行时检测到燃料电池系统30的运行停止信号的输入时，当满足在控制阀210关闭旁通管线200的状态下，压缩机130运行直至气态氢GH2的第一压力P1变为等于或低于预设的第一目标压力的条件时，可以停止燃料电池系统30的运行。
根据本发明的各个示例性实施方式，当确定在储氢系统10的高级系统(例如用于启动车辆的系统)结束(例如关闭)之前，气态氢GH2的第一压力P1高于预设的第一目标压力时，压缩机130可以在控制阀210关闭旁通管线200的状态下运行(压缩机可以运行直至气态氢的第一压力变为等于或低于预设的第一目标压力)。
第一目标压力可以根据所需条件和设计规格而不同地改变。例如，第一目标压力可以定义为等于或低于大气压的压力(低于燃料电池系统正常运行时储存容器的内部压力的压力)。
第一目标压力可以定义为低于预设的运行压力的压力，在上述预设的运行压力下，排放阀开始运行以打开排放管线。第一目标压力可以是运行压力的90％或更小。
例如，第一目标压力可以定义为等于或类似于大气压的低压。第一目标压力可以定义为低于燃料电池系统正常运行时储存容器的内部压力的压力。
如上所述，当检测到燃料电池系统30的运行停止信号的输入时，在控制阀210关闭旁通管线200的状态下，压缩机130可以运行直至气态氢GH2的第一压力P1变为等于或低于预设的第一目标压力(例如变为等于或低于大气压)，提高储存容器20中存储的液态氢LH2的密度。因此，液态氢LH2的汽化引起的储存容器20中的压力增加随着储存容器中空余空间(ullage space)的增加而延迟。
此外，可以增加储存容器20的内部压力和排放阀的运行压力(排放阀开始运行以打开排放管线的运行压力)之间的差异。因此，可以通过液态氢LH2的自然汽化(例如，储存容器的内部和外部之间的温度差异引起的液态氢的汽化)获得延迟储存容器20的内部压力达到排放阀的运行压力所需的时间的有益效果。因此，可以获得最大地延迟将气态氢GH2排放至储存容器20的外部所需的时间，并且使气态氢GH2的排放量最小化的有益效果。
当在压缩机130运行时气态氢GH2的第二压力P2等于或大于第一目标压力时，可停止压缩机130的运行。
第一目标压力可以定义为低于预设的运行压力的压力，在上述预设的运行压力下，排放阀开始运行(运行以打开排放管线)。
作为参考，液态氢LH2或气态氢GH2通过用于降低存储容器20内部压力的压缩机130的运行而排放至存储容器20外部，其可以供应至燃料电池系统30，并用于产生电用于为电池充电或者运行加热器或空调。另外可选地，供应管线100或燃料电池系统30可以填充有排放至储存容器20外部的气态氢GH2。
在停止燃料电池系统30运行的时间点，储存容器20中剩余的气态氢GH2的剩余量HGR基于开始运行压缩机130以降低储存容器20的内部压力之前的储存容器20的内部压力和液态氢LH2的剩余量(液态氢液位)确定。因此，可以获得抑制供应至燃料电池系统30的气态氢GH2的供应压力快速下降，并且抑制燃料电池系统30中的氢缺乏的有益效果。
在停止燃料电池系统30的运行的时间点，储存容器20中剩余的气态氢GH2的剩余量HGR可以满足以下公式2。
[公式2]
HGR＝f(HCL,CP)×P1×液态氢的密度系数
(在此，f表示由储存容器的容量(capacity)CP和液态氢的液位HCL确定的储存容器中气态氢的占据体积(occupation volume)的函数，P1表示第一压力传感器测量的气态氢的第一压力。)
例如，在储存容器为具有圆形横截面的圆柱形状并且储存容器沿竖直方向安置的情况下，f可以满足以下公式3。在储存容器沿水平方向安置的情况下，f可以满足以下公式4。
[公式3]
f＝CP/h×(h-HCL)
(在此，HCL表示液态氢的液位(％)，CP表示储存容器的容量，h表示储存容器在竖直方向上的高度。)
[公式4]
Figure BDA0003380597950000221
(在此，HCL表示液态氢的液位(％)，CP表示储存容器的容量，r表示储存容器的直径，L表示储存容器在其水平方向上的长度。)
作为参考，下表1示出液态氢的压力的密度系数。
Figure BDA0003380597950000222
Figure BDA0003380597950000231
[表1]液态氢的压力的密度系数
此外，根据本发明的示例性实施方式，在结束燃料电池系统30的运行之后在燃料电池系统30的运行重新启动(或车辆启动)的过程期间，可以控制压缩机130和控制阀210，在燃料电池系统30开始运行的时间点在储存容器20中快速产生足够的压力。
也就是说，随着热量被引入储存容器20中，储存容器20的内部压力通过液态氢LH2的自然汽化(例如液态氢通过存储容器的内部和外部之间的温度差异而汽化)细微地增加。在燃料电池系统30的运行结束之后，在燃料电池系统30再次开始运行的时间点，储存容器20的内部压力变化，其取决于从运行结束部分所经历的时间、外部温度和储存容器20的隔热性能。
在本发明的示例性实施方式中，在燃料电池系统30再次开始运行的过程期间，压缩机130基于储存容器20的内部压力运行。因此，可以获得在燃料电池系统30再次开始运行的时间点在储存容器20中更快速地产生足够压力的有益效果。
例如，参考图4，根据本发明的示例性实施方式，当在燃料电池系统30的运行停止时检测到燃料电池系统30的运行开始信号的输入，并且确定气态氢GH2的第一压力P1低于预设的第二目标压力时，当满足在控制阀210打开旁通管线200的状态下，压缩机130运行直至气态氢GH2的第一压力P1变为等于或大于第二目标压力的条件时，可以运行燃料电池系统30。
如上所述，当检测到燃料电池系统30的运行开始信号的输入时，在截止阀110打开供应管线100并且控制阀210打开旁通管线200，增加储存容器20的内部压力的状态下，压缩机130可以运行直至气态氢GH2的第一压力P1变为等于或大于预设的第二目标压力。因此，可以获得在燃料电池系统30再次开始运行的时间点更快速地在储存容器20中产生足够的压力(可以在燃料电池系统的运行开始后立即稳定地向燃料电池系统供应气态氢的足够压力)的有益效果。
根据本发明的各个示例性实施方式，当检测到储氢系统10的高级系统(例如用于启动车辆的系统)的运行开始信号(例如启动信号)，并且确定气态氢GH2的第一压力P1低于预设的第二目标压力时，在控制阀210打开旁路管线200的状态下，燃料电池系统30可以在压缩机130运行(压缩机运行直至气态氢的第一压力变为等于或大于第二目标压力)之后运行。
此外，当检测到储氢系统10的高级系统(例如用于启动车辆的系统)的运行开始信号(例如启动信号)时，燃料电池系统30也可以在压缩机130运行的同时运行。然而，当确定气态氢GH2的第一压力P1低于预设的第二目标压力时，控制阀210可以打开旁通管线200，同时，可以停止燃料电池系统30的运行。当满足储存容器20的内部压力(例如，第一压力)变为等于或大于第二目标压力的条件时，可以开始燃料电池系统30的运行。
在上文说明和描述的本发明的示例性实施方式中，已经描述了通过旁通管线200的气态氢GH2通过储存容器20的内部、然后再次供应至供应管线100的实施例。然而，根据本发明的各个示例性实施方式，流动通过旁通管线200的气态氢GH2可以直接供应至储存容器20。
图5是用于解释根据本发明的示例性实施方式的储氢系统10中的旁通管线200的修改示例的视图。此外，与上述配置中的部件相同和等同的部件将会用相同或等同的附图标记标识，并将省略其详细描述。
参考图5，根据本发明的示例性实施方式，旁通管线200具有近似“I”形。旁通管线200的一个末端部分可以连接至压缩机130和燃料电池系统30之间的供应管线100，旁通管线200的另一末端部分可以暴露于储存容器20的内部(例如与存储容器的内壁表面间隔开)。
因此，流动至旁通管线200的气态氢GH2可以通过旁通管线200的暴露于储存容器内部的另一末端部分(出口末端)直接供应(喷洒)到储存容器20中。
如上所述，在本发明的示例性实施方式中，气态氢GH2直接喷洒到储存容器20中。因此，即使在降低流动至储存容器20的气态氢GH2的旁通流量的情况下，也可以获得进一步提高用气态氢GH2加热液态氢LH2的效率并且充分保证液态氢LH2的汽化量的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，由于旁通管线200具有“I”形，因此可以使穿透存储容器20的壁表面以安装旁通管线200的安装孔的数量得以最小化(可以仅设置一个安装孔)。因此，可以获得安装孔数量增加引起的储存容器20的绝热性能的劣化得以最小化的有益效果。
旁通管线200可以根据需要的条件和设计规格在结构和形状上进行各种改变，本发明不受旁通管线200的结构和形状的限制或限定。
例如，旁通管线200可以设置成直管的形式。根据本发明的各种示例性实施方式，旁通管线可以设置成弯管的形式。
根据本发明的示例性实施方式，即使在旁通管线200具有“I”形的情况下，控制阀210和孔口也可以设置在旁通管线200中。根据本发明的各个示例性实施方式，可以使用具有控制阀210和孔口的功能的组合的喷射器来代替控制阀210和孔口。
在下文中，将描述根据本发明示例性实施方式的储氢系统的控制方法。
图6、图7和图8是用于解释根据本发明的示例性实施方式的储氢系统的控制方法的流程图。此外，与上述配置中的部件相同和等同的部件将用相同或等同的附图标记标识，并且将省略其详细描述。
参考图6至图8，该方法控制根据本发明的示例性实施方式的储氢系统10，其包括：储存容器20，其配置成存储液态氢LH2；供应管线100，其具有连接至储存容器20的第一末端部分和连接至燃料电池系统30的第二末端部分，所述供应管线配置成将气态氢GH2从储存容器20供应至燃料电池系统30；压缩机130，其设置在供应管线100中，并配置成压缩气态氢GH2；旁通管线200，其配置成连接供应管线100和储存容器20，并允许气态氢GH2从供应管线100流动至储存容器20；流量测量部件300，其配置成测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量；控制阀210，其设置在旁通管线200中，并配置成选择性地调节气态氢GH2的旁通流量；孔口310，其设置在旁通管线200中，并位于控制阀210的下游侧；和控制器400，其配置成基于通过流量测量部件300获得的测量结果来控制控制阀210。上述方法可以包括测量存储容器20的内部压力的测量步骤S10；和基于通过测量步骤S10获得的测量结果来控制控制阀210的控制步骤S20。
步骤1：
首先，测量储存容器20的内部压力(S10)。
在测量步骤S10中，可以根据所需条件和设计规格以各种方式测量储存容器20的内部压力。
例如，在测量步骤S10中，可以使用设置在供应管线100中并安置在压缩机130和储存容器20之间的第一压力传感器320来测量储存容器20的内部压力。
步骤2：
接下来，基于测量步骤S10中获得的测量结果来控制控制阀210(S20)。
在控制步骤S20中，可以通过基于测量步骤S10中获得测量结果(储存容器的内部压力)控制控制阀210来调节液态氢LH2的汽化量(储存容器的内部压力)。因此，可以基于燃料电池系统30的运行条件准确地调节液态氢LH2的汽化量。
例如，在控制步骤S20中，当储存容器20的内部压力(例如第一压力)低于预定的参考压力时，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
作为本发明的各种示例性实施方式，在控制步骤S20中，当储存容器20的内部压力(例如第一压力)高于参考压力时，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
在控制步骤S20中，压缩机130的压缩比可以为1.9或更大。
由于压缩机130的压缩比为如上所述的1.9或更大，因此孔口310上游侧的压力和孔口310下游侧的压力之间的压力比可以为1.9或更大，使得可以在孔口310周围产生壅塞流。因此，可以获得更精确地控制沿旁通管线流动的气态氢的旁通流量的有益效果。
根据本发明的各个示例性实施方式，储氢系统的控制方法可以基于从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量来控制控制阀210。
可以根据所需条件和设计规格以各种方式测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量。
例如，可以通过流量测量部件300测量来测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量。流量测量部件300包括：第一压力传感器320，其设置在供应管线100中，安置在压缩机130和储存容器20之间，并配置成测量压缩机130上游侧的气态氢GH2的压力；和第二压力传感器330，其设置在供应管线100中，安置在压缩机130和燃料电池系统30之间，并配置成测量压缩机130下游侧的气态氢GH2的压力。
基于第一压力传感器320测量的气态氢GH2的第一压力P1和第二压力传感器330测量的气态氢GH2的第二压力P2之间的压力比，可以测量气态氢GH2的旁通流量。
也就是说，当通过具有预定横截面积的孔口310在旁通管线220中产生壅塞流时，即使孔口310下游侧的压力降低，气态氢GH2的流量也可以在孔口310的下游侧受到限制。因此，流量和孔口310上游侧压力和孔口310下游侧压力之间的压力比(孔口上游侧的压力/孔口下游侧的压力)之间可以成线性关系。例如，通过孔口310的气态氢GH2的流量(旁通流量)可以响应于压力比的增加而线性增加。
如上所述，流量和孔口310上游侧压力和孔口310下游侧压力之间的压力比之间可以成线性关系。因此，通过孔口310的气态氢GH2的流量(气态氢的旁通流量)可以通过获得第一压力传感器320测量的气态氢GH2的第一压力P1(孔口下游侧的压力)和第二压力传感器330测量的气态氢GH2的第二压力P2(孔口上游侧的压力)来确定。
在这种情况下，第一压力P1是压缩机130的入口压力，并且对应于储存容器20的内部压力和孔口310下游侧的压力。此外，第二压力P2是压缩机130的出口压力，并且对应于孔口310上游侧的压力。
当测量从供应管线100流动至旁通管线200的气态氢GH2的旁通流量时，可以通过基于测量结果(气态氢的旁通流量)来控制控制阀210，从而调节液态氢LH2的汽化量(储存容器的内部压力)。因此，可以基于燃料电池系统30的运行条件准确地调节液态氢LH2的汽化量。
例如，当压力比(第一压力传感器测量的气态氢的第一压力与第二压力传感器测量的气态氢的第二压力之间的压力比)低于预定的参考压力时比，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
作为本发明的各个示例性实施方式，在控制步骤S20中，当压力比高于参考压力比时，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
根据本发明的各个示例性实施方式，储氢系统的控制方法可以基于由流动至旁通管线200的气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q来控制控制阀210。
例如，当由气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q小于预定的参考热量时，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量。
作为本发明的各个示例性实施方式，当由气态氢GH2施加于液态氢LH2的热量Q等于或大于预定的参考热量时，可以将通过控制阀210的气态氢GH2的旁通流量调节至低于预定的参考流量的流量。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以通过在结束燃料电池系统30的运行的过程(或结束车辆运行的过程)期间控制压缩机130和控制阀210，使得从储存容器20排放的气态氢GH2的排放量得以最小化。
例如，参考图3和图7，根据本发明的示例性实施方式，当在燃料电池系统30运行时检测到燃料电池系统30的运行停止信号的输入时(S110)，在控制阀210关闭旁通管线200的状态下(S120)，压缩机130运行(S140)。当满足在控制阀210关闭旁通管线200的状态下，压缩机130运行直至气态氢GH2的第一压力P1变为等于或低于预设的第一目标压力的条件(S150)时，可以停止燃料电池系统30的运行(S160)。
此外，根据本发明的示例性实施方式，储氢系统的控制方法可以包括在燃料电池系统30的运行停止的时间点，基于压缩机130用于降低储存容器20内部压力的运行(S140)开始之前储存容器20的内部压力和液态氢LH2的剩余量(液态氢液位)，确定储存容器20中剩余的气态氢GH2的剩余量HGR的步骤S130。
此外，根据本发明的示例性实施方式，在燃料电池系统30的运行结束之后燃料电池系统30的运行重新启动(或车辆启动)的过程期间，可以控制压缩机130和控制阀210，在燃料电池系统30开始运行的时间点在储存容器20中快速产生足够的压力。
例如，参考图4和图8，根据本发明的示例性实施方式，当在燃料电池系统30的运行停止时检测到燃料电池系统30的运行开始信号的输入(S210)时，截止阀110打开供应线100(S220)。当确定气态氢GH2的第一压力P1低于预设的第二目标压力(S230)时，当满足在控制阀210打开旁通管线200(S240)的状态下，压缩机130运行直至气态氢GH2的第一压力P1变为等于或大于第二目标压力(S250)的条件时，燃料电池系统30可以运行(S260)。
作为参考，根据本发明的示例性实施方式的储氢系统的控制方法可以通过典型的确定系统(determining system)来实施。
例如，确定系统可以包括一个或多个通过系统总线连接的处理器、存储器、用户界面输入装置、用户界面输出装置、存储器和网络接口。
处理器可以是处理存储器和/或储存装置中存储的指令的中央处理单元(CPU)或半导体装置。
存储器和储存装置可以包括各种类型的易失性或非易失性储存介质。例如，存储器可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。
因此，包括在示例性实施方式中参考示例性实施方式描述的算法的方法或步骤可以直接通过处理器执行的硬件模块、软件模块或其组合来实施。软件模块可以设置在储存介质(即存储器和/或储存装置)，诸如RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可安装光盘和CD-ROM中。
例如，储存介质可以联接至处理器。处理器可以从储存介质读出信息，并将信息写入储存介质。
作为本发明的各种示例性实施方式，储存介质可以与处理器集成。处理器和储存介质可以设置在专用集成电路(ASIC)中。例如，ASIC可以设置在用户终端中。另外可选地，处理器和储存介质可以设置成用户终端中的单独部件。
根据上述本发明的示例性实施方式，可以获得基于燃料电池系统的运行条件准确地调节供应至燃料电池系统的氢的供应量的有益效果。
根据本发明的示例性实施方式，可以获得基于燃料电池系统的运行条件准确地调节储存容器中存储的液态氢的供应量和储存容器中的压力的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以获得抑制液态氢过度汽化和抑制储存容器内压力过度升高(储存室过度膨胀)的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以获得提高储氢效率和更快速地供应氢(以增加的氢供应反应速度向燃料电池系统供应氢)的有益效果。
在多种其他效果以外，根据本发明的示例性实施方式，还可以获得主动地控制储存的液态氢的压力和提高储存容器中的压力控制范围和控制响应速度的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以获得在储存容器中存储的氢不供应至燃料电池系统的情况下，使氢的排放量最小化，并延迟将氢排放至储氢系统(包括氢储存容器、连接管和阀)外部所需的时间的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以获得增加氢的供应流量、增加氢的压力范围和提高能量效率的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以获得基于燃料电池系统的运行条件快速增加存储容器的内部压力、降低压缩机负载以及提高系统的输出反应性和效率的有益效果。
此外，根据本发明的示例性实施方式，可以获得提高稳定性和可靠性的有益效果。
此外，与诸如“控制器”、“控制单元”、“控制装置”或“控制模块”等的控制装置有关的术语是指包括配置成执行解释为算法结构的一个或多个步骤的存储器和处理器的硬件装置。存储器存储算法步骤，处理器执行算法步骤，以实施根据本发明各个示例性实施方式的方法的一个或多个过程。根据本发明的示例性实施方式的控制装置可以通过配置成存储用于控制车辆各个部件的操作的算法或者关于用于执行算法的软件命令的数据的非易失性存储器，以及配置成使用存储器中存储的数据执行上述操作的处理器来实施。存储器和处理器可以是单独的芯片。另外可选地，存储器和处理器可以集成在单个芯片中。处理器可以实施为一个或多个处理器。处理器可以包括各种逻辑电路和运算电路，可以根据存储器提供的程序处理数据，并且可以根据处理结果产生控制信号。
控制装置可以是通过预定的程序运行的至少一个微处理器，上述预定的程序可以包括用于执行前述本发明的各个示例性实施方式中包括的方法的一系列命令。
在本发明的各个示例性实施方式中，上述各个操作可以由控制装置执行，控制装置可以通过多个控制装置或集成的单个控制装置配置。
在本发明的各种示例性实施方式中，控制装置可以硬件或软件的形式实施，或者可以硬件和软件的组合来实施。
为了方便解释和准确地定义所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背面”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“里面”、“外面”、“前方”和“后方”用于参考如在附图中显示的特征的位置描述示例性实施方式的特征。还应当理解到，术语“连接”或其衍生词既指直接连接，也指间接连接。
出于说明和描述的目的，已提出本发明的具体示例性实施方式的前述描述。它们并不旨在是穷举性的或者将本发明限于所公开的精确形式，显然，按照上述教导内容，可以进行许多修改和变化。选择和描述示例性实施方式以解释本发明的某些原理及其实际应用，使得本领域的其它技术人员能够制造和利用本发明的各个示例性实施方式以及其各种替代和修改。本发明的范围旨在由所附的权利要求书及其等同方式来限定。

Claims (20)

1.一种储氢系统，其包括：
储存容器，其配置成存储液态氢；
供应管线，其具有连接至所述储存容器的第一末端部分和连接至燃料电池系统的第二末端部分，所述供应管线配置成将气态氢从所述储存容器供应至所述燃料电池系统；
压缩机，其安装在所述供应管线中，并配置成压缩气态氢；
旁通管线，其连接所述供应管线和所述储存容器，并配置成允许气态氢从所述供应管线流动至所述储存容器；
控制阀，其安装在所述旁通管线中，并配置成选择性地调节气态氢的旁通流量；
孔口，其设置在所述旁通管线中，并位于所述控制阀的下游侧；和
控制器，其电连接至所述控制阀和所述压缩机，并配置成控制所述控制阀和所述压缩机。
2.根据权利要求1所述的储氢系统，其中所述控制器配置成根据所述储存容器的内部压力控制所述压缩机和所述控制阀。
3.根据权利要求2所述的储氢系统，其中所述控制器配置成当所述储存容器的内部压力低于预定的参考压力时，将通过所述控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量，并且
其中所述控制器配置成当所述储存容器的内部压力高于所述参考压力时，将通过所述控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于所述预定的参考流量的流量。
4.根据权利要求2所述的储氢系统，其中所述压缩机配置成所述压缩机的压缩比调节至1.9或更大。
5.根据权利要求1所述的储氢系统，其包括：
流量测量部件，其配置成测量从所述供应管线流动至所述旁通管线的气态氢的旁通流量，
其中所述控制器配置成根据通过所述流量测量部件获得的测量结果控制所述控制阀。
6.根据权利要求5所述的储氢系统，其中所述流量测量部件包括：
第一压力传感器，其设置在所述供应管线中，安置在所述压缩机和所述储存容器之间，并且配置成测量所述压缩机上游侧的气态氢的压力；和
第二压力传感器，其设置在所述供应管线中，安置在所述压缩机和所述燃料电池系统之间，并且配置成测量所述压缩机下游侧的气态氢的压力，并且
其中所述流量测量部件根据通过所述第一压力传感器测量的气态氢的第一压力和通过所述第二压力传感器测量的气态氢的第二压力之间的压力比，测量气态氢的旁通流量。
7.根据权利要求6所述的储氢系统，其中所述控制器配置成当所述压力比低于预定的参考压力比时，将通过所述控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量，并且
其中所述控制器配置成当所述压力比高于所述参考压力比时，将通过所述控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于所述预定的参考流量的流量。
8.根据权利要求6所述的储氢系统，其包括：
温度传感器，其设置在所述供应管线中，安置在所述压缩机和所述燃料电池系统之间，并且配置成测量所述压缩机下游侧的气态氢的温度。
9.根据权利要求8所述的储氢系统，其中由流动至所述旁通管线的气态氢施加于液态氢的热量Q由以下公式1定义，
[公式1]
Q＝C1×(P2-P1)×(T-CT)
其中C1表示由[气态氢的比热]×[压力/流量换算系数]×[旁通管线的传热速率]定义的系数，P2表示通过所述第二压力传感器测量的气态氢的所述第二压力，P1表示通过所述第一压力传感器测量的气态氢的所述第一压力，T表示通过所述温度传感器测量的气态氢的温度，CT表示所述储存容器的内部温度常数。
10.根据权利要求9所述的储氢系统，
其中所述控制器配置成当所述热量Q小于预定的参考热量时，将通过所述控制阀的气态氢的旁通流量调节至高于预定的参考流量的流量，并且
其中所述控制器配置成当所述热量Q等于或大于所述预定的参考热量时，将通过所述控制阀的气态氢的旁通流量调节至低于所述预定的参考流量的流量。
11.根据权利要求6所述的储氢系统，其包括：
排放管线，其连接至所述储存容器，并配置成将气态氢排放至外部；和
排放阀，其设置在所述排放管线中，并配置成选择性地打开或关闭所述排放管线。
12.根据权利要求11所述的储氢系统，其中在所述燃料电池系统运行时检测到所述燃料电池系统的运行停止信号的输入时，当满足在所述控制阀关闭所述旁通管线的状态下，所述压缩机运行直至气态氢的所述第一压力变为等于或低于预设的第一目标压力的条件时，停止所述燃料电池系统的运行。
13.根据权利要求12所述的储氢系统，其中在停止所述燃料电池系统的运行的时间点，所述储存容器中剩余的气态氢的剩余量HGR满足以下公式2，
[公式2]
HGR＝f(HCL,CP)×P1×液态氢的密度系数
其中，f表示由所述储存容器的容量CP和液态氢的液位HCL确定的所述储存容器中气态氢的占据体积的函数，P1表示通过所述第一压力传感器测量的气态氢的所述第一压力。
14.根据权利要求12所述的储氢系统，其中所述第一目标压力定义为低于预设的运行压力的压力，在所述预设的运行压力下所述排放阀开始运行以打开所述排放管线，并且所述第一目标压力为所述运行压力的90％或更小。
15.根据权利要求12所述的储氢系统，其中当气态氢的所述第二压力等于或大于所述第一目标压力时，停止所述压缩机的运行。
16.根据权利要求12所述的储氢系统，其中所述第一目标压力定义为低于预设的运行压力的压力，在所述预设的运行压力下所述排放阀开始运行以打开所述排放管线。
17.根据权利要求11所述的储氢系统，其中在所述燃料电池系统的运行停止时检测到所述燃料电池系统的运行开始信号的输入，并且气态氢的所述第一压力低于预设的第二目标压力时，当满足在所述控制阀打开所述旁通管线的状态下，所述压缩机运行直至气态氢的所述第一压力变为等于或大于所述第二目标压力的条件时，所述燃料电池系统运行。
18.根据权利要求1所述的储氢系统，其中所述旁通管线设置成通过所述储存容器的内部，所述旁通管线的第一末端部分连接至所述压缩机和所述燃料电池系统之间的供应管线，所述旁通管线的第二末端部分连接至所述压缩机和所述储存容器之间的供应管线。
19.根据权利要求1所述的储氢系统，其中所述旁通管线的第一末端部分连接至所述压缩机和所述燃料电池系统之间的供应管线，所述旁通管线的第二末端部分暴露于所述储存容器的内部。
20.根据权利要求1所述的储氢系统，其包括：
加热部件，其设置在所述供应管线中，并安置在所述储存容器和所述压缩机之间。
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