基于组合阀的燃料电池供氢系统及其充氢供氢方法与流程

本发明涉及一种供氢技术，特别是指一种基于组合阀的燃料电池供氢系统及其充氢供氢方法。

背景技术：

在能源危机日益紧迫的当下，氢能源由于其清洁无污染、来源广泛、储能密度高等优势，受到广泛关注。作为氢能源的重要应用之一，氢燃料电池车被认为是最有希望与动力电池汽车竞争的一种新能源汽车。供氢系统是氢燃料电池产品的燃料源头，其运行的安全稳定至关重要。现有供氢系统采用不超过两只容积小于100升的70mpa的储氢瓶为系统供氢气，例如中国专利申请cn201610969932.6公开的一种燃料电池汽车用的供氢系统，其气瓶数量少且容量低，不能满足燃料电池长时间不间断工作的要求。要解决上述问题，一般可以采用多个氢气瓶并联形成氢气气瓶组，通过扩展气瓶数量来解决气瓶容量不足。然而常规的氢气气瓶组需要为每个氢气瓶配置减压系统，导致整体结构复杂，成本高，且占用了过大的安装空间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低的基于组合阀的燃料电池供氢系统及其充氢供氢方法。

为实现上述目的，本发明所设计的基于组合阀的燃料电池供氢系统，包括ecm控制模块、储氢瓶组和管路系统；所述储氢瓶组包括主氢气瓶和至少一个副氢气瓶；所述管路系统包括用于向储氢瓶组中各氢气瓶充入氢气的氢气进气管路，用于向燃料电池输出合适压力氢气的氢气供气管路，用于连接主氢气瓶和副氢气瓶的气瓶互联管路，以及用于危险情况下放空的氢气放空管路；所述主氢气瓶的氢气进出口设置有主组合阀，所述副氢气瓶的氢气进出口设置有副组合阀；所述主组合阀包括四条并列设置的内部管路，分别称为主进气内管、减压供气内管、主气瓶互联内管和主泄压内管；所述主进气内管、减压供气内管、主气瓶互联内管和主泄压内管上分别设置有主进气单向阀、电控减压阀、主气瓶互联电控阀和主电控安全阀(一一对应)；所述主进气内管、减压供气内管、主气瓶互联内管和主泄压内管的一端汇集后与主氢气瓶的氢气进出口相连，另一端分别与氢气进气管路、氢气供气管路、气瓶互联管路和氢气放空管路相连(一一对应)；所述副组合阀包括三条并列的内部管路，分别称为副进气内管、副气瓶互联内管和副泄压内管，所述副进气内管、副气瓶互联内管和副泄压内管上分别设置有副进气单向阀、副气瓶互联电控阀和副电控安全阀(一一对应)，所述副进气内管、副气瓶互联内管和副泄压内管的一端汇集后与副氢气瓶的氢气进出口相连，另一端分别与氢气进气管路、气瓶互联管路和氢气放空管路相连(一一对应)；所述电控减压阀、主气瓶互联电控阀、主电控安全阀、副气瓶互联电控阀和副电控安全阀的控制信号输入端分别与ecm控制模块相连。

优选地，所述主氢气瓶、副氢气瓶上还分别设置有集成尾堵，所述集成尾堵上设置有用于测量氢气瓶内温度的温度传感器和用于测量氢气瓶内压力的气瓶压力传感器，所述温度传感器和气瓶压力传感器的测量信号输出端分别与ecm控制模块相连。

优选地，该系统还包括氢气回收管路；所述氢气回收管路的入口端与氢气放空管路相连，其出口端与氢气进气管路相连；所述氢气回收管路从其入口端到出口端依次串联设置有回收单向阀、回收气瓶和氢气压缩泵，所述回收气瓶上设置有回收氢气压力传感器；所述氢气压缩泵的控制信号输入端、回收氢气压力传感器的测量信号输出端分别与ecm控制模块相连。

优选地，所述氢气供气管路上设置有过流关断阀、次级过滤器和供气压力传感器；所述过流关断阀的控制信号输入端和供气压力传感器的测量信号输出端分别与ecm控制模块相连。

优选地，所述氢气供气管路与氢气放空管路之间设置有次级电控安全阀，所述次级电控安全阀的输入端与氢气供气管路相连，其输出端与氢气放空管路相连；所述次级电控安全阀的控制信号输入端与ecm控制模块相连。

优选地，所述氢气进气管路上设置有充气阀和初级过滤器。

优选地，所述氢气放空管路上设置有被配置为故障打开的电控放空阀，后者的控制信号输入端与ecm控制模块相连。

优选地，所述主电控安全阀、副电控安全阀的两端还分别通过管道并联设置有易熔合金塞。

本发明同时提供了前述基于组合阀的燃料电池供氢系统的充氢供氢方法，包括充氢过程和供氢过程，其中：

所述充氢过程包括如下步骤：来自上游高压氢气源的高压氢气，经氢气进气管路分为多路，其中一路高压氢气经主组合阀内的主进气内管及主进气单向阀充入主氢气瓶内，其他各路高压氢气经各副组合阀内的副进气内管及副进气单向阀充入各副氢气瓶内，各主氢气瓶、副氢气瓶内压力达到充气限值时停止充气；

所述供氢过程包括如下步骤：ecm控制模块发出信号指示打开主组合阀中的电控减压阀，主氢气瓶内的高压氢气进入减压供气内管，被电控减压阀减压至燃料电池所需压力后，经氢气供气管路提供给燃料电池；当主氢气瓶中氢气用完(即提供的氢气压力、流量过低，不能满足燃料电池要求)后，ecm控制模块发出信号指示打开主气瓶互联电控阀、一个或多个副气瓶互联电控阀，使一个或多个副氢气瓶中的高压氢气经由副气瓶互联内管、气瓶互联管路、主气瓶互联内管充入主氢气瓶内，或者通过减压供气内管被电控减压阀减压至燃料电池所需压力后，经氢气供气管路提供给燃料电池。

优选地，该方法进一步在氢气进气管路与氢气放空管路之间设置氢气回收管路，并在氢气回收管路上设置回收气瓶和氢气压缩泵；将各电控安全阀(主电控安全阀、副电控安全阀)因为安全起跳时排放出的氢气经氢气放空管路放空的氢气导入回收气瓶内进行回收，待各电控安全阀回座后，再通过氢气压缩泵将回收气瓶内的氢气经氢气进气管路送入主氢气瓶和副氢气瓶内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)通过将多个阀门、管件等集成至组合阀上，使得管路系统结构得到大幅简化，组合阀整体可通过装配螺纹等常规方式装配到氢气瓶上，安装方便。

2)副组合阀不含电控减压阀，各副氢气瓶通过气瓶互联管路并联，间接通过集成在主组合阀上的电控减压阀实现减压供氢功能，减少了电控减压阀的数量，特别是当副氢气瓶数量较多时，可大大降低成本。

3)本发明在储氢瓶组、管路系统、控制逻辑等多方面采取优化设计措施，具有系统结构紧凑，操作简单，储氢容量扩展性高，安全可靠等优点。

附图说明

图1为本发明所设计的基于组合阀的燃料电池供氢系统的结构示意图。

图2为图1中主组合阀的结构示意图。

图3为图1中副组合阀的结构示意图。

图中，零部件名称与编号的对应关系如下：

ecm控制模块1；

储氢瓶组2、主氢气瓶2.1、副氢气瓶2.2、易熔合金塞3.9；

主组合阀3、主进气内管3.1、减压供气内管3.2、主气瓶互联内管3.3、主泄压内管3.4、主进气单向阀3.5、电控减压阀3.6、主气瓶互联电控阀3.7、主电控安全阀3.8；

副组合阀4、副进气内管4.1、副气瓶互联内管4.2、副泄压内管4.3、副进气单向阀4.4、副气瓶互联电控阀4.5、副电控安全阀4.6；

集成尾堵5、气瓶压力传感器5.1、温度传感器5.2；

氢气进气管路6、充气阀6.1、初级过滤器6.2、球阀6.3、压力表6.4；

氢气供气管路7、过流关断阀7.1、次级过滤器7.2、供气压力传感器7.3、次级电控安全阀7.4、放空阀7.5；

氢气放空管路8、电控放空阀8.1；

氢气回收管路9、回收单向阀9.1、回收气瓶9.2、氢气压缩泵9.3、回收氢气压力传感器9.4；

气瓶互联管路10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1～3所示，本发明所设计的基于组合阀的燃料电池供氢系统包括ecm控制模块1、储氢瓶组2和管路系统。其中：

储氢瓶组2包括主氢气瓶2.1和两个副氢气瓶2.2，副氢气瓶2.2的数量可以根据需求进行扩展。

所述管路系统包括氢气进气管路6、氢气供气管路7、氢气放空管路8、氢气回收管路9和气瓶互联管路10。

主氢气瓶2.1的氢气进出口设置有主组合阀3，各副氢气瓶2.2的氢气进出口分别设置有副组合阀4。主氢气瓶2.1、副氢气瓶2.2上还分别设置有集成尾堵5，集成尾堵5上设置有温度传感器5.2和气瓶压力传感器5.1，可对气瓶内的温度和压力进行实时监测。

主组合阀3包括四条并列设置的内部管路，分别称为主进气内管3.1、减压供气内管3.2、主气瓶互联内管3.3和主泄压内管3.4。主进气内管3.1、减压供气内管3.2、主气瓶互联内管3.3和主泄压内管3.4上分别设置有主进气单向阀3.5(向气瓶方向单向导通)、电控减压阀3.6、主气瓶互联电控阀3.7和主电控安全阀3.8。主进气内管3.1、减压供气内管3.2、主气瓶互联内管3.3和主泄压内管3.4的一端汇集后与主氢气瓶2.1的氢气进出口相连，另一端分别与氢气进气管路6、氢气供气管路7、气瓶互联管路10和氢气放空管路8相连。

副组合阀4包括三条并列的内部管路，分别称为副进气内管4.1、副气瓶互联内管4.2和副泄压内管4.3，副进气内管4.1、副气瓶互联内管4.2和副泄压内管4.3上分别设置有副进气单向阀4.4(向气瓶方向单向导通)、副气瓶互联电控阀4.5和副电控安全阀4.6，副进气内管4.1、副气瓶互联内管4.2和副泄压内管4.3的一端汇集后与副氢气瓶2.2的氢气进出口相连，另一端分别与氢气进气管路6、气瓶互联管路10和氢气放空管路8相连。

主电控安全阀3.8、副电控安全阀4.6的两端还分别通过管道并联设置有易熔合金塞3.9。

氢气进气管路6上设置有充气阀6.1、初级过滤器6.2、球阀6.3和压力表6.4。

氢气供气管路7上设置有过流关断阀7.1、次级过滤器7.2、供气压力传感器7.3、次级电控安全阀7.4、球阀6.3、压力表6.4和放空阀7.5。次级电控安全阀7.4、放空阀7.5的输入端分别与氢气供气管路7相连，二者的输出端分别与氢气放空管路8的尾端相连。

氢气放空管路8上设置有被配置为故障打开的电控放空阀8.1，电控放空阀8.1设置为故障开，可保证系统失效的情况下仍然能够进行放空，确保系统安全。

氢气回收管路9的入口端与氢气放空管路8相连，其出口端与氢气进气管路6相连。氢气回收管路9从其入口端到出口端依次串联设置有回收单向阀9.1(向回收气瓶9方向导通)、回收气瓶9.2、氢气压缩泵9.3以及放空阀7.5，回收气瓶9.2上设置有回收氢气压力传感器9.4。

电控减压阀3.6、主气瓶互联电控阀3.7、主电控安全阀3.8、副气瓶互联电控阀4.5、副电控安全阀4.6、过流关断阀7.1、次级电控安全阀7.4、电控放空阀8.1和氢气压缩泵9.3的控制信号输入端分别与ecm控制模块1相连。

温度传感器5.2、气瓶压力传感器5.1、供气压力传感器7.3和回收氢气压力传感器9.4的测量信号输出端分别与ecm控制模块1相连。

ecm控制模块1作为整个系统的控制中心，按照设定的控制逻辑或者操作人员的手动操作对相关阀门进行控制；同时接受各传感器传来的测量数据，显示在屏幕上，或者进行连锁控制。

实施例2

本实施例针对实施例1中的燃料电池供氢系统，提供了一种充氢供氢方法，包括独立进行的充氢过程和供氢过程，其中：

1、充氢过程的具体步骤如下：

1)将氢气进气管路6通过充气阀6.1接入上游高压氢气源；

2)打开氢气进气管路6上的球阀6.3，来自高压氢气源的70mpa(本发明中均为表压)高压氢气经初级过滤器6.2进行过滤后分为三路分别进入一个主组合阀3和两个副组合阀4；

3)进入主组合阀3的高压氢气通过主进气内管3.1和主进气单向阀3.5充入主氢气瓶2.1内，进入副组合阀4的高压氢气通过副进气内管4.1和副进气单向阀4.4充入两个副氢气瓶2.2内；

4)当气瓶压力传感器5.1显示压力为70mpa的工作压力时，停止充气。

2、供氢过程的具体步骤如下：

1)ecm控制模块1发出信号指示打开主组合阀3中的电控减压阀3.6，高压氢气进入减压供气内管3.2，经过电控减压阀3.6后被减压为0兆帕的常压氢气；

2)打开氢气供气管路7上的球阀6.3，常压氢气进入氢气供气管路7，依次流经过流关断阀7.1、次级过滤器7.2(进一步过滤氢气)、球阀6.3，通向燃料电池，为燃料电池提供压力、质量合格的氢气；

3)当主氢气瓶2.1内的氢气用完(压力或流量不够)后，ecm控制模块1发出信号打开主组合阀3中的主气瓶互联电控阀3.7和一个副组合阀4中的副气瓶互联电控阀4.5，该副氢气瓶2.2内的高压氢气经过副气瓶互联内管4.2、主气瓶互联内管3.3流向减压供气内管3.2，经过电控减压阀3.6进行减压后提供给燃料电池；

4)当该副氢气瓶2.2的氢气也用完后，切换至另一个副氢气瓶2.2，按照步骤3)为燃料电池提供氢气。

5)安全措施与氢气回收

当回收气瓶9.2为空(压力很低)时，ecm控制模块1发出信号指示关闭电控放空阀8.1，此时排空的氢气可进入回收气瓶9.2中进行回收；当主氢气瓶2.1上的气瓶压力传感器5.1检测到气瓶压力超过上限时，ecm控制模块1发出信号使主电控安全阀3.8开启，释放气瓶内的压力，排出的高压氢气通过氢气放空管路8进入回收气瓶9.2中进行回收；当副氢气瓶2.2的气瓶压力传感器5.1检测到气瓶压力超过上限时，ecm控制模块1发出信号使副电控安全阀4.6开启，释放气瓶内的压力，排出的高压氢气通过氢气放空管路8进入回收气瓶9.2中进行回收。在某些特殊情况下，操作人员也可以主动开启各电控安全阀。

回收的氢气进入回收气瓶9.2中使其压力升高，当回收氢气压力传感器9.4检测到回收气瓶9.2压力超过安全限制值(例如40mpa)时，ecm控制模块1发出信号指示打开电控放空阀8.1，保证排空过程在较低压力下连续进行，确保安全。

在系统恢复正常状态结束放空后，如回收气瓶9.2中氢气压力高于再充气限值(例如30mpa)，ecm控制模块1发出信号指示氢气压缩泵9.3开启，将回收气瓶9.2中的氢气加压到70mpa，经氢气进气管路6输入到储氢瓶组2中，完成再充气。

当发生火灾时，易熔合金塞3.9达到特定温度后自动导通，同时被配置为故障打开的电控放空阀8.1在火灾情况下自动开起，释放系统中的氢气。出于系统安全考虑，此种情况下高压氢气直接放空，不进行回收。

当供气压力传感器7.3检测到氢气供气管路7压力超过上限时，ecm控制模块1发出信号使次级电控安全阀7.4开启，由于其中的氢气压力很低，不进行回收直接放空。当氢气供气管路7的氢气流量超出燃料电池的许用输入量时，通过过流关断阀7.1切断氢气供给，确保燃料电池安全。特殊情况下，还可人为开启氢气供气管路7与氢气放空管路8之间的放空阀7.5，以释放系统压力。

实施例3

本实施例针对实施例1中的燃料电池供氢系统，提供了另一种充氢供氢方法，其主要步骤与实施例2相同，区别在于本实施例步骤3)具体为：当主氢气瓶2.1内的氢气用完后，先关闭电控减压阀3.6，并打开主气瓶互联电控阀3.7和副气瓶互联电控阀4.5，再由副氢气瓶2.2(一个或两个)对主氢气瓶2.1进行充气，充气完成后关闭主气瓶互联电控阀3.7和副气瓶互联电控阀4.5，再按照步骤1)～2)为燃料电池进行供气。

实施例4

本实施例针对实施例1中的燃料电池供氢系统，提供了第三种充氢供氢方法，其主要步骤与实施例2相同，区别在于步骤3)和步骤4)。

本实施例步骤3)具体为：若燃料电池需要的气体流量很大，可以同时打开主气瓶互联电控阀3.7和至少一个副气瓶互联电控阀4.5，由主氢气瓶2.1和至少一个副氢气瓶2.2同时向燃料电池提供氢气，具体参照步骤1)～2)。

本实施例不含步骤4)。