一种供氢装置和供氢方法、及氢内燃机与流程

1.本发明涉及储能与新能源领域技术领域，具体涉及一种供氢装置和供氢方法、及氢内燃机。


背景技术：

2.在碳达峰碳中和战略驱动下，我国氢能开发和应用将进入发展快车道。氢能尤其是基于可再生能源的绿氢，被视为实现能源转型的重要路径。
3.目前，氢能利用形式一种是以氢燃料电池为主，燃料电池高效率、零排放的优势是发展方向的重点之一，但单位功率成本高。另一种利用形式是直接利用，例如以氢为燃料的内燃机，即氢内燃机。氢内燃机与传统内燃机类似，其中超过90％以上的零部件可以直接沿用。氢内燃机基于传统的内燃机技术和生产、维修体系，具有良好的生产、使用基础，可广泛带动传统发动机行业进行全面转型升级，充分利用现有资源。氢内燃机燃料适应性更强，氢气纯度要求低，单位功率成本低。
4.如图1示出了氢内燃机的原理示意图，连通氢内燃机10的氢气喷嘴12的进气管连通高压的一个或多个氢气储罐21，需要由高压的氢气储罐21借助其压力向氢内燃机10供氢，在供氢过程中氢气储罐21内的压力逐渐降低，氢气储罐21内外压差低于阈值，例如氢气储罐21内与外部氢内燃机10所需进氢气压力差低于阈值时，难以将氢气储罐21内存留的氢气喷射进入氢内燃机10中，导致了这部分氢气的浪费。


技术实现要素：

5.为达到上述目的，本技术提供了一种供氢装置和供氢方法、及氢内燃机，本技术可以提高氢气储罐内氢气的利用率。
6.本技术第一方面提供了一种供氢装置，包括：第一氢气储罐、第二氢气储罐、引射开启阀、第一引射器、第一工作阀和第一单向阀；所述第一氢气储罐的出口经由所述第一工作阀连通至供氢装置的供氢出口；所述第一氢气储罐的出口还经由所述第一单向阀连通至所述第一引射器的二次流入口；所述第一引射器的出口还连通至供氢装置的所述供氢出口；所述第二氢气储罐的出口经由所述引射开启阀连通至所述第一引射器的一次流入口。
7.由上，在供氢过程中，当第一氢气储罐供氢后，启用第二氢气储罐供氢时，可以利用第一引射器将第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，从而提供了氢利用率。解决了现有氢存储系统在氢气储罐消耗至用氢单元需求工作压力以下时不能直接利用的问题。
8.作为第一方面的一种可能的实现方式，所述的第一氢气储罐为单个氢气储罐或并联的多个氢气储罐。
9.作为第一方面的一种可能的实现方式，所述的第二氢气储罐为单个氢气储罐或并联的多个氢气储罐。
10.本技术第二方面提供了基于本技术第一方面提供的所述供氢装置的供氢方法，包括：开启第一工作阀，关闭引射开启阀，由第一氢气储罐输出氢气至供氢装置的供氢出口；
检测到第一氢气储罐内的压力低于阈值时，开启引射开启阀，关闭第一工作阀，由第二氢气储罐输出氢气至第一引射器，通过第一引射器将第一氢气储罐内留存的氢气引射出来，连同第二氢气储罐输出的氢气一起输送至供氢装置的供氢出口。
11.由上，在供氢过程中，当第一氢气储罐供氢后，启用第二氢气储罐供氢时，可以利用第一引射器将第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，从而提供了氢利用率。
12.本技术第三方面提供了一种供氢装置，包括：第一氢气储罐、第二氢气储罐、第三氢气储罐、引射开启阀，第一引射器、第二引射器、第一工作阀、第二工作阀、第一单向阀和第二单向阀；所述第一氢气储罐的出口经由所述第一工作阀连通至供氢装置的供氢出口；所述第一氢气储罐的出口还经由所述第一单向阀连通至所述第一引射器的二次流入口；所述第一引射器的出口还连通至供氢装置的所述供氢出口；所述第三氢气储罐的出口经由所述第二工作阀连通至所述第一引射器的一次流入口；所述第三氢气储罐的出口还经由所述第二单向阀连通至所述第二引射器的二次流入口；所述第二引射器的出口还连通至所述第一引射器的一次流入口；所述第二氢气储罐的出口经由所述引射开启阀连通至所述第二引射器的一次流入口。
13.由上，在供氢过程中，当第一氢气储罐供氢后，启用第三氢气储罐供氢时，可以将第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，当第三氢气储罐供氢后，启用第二氢气储罐供氢时，可以将第三氢气储罐和/或第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，从而提供了氢利用率。
14.本技术第四方面提供了一种基于本技术第三方面提供的所述供氢装置的供氢方法，包括：开启第一工作阀，关闭引射开启阀与第二工作阀，由第一氢气储罐输出氢气至供氢装置的供氢出口；检测到第一氢气储罐内的压力低于阈值时，保持引射开启阀关闭，开启第二工作阀，关闭第一工作阀，由第三氢气储罐输出氢气至第一引射器，通过第一引射器将第一氢气储罐内留存的氢气引射出来，连同第三氢气储罐输出的氢气一起输送至供氢装置的供氢出口；检测到第三氢气储罐内的压力低于阈值时，开启引射开启阀，关闭第二工作阀，保持第一工作阀关闭，由第二氢气储罐输出氢气至第二引射器，通过第二引射器将第三氢气储罐和/或第一氢气储罐内留存的氢气引射出来，连同第二氢气储罐输出的氢气一起输送至供氢装置的供氢出口。
15.由上，在供氢过程中，当第一氢气储罐供氢后，启用第三氢气储罐供氢时，可以将第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，当第三氢气储罐供氢后，启用第二氢气储罐供氢时，可以将第三氢气储罐和/或第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，从而提供了氢利用率。
16.本技术第五方面提供了一种供氢装置，包括：第一氢气储罐、第二氢气储罐、第三氢气储罐、引射开启阀，第一引射器、第一工作阀、第二工作阀、第一单向阀和第二单向阀；所述第一氢气储罐的出口经由所述第一工作阀连通至供氢装置的供氢出口；所述第一氢气储罐的出口还经由所述第一单向阀连通至所述第一引射器的二次流入口；所述第一引射器的出口还连通至供氢装置的所述供氢出口；所述第三氢气储罐的出口经由所述第二工作阀连通至供氢装置的所述供氢出口；所述第三氢气储罐的出口经由所述第二单向阀连通至所述第一引射器的二次流入口；所述第二氢气储罐的出口经由所述引射开启阀连通至所述第一引射器的一次流入口。
17.由上，在供氢过程中，当第一氢气储罐供氢后，可以启用第三氢气储罐供氢，当第三氢气储罐供氢后，启用第二氢气储罐供氢时，可以将第三氢气储罐和/或第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，从而提供了氢利用率。
18.本技术第六方面提供了一种基于本技术第五方面提供的所述供氢装置的供氢方法，包括：开启第一工作阀，关闭引射开启阀与第二工作阀，由第一氢气储罐输出氢气至供氢装置的供氢出口；
19.检测到第一氢气储罐内的压力低于阈值时，保持引射开启阀关闭，开启第二工作阀，关闭第一工作阀，由第三氢气储罐输出氢气至供氢装置的供氢出口；检测到第三氢气储罐内的压力低于阈值时，开启引射开启阀，关闭第二工作阀，保持第一工作阀关闭，由第二氢气储罐输出氢气至第一引射器，通过第一引射器将第三氢气储罐和/或第一氢气储罐内留存的氢气引射出来，连同第二氢气储罐输出的氢气一起输送至供氢装置的供氢出口。
20.由上，在供氢过程中，当第一氢气储罐供氢后，可以启用第三氢气储罐供氢，当第三氢气储罐供氢后，启用第二氢气储罐供氢时，可以将第三氢气储罐和/或第一氢气储罐内留存的氢气引射出来输出，从而提供了氢利用率。
21.本技术第七方面提供了一种氢内燃机，所述氢内燃机的氢气管路上连接有第一方面任一所述的供氢装置，或所述氢内燃机的氢气管路上连接有第三方面所述的供氢装置，或所述氢内燃机的氢气管路上连接有第五方面所述的供氢装置。
附图说明
22.图1为使用氢内燃机的供氢原理结构示意图；
23.图2a为本技术实施例提供的供氢装置的第一实施例的结构意图；
24.图2b为本技术实施例提供的供氢装置的第二实施例的结构意图；
25.图2c为本技术实施例提供的供氢装置的第三实施例的结构意图；
26.图3为引射器内部结构示意图；
27.图4a为本技术实施例提供的供氢方法的第一实施例的结构意图；
28.图4b为本技术实施例提供的供氢方法的第二实施例的结构意图；
29.图4c为本技术实施例提供的供氢方法的第三实施例的结构意图；
30.图5为包括图2a所示的供氢装置的氢内燃机的供氢原理的结构意图。
31.应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本技术实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本技术实施例的物理连接方式。
具体实施方式
32.应理解，本技术实施例提供的标定方案，包括氢内燃机的供氢装置和供氢方法、及氢内燃机等。由于这些技术方案解决问题的原理相同或相似，在如下具体实施例的介绍中，某些重复之处可能不再赘述，但应视为这些具体实施例之间已有相互引用，可以相互结合。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本技术实施例
的目的，不是旨在限制本技术。为了准确地对本技术中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本发明，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义：
34.1)氢内燃机：是指以氢气为燃料的内燃机，通过将氢气、空气混合后燃烧驱动活塞往复运动，活塞推动连杆、连杆带动曲轴转动，从而输出旋转动力的设备。区别于氢燃料电池，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。
35.2)缸外喷射氢内燃机与缸内直喷氢内燃机：缸外喷射氢内燃机的氢气喷嘴位于氢内燃机的气缸外，通常位于氢内燃机气缸的进气歧管内。缸内直喷氢内燃机(简称直喷氢内燃机)的氢气喷嘴直接伸入氢内燃机的气缸内设置。
36.其中，图1的示意图中所示出的氢内燃机10为缸内直喷氢内燃机，氢气喷嘴12伸入直喷该直喷氢内燃机10的气缸11内设置，空气由进气口进入气缸11，气缸11内的火花塞13点燃气缸11内混合的氢气和空气，推动活塞运动从而最终使直喷氢内燃机输出轴输出旋转动力，气缸11内混合气体燃烧后产生的废气经排气口排出。
37.本技术实施例用于对氢内燃机的供氢，可以提高氢气储罐内氢气的利用率，其中所述的氢内燃机，可以是缸内直喷氢内燃机也可以是缸外喷射氢内燃机。其中，本技术实施例的供氢装置与氢内燃机形成的动力系统，可以应用于交通工具、并作为交通工具的动力输出设备，该动力输出设备可以是发动机，该交通工具例如车辆、船舶、飞行器等。不难理解，上述动力系统也可以应用于其他需要动力的装置，例如泵、发电机等，该发电机可以是应用于移动发电或固定发电等场景。本技术实施例的基本原理是：通过利用处于高压的氢气储罐的氢气将已经处于低压的氢气储罐中的氢气引射出来，提供给氢内燃机使用，以提高氢气利用效率。下面将结合附图对本技术的技术方案进行详细介绍。
38.下面，参见图2a和图3示出的结构示意图，对本技术实施例提供的供氢装置的第一实施例进行说明，该供氢装置包括：第一氢气储罐21，第二氢气储罐23，引射开启阀24，第一引射器25、第一工作阀22和第一单向阀26，其中上述各部件中的两个需要连通时，可通过管道进行连接，为描述方便，对所使用的管道不再赘述。
39.其中，第一氢气储罐21的出口经由第一工作阀22连通至供氢装置的供氢出口；第一氢气储罐21的出口还经由第一单向阀26连通至第一引射器25的二次流入口252；第二氢气储罐23的出口经由引射开启阀24连通至第一引射器25的一次流入口251；第一引射器25的出口253也连通至供氢装置的供氢出口，该供氢装置的供氢出口可以连接至氢内燃机的氢气管路或其他用氢单元。
40.在一些实施例中，所述的第一氢气储罐21和第二氢气储罐23可以是相同容积也可以是不同容积的。
41.在一些实施例中，所述的第一氢气储罐21和第二氢气储罐23的最高工作压力是相同的，初始压力是相同的。在供氢过程中，先由第一氢气储罐21供氢，并在其压力低于阈值时，由第二氢气储罐23开始供氢，并通过第一引射器25将第一氢气储罐21内留存的氢气引射出去。
42.在一些实施例中，所述的第一氢气储罐21可以是单个氢气储罐也可以是多个氢气储罐并联，这里的并联例如氢气储罐的出口并联。
43.在一些实施例中，所述的第二氢气储罐23可以是单个氢气储罐也可以是多个氢气
储罐并联，这里的并联例如氢气储罐的出口并联。
44.对应图2a所述的供氢装置的第一实施例，如图4a所示，本技术实施例提供的供氢方法的第一实施例包括以下步骤：
45.s11：开启第一工作阀22，关闭引射开启阀24，此时，由第一氢气储罐21输出的氢气输送至供氢装置的供氢出口，向外提供氢气。在这个过程中，第一氢气储罐21内的压力会随着其供氢逐渐降低。
46.s13：检测到第一氢气储罐21内的压力低于阈值时，例如低于用氢单元最低需求压力时，开启引射开启阀24，由第二氢气储罐23开始供氢，并关闭第一工作阀22。此时，第二氢气储罐23输出氢气流入第一引射器25的一次流入口251，第一引射器25的二次流入口252处形成负压，从而推动第一单向阀26打开，将第一氢气储罐21内留存的氢气引射至第一引射器25的二次流入口252，连同第二氢气储罐23输出的氢气一起通过第一引射器25的出口253输送至供氢装置的供氢出口，以向外提供氢气。在这个过程中，第二氢气储罐23内的压力会随着其供氢逐渐降低。
47.由此步骤，可以实现对第一氢气储罐21内残留氢气的利用。
48.s15：当第二氢气储罐23压力降低至一低压阈值，该低压阈值不足以在第一引射器25二次流入口形成引射或使第一引射器25出口压力不满足用氢单元最低需求压力时，第一单向阀26会自动关闭，此时，结束对第一氢气储罐21内残留氢气的利用。
49.下面，参见图2b示出的结构示意图，对本技术实施例提供的供氢装置的第二实施例进行说明，其中，与图2a相同的部分不再赘述。该图2b中，在引射开启阀24连通至第一引射器25之间还包括第二引射器25’，具体的，第一引射器25的出口连通至第二引射器25’的一次流入口，第二引射器25’的出口连通至第一引射器25的一次流入口，形成引射开启阀24、第二引射器25’与第一引射器25依次串联的结构，第三氢气储罐21’出口经第二单向阀26’连通到第二引射器25’的二次流入口，第三氢气储罐21’出口还经第二工作阀22’连通到第一引射器25的一次流入口。
50.对应图2b所述的供氢装置的第二实施例，如图4b所示，本技术实施例提供的供氢方法的第二实施例包括以下步骤：
51.s21：开启第一工作阀22，关闭引射开启阀24与第二工作阀22’，此时，由第一氢气储罐21输出的氢气输送至供氢装置的供氢出口，向外提供氢气。在这个过程中，第一氢气储罐21内的压力会随着其供氢逐渐降低。
52.s23：检测到第一氢气储罐21内的压力低于阈值时，保持引射开启阀24关闭，开启第二工作阀22’，由第三氢气储罐21’开始供氢，并关闭第一工作阀22。此时，第三氢气储罐21’输出氢气流入第一引射器25的一次流入口251，第一引射器25的二次流入口252处形成负压，从而推动第一单向阀26打开，将第一氢气储罐21内留存的氢气引射至第一引射器25的二次流入口252，连同第三氢气储罐21’输出的氢气一起通过第一引射器25的出口253输送至供氢装置的供氢出口，以向外提供氢气。在这个过程中，第三氢气储罐21’内的压力会随着其供氢逐渐降低。
53.s25：检测到第三氢气储罐21’内的压力低于阈值时，开启引射开启阀24，由第二氢气储罐23开始供氢，并关闭第二工作阀22’，以及保持第一工作阀22关闭。此时，第二氢气储罐23输出氢气流入第二引射器25’的一次流入口，第二引射器25’的二次流入口处形成负
压，从而推动第二单向阀26’打开，将第三氢气储罐21’内留存的氢气引射至第二引射器25’的二次流入口，连同第二氢气储罐23输出的氢气一起通过第二引射器25’的出口输送，流经第一引射器25，输送至供氢装置的供氢出口，以向外提供氢气。在这个过程中，第二氢气储罐23内的压力会随着其供氢逐渐降低。
54.在一些实施例中，氢气流经第一引射器25时，可以推动第一单向阀26打开，继续将第一氢气储罐21内留存的氢气引射至第一引射器25的二次流入口252，并输送至供氢装置的供氢出口，以向外提供氢气。
55.在另一些实施例中，也可能是第一氢气储罐21内留存的氢气足够少，第一氢气储罐21内压力足够低，氢气流经第一引射器25时并不会推动第一单向阀26打开。
56.s27：当第二氢气储罐23压力降低至一低压阈值，该低压阈值不足以在第二引射器25’二次流入口形成引射或使第一引射器25出口压力不满足用氢单元最低需求压力时，同样会不足以在第一引射器25二次流入口形成引射或第一引射器25出口压力不满足用氢单元最低需求压力，第二单向阀26’和第一单向阀26会自动关闭，此时，结束对第三氢气储罐21’和第一氢气储罐21内残留氢气的利用。
57.下面，参见图2c示出的结构示意图，对本技术实施例提供的供氢装置的第三实施例进行说明，其中，与图2a相同的部分不再赘述。该图2c中，还包括第三氢气储罐21’，该第三氢气储罐21’出口通过第二单向阀26’也连接到第一引射器25的二次流入口252，并且该第三氢气储罐21’出口也还经第二工作阀22’连通至供氢装置的供氢出口。
58.对应图2c所述的供氢装置的第三实施例，如图4c所示，本技术实施例提供的供氢方法的第三实施例包括以下步骤：
59.s31：开启第一工作阀22，关闭引射开启阀24，关闭第二工作阀22’，此时，由第一氢气储罐21输出的氢气输送至供氢装置的供氢出口，向外提供氢气。在这个过程中，第一氢气储罐21内的压力会随着其供氢逐渐降低。
60.s33：检测到第一氢气储罐21内的压力低于阈值时，保持引射开启阀24关闭，开启第二工作阀22’，由第三氢气储罐21’开始供氢，并关闭第一工作阀22。此时，第三氢气储罐21’输出的氢气输送至供氢装置的供氢出口，向外提供氢气。在这个过程中，第三氢气储罐21’内的压力会随着其供氢逐渐降低。
61.s35：检测到第三氢气储罐21’内的压力低于阈值时，开启引射开启阀24，由第二氢气储罐23开始供氢，并关闭第二工作阀22’，以及保持第一工作阀22关闭。此时，第二氢气储罐23输出氢气流入第一引射器25的一次流入口251，第一引射器25的二次流入口252处形成负压，从而推动第一单向阀26和第二单向阀26’打开，将第一氢气储罐21和第三氢气储罐21’内留存的氢气引射至第一引射器25的二次流入口252，连同第二氢气储罐23输出的氢气一起通过第一引射器25的出口253输送至供氢装置的供氢出口，以向外提供氢气。
62.在一些实施例中，流经第一引射器的氢气可以将第一氢气储罐21和第三氢气储罐21’内留存的氢气同时引射至第一引射器25的二次流入口252。
63.在另一些实施例中，第一氢气储罐21和第三氢气储罐21’内留存的氢气量不同，储罐内压力不同，因此对应的第一单向阀26和第二单向阀26’会在不同的时间关闭。
64.s37：当第二氢气储罐23压力降低至一低压阈值，该低压阈值不足以在第一引射器25二次流入口形成引射或第一引射器25出口压力不满足用氢单元最低需求压力，第一单向
阀26和第二单向阀26’会自动关闭，此时，结束对第三氢气储罐21’和第一氢气储罐21内残留氢气的利用。
65.其中，上述图2b、图2c以及对应的图4b、图4c中仅以设置了三个氢气储罐为例进行说明，不难了理解，可以继续增设更多的氢气储罐，此时供氢装置的结构或方法可参见图2b、图2c、图4b、图4c的原理，不再赘述。
66.另外，上述各个实施例中，关于氢气储罐内的压力的检测，可以通过压力传感器测得，该压力传感器可以设置于氢气储罐出口处，也可以通过氢气储罐出口连接的流速传感器测得流速后转化为氢气储罐内的压力。上述工作阀可为可控的电磁阀，接收控制信号进行控制。上述的控制过程，可以由一控制单元，如单片机等实现，该控制单元可以接收压力传感器或流速传感器信息，从而确定出氢气储罐内的压力，以及可以向工作阀发送控制信号控制其开始或关闭，该控制单元的功能具体用于实现上述供氢方法的各实施例，不再赘述。
67.本技术还提供了一种氢内燃机，其氢气管路上连接有上述任一实施例所述的供氢装置。其中如图5示出的氢内燃机的管路上连接有图2a所示实施例的供氢装置。在一些实施例中，氢内燃机的管路上连接图2b或图2c所示实施例的供氢装置。
68.其中，本技术说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块a、模块b、模块c等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
69.在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如s110、s120
……
等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
70.说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置a和b的设备”不应局限为仅由部件a和b组成的设备。
71.本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
72.注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本技术保护范畴。