CN212250268U - 一种燃料供应装置及车辆动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于液化气燃料供应的技术领域，公开了一种燃料供应装置用于将液化气储罐内的燃料输送至车辆动力模块，包括至少两个与低压气体缓存模块连通的流体连通流路，所述低压气体缓存模块连接至车辆动力模块；其中，第一流体连通流路用于接收所述液化气储罐的蒸发气体BOG，第二流体连通流路用于从所述液化气储罐接收液化气并加热形成气化气体；还包括与第二流体连通流路进行热传递的热交换流路；还包括高压气体储存模块，所述高压气体储存模块用于向车辆动力模块供应高压气燃料。本实用新型的燃料供应装置为集成式，可适用多种环境。同时还提供了一种含有上述燃料供应装置的车辆动力系统，应用范围广泛。

Description

一种燃料供应装置及车辆动力系统

技术领域

本实用新型属于液化气燃料供应的技术领域，特别涉及一种燃料供应装置及车辆动力系统。

背景技术

纵观人类过去百年的能源进化史，本质上就是碳氢比的调整史，氢含量不断提高，能量密度也随之不断提高。迄今为止，人类历史上已发生过两次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成为主导能源，第二次能源革命是石油取代煤炭成为主导能源。尽管目前化石能源仍居主导地位，但是考虑到化石能源资源的紧缺性日益凸显，汽车排放造成的环境污染和石油资源枯竭正日益加剧，寻找清洁的替代能源是每一个国家必须解决的问题。

燃料电池以化学燃料与氧化剂通过电化学反应将内能转换成电能，燃料通常选用清洁能源氢气、甲烷与甲醇等。以此类燃料电池作为动力的汽车不会排放硫化物、氮氧化物等有害气体。且不存在现有纯电动车充电时间长、续航里程短的弊病。以燃料电池作为动力源的燃料电池汽车具有质量轻，绿色环保和能源补充的时间短等优点。

然而，燃料电池中常选用的燃料通常沸点值较小，在室温下也易吸热气化，气化后的燃料一旦保存不当，即易发生爆炸。如何能保证储存与汽车中燃料的安全存放，成为燃料电池车辆行业规模化发展首先要解决的问题。

例如，最常使用的氢燃料电池，其不排放硫化物、氮氧化物等有害气体，也不产生温室气体二氧化碳，只是生成H₂O，H₂O电解后仍能得到清洁氢气。氢气的运输过程中，要将分散在各地的氢气配送到加氢站，或者是集中在燃料电池欠发达地区的氢气运送到需要氢气燃料的发达地区。保证氢气的供应，提高储运的效率是极其有必要的。氢气的运输需要着重强调低温液氢的储运。液氢与其他的储运方式相比，全产业链能耗低，可低成本扩容，超纯氢质量有保障，固液气等不同形态提供多种燃料方式。

在液化气燃料，尤其是液化氢气的储存、运输中，不可避免的会产生气化，在大多数现有的技术中会被排放和浪费。

目前，新能源车辆目前的存量已经达到了百万量级。然而燃料的储运和车辆在使用的过程中都需要面对不可避免的气化问题，气化后的燃料占用体积大，且会形成高压，高压气体遇到摩擦或是火花，极易发生爆炸。除此之外，长时间停发的车辆在启动时，如果没有对应的供能，会无法开火，现有技术中多半是使用外加质量较重的蓄电池，蓄电池会发生自我消耗，长时间放置也会发生自放电，直至电能消耗完全，也将使得车辆无法正常启动。

为保证液化燃料的储运和使用的安全，与气化燃料的合理利用，气化燃料的再利用及车辆长期断电停放后仍能启动，提高液化燃料卡车的燃料使用效率，降低卡车的运营成本等问题。其中，现有研究多是解决单独的问题，并未出现一种集成式且能适用多种环境的燃料供应装置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种燃料供应装置及车辆动力系统，解决了集成式且安全可靠、能适用于多种环境的燃料供应装置的技术问题。

本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型的目的一是为了提供：一种燃料供应装置，用于将液化气储罐内的燃料输送至车辆动力模块，包括至少两个与低压气体缓存模块连通的流体连通流路，所述低压气体缓存模块连接至车辆动力模块；

其中，第一流体连通流路用于接收所述液化气储罐的蒸发气体BOG，第二流体连通流路用于从所述液化气储罐接收液化气并加热形成气化气体；

还包括与第二流体连通流路进行热传递的热交换流路。

作为优化地，还包括高压气体储存模块，所述高压气体储存模块用于向车辆动力模块供应高压气燃料。

作为优化地，所述第一流体连通流路一端连入液化气储罐的顶部，连接口设于液化气燃料的液面以上，另一端接入低压气体缓存模块；

所述第二流体连通流路一端连入液化气储罐的底部，连接口设于液化气燃料的液面以下；所述第二流体连通流路上设有气化模块，用于将液态燃料气化；经气化后的燃料流向所述低压气体缓存模块。

作为优化地，所述低压气体缓存模块包括串联设置的低压缓冲罐与可调供气单元；所述低压缓冲罐的出口与入口分别设有出口组合阀与入口组合阀；所述第一流体连通流路接收的蒸发气体BOG经过入口组合阀接入所述低压缓冲罐，所述第二流体连通流路的另一端连接至低压缓冲罐的入口组合阀。

作为优化地，所述高压气体储存模块包括串联设置的高压储罐与可调供气单元；所述高压储罐设有出口组合阀，用于连接至车辆动力模块。

作为优化地，所述可调供气单元包括串联的减压阀和流量调节阀；所述流量调节阀包括多个并联设置的流量阀门。

作为优化地，所述气化模块为蒸发器；所述第二流体连通流路包括依次设于导通管路上的液体截止阀、蒸发器、换热器与增压阀；还包括液体排放阀，所述液体截止阀与蒸发器之间设有排液支路，所述液体排放阀设于所述排液支路上。

作为优化地，所述第一流体连通流路上设有气体截止阀；所述气体截止阀与入口组合阀之间的管路上设有排气支路；所述排气支路上设有压力安全阀。

作为优化地，所述热交换流路包括具有两条流体流路的换热器，其中，换热器的流体流路一包括来自所述第二流体连通流路的气化气体，换热器的流体流路二作为车辆动力模块冷却系的一部分。

作为优化地，所述换热器设置于第二流体连通流路内，所述换热器的进气端连接至所述第二流体连通流路的气化模块出口形成所述流体流路一，所述换热器的出气端连接至所述低压气体缓存模块；

所述换热器还通过冷却介质回路与车辆动力模块进行热传递，且所述冷却介质回路上设有循环泵，形成流体流路二。

作为优化地，所述车辆动力源包括燃料电池或者天然气发动机。

作为优化地，所述液化气储罐内的燃料为液氢或液化天然气或液化石油气。

本实用新型的目的二是为了提供：带有以上任一种燃料供应装置的燃料电池系统，包括燃料供应装置与车辆动力模块；所述燃料供应装置中的高压气体储存模块、低压气体缓存模块向车辆动力模块提供气态燃料；且燃料供应装置中的第二流体连通流路对车辆动力模块进行热交换。

以上技术方案的工作原理如下：

在车辆运行时，第一流体连通流路、第二流体连通流路均集成快速连接接头，可匹配所有液态燃料槽罐车上的液态燃料储液槽或液态燃料车载储液罐。第一流体连通流路、第二流体连通流路中的蒸发气体和气化气体分为两路通过入口组合阀接入低压缓存罐内，低压缓存罐另一端通过出口组合阀接入可调供气单元，可调供气单元中的减压阀、流量调节阀经过整车控制器的闭环控制，最终实现车辆动力模块在使用时的不同动力需求下的气态燃料供给功能。

热交换流路用于车辆动力模块的冷却，通过冷却介质回路上的循环泵将热能传输至液态燃料气化成气态，实现冷能利用，解决车辆动力模块如卡车的大功率燃料电池电堆的冷却需求，也可以重复利用废弃热能。循环泵控制接入整车控制器，冷却介质流量应对不同动力下的车辆动力模块冷却需求量。

集成高压储罐和连接于高压储罐下游的可调供气单元，其目的是用于弥补在车辆启动初期或车辆动力模块大功率运行时，液态燃料气化速率还不足造成的车辆动力模块欠缺燃气的问题，弥补低压缓冲罐在燃料电池汽车快速启动和高速运行时，液态燃料气化速度不足导致的欠气问题。

在车辆启动时，低压缓冲罐的出口阀门和可调供气单元中的阀门均处于关闭状态，车辆动力模块所需要的燃气主要通过高压储罐供给。

车辆高速运行时，低压缓冲罐的出口阀门和可调供气单元中的阀门均属于开启状态，同时给车辆动力模块提供稳定的大流量气体，保证系统正常运行。

低压缓冲罐的入口阀门在车辆启动到运行的全程处于开启状态，持续接收液化气储罐内气化的燃气，用以保持低压缓冲罐的燃气供给。

车辆停止时所有控制阀门均处于关闭状态。

相比之下，现有技术中存在简单的气化后的液化气燃料处理概念，但没有涉及到液化气燃料的气液态分流路存储供应，也没有提到对气态燃料冷能的利用。现有技术中如中国专利文献CN201510345860.3需要具备两套燃料电池电堆，且在车辆停放时，需要控制系统模块仍然处于通电状态，并监测系统压力，当压力达到阈值时使用辅助电堆消耗掉气化的氢气，且电堆消耗氢气的速率必须要大于氢气气化速率。现有技术的技术方案在实施时会出现两个缺陷： 1、在气化压力未达到阈值时，提供控制系统供电的蓄电池电能如果耗尽，则辅助燃料电池无法启动，导致系统原理无法实现。2、液氢的气化速率无法精确控制，故可能造成辅助燃料电池的氢气消耗可能远大于或小于气化速率，导致电堆欠氢气或氢气压力过高从而影响电堆寿命。

有益效果：

1、在车辆停放时，本实用新型第一流体连通流路将液化气储槽内的气化燃气全部输入低压缓冲罐，第一流体连通流路中安装压力安全阀，一旦燃气压力超高，压力安全阀将开启保护系统整体安全。第二流体连通流路在增压阀的作用下，仅当压力达到一定的值之后才会输入到低压储存罐内，储存罐具有较大的容量，足以容纳下车载液化气储液罐中的燃气。当车辆再启动时，车辆动力模块可以直接消耗低压储燃罐内燃气。使液化气车辆在停放时可以完全断电，气化的燃气将通过机械结构自动流出至低压缓冲罐中保存，即保证了车辆的安全性，又避免了车辆在断电情况下的气态燃料损失。

2、通过热交换流路中的换热器及冷却介质回路的配合，能够利用低温气态燃气的冷能解决车辆动力模块如燃料电池运行时冷却的问题。

3、本实用新型燃料供应装置冗余了高压气体储存模块，可以满足重型车辆的高功率车辆动力模块的燃料消耗，避免以往的技术中存在的在燃料大流量需求时液态燃料气化量无法精确控制而导致的欠氢问题。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种燃料处理装置及其燃料电池系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型带有燃料供应装置的车辆动力系统结构示意图。

附图标号说明：

1-液化气储罐；2-车辆动力模块；3-低压缓冲罐；31-入口组合阀；4-高压储罐；5-第二流体连通流路；51-液体截止阀；52-蒸发器；53-换热器；54-增压阀；55-液体排放阀；6-第一流体连通流路；61-气体截止阀；62-压力安全阀； 7-可调供气单元；71-减压阀；72-流量调节阀；8-冷却介质回路；81-循环泵。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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，并获得其他的实施方式。

实施例1

如图1所示，一种燃料供应装置，用于将液化气储罐1内的燃料输送至车辆动力模块2，包括至少两个与低压气体缓存模块连通的流体连通流路，低压气体缓存模块连接至车辆动力模块2；其中，第一流体连通流路6用于接收所述液化气储罐的蒸发气体BOG(Boil-Off Gas，是指气体在其临界温度以下经加压被液化后的低温液体，因难以与环境绝对绝热，吸收外界热量而蒸发出的气体)，第二流体连通流路5用于从液化气储罐1接收液化气燃料并加热形成气化气体；还包括与第二流体连通流路5进行热传递的热交换流路。通过两条流体连通流路连接至低压气体缓存模块，可以分别将液化气储罐1中的BOG、液态燃料经过加热形成的气化气体进行低压储存；一方面避免了液化气燃料在运输过程中由于环境温度而导致罐中的液态燃料膨胀，形成气态燃料而带来的既损失了能量又对车辆造成安全隐患的风险，另一方面通过将液化气燃料气化以气态形式存储而将液体燃料用作车辆动力模块的燃料源。并且，在气化过程中，也会发生热交换，实现余热回收利用，提高能量利用效率。

其中，车辆动力模块2为燃料电池或者天然气发动机等动力源。也即本技术方案不仅可适用于燃料电池车辆的应用，也可适用于其它非燃料电池(如天然气发动机)车辆的应用。

结合图1所示，燃料供应装置还包括高压气体储存模块，高压气体储存模块用于向车辆动力模块2供应高压气燃料。当燃料供应装置为车辆动力模块如燃料电池提供动力源3时，会根据不同车辆的运行要求，使用来自低压气体缓存模块的气态燃料和高压气体储存模块的高压气燃料。高压气体储存模块的设置是为了满足车辆运行的动力需求，尤其是用于避免在车辆启动初期或燃料电池大功率运行时，液态燃料气化速率不足造成的燃料电池欠氢问题。

第一流体连通流路6一端连入液化气储罐1的顶部，连接口设于液态燃料的液面以上，另一端接入低压气体缓存模块；第二流体连通流路5一端连入液化气储罐1的底部，连接口设于液态燃料的液面以下；第二流体连通流路5上设有气化模块，用于将液态燃料气化；经气化后的燃料流向所述低压气体缓存模块。

其中，低压气体缓存模块包括串联设置的低压缓冲罐3与可调供气单元7；低压缓冲罐3的出口与入口分别设有出口组合阀与入口组合阀31；第一流体连通流路6接收的蒸发气体BOG经过入口组合阀31接入低压缓冲罐3，第二流体连通流路5的另一端接入低压缓冲罐3的入口组合阀31。在使用过程中，可调供气单元7用于调控进入燃料电池2的进气量，以适用不同功率的要求。第二流体连通流路5接入低压缓冲罐3，两条流体连通流路可以共用一个低压气缓冲罐3，可节约安装空间，使得整体的体积和重量可控。

高压气体储存模块包括串联设置的高压储罐4与可调供气单元7；高压储罐4设有出口组合阀，用于连接至车辆动力模块2以提供高压气燃料。

在使用过程中，液化气储罐1内储存有液态燃料，液态燃料一般沸点不高，在室温下会发生气化，气化后的燃气会增大罐内压强，燃气输送至低压气体缓存模块的低压缓冲罐3内，进行储存。实则使用过程中，大部分的供能还是通过液态燃料，液态燃料通过深入液面下的第二流体连通流路5上设有的气化模块，将液态燃料气化成燃气，再经由低压气体缓存模块的低压缓冲罐3输至车辆动力模块2如燃料电池内发生化学反应进行内能至电能的转化，或进入天然气发动机内发生化学发生进行内能至动能的转化。高压储罐4用于高压燃气的储存，便于为车辆提供动力源。

低压气体缓存模块及高压气体储存模块中的可调供气单元7结构相同，均包括串联的减压阀71和流量调节阀72；流量调节阀72包括多个并联设置的流量阀门。在使用过程中，多个阀门的相互配合，实现了流量可控。

具体的，第二流体连通流路5上设置的气化模块为蒸发器52；第二流体连通流路5包括依次设于导通管路上的液体截止阀51、蒸发器52、换热器53与增压阀54。第二流体连通流路5还设有液体排放阀55；液体截止阀51与蒸发器52之间的管路上设有排液支路，液体排放阀55设于排液支路上。第二流体连通流路5在增压阀54的作用下，仅当压力达到一定的值之后才会输入到低压缓冲罐3内，低压缓冲罐3具有较大的容量，足以容纳车载液化气储罐1中的液化气。当车辆再启动时，车辆动力模块2可以直接消耗低压缓冲罐3内的气态燃料。

第一流体连通流路6的导通管路上设有气体截止阀61；气体截止阀61与入口组合阀31之间的管路上设有排气支路；排气支路上设有压力安全阀62。在使用过程中，压力安全阀62为了整个管路的安全，可以在压力超过设置限度时，进行泄压，实现管路的正常运作。

所述热交换流路包括具有两条流体流路的换热器53，其中，换热器53的流体流路一包括来自第二流体连通流路5的气化气体，以提供气态燃料的冷能，换热器53的流体流路二作为车辆动力模块2冷却系的一部分，以传递车辆动力模块运行时的高温热量。

具体的，换热器53设置于第二流体连通流路5内，所述换热器53的进气端与第二流体连通流路的气化模块出口连接形成流体流路一，所述换热器53 的出气端连接至低压气体缓存模块，更具体的，换热器53的出气端通过增压阀54连接至低压气体缓存模块的入口组合阀；换热器53还连通有与车辆动力模块2进行热传递的冷却介质回路8，冷却介质回路8上设有循环泵81，形成流体流路二。在实际应用中，流体流路一提供的气态燃料的冷能与车辆动力模块2的热量通过冷却介质回路8进行热交换，换热器53将车辆动力模块2产生的热能通过循环泵81输送至第二流体连通流路5上，从而利用车辆动力模块2如燃料电池冷却介质回路中的余热作为液态燃料气化的热源，同时又有助于冷却燃料电池的冷却介质(如冷却水)。

上述结构中，液化气储罐1内的燃料为液氢或液化天然气或液化石油气等液化燃料，用于匹配不同车辆所需动力源。在使用过程中，可根据实际情况，对管路进行匹配微调。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，提供了上述燃料供应装置的应用，其不限于在液态燃料运输卡车上的应用，在运输过程中对蒸发气体进行存储的同时利用存储的低压气体为卡车运输提供气态燃料。而且广泛应用于为各类车辆提供气态燃料，包括以燃料电池或者天然气发动机等作为动力源的各类车辆。

相应的可提供一种带有实施例1所提供的燃料供应装置的车辆动力系统；具体的，包括燃料供应装置和车辆动力模块2，燃料供应装置中的高压气体储存模块(包括高压储罐4)、低压气体缓存模块(包括低压缓冲罐3)向车辆动力模块2提供气态燃料；且利用燃料供应装置中的第二流体连通流路5对车辆动力模块2进行热交换。更具体的，液化气储罐1内储存有液态燃料；燃料供应装置的第一流体连通流路接于液态燃料的液面以上，第二流体连通流路5 接于液氢液面以下；燃料供应装置的低压缓冲罐3与高压储罐4分别通过可调供气单元7控制，与车辆动力模块2流量可调式连接；车辆动力模块2内部气态燃料发生氧化还原反应后释放热量，热量通过由循环泵81驱动的冷却介质回路实现与换热器53中气化气体的热传递。

该燃料供应装置设置的高压储罐4，可以满足重型卡车的高功率燃料电池 2的燃气消耗，避免以往的技术中存在的燃气大流量需求时的液态燃料气化量无法精确控制而导致的欠氢问题。装置集成了低压缓冲罐3和第二流体连通流路5，第二流体连通流路5设有蒸发器52和增压阀54，为燃料自增压气化系统，使车辆在停放时可以完全断电，气化后的液态燃料将通过机械结构自动流出低压缓冲罐3中保存，即保证了车辆的安全性，又避免了车辆在断电情况下的能源损失。具体的，在车辆停放时，第一流体连通流路将液化气储槽1内的BOG全部输入低压缓冲罐3，并且安装压力安全阀，一旦BOG气体压力超高，压力安全阀将开启保护系统整体安全。第二流体连通流路5在增压阀54的作用下，仅当压力达到一定的值之后才会输入到低压储存罐3内，储存罐具有较大的容量，足以容纳下车载液氢储液罐中的氢气。当车辆再启动时，车辆动力模块2可以直接消耗低压储氢罐内氢气。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料供应装置，用于将液化气储罐内的燃料输送至车辆动力模块，其特征在于：

包括至少两个与低压气体缓存模块连通的流体连通流路，所述低压气体缓存模块连接至车辆动力模块；

其中，第一流体连通流路用于接收所述液化气储罐的蒸发气体BOG，第二流体连通流路用于从所述液化气储罐接收液化气并加热形成气化气体；

还包括与第二流体连通流路进行热传递的热交换流路。

2.根据权利要求1所述的燃料供应装置，其特征在于：

还包括高压气体储存模块，所述高压气体储存模块用于向车辆动力模块供应高压气燃料。

3.根据权利要求1所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述第一流体连通流路一端连入液化气储罐的顶部，连接口设于液化气燃料的液面以上，另一端接入低压气体缓存模块；

所述第二流体连通流路一端连入液化气储罐的底部，连接口设于液化气燃料的液面以下；所述第二流体连通流路上设有气化模块，用于将液态燃料气化，经气化后的燃料流向所述低压气体缓存模块。

4.根据权利要求3所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述低压气体缓存模块包括串联设置的低压缓冲罐与可调供气单元；所述低压缓冲罐的出口与入口分别设有出口组合阀与入口组合阀；所述第一流体连通流路接收的蒸发气体BOG经过入口组合阀接入所述低压缓冲罐，所述第二流体连通流路的另一端连接至低压缓冲罐的入口组合阀。

5.根据权利要求2所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述高压气体储存模块包括串联设置的高压储罐与可调供气单元；所述高压储罐设有出口组合阀，用于连接至车辆动力模块。

6.根据权利要求4所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述气化模块为蒸发器；所述第二流体连通流路包括依次设于导通管路上的液体截止阀、蒸发器、换热器与增压阀；还包括液体排放阀，所述液体截止阀与蒸发器之间设有排液支路，所述液体排放阀设于所述排液支路上；

和/或；

所述第一流体连通流路上设有气体截止阀；所述气体截止阀与入口组合阀之间的管路上设有排气支路；所述排气支路上设有压力安全阀。

7.根据权利要求3所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述热交换流路包括具有两条流体流路的换热器，其中，换热器的流体流路一包括来自所述第二流体连通流路的气化气体，换热器的流体流路二作为车辆动力模块冷却系的一部分。

8.根据权利要求7所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述换热器设置于第二流体连通流路内，所述换热器的进气端连接至所述第二流体连通流路的气化模块出口形成所述流体流路一，所述换热器的出气端连接至所述低压气体缓存模块；

所述换热器还通过冷却介质回路与车辆动力模块进行热传递，且所述冷却介质回路上设有循环泵，形成所述流体流路二。

9.根据权利要求1所述的燃料供应装置，其特征在于：

所述车辆动力模块包括燃料电池或者天然气发动机；

和/或；

所述液化气储罐内的燃料为液氢或液化天然气或液化石油气。

10.带有如权利要求2-9任意一项所述燃料供应装置的车辆动力系统，其特征在于：

包括燃料供应装置与车辆动力模块；所述燃料供应装置中的高压气体储存模块、低压气体缓存模块向车辆动力模块提供气态燃料；且所述燃料供应装置中的第二流体连通流路对车辆动力模块进行热交换。

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