CN118073602A - 一种基于固态储氢的用氢管理方法及用氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固态储氢的用氢管理方法及用氢系统，其中方法包括：步骤S1，启动用氢系统，用氢系统包括固态储氢装置和燃料电池子系统，进入步骤S2；步骤S2，计算固态储氢装置内的气态氢是否满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢所需要的氢气量，若是不满足，提示氢气不足；否则进入步骤S3；步骤S3，控制固态储氢装置向燃料电池子系统供氢，燃料电池子系统工作；并计算固态储氢装置内的氢气剩余量，进入步骤S4；步骤S4，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统稳定运行，若满足，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间，并返回步骤S3；若不满足，则提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统的供氢。

Description

一种基于固态储氢的用氢管理方法及用氢系统
技术领域
本发明属于氢能源技术领域，具体地涉及一种基于固态储氢的用氢管理方法及用氢系统。
背景技术
固态储氢技术主要依据某些物质具有吸放氢特性及伴随着吸放氢过程的热交换现象，利用其高安全性、高体积密度等优点，开展氢能源场景的应用开发。
现有的固态储氢装置放氢时，主要通过加热固态储氢装置，使固态储氢材料在较高温度情况下减压放氢，目前不论是空冷燃料电池+空冷固态储氢装置、水冷燃料电池+水冷固态储氢装置还是研发中的氢内燃机+固态储氢装置都无法量化控制固态储氢装置的放氢过程，导致固态储氢技术无法大规模商用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固态储氢的用氢管理方法及用氢系统用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于固态储氢的用氢管理方法，包括如下步骤：
步骤S1，启动用氢系统，用氢系统包括固态储氢装置和燃料电池子系统，固态储氢装置用于给燃料电池子系统供氢，燃料电池子系统工作中的余热用于给固态储氢装置供热，进入步骤S2；
步骤S2，计算固态储氢装置内的气态氢是否满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢所需要的氢气量，若是不满足，提示氢气不足；否则进入步骤S3；
步骤S3，控制固态储氢装置向燃料电池子系统供氢，燃料电池子系统工作同时向固态储氢装置提供达标热源，确保固态储氢装置持续放氢；并计算固态储氢装置内的氢气剩余量，进入步骤S4；
步骤S4，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统稳定运行，若满足，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间，并返回步骤S3；若不满足，则提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统的供氢。
进一步的，所述步骤S1中还包括系统自检步骤，系统自检合格后才进入步骤S2。
进一步的，所述步骤S2具体包括：
步骤S21，读取燃料电池子系统中燃料电池启动至怠速阶段需要的时间t；
步骤S22，根据步骤S21读取的时间t，结合固态储氢装置和燃料电池子系统的相关参数计算固态储氢装置内的气态氢是否满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量，如果不满足，则提示氢气不足；否则进入步骤S3。
更进一步的，采用如下公式来计算时间t，t＝t0+t1，其中t0为燃料电池子系统中燃料电池启动至开始供氢时间；t1为供氢开始至燃料电池子系统中燃料电池运行至怠速阶段的时间。
更进一步的，所述步骤S22具体为：分别计算燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量L燃电和固态储氢装置内的气态氢的量L储氢，L燃电＝S燃电流速*t，L储氢＝(ρ(p1)-ρ(p0))*v*11.2Nm3/kg，若L储氢≥L燃电，则判断为固态储氢装置内的气态氢满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量；若L储氢＜L燃电，则判断为固态储氢装置内的气态氢不满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量，提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统供氢，其中，S燃电流速为燃料电池子系统的供氢流速，ρ为标准氢气密度表内的氢气密度参数，p0为燃料电池子系统运行压强，p1为固态储氢装置现状压强，v为固态储氢装置内气态氢水容积，11.2Nm3/kg为氢气标准体积/质量系数。
进一步的，所述步骤S4中，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统稳定运行具体为：计算固态储氢装置剩余氢气量比率与固态储氢装置最低剩余氢气量比率的差值是否小于0；或固态储氢装置剩余储氢量减去固态储氢装置中气态氢水容积与燃料电池子系统额定工作压力倍数下的氢气密度的乘积的差值是否小于0，若是，则判断固态储氢装置剩余储氢量不能满足燃料电池子系统稳定运行。
更进一步的，所述步骤S4中，判断固态储氢装置剩余储氢量满足燃料电池子系统稳定运行后，还继续判断：固态储氢装置剩余氢气量比率≥固态储氢装置最低剩余氢气量比率，固态储氢装置氢压≥燃料电池子系统额定工作压力倍数下压力，固态储氢装置平均温度≥固态储氢装置最佳放氢温度时，固态储氢装置放氢速度≥燃料电池子系统额定用氢速率是否成立，若成立，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间；否则，提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统的供氢。
进一步的，所述步骤S4中，氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间的计算方法为：(固态储氢装置剩余氢气量-固态储氢装置最低剩余氢气量)÷燃料电池子系统的前一段时间内的平均氢耗。
进一步的，所述燃料电池子系统为水冷型的燃料电池子系统，燃料电池子系统通过其换热器给固态储氢装置提供热水进行加热。
本发明还公开了一种用氢系统，该用氢系统使用上述的基于固态储氢的用氢管理方法进行用氢管理控制。
本发明的有益技术效果：
本发明实现了对固态储氢装置的放氢过程的量化控制，对固态储氢装置的放氢过程的控制更精确，使得固态储氢装置可实现商用化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的基于固态储氢的用氢管理方法的流程图；
图2为本发明具体实施例的用氢系统的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于固态储氢的用氢管理方法，包括如下步骤：
步骤S1，启动用氢系统，用氢系统包括固态储氢装置和燃料电池子系统，固态储氢装置用于给燃料电池子系统供氢，燃料电池子系统工作中的余热用于给固态储氢装置供热，进入步骤S2。
本具体实施例中，用氢系统的结构如图2所示，包括固态储氢装置1、放氢管路2、开关阀3、调压阀4、质量流量计5、燃料电池子系统6和用氢控制器7，固态储氢装置1上设有压力传感器11、温度传感器12、通信模块13、主控器14和装置识别单元15，压力传感器11、温度传感器12和装置识别单元15分别与主控器14电连接，压力传感器11和温度传感器12用于分别检测固态储氢装置1内的压力和温度，温度传感器12可以采用NTC温度传感器来实现，主控器14可以采用MCU微处理器来实现，结构简单，易于实现，成本低，但并不限于此。
装置识别单元15用于存储固态储氢装置1的相关参数，包括该固态储氢装置1的储氢材料、PCT参数、充放氢次数及各次充放氢量等参数，装置识别单元15可以采用永久记忆性存储器来实现。
固态储氢装置1的出氢口通过放氢管路2接燃料电池子系统6，燃料电池子系统6工作中的余热给固态储氢装置1供热，具体的，本实施例中，燃料电池子系统6为水冷型的燃料电池子系统，燃料电池子系统6通过其换热器61给固态储氢装置1提供热水进行加热，但并不限于此，在一些实施例中，燃料电池子系统6也可以为风冷型的燃料电池子系统。
开关阀3、调压阀4和质量流量计5依次设置在放氢管路2上，开关阀3用于控制固态储氢装置1给燃料电池子系统6供氢，调压阀4用于调节放氢管路2的压力，质量流量计5用于检测放氢管路2的氢气流量大小，开关阀3、调压阀4和质量流量计5分别与主控器14电连接。
主控器14通过通信模块13与用氢控制器7通信连接，相应地，用氢控制器7需设有通信模块，用氢控制器7与燃料电池子系统6通信连接。
用氢控制器7可以采用MCU微处理器来实现，结构简单，易于实现，但并不以此为限，在一些实施例中，用氢控制器7也可以采用其它控制器来实现。用氢控制器7可以是独立的控制器，也可以由使用该固态储氢装置1的设备的控制器，如氢能源车辆的控制器来实现。
通信模块13为有线通信模块，通讯更稳定可靠，但并不限于此，在一些实施例中，通信模块13也可以为无线通信模块。
本具体实施例中，用氢系统启动后，执行系统自检步骤，具体为：主控器14对压力传感器11、温度传感器12、通信模块13、装置识别单元15、开关阀3、调压阀4和质量流量计5进行自检，用氢控制器7对燃料电池子系统6自检。
自检合格后，主控器14调用用氢控制器7的参数、压力传感器11的参数、温度传感器12的参数和装置识别单元15的参数，用氢控制器7的参数包括燃料电池子系统6的功率、运行氢压、氢耗(额定、怠速)、启动参数、运行参数等，装置识别单元15的参数包括该固态储氢装置1的储氢材料、PCT参数、放氢温度、气态氢存储空间、充放氢次数及各次充放氢量等。
步骤S2，计算固态储氢装置1内的气态氢是否满足燃料电池子系统6启动并运行至固态储氢装置1保持持续稳定放氢所需要的氢气量，若是不满足，提示氢气不足；否则进入步骤S3。
本具体实施例中，步骤S2具体包括：步骤S21，读取燃料电池子系统6中燃料电池启动至怠速阶段需要的时间t。
具体的，主控器14调用燃料电池子系统6内的数据，计算燃料电池子系统6中燃料电池在当前温度及湿度下启动至怠速阶段需要的时间t，采用如下公式来计算时间t：
t＝t0+t1
其中，t0为燃料电池子系统6中燃料电池启动至开始供氢时间；t1为供氢开始至燃料电池子系统6中燃料电池运行至怠速阶段(固态储氢装置1保持持续稳定放氢)的时间。
步骤S22，根据步骤S21得到的时间t，结合固态储氢装置1和燃料电池子系统6的相关参数计算固态储氢装置1内的气态氢是否满足燃料电池子系统6启动并运行至固态储氢装置1保持持续稳定放氢需要的氢气量，如果不满足，则提示氢气不足；否则进入步骤S3。其中，提示氢气不足的方式可以是通过显示屏显示进行提示，也可以是通过指示灯进行提示等。
具体的，本实施例中，主控器14根据步骤S21得到的时间t，调用固态储氢装置1的相关参数(包括压力参数、温度参数、气态氢水容积参数等)及用氢控制器7的参数(包括运行氢压、供氢流速等)计算固态储氢装置1内的气态氢是否满足燃料电池子系统6启动并运行至固态储氢装置1保持持续稳定放氢需要的氢气量，具体计算方法如下：
分别计算燃料电池子系统6启动并运行至固态储氢装置1保持持续稳定放氢需要的氢气量L燃电和固态储氢装置1内的气态氢的量L储氢，
L燃电＝S燃电流速*t，L储氢＝(ρ(p1)-ρ(p0))*v*11.2Nm3/kg
其中，S燃电流速为燃料电池子系统6的供氢流速，ρ为标准氢气密度表内的氢气密度参数，p0为燃料电池子系统6运行压强，p1为固态储氢装置1现状压强，v为固态储氢装置1内气态氢水容积，11.2Nm3/kg为氢气标准体积/质量系数。
若L储氢≥L燃电，则判断为固态储氢装置1内的气态氢满足燃料电池子系统6启动并运行至固态储氢装置1保持持续稳定放氢需要的氢气量；若L储氢＜L燃电，则判断为固态储氢装置1内的气态氢不满足燃料电池子系统6启动并运行至固态储氢装置1保持持续稳定放氢需要的氢气量，提示氢气不足，并断开固态储氢装置1向燃料电池子系统6供氢，主控器14储存相关参数。
燃料电池子系统6启动阶段，系统内热功率会快于电功率达到系统运行的温度要求，以维持系统电功率达标，因此在做好保温措施下，燃料电池子系统6与固态储氢装置1的换热不存在问题。
步骤S3，控制固态储氢装置1向燃料电池子系统6供氢，燃料电池子系统6工作同时向固态储氢装置1提供达标热源，确保固态储氢装置1持续放氢；并计算固态储氢装置1内的氢气剩余量，进入步骤S4。
具体的，主控器14控制开关阀3、调压阀4和质量流量计5打开，固态储氢装置1通过放氢管路2向燃料电池子系统6供氢，燃料电池子系统6在启动的同时向固态储氢装置1提供达标热源，例如燃料电池子系统6热源温度区间：65℃-85℃，向固态储氢装置1输入热源温度区间≥45℃，确保固态储氢装置1持续放氢，此处可根据情况选配换热器61，不再赘述。
为满足燃料电池子系统6正常工作及符合固态储氢材料性能特性，固态储氢装置1和燃料电池子系统6的参数需相互匹配，如燃料电池子系统6的供氢标准氢压及流速为1Mpa和190NL/MIN，为满足燃料电池子系统6的供氢参数，则可以设置固态储氢装置1内的气态氢压需≥1.2Mpa，最佳平衡态放氢的速度需≥200NL/MIN。更具体参数建议由集成商通过论证及验证给出。
固态储氢装置1的参数可以设置为：当装置额定储氢量为4kg时，剩余氢气量比率(固态储氢装置1的剩余氢气量/固态储氢装置1的额定存氢量)≥20％，固态储氢装置1平均温度≥45℃时，放氢速度≥250NL/min；20％≥剩余储氢量比率≥10％，固态储氢装置1平均温度≥45℃时，放氢速度≥200NL/min；10％＜剩余储氢量比率，固态储氢装置1平均温度≥45℃时，放氢速度＜200NL/min，但并不限于此，上述数据由固态储氢装置生产厂家在生产装置过程中将参数设置于装置识别单元15中，实际应用时，可由集成商根据燃料电池子系统6参数选配固态储氢装置1进行匹配。
在此过程中，主控器14不断监测压力传感器11、温度传感器12、装置识别单元15和质量流量计5的参数，通过下述公式计算固态储氢装置1内的氢气剩余量。
第(N+1)次氢气剩余量＝L(N)-质量流量计5的流出读数。其中，L(N)为第N次充氢后固态储氢装置1内的氢气存量，质量流量计5的流出读数为第N次充氢后，质量流量计5检测的总流出量，可以是多次流出氢气量的读数之和。
步骤S4，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统6稳定运行，若满足，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统6运行的时间，并返回步骤S3；若不满足，则提示氢气不足，并断开固态储氢装置1向燃料电池子系统6的供氢。
本具体实施例中，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统6稳定运行具体为：计算固态储氢装置1剩余氢气量比率与固态储氢装置1最低剩余氢气量比率的差值是否小于0；或固态储氢装置1剩余储氢量减去固态储氢装置1中气态氢水容积与燃料电池子系统6额定工作压力倍数下的氢气密度的乘积的差值是否小于0，若是，则判断固态储氢装置1剩余储氢量不能满足燃料电池子系统6稳定运行。固态储氢装置1最低剩余氢气量比率是一个相对数值，可通过固态储氢装置1的装置识别单元15中的不同储氢率及放氢温度下放氢速率、燃料电池子系统6额定功率下用氢速率对照得来。燃料电池子系统6额定工作压力倍数下的氢气密度是一个相对数值，该数值与固态储氢装置1中气态氢水容积的乘积得出一个标准氢气量，这个氢气量用于判定燃料电池子系统6额定功率下还可运行多长时间，例如：三分钟后固态储氢装置1供氢不足。
进一步的，判断固态储氢装置1剩余储氢量满足燃料电池子系统6稳定运行后，还继续判断：固态储氢装置1剩余氢气量比率≥固态储氢装置1最低剩余氢气量比率，固态储氢装置1氢压≥燃料电池子系统6额定工作压力倍数下压力，固态储氢装置1平均温度≥固态储氢装置1最佳放氢温度时，固态储氢装置1放氢速度≥燃料电池子系统6额定用氢速率是否成立，若成立，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统6运行的时间，便于及时知道续航能力。具体的，本实施例中，氢气剩余量满足燃料电池子系统6运行的时间的计算方法为：(固态储氢装置1剩余氢气量-固态储氢装置1最低剩余氢气量)÷燃料电池子系统6的前一段时间(如前3秒)内的平均氢耗。
若不成立，如固态储氢装置1剩余氢气量比值<固态储氢装置1最低剩余氢气量比率或固态储氢装置1氢压<燃料电池额定工作压力倍数下压力，且固态储氢装置1平均温度≥固态储氢装置1最佳放氢温度时，固态储氢装置1放氢速度<燃料电池子系统6额定用氢速率，则提示氢气不足，并断开固态储氢装置1向燃料电池子系统6供氢，甚至关闭燃料电池子系统6。
本具体实施例中，还包括将下述各组数值存储于装置识别单元15内的步骤，便于主控器14调取使用。
各组数值为：用氢后固态储氢装置1的剩余氢量；本次用氢量；用氢后，当温度降至最低放氢温度时，固态储氢装置1内气态氢量。
本具体实施例中，主控器14还设有学习功能，具体为：主控器14在运行过程中，同时调用PCT函数进行放氢性能学习，利用上述的累计数据进行关于固态储氢装置1性能的验证。
本发明还公开了一种用氢系统，该用氢系统使用上述的基于固态储氢的用氢管理方法进行用氢管理控制。具体的，本实施例中，用氢系统为图2所示的用氢系统，但并不以此为限。
本发明的用氢系统不限于用在固态储氢装置与燃料电池子系统的匹配，在拥有全套氢内燃机参数的情况下，亦可参照使用。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，启动用氢系统，用氢系统包括固态储氢装置和燃料电池子系统，固态储氢装置用于给燃料电池子系统供氢，燃料电池子系统工作中的余热用于给固态储氢装置供热，进入步骤S2；
步骤S2，计算固态储氢装置内的气态氢是否满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢所需要的氢气量，若是不满足，提示氢气不足；否则进入步骤S3；
步骤S3，控制固态储氢装置向燃料电池子系统供氢，燃料电池子系统工作同时向固态储氢装置提供达标热源，确保固态储氢装置持续放氢；并计算固态储氢装置内的氢气剩余量，进入步骤S4；
步骤S4，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统稳定运行，若满足，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间，并返回步骤S3；若不满足，则提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统的供氢。
2.根据权利要求1所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括系统自检步骤，系统自检合格后才进入步骤S2。
3.根据权利要求1所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21，读取燃料电池子系统中燃料电池启动至怠速阶段需要的时间t；
步骤S22，根据步骤S21读取的时间t，结合固态储氢装置和燃料电池子系统的相关参数计算固态储氢装置内的气态氢是否满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量，如果不满足，则提示氢气不足；否则进入步骤S3。
4.根据权利要求3所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，采用如下公式来计算时间t，t＝t0+t1，其中t0为燃料电池子系统中燃料电池启动至开始供氢时间；t1为供氢开始至燃料电池子系统中燃料电池运行至怠速阶段的时间。
5.根据权利要求4所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：分别计算燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量L燃电和固态储氢装置内的气态氢的量L储氢，L燃电＝S燃电流速*t，L储氢＝(ρ(p1)-ρ(p0))*v*11.2Nm3/kg，若L储氢≥L燃电，则判断为固态储氢装置内的气态氢满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量；若L储氢＜L燃电，则判断为固态储氢装置内的气态氢不满足燃料电池子系统启动并运行至固态储氢装置保持持续稳定放氢需要的氢气量，提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统供氢，其中，S燃电流速为燃料电池子系统的供氢流速，ρ为标准氢气密度表内的氢气密度参数，p0为燃料电池子系统运行压强，p1为固态储氢装置现状压强，v为固态储氢装置内气态氢水容积，11.2Nm3/kg为氢气标准体积/质量系数。
6.根据权利要求1所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述步骤S4中，判断氢气剩余量是否满足燃料电池子系统稳定运行具体为：计算固态储氢装置剩余氢气量比率与固态储氢装置最低剩余氢气量比率的差值是否小于0；或固态储氢装置剩余储氢量减去固态储氢装置中气态氢水容积与燃料电池子系统额定工作压力倍数下的氢气密度的乘积的差值是否小于0，若是，则判断固态储氢装置剩余储氢量不能满足燃料电池子系统稳定运行。
7.根据权利要求6所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述步骤S4中，判断固态储氢装置剩余储氢量满足燃料电池子系统稳定运行后，还继续判断：固态储氢装置剩余氢气量比率≥固态储氢装置最低剩余氢气量比率，固态储氢装置氢压≥燃料电池子系统额定工作压力倍数下压力，固态储氢装置平均温度≥固态储氢装置最佳放氢温度时，固态储氢装置放氢速度≥燃料电池子系统额定用氢速率是否成立，若成立，则计算氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间；否则，提示氢气不足，并断开固态储氢装置向燃料电池子系统的供氢。
8.根据权利要求1或7所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述步骤S4中，氢气剩余量满足燃料电池子系统运行的时间的计算方法为：(固态储氢装置剩余氢气量-固态储氢装置最低剩余氢气量)÷燃料电池子系统的前一段时间内的平均氢耗。
9.根据权利要求1所述的基于固态储氢的用氢管理方法，其特征在于，所述燃料电池子系统为水冷型的燃料电池子系统，燃料电池子系统通过其换热器给固态储氢装置提供热水进行加热。
10.一种用氢系统，其特征在于，该用氢系统使用权利要求1-9任意一项所述的基于固态储氢的用氢管理方法进行用氢管理控制。
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