一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统的制作方法

本发明属于燃料电池能源，特别涉及一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，可应用于空间能源和电推进系统，也可应用于飞机、地面运输器、船舶和潜艇等动力与能源系统。

背景技术：

1、氢/氧燃料电池具有能量转换效率高、比能量高和无环境污染等优势，是能源系统优选。当前实际工程应用过程中，氢氧燃料电池能源系统主要采用高压氢气储存，存在储存密度低，系统重量大等问题。因此，基于高贮存密度液氢贮箱的一直是困扰燃料电池能量密度的关键问题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，解决了氢氧燃料电池能源系统采用高压氢气储存，存在储存密度低，系统重量大的技术问题。本发明中燃料电池储供系统通过贮存液氢具有能量密度高和低重量特点，可应用于空间能源和电推进系统，也可应用于飞机、地面运输器、船舶和潜艇等动力与能源系统。

2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，包括液氢贮箱、气化器、换热器、压力调节器和流量控制器；

4、液氢贮箱用于储存亚临界液氢；

5、液氢贮箱的排液接口连接气化器入口，气化器用于将液氢气化为氢气；

6、气化器出口连接换热器入口，换热器用于将氢气的温度调节至工作温度；

7、换热器出口连接压力调节器入口，压力调节器用于将氢气的压力调节至工作压力；

8、压力调节器出口连接流量控制器入口，流量控制器用于将氢气的调节至工作流量；

9、流量控制器出口连接燃料电池。

10、进一步的，液氢贮箱包括壳体和设于壳体内部的流体管理装置；壳体包括由内至外依次设置的内壳、绝热材料、支撑和外壳；

11、流体管理装置为具有共同顶点的多层圆锥结构，多层圆锥结构的顶点固定于壳体底部，多层圆锥结构的圆形底面支撑于壳体侧壁和底部，各层圆锥结构上设有用于流体通过的开孔，多层圆锥结构的顶点处设有用于流体流向气化器的开孔；

12、支撑的两端分别连接内壳和外壳，用于实现内壳和外壳之间的支撑。

13、进一步的，支撑包括冷端、第一隔热垫片组、中空杆、第二隔热垫片组和热端；

14、中空杆由碳纤维复合材料缠绕成形；

15、冷端和热端分别安装于中空杆的两端；

16、冷端包括相互连接的圆环部分和工形部分，其中圆环部分与内壳外表面连接，工形部分伸入中空杆中，工形部分与中空杆的外端面和内端面之间分别设有第一隔热垫片组和第二隔热垫片组；

17、第一隔热垫片组和第二隔热垫片组中分别包含大于一层隔热垫片；

18、热端通过圆环部分与外壳内表面连接。

19、进一步的，液氢贮箱内部亚临界液氢的体积小于等于液氢贮箱总体积的88％；

20、液氢贮箱还设有真空接口；

21、内壳和外壳之间采用真空绝热，真空接口为单向放气结构，通过歧管与真空计连接，用于保证内壳和外壳之间的真空度优于0.01pa。

22、进一步的，液氢贮箱上设有用于检测液氢贮箱内部压力和温度的第一压力传感器和第一温度传感器；

23、气化器上设有用于检测气化器内部压力和温度的第二压力传感器和第二温度传感器；

24、换热器上设有用于检测换热器内部温度的第三温度传感器；

25、压力调节器的前方和后方分别设有用于检测压力调节器前方和后方压力的第四前压力传感器和第四后压力传感器；

26、流量控制器后方设有用于检测流量控制器后方压力和温度的第五压力传感器和第五温度传感器。

27、进一步的，第一压力传感器的量程在2倍到3倍液氢贮箱工作压力之间，第一温度传感器的测量范围为15k至30k；

28、第二压力传感器的量程在2倍到3倍气化器工作压力之间，第二温度传感器的量程不小于300k；

29、第五压力传感器的量程不大于2倍燃料电池工作压力。

30、进一步的，液氢贮箱上设有第一安全阀，第一安全阀用于液氢贮箱的超压排放，具体为，当液氢贮箱上安装的压力传感器检测的压力大于安全阈值，打开第一安全阀；

31、气化器上设有第二安全阀，第二安全阀用于气化器的超压排放，具体为，当气化器上安装的压力传感器检测的压力大于安全阈值，打开第二安全阀。

32、进一步的，液氢贮箱的排液接口安装第一电磁阀，第一电磁阀与气化器入口之间采用双层真空管连接；

33、气化器出口和换热器入口之间设有第三电磁阀；

34、流量控制器出口和燃料电池之间设有第五电磁阀；

35、换热器和压力调节器之间设有过滤器。

36、进一步的，压力调节器根据第四前压力传感器的测试压力值和工作压力的差值确定初步减压比，根据第四后压力传感器的测试压力值和工作压力的差值对初步减压比进行微调，得到优化的减压比，压力调节器根据优化的减压比对氢气进行压力调节。

37、进一步的，气化器利用燃料电池余热气化液氢，换热器利用燃料电池余热调节氢气温度，具体方法包括：

38、氢氧燃料电堆发电后生成的水贮存于水箱，水箱中的水作为热控工质分别经第一热控阀和第二热控阀流入换热器和气化器；根据第三温度传感器和第二温度传感器的测量值分别控制第一热控阀和第二热控阀。

39、本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

40、(1)本发明基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统采用亚临界液氢为储存介质，降低贮存压力，有效降低贮存容器质量；

41、(2)本发明中基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统采用亚临界液氢为储存介质，贮存介质密度提高80％以上，同时提高系统安装布局便利性；

42、(3)本发明中基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统中对液氢贮箱和气化器等承压单机均采用压力与安全装置联动机制，有效提高系统安全性；

43、(4)本发明中基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统中气化器和换热器等充分利用燃料电池余热，有效提高系统综合利用率；

44、(5)本发明中基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统中充分利用压力传感器和温度传感器与换热器、压力控制器和流量控制器等反馈控制机制，有效提高出工系统可靠性。

技术特征：

1.一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，包括液氢贮箱、气化器、换热器、压力调节器和流量控制器；

2.根据权利要求1所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，液氢贮箱包括壳体和设于壳体内部的流体管理装置(003)；壳体包括由内至外依次设置的内壳(004)、绝热材料(006)、支撑(005)和外壳(007)；

3.根据权利要求2所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，支撑(005)包括冷端(0051)、第一隔热垫片组(0052)、中空杆(0053)、第二隔热垫片组(0054)和热端(0055)；

4.根据权利要求2所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，液氢贮箱内部亚临界液氢的体积小于等于液氢贮箱总体积的88％；

5.根据权利要求1所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，液氢贮箱上设有用于检测液氢贮箱内部压力和温度的第一压力传感器(104)和第一温度传感器(105)；

6.根据权利要求5所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，第一压力传感器(104)的量程在2倍到3倍液氢贮箱工作压力之间，第一温度传感器(105)的测量范围为15k至30k；

7.根据权利要求1所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，液氢贮箱上设有第一安全阀(101)，第一安全阀(101)用于液氢贮箱的超压排放，具体为，当液氢贮箱上安装的压力传感器检测的压力大于安全阈值，打开第一安全阀(101)；

8.根据权利要求1所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，液氢贮箱的排液接口安装第一电磁阀(103)，第一电磁阀(103)与气化器入口之间采用双层真空管连接；

9.根据权利要求5所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，压力调节器根据第四前压力传感器(401)的测试压力值和工作压力的差值确定初步减压比，根据第四后压力传感器(402)的测试压力值和工作压力的差值对初步减压比进行微调，得到优化的减压比，压力调节器根据优化的减压比对氢气进行压力调节。

10.根据权利要求1所述的一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，其特征在于，气化器利用燃料电池余热气化液氢，换热器利用燃料电池余热调节氢气温度，具体方法包括：

技术总结
本发明公开了一种基于高贮存密度液氢贮箱的燃料电池储供系统，包括液氢贮箱、气化器、换热器、压力调节器和流量控制器；液氢贮箱用于储存亚临界液氢；液氢贮箱的排液接口连接气化器入口，气化器用于将液氢气化为氢气；气化器出口连接换热器入口，换热器用于将氢气的温度调节至预设温度；换热器出口连接压力调节器入口，压力调节器用于将氢气的压力调节至预设压力；压力调节器出口连接流量控制器入口，流量控制器用于将氢气的调节至预设流量；流量控制器出口连接燃料电池。本发明中燃料电池储供系统通过贮存液氢具有能量密度高和低重量特点，可应用于空间能源和电推进系统，也可应用于飞机、地面运输器、船舶和潜艇等动力与能源系统。

技术研发人员：朱洪来,刘磊,汪旭东,刘旭辉,周成,赵立伟,张兆鑫
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15