專利名稱：車載高壓輸氫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣動控制和清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及適用于氫燃料電池汽 車上的儲氫復(fù)合氣瓶向燃料電池堆輸送氫氣的車載高壓輸氫系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，地球能源短缺和環(huán)境保護(hù)已成為世界各國的重要研究課題。隨著世 界石油資源的不斷枯竭，各國科學(xué)家及制造商競相研究以氫為原料的燃料電池
作為替代石油的新能源汽車。250年前人類發(fā)現(xiàn)氫以來，氫及氫能源已經(jīng)在工業(yè) 中獲得了廣泛的應(yīng)用。二十世紀(jì)以來，氫能已經(jīng)成功地為人類航天所用，如我 國長征系列火箭CZ-3A，利用液氫液氧作為推進(jìn)器燃料發(fā)射火箭、航天飛機(jī)去探 索太空的奧秘。氣動控制起源于第二次世界大戰(zhàn)前后導(dǎo)彈與火箭飛行器姿態(tài)控 制，采用燃?xì)獍l(fā)生器、氣動伺服閥和燃?xì)怦R達(dá)的燃?xì)馑欧到y(tǒng)。約10年前，世 界各地制造商陸續(xù)開發(fā)氣動閥，民用商品問世，應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)過程的遠(yuǎn)程控制等， 但普遍采用低壓控制。國內(nèi)外超高壓氣動技術(shù)研究和商品尚不多見。
燃料電池汽車直接利用氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，排出純水，是高效、 清潔的新能源汽車。世界各大汽車廠商，如福特、通用、戴克、日產(chǎn)、本田、 豐田等公司，都在爭相研制氫燃料電池汽車。燃料電池汽車存在的一個難點(diǎn)就 是氫燃料的儲存及輸送問題。目前，氫的儲存方法主要有以下幾種高壓氣態(tài) 儲氫、液氫儲氫、金屬氫化物儲氫等。目前大部分的燃料電池汽車采用氣態(tài)高 壓儲氫方式。2005年8月我國研制的首輛燃料電池混合動力轎車"超越一號" 采用增強(qiáng)碳釬維纏繞的鋁合金內(nèi)膽，氣瓶壓力30MPa。
目前氣動控制領(lǐng)域需要研究的主要問題有(1)通常氣動控制壓力為 0.5MPa，高壓控制壓力也僅為5MPa左右。但是，氫能源汽車多采用超高壓儲氫， 為保證一次加氫后行使距離達(dá)200km，通常儲氫壓力35MPa以上；要保證一次加氫后行駛距離500Km時，儲氫壓力則要求高達(dá)70MPa;然而燃料電池對氫燃料的 壓力要求在0. 16MPa，那么氣瓶中的高壓氫氣如何轉(zhuǎn)化為適用于燃料電池的低壓 氫燃料就成了車載高壓輸氫系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題。目前各國涉及車載高壓 儲氫容器的專利仍然不多見。(2)在車輛的大溫度范圍、振動、沖擊和離心等 極限環(huán)境下氣動控制將變得極為復(fù)雜，目前這方面的研究還極少見。隨著燃料 電池汽車的商業(yè)化和實(shí)用化，車載極限環(huán)境下超高壓儲氫容器的安全性已經(jīng)成 為人們需要亟待解決的關(guān)鍵問題。這就導(dǎo)致越來越需要一種新的高壓輸氫方法 及其控制系統(tǒng)來解決上述問題，實(shí)現(xiàn)車載高壓輸氫，氣動控制和安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氫燃料電池車上車載高壓輸氫系統(tǒng)，通過硬件 措施來解決氣動系統(tǒng)的高壓控制的問題，克服現(xiàn)有氣動系統(tǒng)由于壓力低而導(dǎo)致 難于在車載系統(tǒng)中應(yīng)用的問題，實(shí)現(xiàn)車載高壓輸氫及其安全壓力控制。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是
一種車載高壓輸氫系統(tǒng)可采用35MPa和70MPa兩個壓力等級。其主要包括 氣瓶及閥組、氣阻氣容、減壓閥組、流量調(diào)節(jié)檢測裝置、管路及附件。
氣瓶是儲存氫燃料的容器，容積在140L至200L，預(yù)充氣壓力在35MPa或 70MPa。在氣瓶上集成閥組，閥組主要包括電磁閥和安全閥。電磁閥作為輸氫系 統(tǒng)的通斷開關(guān)，安全閥作為壓力安全裝置。
氣阻氣容包括一定面積的氣阻，即固定節(jié)流器；還包括一定體積的氣容， 即容腔。氣阻可以起到一定的降壓作用，提供阻尼，達(dá)到安全保護(hù)的目的。氣 容由于被吸收氣體的壓縮性，可以起到壓力緩沖的動態(tài)調(diào)節(jié)作用。
減壓閥組包括一級減壓閥和二級減壓閥，兩級減壓閥之間有容腔。35MPa輸 氫系統(tǒng)中， 一級減壓閥出口壓力5MPa， 二級減壓閥出口壓力0. 16MPa。 70MPa輸 氫系統(tǒng)中， 一級減壓閥出口壓力10MPa， 一級減壓閥入口增加固定節(jié)流器，二級 減壓閥出口壓力0. 16MPa，入口處還增加了長度可變和面積可變的固定節(jié)流器。 流量調(diào)節(jié)檢測裝置包括流量調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)。流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)汽車的瞬時功率 要求自動調(diào)節(jié)閥口大小從而調(diào)節(jié)輸送給燃料電池堆的流量。流量計(jì)可檢測輸氫系統(tǒng)的流量。
管路及附件包括連接各元件間的輸氫管路，以及測定壓力的壓力表和濾除
氣體雜質(zhì)的濾清器等附件。
進(jìn)一步，所述的固定節(jié)流器是阻尼孔大小和長度可調(diào)節(jié)的采用可更換方式 的節(jié)流口的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在幾何結(jié)構(gòu)上，具體而言，在固定節(jié)流器和兩級減壓閥之間有多個 容腔，該容腔由一體化的組合閥塊之間所構(gòu)成的幾何容腔形成。
由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)采用兩級減壓的壓力控制方
案并將兩級減壓閥集成為一體，使控制部件結(jié)構(gòu)緊湊、壓力控制穩(wěn)定精確；固
定節(jié)流器提供動態(tài)阻尼和安全保護(hù)作用；在氣瓶與減壓閥組間增加氣阻氣容，
改善了靜態(tài)和動態(tài)壓力調(diào)節(jié)特性，使壓力調(diào)節(jié)更加安全平穩(wěn)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是一種氫能源汽車在不同車速下的輸氫系統(tǒng)所需供氫流量的示意圖。 圖3是充氣壓力為35Mpa的輸氫系統(tǒng)工作過程壓力特性的示意圖。 圖4是充氣壓力為70Mpa的輸氫系統(tǒng)工作過程壓力特性的示意圖。
圖中標(biāo)號l為儲氫氣瓶，2為安全閥，3為電磁閥，4為固定節(jié)流器，5為 濾清器，6為一級減壓閥，7為二級減壓閥，8為壓力表，9為流量計(jì)，10為可 調(diào)節(jié)流閥，ll為安全閥，12為氣容，13為氣容，14為壓力表。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例的主要部分的示意圖。如圖所示，輸氫系統(tǒng)主 要包括氣瓶及閥組、氣阻氣容、減壓閥組、流量調(diào)節(jié)檢測裝置、管路及附件。
氣瓶1是儲存氫燃料的容器，容積為140L至200L之間，充氣壓力為35MPa 或70MPa。在氣瓶上集成閥組，閥組主要包括電磁閥3和安全閥2。電磁閥作為 輸氫系統(tǒng)的通斷開關(guān)，安全閥作為壓力安全裝置。氣阻氣容包括一個面積為0. 04 咖2至1,2的固定節(jié)流孔4和一定體積的容腔13 (如體積lmL至50mL的某一數(shù) 值)。固定節(jié)流孔4所形成的氣阻可以起到一定的降壓作用，提供阻尼，達(dá)到安 全保護(hù)的目的。 一定體積的容腔13形成的氣容由于被吸收氣體的壓縮性，可以起到壓力緩沖的作用。減壓閥組包括一級減壓閥6和二級減壓閥7，兩級減壓閥 之間有容腔12。 35MPa輸氫系統(tǒng)中， 一級減壓閥6出口壓力可為5MPa， 二級減 壓閥7出口壓力為0. 16MPa。 70MPa輸氫系統(tǒng)中， 一級減壓閥6出口壓力可為 10MPa， 二級減壓閥7出口壓力0. 16MPa; —級減壓閥6保證其出口壓力基本穩(wěn) 定在一定范圍內(nèi)；二級減壓閥7保證其出口壓力基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，即 0. 15MPa至0. 17MPa，向燃料電池堆提供穩(wěn)定的氣體輸送。流量調(diào)節(jié)檢測裝置包 括流量調(diào)節(jié)閥10和流量計(jì)9。流量調(diào)節(jié)閥10根據(jù)汽車的瞬時功率要求自動調(diào)節(jié) 閥口大小從而調(diào)節(jié)輸送給燃料電池堆的流量。流量計(jì)9可檢測輸氫系統(tǒng)的流量。 管路及附件包括連接各元件間的輸氫管路，以及測定壓力的壓力表8和壓力表 14和濾除氣體雜質(zhì)的濾清器5等附件。
輸氫系統(tǒng)的具體工作過程如下當(dāng)需要給燃料電池堆輸送氫氣時，則提供 一個電信號給電磁閥3，電磁閥得電后換位接通輸氫系統(tǒng)，氣瓶l開始經(jīng)管路放 出氫氣。氫氣首先流經(jīng)氣阻氣容，然后經(jīng)濾清器到達(dá)一級減壓閥。對于35MPa 的輸氫系統(tǒng)， 一級減壓后的壓力可為5MPa;而在70MPa輸氫系統(tǒng)中， 一級減壓 后的壓力控制可在10MPa， 一級減壓閥的入口處還增加了長度可變的固定節(jié)流 孔。氣體經(jīng)過閥間容腔12后到達(dá)二級減壓閥，出口壓力控制在O. 16MPa，入口 處還增加了長度可變和面積可變的固定節(jié)流器。然后流經(jīng)流量控制元件可調(diào)節(jié) 流閥10和流量檢測元件流量計(jì)9。流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)汽車的瞬時功率要求自動調(diào) 節(jié)閥口大小從而調(diào)節(jié)輸送給燃料電池堆的流量。當(dāng)汽車停止不需要?dú)錃夤?yīng)時， 切斷給電磁閥3的電信號，使其自動回位而關(guān)閉，輸氫系統(tǒng)被切斷而處于非工 作狀態(tài)。
圖2是一種氫能源汽車在不同車速下的輸氫系統(tǒng)供氫流量的示意圖。如圖 所示，行駛速度與氫氣流量并非成線性關(guān)系。由于行駛速度越快，空氣阻力越 大，所需能量的功率越大，則所需氫氣流量越大。當(dāng)汽車的速度達(dá)到最大速度 120km/h時，所需氫氣的流量達(dá)到約0.56g/s;速度100km/h時，所需氫氣的流 量約0.40g/s;速度60km/h時，所需氫氣的流量達(dá)到約O. 18g/s;速度30km/h 時，所需氫氣的流量達(dá)到約0.08g/s。
以上結(jié)果是在一定環(huán)境條件下，對于某一型號轎車的理論結(jié)果。隨著轎車 參數(shù)和環(huán)境條件的變化，輸氫系統(tǒng)供氫流量也有所變化。
根據(jù)最大速度下所需供氫流量，并留有一定余量，綜合考慮輸氫系統(tǒng)供氫 能力可定為流量Q^不大于100g/min。
圖3、圖4顯示了輸氫系統(tǒng)工作過程壓力特性的示意圖。圖3為35MPa的一 種輸氫系統(tǒng)工作狀態(tài)下，汽車分別以30km/h、 60km/h和120km/h行駛時氣瓶壓 力特性。氣瓶體積為160L，初始壓力35MPa。在低速行駛時，壓力下降較為平緩，車速越高，壓力下降越迅速，系統(tǒng)工作時間越短。圖4是70MPa的一種輸 氫系統(tǒng)在不同車速下工作時的氣瓶壓力特性。在相同車速下，其工作比35MPa 輸氫系統(tǒng)工作時間長，但壓力下降趨勢基本相同。
表1列出的是一種氫能源汽車輸氫系統(tǒng)在不同車速下的工作時間與行駛距 離的關(guān)系。在初始壓力35MPa的條件下，在低速(30km/h)行駛時，系統(tǒng)放氣 時間可達(dá)12. lh左右，行駛距離可以達(dá)到約363km，但如果車速太高(120km/h)， 則行駛距離則會減到204公里左右。在初始壓力70MPa的條件下，在低速 (30km/h)行駛時，行駛距離可以達(dá)到555km左右，在60km/h以上行駛時，行 駛距離下降到498km，在最高時速(120km/h)時，行駛距離324km。為了達(dá)到 較長的行駛距離，必須做到1)控制行駛速度，保持汽車大部分時間行駛在低 速狀態(tài)，系統(tǒng)得以具有較長的工作時間；2)增加氣瓶儲存壓力，獲得較大的氫 氣質(zhì)量密度，使得系統(tǒng)連續(xù)工作時間增加。
表l
初始壓力35MPa70MPa流量(g/s)0. 090.180. 560. 080. 180. 56
速度(km/h)30601203060120
連續(xù)工作時間h12. 15.41. 718. 58.32.7
行駛距離km363324204555498324
上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此， 本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明 做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于其包括相互配合的氣瓶及閥組、氣阻氣容、減壓閥組、流量調(diào)節(jié)檢測裝置、管路及附件。
2、 如權(quán)利要求1所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該氣瓶上集成有 閥門組合，并與氣阻氣容相連通；該閥門組合包括電磁閥和安全閥。
3、 如權(quán)利要求1所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該氣阻氣容與減 壓閥組相連通，其包括固定節(jié)流孔和容腔。
4、 如權(quán)利要求1所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該減壓閥組與流 量調(diào)節(jié)檢測裝置，其包括一級減壓閥和二級減壓閥，兩級減壓閥之間設(shè)有容腔。
5、 如權(quán)利要求1所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該流量調(diào)節(jié)檢測 裝置包括可調(diào)節(jié)流閥和流量計(jì)，其通過安全閥控制輸送氫氣至燃料電池。
6、 如權(quán)利要求1所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該管路及附件包 括連接各元件間的輸氫管路，以及測定壓力壓力表和濾除氣體雜質(zhì)的濾清器； 濾清器設(shè)置在氣阻氣容與減壓閥組之間；壓力表設(shè)置在氣瓶與氣阻氣容之間以及流量調(diào)節(jié)檢測裝置的可調(diào)節(jié)流閥與流量計(jì)之間。
7、 如權(quán)利要求2所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該氣瓶的容積在140L至200L，其預(yù)充氣壓力為35MPa或70MPa，其電磁閥作為輸氫系統(tǒng)的通斷 開關(guān)，安全閥作為壓力安全裝置。
8、 如權(quán)利要求3所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該固定節(jié)流器為 阻尼孔大小和長度可調(diào)節(jié)的，且其為可更換方式的節(jié)流口的結(jié)構(gòu)。
9、 如權(quán)利要求3-4中任一項(xiàng)所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于該容 腔由一體化的組合閥塊之間所構(gòu)成的幾何容腔形成。
10、 如權(quán)利要求7所述的車載高壓輸氫系統(tǒng)，其特征在于35MPa輸氫系統(tǒng) 中， 一級減壓閥出口壓力可為5MPa， 二級減壓閥出口壓力為0. 16MPa。 70MPa輸 氫系統(tǒng)中， 一級減壓閥入口增加固定節(jié)流器，出口壓力可為10MPa; 二級減壓閥 出口壓力為0. 16MPa，入口處還增加了長度可變和面積可變的固定節(jié)流器。
全文摘要
本發(fā)明車載高壓輸氫系統(tǒng)主要包括氣瓶及閥組件、氣阻氣容、減壓閥組、流量調(diào)節(jié)檢測裝置、管路及附件。氣瓶是儲存氫燃料的容器，容積140L至200L，充氣壓力35MPa或70MPa。在氣瓶上集成閥組主要包括電磁閥和安全閥。電磁閥作為輸氫系統(tǒng)的通斷開關(guān)，安全閥作為壓力安全裝置。氣阻氣容包括一個固定節(jié)流器和兩個容腔。減壓閥組包括一級減壓閥和二級減壓閥，兩級減壓閥之間有容腔。流量調(diào)節(jié)檢測裝置包括可調(diào)節(jié)流閥和流量計(jì)。管路及附件包括連接各元件的管路，以及測定壓力的壓力表和濾除氣體雜質(zhì)的濾清器等附件。本發(fā)明解決了氫燃料電池車上氣態(tài)高壓氫燃料的輸送問題，實(shí)現(xiàn)了車載高壓氣動系統(tǒng)的壓力控制。
文檔編號B60K15/00GK101323248SQ20081003902
公開日2008年12月17日 申請日期2008年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月17日
發(fā)明者羅九陽, 訚耀保, 馬建新 申請人:同濟(jì)大學(xué)