一种面向高压燃料电池的液氢供氢系统及其控制方法

1.本发明涉及液氢燃料电池供氢技术领域，特别是涉及一种面向高压燃料电池的液氢供氢系统。


背景技术：

2.燃料电池供氢系统的主流技术路线是高压气态供氢和液氢供氢，高压气态供氢应用最早、技术最成熟，但储氢密度较低，目前堆积密度和重量密度已成为影响氢能产业商业化和大规模推广的关键因素。与高压气氢相比，液氢的储氢密度更高，燃料电池的功率和效率也更高，可以满足多场景下长距离行驶需求，如氢能重卡、氢能轮船、氢能无人机等。由于液氢存储处于低温液体状态，需要经过相变、温度调整、压力调整等步骤，氢气才能供燃料电池使用，因而对各参数的实现较其他储氢方式要更复杂，其中供氢压力的控制是液氢燃料电池供氢系统的核心技术之一。高压燃料电池由于具有较高的工作压力，相比于低压燃料电池，增大了燃料电池堆的能量密度，提升了系统效率，改善了水平衡，具有很好的市场应用前景。
3.传统的燃料电池液氢供氢系统采用汽化器加缓冲罐的组合方法，供氢压力低，控制简单，易于控制，广泛应用于低压燃料电池。
4.这种方案的缺点是供氢压力低，需要增加加压装置才能应用于高压燃料电池，系统成本较高，汽化器在长时间工作后会使供氢温度过低，难以满足燃料电池正常工作温度范围(333k至353k)，同时液氢直接气化会导致燃料电池进口压力波动较大，降低了燃料电池工作效率，并且液氢的大量冷能被浪费未得到有效利用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种降低燃料电池供氢系统的成本，提高燃料电池供氢效率的面向高压燃料电池的液氢供氢系统。
6.本发明的技术方案：本发明所述的一种面向高压燃料电池的液氢供氢系统，通过液态储氢容器向燃料电池系统提供气氢；所述液态储氢容器内液氢通过液氢供给系统流入深冷高压储氢容器，所述液氢经所述深冷高压储氢容器气化后，经气氢供给系统流入燃料电池系统，为所述燃料电池系统提供燃料。
7.进一步的，所述液氢经所述深冷高压储氢容器气化后，一部分经气氢供给系统流入燃料电池系统，另一部分流入液态储氢容器，为液氢供给系统提供供氢压力。
8.进一步的，还包括液氢供给系统；所述燃料电池系统产生的废热经热循环系统回收，流入所述深冷高压储氢容器中的一级换热器内，与液氢进行热交换，为所述深冷高压储氢容器内液氢气化提供热能；
9.所述热循环系统进行热交换后获得的冷能，一部分通过吹扫装置为液氢供给系统散热，一部分通过排风扇为燃料电池系统散热。
10.进一步的，所述气氢供给系统包括二级换热器，所述深冷高压储氢容器排出的低温压缩氢气流入所述二级换热器内进行换热，得到常温压缩氢气送入所述燃料电池系统；
11.所述燃料电池系统产生的废热，分别流入一级换热器与二级换热器内参与热交换。
12.进一步的，所述液氢供给系统包括依次连接的液态储氢容器、液氢温度传感器、第一电磁阀、第一单向阀和第二电磁阀，液氢通过液氢供给系统流入深冷高压储氢容器；
13.所述液态储氢容器上设有第一安全阀和液氢温度压力传感器；
14.进一步的，所述深冷高压储氢容器输送的气态压缩氢依次通过电磁阀、二级换热器和减压阀，通过所述减压阀减压，得到适合燃料电池工作压力的常温压缩氢气后，流入燃料电池系统；
15.所述压储氢容器输送的气态压缩氢还依次通过第三电磁阀、第二单向阀流入液态储氢容器，为液氢供给系统提供供氢压力。
16.本发明还公开了一种面向高压燃料电池的液氢供氢系统的控制方法，包括供氢系统工作循环方法，所述供氢系统工作循环方法包括：
17.sa1.由所述液态储氢容器向所述深冷高压储氢容器内加注液氢，加注到设定容积时，停止加注。
18.sa2.燃料电池系统产生的废热流入所述所述深冷高压储氢容器内的一级换热器内，与所述与深冷高压储氢容器内的液氢进行热交换，此时为恒容增压，得到低温压缩氢气；
19.同时热交换后的一部分冷量流入吹扫装置内，对燃料电池供氢系统进行吹扫散热，余下的冷量通过排风扇对燃料电池系统进行散热；
20.sa3.当所述深冷高压储氢容器内的温度压力达到设定值时，燃料电池系统产生的废热停止流入所述所述深冷高压储氢容器；
21.sa4.所述深冷高压储氢容器内低温压缩氢气流入二级换热器内进行换热，得到常温压缩氢气，所述常温压缩氢气通过减压后，得到适合燃料电池工作压力的常温压缩氢气，送入所述燃料电池系统。
22.同时燃料电池系统工作时产生的废热，通过分流分别流入一级换热器与二级换热器内，形成工作循环。
23.进一步的，还包括预冷准备处理方法；所述预冷准备处理方法，包括如下步骤：
24.sb1.液态储氢容器内液氢流向所述对深冷高压储氢容器，对所述深冷高压储氢容器进行预冷，液氢气化后的氢气回流至所述液态储氢容器1中，为所述液态储氢容器提供液氢供氢压力；
25.sb2.当所述液氢储氢容器内温度及压力达到设定值后，液氢储氢容器增压完成，停止液氢气化后的氢气回流至所述液态储氢容器；
26.sb3.当所述深冷高压储氢容器内温度及压力达到设定值后，所述深冷高压储氢容器内气氢压力达到向所述燃料电池系统的供氢压力要求，液氢储氢容器停止向所述深冷高压储氢容器输送液氢。
27.本发明与现有技术相比的有益效果：
28.1.本发明中，深冷高压储氢容器能够承受低温和高压复合载荷，通过回收利用燃
料电池废热和液氢冷能，在深冷高压容器内部对液氢进行换热气化和自增压，替代实现了汽化器加缓冲罐的组合功能，降低了燃料电池液氢供氢系统成本和能耗，同时提高和稳定了供氢压力，提升了燃料电池供氢效率，可满足多场景下高压燃料电池的液氢供氢需求。
29.2.回收利用了燃料电池供氢系统的废热和液氢冷能，更加节能环保，降低了供氢系统的能耗。
30.3.采用热压缩工艺，使得压力和温度更加稳定可控，提升了燃料电池供氢效率。
附图说明
31.图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
32.为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
33.如图1示出了本发明一种面向高压燃料电池的液氢供氢系统的实施方式，包括如图1所示的一种液氢燃料电池供氢系统，包括用于液氢气化的热压缩增压系统和热循环系统；
34.热压缩增压系统包括一级换热器13，气氢温度压力传感器11，深冷高压储氢容器20和第二安全阀14；
35.热循环系统与热压缩增压系统内的一级换热器13相连，为深冷高压储氢容器20内的液氢气化提供热量；
36.热循环系统包括第二温度传感器23、分流阀22、第二流量调节阀21、第五电磁阀19、第一流量调节阀18、第一温度传感器8、吹扫装置3、排风扇24；
37.热循环系统包括第一热循环系统和第二热循环系统；
38.其中，第一热循环系统为第二温度传感器23、分流阀22和第二流量调节阀21；
39.第二热循环系统为第二温度传感器23、分流阀22、第五电磁阀19、第一流量调节阀18、第一温度传感器8、吹扫装置3和排风扇24。
40.热压缩增压系统还连接液氢供给系统和气氢供给系统；
41.热循环系统回收利用燃料电池系统25产生的废热，燃料电池系统25产生的废热经热循环系统回收，流入一级换热器13内进行热交换，热交换后获得的冷能通过吹扫装置3为液氢供给系统散热；
42.热循环系统经过一级换热器13后获得的冷能，通过排风扇24为燃料电池系统25散热；
43.液氢供给系统包括依次连接的液态储氢容器1、液氢温度传感器5、电磁阀6、第一单向阀7和第二电磁阀9，液氢通过液氢供给系统流入深冷高压储氢容器20；
44.液态储氢容器1上设有第一安全阀2和液氢温度压力传感器4；
45.液氢通过液氢供给系统流入深冷高压储氢容器20；
46.气氢供给系统包括依次连接的第四电磁阀15、二级换热器16、减压阀17、温度压力传感器26、第三电磁阀12、第二单向阀10。
47.气氢供给系统中，深冷高压储氢容器20排出的低温压缩氢气流入二级换热器16内
进行换热，得到常温压缩氢气送入燃料电池系统25；
48.燃料电池系统25产生的废热，分别流入一级换热器13与二级换热器16内参与热交换。
49.气态压缩氢通过减压阀17流入燃料电池系统25；气态压缩氢还通过第二单向阀10流入液态储氢容器1，为液氢供给系统提供供氢压力；
50.气氢供给系统中的氢气通过二级换热器16与第二流量调节阀21相连，第二流量调节阀21内进行热交换后的冷空气排入外部空气中。
51.预冷准备阶段：打开第一电磁阀6、第二电磁阀9、第三电磁阀12，关闭第四电磁阀15、第五电磁阀19，液氢对深冷高压储氢容器20进行预冷，液氢气化后的氢气通过第三电磁阀12流入液态储氢容器1中，提供液氢供氢压力，待液氢温度压力传感器4检测到温度达到设定值后，液氢储氢容器1增压完成，关闭第三电磁阀12；
52.待气氢温度压力传感器11达到设定值后，关闭第一电磁阀6、第二电磁阀9，打开第四电磁阀15，调节减压阀17，使得流入燃料电池系统的氢气压力符合供氢压力要求。
53.工作循环阶段：打开第一电磁阀6、第二电磁阀9，关闭第三电磁阀12、第四电磁阀15、第五电磁阀19，向深冷高压储氢容器20内加注液氢，加注到设定容积时，关闭第一电磁阀6、第二电磁阀9，
54.打开第五电磁阀19，热量经过第一流量调节阀18流入一级换热器13内与液氢进行换热，此时为恒容增压，得到低温压缩氢气，同时热交换后的一部分冷量流入吹扫装置3内，对燃料电池供氢系统进行吹扫散热，余下的冷量通过排风扇24对燃料电池系统进行散热；待气氢温度压力传感器11达到设定值时，关闭第五电磁阀19，打开第四电磁阀15，低温压缩氢气流入二级换热器16内进行换热，得到常温压缩氢气，最后通过减压阀17，得到适合燃料电池工作压力的常温压缩氢气；同时燃料电池系统25工作时产生的废热，在通过分流阀22分别流入一级换热器13与二级换热器16内，形成工作循环。
55.上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。