一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统，包括深冷高压储氢罐，深冷高压储氢罐连接低温阀单元；还包括依次连接于低温阀单元之后的一级换热器、节流减压阀、二级换热器，二级换热器连接阀门单元，阀门单元连接质子交换膜燃料电池系统；还包括质子交换膜燃料电池系统的换热器，换热器连接一级换热器、二级换热器以及质子交换膜燃料电池系统。本发明专利技术利用深冷高压储氢技术，有效提高了氢的质量和体积储存密度，延长无损储氢时间，延长储氢罐的使用寿命，提升罐中储氢的利用率，提升了车的续航里程；当质子交换膜燃料电池系统工作时，利用电池产生的多余热量，作为深冷高压氢升温降压的能量来源，提升车载供氢系统的能量利用效率。

A hydrogen supply system with energy optimization design

【技术实现步骤摘要】
一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统
本专利技术涉及深冷高压氢的利用
，具体是一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统。
技术介绍
质子交换膜燃料电池已经广泛应用于燃料电池汽车中，与其他类型燃料电池相比，质子交换膜燃料燃料电池具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动和运行、低噪音、无污染、操作简便等优点。但实际工作时，质子交换膜燃料电池热效率受多个因素影响，包括膜电极、工作温度和湿度、催化剂含量、杂志浓度等。受活化极化、欧姆极化和浓度极化的影响，其实际热效率一般为45％至60％，相当大一部分能量，以热能形式流失，对于追求高效的车载供氢系统，是极大的能量浪费。现有的车载供氢系统的能量优化设计主要针对以低温液氢、高压气态氢作为能源的供氢系统。中国专利申请(公开号：CN108123162A)公开了一种以液氢为燃料的燃料电池发电系统，结合了电池自身热管理系统和液氢热管理系统，通过一个水冷换热器将燃料电池工作生成热量作为液氢汽化的能量。但是这样的一级换热模式在氢流较大、极低温度换热时可能导致冷媒(水)结冰，影响换热效率和换热管寿命。将深冷高压复合储氢技术用于车载供氢系统时，上述应用于液氢的燃料电池系统更难以胜任。深冷高压氢的温度远低于质子交换膜燃料电池所需的338K左右状态的氢，其压力远高于电池需要的0.16MPa的氢。同时，供氢系统对深冷高压氢进行升温降压的过程中，由于氢的特殊性，在进行节流降压时，其焦耳-汤普森效应有正节流效应和负节流效应两种，只有负节流效应有益于系统的能量利用优化。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统，包括深冷高压储氢罐，深冷高压储氢罐连接低温阀单元；还包括依次连接于低温阀单元之后的一级换热器、节流减压阀、二级换热器，二级换热器连接调压阀门单元，调压阀门单元连接质子交换膜燃料电池系统；还包括质子交换膜燃料电池系统的换热器，该换热器为肋板式换热器，换热器连接一级换热器、二级换热器以及质子交换膜燃料电池系统。其中，所述换热器连接第一流量控制阀和第二流量控制阀，第一流量控制阀连接一级换热器，第二流量控制阀连接二级换热器。其中，所述低温阀单元包括依次连接的安全阀、过滤阀、单向阀和截止阀，所述截止阀后连接的管路上设置温度传感器和压力传感器。其中，所述调压阀门单元包括依次连接的调压阀和安全阀，所述安全阀后连接的管路上设置温度传感器和压力传感器。有益效果：本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用深冷高压储氢技术，有效提高了氢的质量和体积储存密度，延长无损储氢时间，延长储氢罐的使用寿命，提升罐中储氢的利用率，提升了车的续航里程；当质子交换膜燃料电池系统工作时，利用电池产生的多余热量，作为深冷高压氢升温降压的能量来源，提升了车载供氢系统的能量利用效率；设置装载不同冷却剂的两级换热，合理利用氢的负节流效应，降低了换热器的设计难度和成本，进一步提升系统的能量利用率，提升了系统的经济性和实用性。附图说明图1为本专利技术的系统结构示意图；图2为本专利技术的控制逻辑图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，本专利技术的一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统，包括深冷高压储氢罐1，深冷高压储氢罐1连接控制管路流通的低温阀单元2，还包括依次连接于低温阀单元2之后的一级换热器3、节流减压阀4和二级换热器5、用于压力调整的调压阀门单元6，调压阀门单元6后连接质子交换膜燃料电池系统7，还包括质子交换膜燃料电池系统中的肋板式的换热器8，换热器8连接两个并联的第一流量控制阀8和第二流量控制阀9，第一流量控制阀8连接一级散热器3，第二流量控制阀连接二级换热器5。低温阀单元2包括依次连接的安全阀、过滤阀、单向阀和截止阀，截止阀后连接的管路上设置温度传感器和压力传感器。调压阀门单元6包括依次连接的调压阀、安全阀，安全阀后连接的管路上设置温度传感器、压力传感器。如图2所示，当供氢系统工作时，低温阀单元2中的截止阀开启，从深冷高压储氢罐1中流出的临界氢进入低温阀单元2中，通过低温阀单元2内的压力传感器和温度传感器获得参数，由控制程序判断是否安全，当判断为不安全时，示警并通过安全阀进行泄放。当判断为安全后，供氢系统正常工作。氢流经低温阀单元2中的过滤阀、单向阀流入一级换热器3，由于流出的深冷高压氢温度在30K左右，因此一级换热器3中的冷却剂不能用常用的水，而用氮或氦作为冷却剂。通过一级换热器3，将管路中的氢流升温至220K至330K后通入节流降压阀4。此时氢流发生负节流效应，吸热温度升高。并且压强降低至0.16MPa左右。二级换热器5通过管路连接于节流降压阀4之后，进一步对氢流进行换热升温至燃料电池所需氢源最合适温度338K左右。在最终进入质子交换膜燃料系统之前还需通过调压阀门单元6，经过调压阀门单元6的调压阀将压力调控为燃料电池所需氢源最合适压力0.16MPa。当调压阀门单元6中温度传感器和压力传感器反馈给控制系统的参数不符合设定时，示警并且安全阀打开进行泄放。一级换热器3以及二级换热器5的能量来源于质子交换膜燃料电池系统7运行时产生的热量，由电池冷却系统的换热器8传递。换热器8中采用常用的水作为冷却剂，并以水为热媒通过流量控制阀9和10与一级换热器3和二级换热器5进行热量的传递。一级换热器3与换热器8中的冷却剂不同，因此不能直接流通，而通过换热管路实现。二级换热器5与换热器8的冷却剂同为水，因此直接流通换热。本专利技术采用深冷高压储氢技术作为车载质子交换膜燃料电池系统7的能量来源，有效提高了氢的质量和体积储存密度，延长无损储氢时间，延长储氢罐的使用寿命，提升罐中储氢的利用率，提升了车的续航里程；利用质子交换膜燃料电池产生的多余热量作为深冷高压氢源升温降压的热能来源，将电池系统冷却系统与氢源升温降压系统结合，极大程度提升了车载供氢系统能量利用效率；采用二级换热设计，采用两种不同的制冷剂，合理利用了氢流节流降压时特殊的负节流效应，不仅降低了换热器的设计难度和成本，也最大化了车载供氢系统能量利用效率。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统，其特征在于：包括深冷高压储氢罐(1)，深冷高压储氢罐(1)连接低温阀单元(2)；还包括依次连接于低温阀单元(2)之后的一级换热器(3)、节流减压阀(4)、二级换热器(5)，二级换热器(5)连接调压阀门单元(6)，调压阀门单元(6)连接质子交换膜燃料电池系统(7)；还包括换热器(8)，换热器(8)连接一级换热器(3)、二级换热器(5)以及质子交换膜燃料电池系统(7)。

【技术特征摘要】
1.一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统，其特征在于：包括深冷高压储氢罐(1)，深冷高压储氢罐(1)连接低温阀单元(2)；还包括依次连接于低温阀单元(2)之后的一级换热器(3)、节流减压阀(4)、二级换热器(5)，二级换热器(5)连接调压阀门单元(6)，调压阀门单元(6)连接质子交换膜燃料电池系统(7)；还包括换热器(8)，换热器(8)连接一级换热器(3)、二级换热器(5)以及质子交换膜燃料电池系统(7)。2.根据权利要求1所述的一种具有能量优化设计的车载深冷高压氢供氢系统，其特征在于：所述换热器(8)连接第一流量控制阀(9)和第二流量控制阀(10)，第一流量控制阀(9)连接一级换热器(3)，第二流量控制阀(10)连接二级换热器(5)。3.根据权利要求1所述的一种具有能...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪中华，徐展，严岩，刘雨农，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32