一种液氢储罐轻量化增压装置及方法与流程

本发明涉及氢能，特别涉及一种液氢储罐轻量化增压装置及方法。

背景技术：

1、氢燃料载具具有零碳排放的优点，被视为未来替代传统能源载具的最优解决方案。储氢系统是氢燃料载具的重要组成部分，可分为高压气态储氢和低温液态储氢两种方式。与高压气态储氢相比，同样的储氢量，低温液态储氢的储氢量更大，还有稳定性好、安全性高的特点，能够在各种环境中实现对大量氢的存储及输送，因此，低温液态储氢是氢燃料载具比较理想的储氢技术。然而，在低温液态储氢技术中，液氢储罐及其配套的调节阀、减压阀等部件的重量等占很大比例，严重影响了整体系统的储重比参数。因此，储氢系统轻量化成为重要指标，可降低储氢系统成本，提高产品竞争力和载具行驶里程。此外，对于采用自增压方法的液氢储供系统而言，由于需要对增压气大幅降压，导致其在小流量工况的调节难度很大，即难以实现低温小流量精确调节。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种液氢储罐轻量化增压装置及方法，常规液氢储供系统的自增压过程通常将液氢汽化后的高压氢气通过调节阀减压到设定压力后，再将其通入到液氢储罐中进行增压，并根据实际液氢储罐的出口流量改变调节阀的氢气出口压力。然而，上述结构中的调节阀、流量计等部件的重量较大，难以适应航空载具等对轻量化指标要求较高的工况。为了解决上述技术问题，本发明利用结构简单的电控氢气截止阀代替常规液氢储供系统中的调节阀、流量计等大体积和大重量的部件，同时改变电控氢气截止阀的开启频率实现不同液氢流量调节的目的，最终提升液氢储供系统的储重比和液氢流量的调节精度。

2、本发明具体采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种液氢储罐轻量化增压装置，其包括液氢储罐、增压管路、液氢流出管路、通压管路和控制器；

4、增压管路依次连接液氢储罐底部的液相空间、增压汽化器、电控氢气截止阀和液氢储罐顶部的气相空间，用于将液氢储罐中的部分液氢汽化后对自身进行增压；

5、液氢流出管路依次连接液氢储罐底部液相空间的液氢出口、液氢截止阀、液氢汽化器后连接外部的用氢设备，将液氢储罐内部的液氢介质输入外部的用氢设备；

6、通压管路依次连接增压汽化器和电控氢气截止阀之间的增压管路、通压阀以及氢汽化器后端的液氢流出管路，用于通过通压阀的开闭实现供气停启控制；

7、控制器通过信号电源线分别连接电控氢气截止阀和压力传感器，压力传感器用于检测液氢储罐顶部气相空间的压力，电控氢气截止阀通过交替启停实现脉冲式供气，控制器用于根据压力传感器测得的压力信号反馈调节电控氢气截止阀的开启频率，实现液氢流量调节。

8、作为上述第一方面的优选，所述液氢储罐的顶部气相空间与外部的增压气源相连接，由增压气源对液氢储罐的顶部气相空间施加除了自身液氢汽化增压之外的额外压力。

9、作为上述第一方面的优选，所述控制器中预先存储有液氢储罐的顶部气相空间压力p与液氢储罐的液氢出口流量m之间的函数关系p＝f(m)；在对外部用氢设备供氢时，根据液氢供应流量目标值，通过该函数关系换算对应的顶部气相空间压力目标值，然后通过调节电控氢气截止阀的开启频率使得压力传感器测得的压力值维持于该顶部气相空间压力目标值。

10、作为上述第一方面的优选，所述函数关系p＝f(m)通过预先对所述液氢储罐轻量化增压装置的标定试验数据拟合获得。

11、作为上述第一方面的优选，所述函数关系p＝f(m)由一元非线性回归方法拟合获得。

12、作为上述第一方面的优选，所述液氢储罐、增压汽化器、液氢流出管路、液氢截止阀、液氢汽化器外部均包裹绝热材料。

13、第二方面，本发明提供了一种利用如第一方面任一方案所述液氢储罐轻量化增压装置的液氢储罐增压方法，其包括以下步骤：

14、s1、对液氢储罐轻量化增压装置中的液氢储罐预先进行单独的标定测试，通过向液氢储罐的内部气相空间施加不同的压力p，并分别通过流量计测量液氢储罐的液氢出口流量m，通过对测试数据进行一元非线性回归拟合，获得p与m的函数关系p＝f(m)，并存储在控制器中供调用；

15、s2、利用液氢储罐轻量化增压装置对外部的用氢设备进行自增压供氢，来自液氢储罐的液氢介质首先进入增压管路，随后进入增压汽化器吸收外部热量后迅速汽化升压转变为氢气，电控氢气截止阀以初始的频率连续交替启停，启停过程中部分氢气通过电控氢气截止阀进入液氢储罐顶部的气相空间进行增压，使液氢储罐底部的液氢介质进入液氢流出管路，通过液氢截止阀进入液氢汽化器，吸收外部热量后汽化为氢气输入用氢设备；

16、在该过程中，压力传感器实时测量液氢储罐顶部气相空间的压力并反馈给控制器，控制器根据预先设定函数关系p＝f(m)计算当前时刻的实时液氢流量值mi，并将实时液氢流量值mi与用氢设备所需的液氢供应流量目标值m0进行对比，若mi低于m0，则增加电控氢气截止阀的启停频率，若mi高于m0，则减小电控氢气截止阀的启停频率，从而将mi维持与m0一致；

17、若外部用氢设备出现停止用氢需求，其氢气入口阀门关闭，则打开通压阀将自增压汽化器的氢气通过通压管路连通液氢汽化器出口的液氢流出管路，对液氢储罐的液氢出口施加与顶部气相空间平衡的压力，控制液氢储罐内部的液氢介质不再流出；若外部用氢设备重新出现氢需求时，则关闭通压阀，再继续通过控制器调控电控氢气截止阀的启停频率调节液氢储罐输出的液氢流量。

18、作为上述第二方面的优选，所述的液氢供应流量目标值m0具有一个以其自身为中心的允许波动区间，mi位于该区间范围内，则视为mi维持与m0一致，无需调整电控氢气截止阀当前的启停频率。

19、需要指出的是，上述优选方式中的各技术特征在没有相互冲突的情况下，均可进行组合，不构成限制。

20、本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：利用高速启停的电动截止阀实现液氢增压，替代常规液氢储供系统中的调节阀、液氢流量计等大体积、大重量部件，大幅提升液氢储供系统的储重比。通过高速启停的电动截止阀向液氢储罐连续脉冲式供气，实现气相空间压力自低向高的有序增加，实现低温液氢流量的精确调节，有效解决系统小流量调控难题。通过设置旁通管路，可实现液氢的短暂停止供应，并有效避免了常规气相空间排气停止供液方法导致的整体系统波动。整体系统控制策略简单，安全可靠，具有多种运行模式，便于应用和推广。

21、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种液氢储罐轻量化增压装置，其特征在于，包括液氢储罐(1)、增压管路(2)、液氢流出管路(8)、通压管路(11)和控制器(6)；

2.如权利要求1所述的液氢储罐轻量化增压装置，其特征在于，所述液氢储罐(1)的顶部气相空间与外部的增压气源相连接，由增压气源对液氢储罐(1)的顶部气相空间施加除了自身液氢汽化增压之外的额外压力。

3.如权利要求1所述的液氢储罐轻量化增压装置，其特征在于，所述控制器(6)中预先存储有液氢储罐(1)的顶部气相空间压力p与液氢储罐(1)的液氢出口流量m之间的函数关系p＝f(m)；在对外部用氢设备供氢时，根据液氢供应流量目标值，通过该函数关系换算对应的顶部气相空间压力目标值，然后通过调节电控氢气截止阀(4)的开启频率使得压力传感器(7)测得的压力值维持于该顶部气相空间压力目标值。

4.如权利要求3所述的液氢储罐轻量化增压装置，其特征在于，所述函数关系p＝f(m)通过预先对所述液氢储罐轻量化增压装置的标定试验数据拟合获得。

5.如权利要求4所述的液氢储罐轻量化增压装置，其特征在于，所述函数关系p＝f(m)由一元非线性回归方法拟合获得。

6.如权利要求1所述的液氢储罐轻量化增压装置，其特征在于，所述液氢储罐(1)、增压汽化器(3)、液氢流出管路(8)、液氢截止阀(9)、液氢汽化器(10)外部均包裹绝热材料。

7.一种利用如权利要求1～6任一所述液氢储罐轻量化增压装置的液氢储罐增压方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的液氢储罐增压方法，其特征在于，所述的液氢供应流量目标值m0具有一个以其自身为中心的允许波动区间，mi位于该区间范围内，则视为mi维持与m0一致，无需调整电控氢气截止阀(4)当前的启停频率。

技术总结
本发明公开了一种液氢储罐轻量化增压装置及方法。常规液氢储供系统的自增压过程通常将液氢汽化后的高压氢气通过调节阀减压到设定压力后，再将其通入到液氢储罐中进行增压，并根据实际液氢储罐的出口流量改变调节阀的氢气出口压力。然而，上述结构中的调节阀、流量计等部件的重量较大，难以适应航空载具等对轻量化指标要求较高的工况。本发明利用结构简单的电控氢气截止阀代替常规液氢储供系统中的调节阀、流量计等大体积和大重量的部件，同时改变电控氢气截止阀的开启频率实现不同液氢流量调节的目的，最终提升液氢储供系统的储重比和液氢流量的调节精度。

技术研发人员：张春伟,李山峰,曲捷,余海帅,黎迎晖,苏谦,崔皓玉,杨括,陈永,陈静,瞿骞
受保护的技术使用者：北京航天试验技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15