CN117927849A - 一种液氢超导能量系统及轨道车辆 - Google Patents

一种液氢超导能量系统及轨道车辆 Download PDF

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Abstract

本申请实施例中提供了一种液氢超导能量系统及轨道车辆，包括：车载储氢系统，具有存储液氢的储氢罐；液氢装卸系统，包括进液管路和排液管路，进液管路和排液管路分别与储氢罐连通；液氢气化系统，包括汽化器，汽化器的一端与储氢罐连接，另一端与车载燃料电池连接；超导储能系统，位于储氢罐中，超导储能系统包括超导储能装置和电极，电极的一端与超导储能装置连接，另一端用于与车载燃料电池并联。将超导储能系统设置在储氢罐中，通过液氢吸收超导储能系统发出的热量，从而提高超导储能系统的超导稳定性；超导储能装置与车载燃料电池并联，当轨道车辆牵引时共同提供输入功率；当轨道车辆制动时，超导储能装置回收车辆制动能量，提高整车能效。

Description

一种液氢超导能量系统及轨道车辆
技术领域
本申请涉及新能源车辆技术领域，具体地，涉及一种液氢超导能量系统及轨道车辆。
背景技术
燃料电池以氢气作为能源载体，产物只有水且能量转化效率高，加之具有来源丰富等优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源，但燃料电池由于电化学反应动力性的迟滞性，常需要与其他能量系统配合才能满足负载功率。作为燃料电池反应副产品产生的热量必须及时中排出，此过程消耗电能，降低效率。高压气态储氢技术是目前最常用的储氢技术，但其储氢密度较低，不能满足长续航的要求。动力电池由于其高压、高比能量、长循环寿命，逐步成为燃料电池的有益补充，但其质量大，内阻在充放电时消耗能量，降低了车辆能效。
超导磁储能装置是一种利用几乎零能量损耗的超导线圈直接存储电能的电力储能装置，理想情况下的重复充放电次数几乎为无限，具有非常高的储能效率和功率密度，动态响应速度非常快，是取代动力电池成为回收轨道车辆制动能量的理想选择。但由于超导磁储能装置必须采用额外的低温制冷机或低温制冷剂将超导线国冷却至其临界温度以下，导致超导磁储能装置在轨道车辆制动能量回收和利用领域的实际应用受到了极大限制。目前仍没有超导磁储能装置在燃料电池轨道车辆上的实用技术方案。
发明内容
本申请实施例中提供了一种液氢超导能量系统及轨道车辆，本申请的第二个目的是提供一种包括上述液氢超导能量系统的轨道车辆。
为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种液氢超导能量系统，包括：
车载储氢系统，具有存储液氢的储氢罐；
液氢装卸系统，包括进液管路和排液管路，所述进液管路和所述排液管路分别与所述储氢罐连通；
液氢气化系统，包括汽化器，所述汽化器的一端与所述储氢罐连接，另一端与车载燃料电池连接；
超导储能系统，位于所述储氢罐中，所述超导储能系统包括超导储能装置和电极，所述电极的一端与所述超导储能装置连接，另一端用于与车载燃料电池并联。
可选地，所述液氢气化系统还包括：
依次经管路连接的流量控制装置、所述汽化器、缓存装置和压力调节阀，所述流量控制装置的一端与所述储氢罐连接，所述缓存装置用于对所述汽化器气化后的气态氢气进行存储；所述压力调节阀对气态氢气进行压力调节，经过所述压力调节阀减压的气态氢气经管路与车载燃料电池连通。
可选地，所述液氢气化系统还包括：
第一安全管路，所述第一安全管路位于所述缓存装置和所述压力调节阀之间，所述第一安全管路包括依次设置的第一压力检测装置和第一安全阀，所述第一安全阀用于当所述第一安全管路的管路压力大于或等于第一阈值时开启，所述第一安全阀与大气连通。
可选地，所述液氢气化系统还包括：
第二安全管路，所述第二安全管路位于所述压力调节阀靠近车载燃料电池的一端，所述第二安全管路包括依次设置的第二压力检测装置和第二安全阀，所述第二安全阀用于当所述第二安全管路的管路压力大于或等于第二阈值时开启，所述第二安全阀与大气连通。
可选地，所述液氢气化系统还包括：
缓存管路，所述缓存管路的一端与所述储氢罐的顶部连通，另一端与所述缓存装置连通。
可选地，所述进液管路包括：
依次设置的加注口和加注阀，所述加注口与外部液氢源连接，所述加注阀用于控制所述进液管路的通断。
可选地，所述排液管路包括：
依次设置的排液口和排液阀，所述排液口与外部液氢收集装置连接，所述排液阀用于调节排液管路的液氢流量。
可选地，所述储氢罐包括：
外壳和内罐，所述外壳和所述内罐之间设有真空腔体，所述真空腔体内填充有吸附剂；所述液氢存储于所述内罐中；
所述车载储氢系统还包括抽空系统，所述抽空系统经抽空阀与所述真空腔体连通。
可选地，所述车载储氢系统还包括：
车载安全管路，与所述储氢罐连通；所述车载安全管路包括车载安全阀和车载压力检测装置，所述车载安全阀用于当所述储氢罐的压力大于或等于车载压力阈值时开启，所述车载安全阀与大气连通。
本申请还提供一种轨道车辆，包括上述实施例任一项所述的液氢超导能量系统，以及车载燃料电池，所述超导储能装置与所述车载燃料电池在车辆母线上并联连接。
本申请实施例提供的液氢超导能量系统，包括：车载储氢系统，具有存储液氢的储氢罐；液氢装卸系统，包括进液管路和排液管路，进液管路和排液管路分别与储氢罐连通；液氢气化系统，包括汽化器，汽化器的一端与储氢罐连接，另一端与车载燃料电池连接；超导储能系统，位于储氢罐中，超导储能系统包括超导储能装置和电极，电极的一端与超导储能装置连接，另一端用于与车载燃料电池并联。
采用本申请实施例中提供的一种液氢超导能量系统，相较于现有技术，具有以下技术效果：
将超导储能系统设置在储氢罐中，通过液氢提供超导储能系统所需工作稳定的同时，吸收超导储能系统发出的热量，从而提高超导储能系统的超导稳定性；同时将电极与超导储能装置连接，对超导储能装置进行超导励磁，超导储能装置与车载燃料电池并联，当轨道车辆牵引时共同提供输入功率；当轨道车辆制动时，超导储能装置回收车辆制动能量，提高整车能效。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种液氢超导能量系统的系统结构示意图。
附图中标记如下：
储氢罐1、进液管路2、排液管路3、汽化器4、超导储能系统5、流量控制装置6、缓存装置7、压力调节阀8、第一安全管路9、第一压力检测装置10、第一安全阀11、第二安全管路12、第二压力检测装置13、第二安全阀14、缓存管路15、抽空系统16、车载安全管路17、车载安全阀18、车载压力检测装置19；
加注口21、加注阀22；
排液口31、排液阀32。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种液氢超导能量系统及轨道车辆，以解决目前没有超导磁储能装置在燃料电池轨道车辆上应用的问题。
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种液氢超导能量系统的系统结构示意图。
在一种具体的实施方式中，本申请提供的液氢超导能量系统，包括车载储氢系统、液氢装卸系统、液氢气化系统和超导储能系统5；其中，车载储氢系统具有存储液氢的储氢罐1；液氢装卸系统包括进液管路2和排液管路3，进液管路2和排液管路3分别与储氢罐1连通；液氢气化系统包括汽化器4，汽化器4的一端与储氢罐1连接，另一端与车载燃料电池连接，为车载燃料电池提供气态氢气；超导储能系统5位于储氢罐1中，超导储能系统5包括超导储能装置和电极，电极的一端与超导储能装置连接，另一端用于与车载燃料电池并联；具体的，超导储能系统5包括超导储能装置、超导开关、电极等结构；超导储能装置为超导线圈，通过超导电流引线与超导开关及电极连接，通过超导开关调节超导线圈在储能状态和能量交换状态之间的切换。
采用本申请实施例中提供的一种液氢超导能量系统，相较于现有技术，具有以下技术效果：
将超导储能系统5设置在储氢罐1中，通过液氢吸收超导储能系统5发出的热量，从而提高超导储能系统5的超导稳定性；同时将电极与超导储能装置连接，对超导储能装置进行超导励磁，超导储能装置与车载燃料电池并联，当轨道车辆牵引时共同提供输入功率；当轨道车辆制动时，超导储能装置回收车辆制动能量，提高整车能效。
在一些实施例中，液氢气化系统还包括依次经管路连接的流量控制装置6、汽化器4、缓存装置7和压力调节阀8，流量控制装置6的一端与储氢罐1连接，缓存装置7用于对汽化器4气化后的气态氢气进行存储；压力调节阀8对气态氢气进行减压，经过压力调节阀8调节的气态氢气经管路与车载燃料电池连通。
其中，流量控制装置6可设置为流量控制阀，其与储氢罐1连接，用于对管路进入汽化器4中的液氢流量进行调节，汽化器4可设置为水浴式汽化器4，对液氢进行一次性汽化，汽化后通过缓存装置7进行存储，并通过压力调节阀8调压后供给车载燃料电池使用，由此以减少车载燃料电池辅机消耗，提升燃料电池能效。缓存装置7设置为缓存罐。
在一些实施例中，为了提高系统安全性，液氢气化系统还包括第一安全管路9，第一安全管路9位于缓存装置7和压力调节阀8之间，第一安全管路9包括依次设置的第一压力检测装置10和第一安全阀11，第一安全阀11用于当第一安全管路9的管路压力大于或等于第一阈值时控制第一安全阀11开启；第一安全阀11与大气连通。可理解，压力调节阀8上游的第一安全管路9在缓存装置7压力超过第一阈值时开启，向大气排放气体氢气；第一压力检测装置10用于检测第一安全管路9的管路压力，当压力超过阈值时认为第一安全阀11故障，并控制系统停机，以作为第一安全阀11的监控元件。
在另一些实施例中，液氢气化系统还包括第二安全管路12，第二安全管路12位于压力调节阀8靠近车载燃料电池的一端，第二安全管路12包括依次设置的第二压力检测装置13和第二安全阀14，第二安全阀14用于当第二安全管路12的管路压力大于或等于第二阈值时控制第二安全阀14开启；第二安全阀14与大气连通。第二压力检测装置13用于检测第二安全管路12的管路压力，当压力超过阈值时认为第二安全阀14故障，并控制系统停机，以作为第二安全阀14的监控元件；第二安全管路12作为压力调节阀8下游的安全系统，在车载燃料电池的入口压力超过第二阈值时开启，向大气排放气体氢气。第一阈值和第二阈值可根据系统需要进行设置。
更进一步地，液氢气化系统还包括缓存管路15，缓存管路15的一端与储氢罐1的顶部连通，另一端与缓存装置7连通；通过缓存管路15连通储氢罐1的顶部和缓存装置7，可理解，液氢提供超导储能系统所需的工作温度，同时吸收超导储能系统释放的微小热量，形成微量的气态氢气，该气态氢气通过缓存管路15进入缓存装置中，便于后续被燃料电池使用；由此设置，以使储氢罐1中气化的液氢直接进入缓存罐，减少车载储氢系统内罐超压的风险，避免频繁向环境排放氢气，提供氢气利用率和安全性。
具体的，进液管路2包括依次设置的加注口21和加注阀22，加注口21与外部液氢源连接，加注阀22用于控制进液管路2的通断；排液管路3包括依次设置的排液口31和排液阀32，排液口31与外部液氢收集装置连接，排液阀32用于调节排液管路3的液氢流量。加注口21与外部液氢加注机连接，打开加注阀22向储氢罐1内补充液氢；当储氢罐1内的液位上限高于阈值时，关闭加注阀22和外部液氢加注机。当储氢罐1需要排空维护时，外部液氢收集装置与排泄口连接，调节排泄阀，根据规程安全排出储氢罐1内的液氢；当储氢罐1内液位下限低于阈值时，关闭排液阀32和外壁液氢收集装置。
在上述各实施例的基础上，储氢罐1包括外壳和内罐，外壳和内罐之间设有真空腔体，真空腔体内填充有吸附剂；液氢存储于内罐中；车载储氢系统还包括抽空系统16，抽空系统16经抽空阀与真空腔体连通。外壳和内罐之间添加吸附剂，通过抽空系统16形成真空。液氢存储在内罐，真空环境隔绝外部热量侵入维持液态氢气，吸附剂吸附外壳和内罐之间的气体延长真空寿命；在外壳的外部包覆有绝热包扎层，以延缓外部热量侵入车载储氢系统。
具体的，车载储氢系统还包括与储氢罐1连通的车载安全管路17；车载安全管路17包括车载安全阀18和车载压力检测装置19，车载安全阀18用于当储氢罐1的管路压力大于或等于压力阈值时开启，车载安全阀18与大气连通。车载压力检测装置19用于检测储氢罐1的压力，当压力超过阈值时认为车载安全阀18故障，并控制系统停机，以作为车载安全阀18的监控元件；车载压力检测装置19为压力表等结构，可根据需要进行设置。
基于上述实施例中提供的液氢超导能量系统，本申请还提供了一种轨道车辆，该轨道车辆包括上述实施例中任意一种液氢超导能量系统以及车载燃料电池，超导储能装置与车载燃料电池在车辆母线上并联连接，由于该轨道车辆采用了上述实施例中的液氢超导能量系统，所以该轨道车辆的有益效果请参考上述实施例。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作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)

1.一种液氢超导能量系统，其特征在于，包括：
车载储氢系统，具有存储液氢的储氢罐；
液氢装卸系统，包括进液管路和排液管路，所述进液管路和所述排液管路分别与所述储氢罐连通；
液氢气化系统，包括汽化器，所述汽化器的一端与所述储氢罐连接，另一端与车载燃料电池连接；
超导储能系统，位于所述储氢罐中，所述超导储能系统包括超导储能装置和电极，所述电极的一端与所述超导储能装置连接，另一端用于与车载燃料电池并联。
2.根据权利要求1所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述液氢气化系统还包括：
依次经管路连接的流量控制装置、所述汽化器、缓存装置和压力调节阀，所述流量控制装置的一端与所述储氢罐连接，所述缓存装置用于对所述汽化器气化后的气态氢气进行存储；所述压力调节阀对气态氢气进行压力调节，经过所述压力调节阀减压的气态氢气经管路与车载燃料电池连通。
3.根据权利要求2所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述液氢气化系统还包括：
第一安全管路，所述第一安全管路位于所述缓存装置和所述压力调节阀之间，所述第一安全管路包括依次设置的第一压力检测装置和第一安全阀，所述第一安全阀用于当所述第一安全管路的管路压力大于或等于第一阈值时开启，所述第一安全阀与大气连通。
4.根据权利要求3所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述液氢气化系统还包括：
第二安全管路，所述第二安全管路位于所述压力调节阀靠近车载燃料电池的一端，所述第二安全管路包括依次设置的第二压力检测装置和第二安全阀，所述第二安全阀用于当所述第二安全管路的管路压力大于或等于第二阈值时开启，所述第二安全阀与大气连通。
5.根据权利要求2所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述液氢气化系统还包括：
缓存管路，所述缓存管路的一端与所述储氢罐的顶部连通，另一端与所述缓存装置连通。
6.根据权利要求1所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述进液管路包括：
依次设置的加注口和加注阀，所述加注口与外部液氢源连接，所述加注阀用于控制所述进液管路的通断。
7.根据权利要求6所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述排液管路包括：
依次设置的排液口和排液阀，所述排液口与外部液氢收集装置连接，所述排液阀用于调节排液管路的液氢流量。
8.根据权利要求1-7任一项所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述储氢罐包括：
外壳和内罐，所述外壳和所述内罐之间设有真空腔体，所述真空腔体内填充有吸附剂；所述液氢存储于所述内罐中；
所述车载储氢系统还包括抽空系统，所述抽空系统经抽空阀与所述真空腔体连通。
9.根据权利要求8所述的液氢超导能量系统，其特征在于，所述车载储氢系统还包括：
车载安全管路，与所述储氢罐连通；所述车载安全管路包括车载安全阀和车载压力检测装置，所述车载安全阀用于当所述储氢罐的压力大于或等于车载压力阈值时开启，所述车载安全阀与大气连通。
10.一种轨道车辆，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的液氢超导能量系统，以及车载燃料电池，所述超导储能装置与所述车载燃料电池在车辆母线上并联连接。
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