CN208014808U - 一种燃料电池供氢系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池供氢系统。该系统包括高压储气氢瓶、集成瓶阀、减压阀、管道压力传感器、氢泄露传感器、燃料电池进气主阀，PRD泄压阀、单向阀、氢管理系统。根据各传感器实时监控系统工作状态，根据不同系统工况，切换控制方式，能有效确保燃料电池供氢系统在各种工况下安全、可靠、高效地工作。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池供氢系统。
背景技术
随着科技发展及人们环境保护意识的加强，发展无污染的绿色新能源汽车已经成为趋势。燃料电池具有发电效率高、环境污染小、可靠性高和废热易排出可循环再利用等优点。因此燃料电池汽车技术的研究和开发受到各国政府的大力支持。
在此背景之下开发出了使用清洁能源氢气作为燃料的燃料电池汽车。这种新能源汽车由氢气和氧通过燃料电池产生的电能提供动力，氢氧反应这一过程不仅有极高的能量利用效率，而且排放物只有水，对环境没有任何污染。但是，氢气本身的特性如泄漏性、爆炸性和氢脆等，使得燃料电池汽车存在着一定的安全隐患，这种新能源动力系统的安全性成为人们首先关心的问题。这些安全问题包括储氢安全、车载氢气系统的安全、燃料电池汽车发生碰撞以及发生氢气泄露时的安全等。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种安全可控的燃料电池供氢系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种燃料电池供氢系统，包括高压储气氢瓶，在其瓶口处密封连接有集成瓶阀，所述集成瓶阀与高压储气氢瓶内部连通，所述集成瓶阀通过进气管与单向瓶阀连通，用于向所述高压储气氢瓶内部充气；所述集成瓶阀通过输气管与燃料电池进气主阀连通，在所述的输气管上设置有减压阀，以使输出的气氢气压力适于燃料电池使用；在所述的集成瓶阀通过氢瓶泄压管与PRD泄压阀连通，用于向大气排出高压储气氢瓶中的气体；还包括氢管理系统，所述氢管理系统包括氢管理系统控制器和氢瓶压力传感器；所述氢瓶压力传感器设置在所述集成瓶阀上，且通过信号与所述氢管理系统控制器连接，用于采集所述高压储气氢瓶中的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器与所述PRD泄压阀连接，所述氢管理系统控制器用于接收所述高压储气氢瓶中的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的安全阀值比较，当所述高压储气氢瓶中的气压大于安全阀值时，向所述PRD泄压阀发送气瓶泄压指令，以开启所述PRD泄压阀使之与所述高压储气氢瓶连通，用以排出高压储气氢瓶中的气体。
进一步，所述氢管理系统还包括氢瓶温度传感器；所述氢瓶温度传感器设置在所述集成瓶阀上，通过信号与所述氢管理系统控制器连接，用于采集所述高压储气氢瓶中的温度信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器与所述单向瓶阀连接；所述氢管理系统控制器用于根据所述高压储气氢瓶中的气压和所述高压储气氢瓶中的温度计算所述储气氢瓶中氢气的SOC，当所述储气氢瓶中氢气的SOC小于供气下限值时，向所述单向瓶阀发出补气指令，以开启所述单向瓶阀使之与加氢口连通，用以向高压储气氢瓶中补充气体。
进一步，还包括管道泄压管，所述管道泄压管的一端与所述PRD泄压阀连通，另一端与所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管连通；在所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管上还设置有管道压力传感器，所述管道压力传感器与所述氢管理系统控制器连接；所述管道压力传感器用于采集所述输气管的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器用于接收输气管的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的管道安全阀值比较，当所述输气管的气压大于管道安全阀值时，向所述PRD泄压阀发送管道泄压指令，以开启所述PRD泄压阀使之与所述输气管连通，用以排出输气管中的气体。
进一步，还包括氢泄露传感器，所述氢泄露传感器与所述氢管理系统控制器连接；所述氢泄露传感器用于采集环境的氢含量信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器用于接收环境的氢含量信息并与所述氢管理系统控制器中存储的爆炸极限最小值比较，当环境的氢含量大于爆炸极限最小值的80％时，向所述PRD泄压阀发送开度调节指令来控制所述PRD泄压阀的开度，用以使环境的氢含量至爆炸极限最小值以下。
更进一步，所述氢管理系统控制器与所述燃料电池进气主阀连接，用于控制所述燃料电池进气主阀的开度。
进一步，所述氢管理系统控制器为计算机、单片机或可编程控制器。
与现有的技术相比，本实用新型的有益效果为：能实时监控系统工作状态，根据不同系统工况，切换控制方式，能有效确保燃料电池供氢系统在各种工况下安全、可靠、高效地工作。
附图说明
图1为本实用新型的连接关系示意图；
图2为本实用新型的控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，一种燃料电池供氢系统，包括高压储气氢瓶，在其瓶口处密封连接有集成瓶阀，所述集成瓶阀与高压储气氢瓶内部连通，所述集成瓶阀通过进气管与单向瓶阀连通，用于向所述高压储气氢瓶内部充气；所述集成瓶阀通过输气管与燃料电池进气主阀连通，在所述的输气管上设置有减压阀，以使输出的气氢气压力适于燃料电池使用；在所述的集成瓶阀通过氢瓶泄压管与PRD泄压阀连通，用于向大气排出高压储气氢瓶中的气体；还包括氢管理系统，所述氢管理系统包括氢管理系统控制器和氢瓶压力传感器；所述氢瓶压力传感器设置在所述集成瓶阀上，且通过信号与所述氢管理系统控制器连接，用于采集所述高压储气氢瓶中的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器与所述PRD泄压阀连接，所述氢管理系统控制器用于接收所述高压储气氢瓶中的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的安全阀值比较，当所述高压储气氢瓶中的气压大于安全阀值时，向所述PRD泄压阀发送气瓶泄压指令，以开启所述PRD泄压阀使之与所述高压储气氢瓶连通，用以排出高压储气氢瓶中的气体。
作为优化，所述氢管理系统还包括氢瓶温度传感器；所述氢瓶温度传感器设置在所述集成瓶阀上，通过信号与所述氢管理系统控制器连接，用于采集所述高压储气氢瓶中的温度信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器与所述单向瓶阀连接；所述氢管理系统控制器用于根据所述高压储气氢瓶中的气压和所述高压储气氢瓶中的温度计算所述储气氢瓶中氢气的SOC，当所述储气氢瓶中氢气的SOC小于供气下限值时，向所述单向瓶阀发出补气指令，以开启所述单向瓶阀使之与加氢口连通，用以向高压储气氢瓶中补充气体。SOC的计算方法为现有技术，如《燃料电池车氢气SOC计算及应用》(电源技术研究与设计.2015.8.1675-1677页)。
作为优化，还包括管道泄压管，所述管道泄压管的一端与所述PRD泄压阀连通，另一端与所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管连通；在所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管上还设置有管道压力传感器，所述管道压力传感器与所述氢管理系统控制器连接；所述管道压力传感器用于采集所述输气管的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器用于接收输气管的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的管道安全阀值比较，当所述输气管的气压大于管道安全阀值时，向所述PRD泄压阀发送管道泄压指令，以开启所述PRD泄压阀使之与所述输气管连通，用以排出输气管中的气体。
作为优化，还包括氢泄露传感器，所述氢泄露传感器与所述氢管理系统控制器连接；所述氢泄露传感器用于采集环境的氢含量信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器用于接收环境的氢含量信息并与所述氢管理系统控制器中存储的爆炸极限最小值比较，当环境的氢含量大于爆炸极限最小值的80％时，向所述PRD泄压阀发送开度调节指令来控制所述PRD泄压阀的开度，用以使环境的氢含量至爆炸极限最小值以下。
作为进一步优化，所述氢管理系统控制器与所述燃料电池进气主阀连接，用于控制所述燃料电池进气主阀的开度。
作为优化，所述氢管理系统控制器为计算机、单片机或可编程控制器。可编程控制器可采用DVP-ES2系列、DVP-EX2系列、DVP-ES2-C系列等控制器。
本实用新型理论上具备以下五种工况(即工作状态)：1、待机工况：系统上电后默认状态，该状态下实时监控系统状态，维持管道氢压力。2、加氢工况：当氢瓶氢气不足时，通过加氢口给氢瓶加注氢气，加氢时加氢口压强要比瓶压高。单向阀防止氢气回流。3、供氢工况：当燃料电池运行时，集成瓶阀打开，高压氢气通过减压阀，变成适合燃料电池工作的低压氢气，再通过主阀进入燃料电池。4、置换工况：使用氮气或二氧化碳将瓶中氢气置换，或者反过来使用氢气置换惰性气体。5、故障工况：传感器失效、氢系统温度、压力、浓度异常时进入异常工况。该工况下需要对供氢系统进行保护。当瓶压温度过高时,通过PRD阀门泄放氢瓶氢气，泄放时实时监控氢浓度，根据氢浓度调整泄放速率，防止浓度达到爆炸极限。
如图2所示，具体的控制策略如下：1、传感器实时监控氢瓶瓶阀温度、瓶阀压力，管道压力及燃料电池系统周围氢浓度，控制器对信号进行处理，通过AD值识别传感器故障及过温、欠温、过压、过压、氢浓度过高等故障。2、根据气瓶气压和气瓶温度来估算瓶内SOC。3、根据不同工况控制供氢系统瓶阀、主阀、泄压阀开关：1)当控制器上电后，首先进入待机模式。首先开启瓶阀的开关，读取氢瓶的压力，读取完毕后关闭瓶阀。在待机模式下，为了保证动力系统启动时供氢压力稳定，实时调整，一旦气压低则开瓶阀补气。如果检测到氢泄露或者瓶压持续低，则关闭瓶阀，进入故障模式。2)当收到PC发过来的置换使能时，进入置换模式。该模式下主阀关闭，瓶阀直接响应PC机开关指令。该状态下未收到置换使能信号，则回到待机模式。3)当收到PC发过来的加氢使能时，且没有氢系统故障，进入加氢模式，该模式下关闭主阀和所有的瓶阀。当出现故障或加氢不使能，则回到待机模式4)当供氢系统无故障且受到燃料电池工作使能，进入工作模式，该模式下瓶阀全开。当未收到燃料电池工作使能后，重新回到待机模式。5)当收到供氢系统故障或传感器失效故障，则进入故障模式。该模式下关闭所有瓶阀，若检测到温度过高，且氢浓度正常，则开启PRD进行泄放。当收到置换使能且未检测到氢泄露故障，则进入置换模式。6)将当前供氢系统状态(SOC、瓶阀和主阀状态，故障状态)实时通过CAN通讯上报给燃料电池控制器，PC上位机及其他控制器。
根据上述原理，可采用以下方法进行控制：
S1：开启燃料电池供氢系统，通过所述氢瓶压力传感器和氢瓶温度传感器分别采集所述高压储气氢瓶中的气压信息和温度信息并传输给所述氢管理系统控制器。
S2：所述氢管理系统控制器根据所述高压储气氢瓶中的气压信息和温度信息计算所述储气氢瓶中氢气的SOC，并判断所述燃料电池供氢系统的工作状态，并根据其工作状态执行以下的操作：
S21：当SOC大于供气下限值且所述高压储气氢瓶中的气压小于安全阀值时，所述燃料电池供氢系统处于稳定状态；开启减压阀和燃料电池进气主阀，向燃料电池进气口供应氢气。
S22：当SOC小于供气下限值，所述燃料电池供氢系统处于待加氢状态；开启单向瓶阀，向所述高压储气氢瓶中充入氢气，直至将所述高压储气氢瓶充满，切换到S21。
S23：当所述高压储气氢瓶中的气压高于安全阀值时，所述燃料电池供氢系统处于排压状态；开启PRD泄压阀，使之与所述高压储气氢瓶内部连通来排除气体，直至所述高压储气氢瓶中的气压低于安全阀值，切换到S21。
S24：当进行S22时，SOC增加速率低于设定值，则进入待检修状态；将单向瓶阀与保护性气体供应装置连通并开启PRD泄压阀，使之与所述高压储气氢瓶内部连通，以用保护气体置换氢气以待检修。
当检修完成后，将单向瓶阀与氢气供应装置连通并开启PRD泄压阀，使之与所述高压储气氢瓶内部连通，以用氢气置换保护气体，当置换完成后，关闭PRD泄压阀并继续充入氢气，直至将所述高压储气氢瓶充满，切换到S21。
S3：重复S1、S2，直至达到运行终止状态。
作为优化，所述的燃料电池供氢系统还包括管道泄压管，所述管道泄压管的一端与所述PRD泄压阀连通，另一端与所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管连通；在所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管上还设置有管道压力传感器，所述管道压力传感器与所述氢管理系统控制器连接；在S21中还包括以下操作：所述管道压力传感器采集所述输气管的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器接收输气管的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的管道安全阀值比较，当所述输气管的气压大于管道安全阀值时；进行步骤S25：开启所述PRD泄压阀使之与所述输气管连通，用以排出输气管中的气体。
作为优化，在所述氢泄露传感器，所述氢泄露传感器与所述氢管理系统控制器连接；在燃料电池供氢系统中还包括氢泄露传感器，所述氢泄露传感器与所述氢管理系统控制器连接；当进行S23、S24或25时，氢泄露传感器采集环境的氢含量信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器接收环境的氢含量信息并与所述氢管理系统控制器中存储的爆炸极限最小值比较，当环境的氢含量大于爆炸极限最小值的80％时，向所述PRD泄压阀发送开度调节指令来控制所述PRD泄压阀的开度，用以使环境的氢含量至爆炸极限最小值以下。
作为优化，所述氢管理系统控制器分别与所述的单向瓶阀、燃料电池进气主阀和PRD泄压阀连接，以在S21-S25的操作中通过所述氢管理系统控制器对所述的单向瓶阀、燃料电池进气主阀和PRD泄压阀进行控制。
本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种燃料电池供氢系统，包括高压储气氢瓶，在其瓶口处密封连接有集成瓶阀，所述集成瓶阀与高压储气氢瓶内部连通，所述集成瓶阀通过进气管与单向瓶阀连通，用于向所述高压储气氢瓶内部充气；所述集成瓶阀通过输气管与燃料电池进气主阀连通，在所述的输气管上设置有减压阀，以使输出的气氢气压力适于燃料电池使用；其特征在于，在所述的集成瓶阀通过氢瓶泄压管与PRD泄压阀连通，用于向大气排出高压储气氢瓶中的气体；还包括氢管理系统，所述氢管理系统包括氢管理系统控制器和氢瓶压力传感器；所述氢瓶压力传感器设置在所述集成瓶阀上，且通过信号与所述氢管理系统控制器连接，用于采集所述高压储气氢瓶中的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器与所述PRD泄压阀连接，所述氢管理系统控制器用于接收所述高压储气氢瓶中的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的安全阀值比较，当所述高压储气氢瓶中的气压大于安全阀值时，向所述PRD泄压阀发送气瓶泄压指令，以开启所述PRD泄压阀使之与所述高压储气氢瓶连通，用以排出高压储气氢瓶中的气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供氢系统，其特征在于，所述氢管理系统还包括氢瓶温度传感器；所述氢瓶温度传感器设置在所述集成瓶阀上，通过信号与所述氢管理系统控制器连接，用于采集所述高压储气氢瓶中的温度信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器与所述单向瓶阀连接；所述氢管理系统控制器用于根据所述高压储气氢瓶中的气压和所述高压储气氢瓶中的温度计算所述储气氢瓶中氢气的SOC，当所述储气氢瓶中氢气的SOC小于供气下限值时，向所述单向瓶阀发出补气指令，以开启所述单向瓶阀使之与加氢口连通，用以向高压储气氢瓶中补充气体。
3.根据权利要求1所述的燃料电池供氢系统，其特征在于，还包括管道泄压管，所述管道泄压管的一端与所述PRD泄压阀连通，另一端与所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管连通；在所述减压阀与所述燃料电池进气主阀之间的输气管上还设置有管道压力传感器，所述管道压力传感器与所述氢管理系统控制器连接；所述管道压力传感器用于采集所述输气管的气压信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器用于接收输气管的气压信息并与所述氢管理系统控制器中存储的管道安全阀值比较，当所述输气管的气压大于管道安全阀值时，向所述PRD泄压阀发送管道泄压指令，以开启所述PRD泄压阀使之与所述输气管连通，用以排出输气管中的气体。
4.根据权利要求2所述的燃料电池供氢系统，其特征在于，还包括氢泄露传感器，所述氢泄露传感器与所述氢管理系统控制器连接；所述氢泄露传感器用于采集环境的氢含量信息并传输给所述氢管理系统控制器；所述氢管理系统控制器用于接收环境的氢含量信息并与所述氢管理系统控制器中存储的爆炸极限最小值比较，当环境的氢含量大于爆炸极限最小值的80％时，向所述PRD泄压阀发送开度调节指令来控制所述PRD泄压阀的开度，用以使环境的氢含量至爆炸极限最小值以下。
5.根据权利要求2所述的燃料电池供氢系统，其特征在于，所述氢管理系统控制器与所述燃料电池进气主阀连接，用于控制所述燃料电池进气主阀的开度。
6.根据权利要求1-5任一所述的燃料电池供氢系统，其特征在于，所述氢管理系统控制器为计算机、单片机或可编程控制器。
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Cited By (2)
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| CN108091908A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-29 | 上海重塑能源科技有限公司 | 一种燃料电池供氢系统及其控制方法 |
| CN113707912A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-26 | 四川华能氢能科技有限公司 | 一种氢燃料电池供氢系统 |
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2017
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| CN108091908B (zh) * | 2017-12-13 | 2024-04-05 | 上海重塑能源科技有限公司 | 一种燃料电池供氢系统及其控制方法 |
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