[發(fā)明專利]一種車載高壓氫氣分級(jí)充注系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011214234.8
• 申請(qǐng)日: 2020-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112283577A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙貫甲;王依芮;張镕驛;尹建國(guó);馬素霞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): F17C5/06
• 分類號(hào): F17C5/06;F17C13/04;F17C13/02
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發(fā)明公開(kāi)了一種車載高壓氫氣分級(jí)充注系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩個(gè)金屬隔膜式壓縮機(jī)、一個(gè)高壓儲(chǔ)氣罐、一個(gè)低壓儲(chǔ)氣罐、兩個(gè)流量控制閥、蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)、一個(gè)加氫機(jī)、一個(gè)車載儲(chǔ)氫氣瓶；蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)換熱器，壓縮機(jī)，冷凝器，節(jié)流閥組成的一個(gè)制冷系統(tǒng)，作用是降低高低壓儲(chǔ)氫氣罐的溫度；所述兩個(gè)金屬隔膜式壓縮機(jī)分別連接高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐，高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐的出口分別通過(guò)流量控制閥連接加氫機(jī)，連接管路上設(shè)有壓力表和溫度表；加氫機(jī)另一端連接車載儲(chǔ)氫氣瓶；蒸發(fā)換熱器分別與高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐連接，為儲(chǔ)氣罐提供換熱或制冷的功能。本發(fā)明可根據(jù)極限壓力等現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行選擇，為車載高壓氫氣充注系統(tǒng)具體實(shí)施提供理論基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氫燃料電池汽車，尤其涉及一種車載儲(chǔ)氫氣瓶的氫氣預(yù)冷和分級(jí)充注系統(tǒng)，屬于新能源利用科學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氫能是一種儲(chǔ)量大、能量密度高且清潔的新能源，是未來(lái)能源利用低碳化發(fā)展的重要方向。大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，包含制氫、儲(chǔ)氫、氫能利用等產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成為世界各國(guó)在能源規(guī)劃中優(yōu)先布局的重要發(fā)展方向。目前，燃料電池是氫能大規(guī)模利用最成熟的技術(shù)，自2011年左右，我國(guó)開(kāi)始發(fā)展氫燃料電池技術(shù)，并在近年來(lái)獲得快速發(fā)展，在我國(guó)多地區(qū)已經(jīng)密集出臺(tái)了支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和落地相關(guān)的配套政策和大量的資金支持。

相對(duì)于較為成熟的氫氣制取和利用，氫氣的高效安全存儲(chǔ)目前仍存在技術(shù)瓶頸。由于常溫常壓狀態(tài)氫氣的密度約為空氣的1/14，存儲(chǔ)效率很低，因此目前氫氣存儲(chǔ)時(shí)需要壓縮到高壓狀態(tài)以提高其存儲(chǔ)密度。目前較為主流的高壓儲(chǔ)氫壓力一般為35 MPa和70MPa。儲(chǔ)氫壓力越高，單位容積儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫密度越高，但相應(yīng)的耐壓罐設(shè)計(jì)困難。一般為了增加單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫罐儲(chǔ)氫容量和降低氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)氫罐一般采用多層嵌套設(shè)計(jì)方案，內(nèi)層的碳纖維材料極限使用溫度不超過(guò)85℃，否則會(huì)導(dǎo)致罐體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生安全隱患。由于氫氣充注進(jìn)入儲(chǔ)氫罐一般為3—5分鐘，可以視為絕熱壓縮過(guò)程，溫度會(huì)急劇升高，威脅儲(chǔ)氫罐的安全使用，因此實(shí)際的儲(chǔ)氫系統(tǒng)往往需要對(duì)待充氫氣預(yù)冷，以降低氫氣充注終溫。從充注安全的角度，氫氣預(yù)冷的溫度越低越好，但預(yù)冷溫度越低，系統(tǒng)的能耗越高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)目前車載高壓充注系統(tǒng)涉及的問(wèn)題，在現(xiàn)有的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的基礎(chǔ)上，提出了一種氫氣預(yù)冷和分級(jí)充注系統(tǒng)，使氫氣充注過(guò)程滿足安全和經(jīng)濟(jì)的要求。

本發(fā)明提供了車載高壓氫氣分級(jí)充注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并模擬氫氣在充注過(guò)程各狀態(tài)參數(shù)的變化，為實(shí)際中車載高壓氫氣分級(jí)充注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。本發(fā)明利用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)氫氣氣源預(yù)冷，并且分級(jí)充注至車載儲(chǔ)氫氣瓶中。

本發(fā)明提供了一種車載高壓氫氣分級(jí)充注系統(tǒng)（兩級(jí)），包括兩個(gè)金屬隔膜式壓縮機(jī)、一個(gè)高壓儲(chǔ)氣罐、一個(gè)低壓儲(chǔ)氣罐、兩個(gè)流量控制閥、蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)、一個(gè)加氫機(jī)、一個(gè)車載儲(chǔ)氫氣瓶；蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)換熱器，壓縮機(jī)，冷凝器，節(jié)流閥組成的一個(gè)制冷系統(tǒng)，作用是降低高低壓儲(chǔ)氫氣罐的溫度；

所述兩個(gè)金屬隔膜式壓縮機(jī)分別連接高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐，高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐的出口分別通過(guò)流量控制閥連接加氫機(jī)，連接管路上設(shè)有壓力表和溫度表；加氫機(jī)另一端連接車載儲(chǔ)氫氣瓶；蒸發(fā)換熱器分別與高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐連接，為儲(chǔ)氣罐提供換熱或制冷的功能。

上述車載高壓氫氣分級(jí)充注系統(tǒng)（兩級(jí)）的分級(jí)充注過(guò)程包括：氫氣氣源經(jīng)金屬隔膜式壓縮機(jī)加壓形成高壓氫氣后，分別進(jìn)入高、低壓儲(chǔ)氫氣罐中進(jìn)行儲(chǔ)存，形成高-低壓供氫體系，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)開(kāi)始工作；低溫低壓的制冷劑液體在蒸發(fā)換熱器處吸收熱量變?yōu)檎羝箖?chǔ)氫系統(tǒng)溫度下降；低溫低壓制冷劑蒸汽被壓縮機(jī)吸入，成為高溫高壓的氣體后排出；而冷凝器將高溫高壓制冷劑蒸汽冷凝液化為高壓液體；最后通過(guò)節(jié)流閥，使高壓液體壓力變小變?yōu)榈蛪阂后w；如此反復(fù)完成制冷循環(huán)使得儲(chǔ)氫系統(tǒng)溫度冷卻；然后利用高-低壓儲(chǔ)氫氣罐與車載儲(chǔ)氫氣瓶的不平衡壓差，在加氫機(jī)的控制下，依次打開(kāi)流量控制閥，并且同時(shí)保持壓力傳感器與溫度傳感器的監(jiān)測(cè)功能，將氫氣由低-高壓儲(chǔ)氫氣罐分級(jí)梯度加注到車載儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)壓力，結(jié)束充氣。