专利名称：在车辆中输送氢气的系统和方法
技术领域：
本公开大体上涉及的领域包括在车辆中输送氢气的系统和方法。
背景技术：
迄今，氢气从氩气储存容器输送至燃料电池，用于产生推进车辆 的电。图1中示出了典型的氩气储存容器。
发明内容
一个示例性实施方式包括模块化氢气储存系统，该模块化氢气储
存系统包括多个离散模块，这些模块构造并布置成使得可独立于系统 的其余部分而从一离散模块输送氢气。
从稍后提供的详细说明将会清楚本发明的其它示例性实施方式。
应当理解该详细i兌明和具体实施例虽然7>开了本发明的示例性实施
方式，但是其仅用于说明并不意图限制本发明的范围。
从详细说明和附图会更加充分地理解本发明的示例性实施方式， 在附图中
图1示出现有技术的氢气储存容器；
图2示出根据一个示例性实施方式的模块化氢气储存系统； 图3是对比模拟结果的曲线图。
具体实施例方式
实施方式的以下说明在本质上仅仅是示例性的(说明性的)，决 不意图限制本发明、其应用或使用。一个示例性实施方式包括模块化氢气储存系统，其中离散模块使 得能够独立于系统的其余部分解吸氢气。在解吸期间，若仅系统的一 部分需要操作，则仅该区段被加热，因而需要更少的寄生能量。这对 于启动来说也会很重要。若系统最初是冷的，则可将单个模块快速加 热至输送氢气所需的操作温度。对于能效来说更加重要的是仅留有氢 气的模块被加热，而允许空的模块冷却直至重装燃料。当车辆满箱使 用多天之后这会尤其重要，因为持续加热不产生氢气的耗尽储存介质 是浪费能量的。此外，若系统的某些部分以不同速率进行反应(由于
组成、温度等)，则可协调各基底(bed)的容量，从而针对即时系 统需求提供适当流量。这可最小化整个系统的温度和热使用，并且在 储存系统接近空时确保最大氢气流率。
与不使用智能输送控制策略的系统相比，某些实施方式可提供储 存系统能量密度的整体提高。换言之，对于同样有用的氢气储存容量， 利用该控制策略的系统将会比不这样控制的系统更小更轻。能量密度 的提高由于三个使能方面热管理效率，其减少氢气输送的寄生热损 耗；储存系统的总容量上的增大的氢气流率能力；以及快速启动。
各种示例性实施方式可包括金属氩化物系统、吸附剂系统(例如 基于金属有机骨架的吸附剂系统)、或者化学氢化物系统。 一个实施 方式可包括模块化储存系统设计以及用于至车辆动力装置的氢气输 送的"智能"控制策略。图2示出了模块化储存系统与单件式储存系统 (图l)之间的某些差异。单件式系统(图l)由储存在单个大容器 只能够的储存介质构成。在操作期间，储存介质处于单一温度T、单 一压力P和单一组成。与此相比，模块化系统包含相同量的储存介质 M,但是其纟皮分配至n个小容器，其中n可以例如为10至20。这些 小容器均具有自己的温度Tn、压力Pn和组成，这些可通过热输入及 氬气解吸速度而单独控制。 一个示例性实施方式可包括在氢气输送期 间以协调方式受控的三个或更多个储存模块。模块的确切数量取决于 储存介质的热力学特性和化学动力学特性、确切的输送控制策略以及 车辆尺寸。
与具有单件式氢气储存箱的系统相比，储存系统能量密度的整体
提高可通过模块化系统实现。能量密度的提高是由于三个使能方面 热管理效率，其减少氬气输送的寄生加热损耗；储存系统的总容量上的增大的氢气流率能力；以及快速启动。
除了 "智能"输送控制逻辑允许的该基本优点之外，模块化储存系 统具有以下列出的会使其成为汽车应用中有吸引力设计的其它特性。 (l)污染若因储存容器的破裂而暴露于外界环境，氢气储存介质 可能会被污染。例如，金属氢化物可能会被空气和湿气污染。若一个 模块损坏，则污染将仅局限于整个系统的一部分。(2)维护/修理 若被损坏或污染，可更换单个模块而不是更换整个储存箱。(3)适 应性能多个小模块可适应特殊形状或者在整个车辆中分布。(4) 安全性在事故中仅一个模块或若干模块被损坏时，氢气释放量和暴 露的有害材料可最少。(5)燃料表在10至20个模块的情况下， 空模块可用于燃料量指示。(6)可变尺寸模块化允许由单个模块 设计引起的可变的储存系统尺寸。例如，轿车可使用10个模块，而 大型SUV可使用15个模块。
为了考察该设计的基本优点，首先考虑反应热(AH)。这是为使 储存介质释放其储存的氢气所必需为其供应的热。例如，大多数相关 的复合氢化物具有大约40kJ/mol H2的反应热。这意味着对于lg/sec 氢气流率，复合氢化物储存系统在解吸期间需要20kW的热。其它储 存介质可具有更低的反应热，但是只要氢气的释放是吸热的，就应该
将该热考虑在内。
此外，储存介质可仅在超过PEM燃料电池的典型80。C操作温度 的温度下释放氢气。例如，所有公知的复合氩化物在显著大于80。C 的温度下操作。吸附剂通常在低温温度下储存氢气，但是仍有可能需 要加热来释放储存的所有氢气。化学系统在释放温度方面不同，但是
对于氢气充分释放同样可能需要温度升高。因而，反应热加上使系统 处于并保持高温所需要的热将会是对氢气储存/燃料电池系统的附加 寄生负载，并且在确定氢气储存系统的能量密度时必须将其考虑在 内。换言之，必须用于加热而不是输送至动力装置的所储存的氬气不 能被计入系统能量密度。
在模块化氢气储存系统中，离散模块使得能独立于系统的其余部 分解吸氢气。在解吸期间，若仅系统的一部分需要操作，仅该区段被 加热，则需要更少的寄生能量。在启动期间，若系统最初是冷的，则 可将单个模块快速加热至输送氢气所需的操作温度。对于能效来说更加重要的是仅留有氢气的模块被加热，而允许空的模块冷却直至重装 燃料。当车辆满箱使用多天之后这会尤其重要，因为持续加热不产生
氢气的耗尽储存介质是浪费能量的。此外，若系统的某些部分以不同 速率进行反应(由于组成、温度等)，则可协调各基底的容量，从而 针对即时系统请求提供适当流量。这可最小化整个系统的温度和热使 用，并且在储存系统接近空时确保最大氢气流率。
利用组合燃料电池/氬气储存系统动态模型进行了模拟。分析重点 是通过利用具有智能解吸控制的模块化基底构造对单件式系统而确 定燃料电池/氢气储存系统的整体燃料效率差异。为了进行分析，对储 存介质、储存系统构造、燃料电池性能、驾驶条件等做出假设。这些
j艮设如下所列 智能基底
多个模块(~ 10)
单独控制至各模块的热输入
同时使用多达三个模块
至少两个模块保持一定温度以防止迟延 单件式基底
一个单件式储存箱
作为 一个单元对整个系统进4亍加热
系统保持总是高于最小温度
依赖于高效热绝缘限制热损耗 储存介质
氢化铝钠
从NaAlH4至NaH的两阶段分解
第一阶段为37kJ/molH2DH;第二阶段为47kJ/mol H2
9kg储存氢气 加热器
加热器将储存氢气转换成热的效率为80%
施加的最大热为9kW每模块或者27kW每系统 驾驶条件
两个司才几的和无评
司机l: 一周连续五天，周末不驾驶 司机2:仅周末驾驶
每天五种不同距离
5.5英里；ll英里；22英里；55英里；以及110英里
共两个月模拟期
算出任何瞬态的平均
在驾驶日之间模拟前夜的冷却周期
允许智能基底系统冷却；取决于阶段分布而将单件式 系统持续加热至保持在高于150°C/200°C
两种系统的热损耗~ 300W (基于高级绝缘)
必要时重填燃料箱多次
图3示出了这些模拟的结果。作为驾驶员、储存系统构造以及每 天行驶英里数的函数绘出了整个系统的能效。这里，效率定义为输送 至燃料电池的氩气总质量除以所用的氢气总质量(加热+输送)。注 意，在加热效率为80%,氩化铝钠的平均反应热为40kJ/molH2的情 况下，整体能效接近0.83。
该结果表明具有"智能"控制的模块化系统在整个驾驶条件范围内 比单件式系统明显高效。当车辆每周仅短距离驾驶两天，使得重填燃 料之间的时间更长时尤其如此。在这种情况下模块化"智能"系统的效 率为四倍以上。
可利用"智能"输送控制方案实现多个模块的协调使用。该方法的 第一部分是确定将储存系统划分为多少个模块。利用真实世界的驾驶 周期进行的研究表明利用5至20个模块可获得良好效果。确切数字
任何时i美均激活1至3 ^模块而开发控制逻辑。从而，模块的尺寸可 设定为使得一起激活的三个模块可满足动力装置的尖峰需求。
来自模块的顺序氢气流所用的方法基于这样的事实，即对于固 定温度，模块可产生的流率在模块为满时最高，在模块为空时降至零。 升高温度可弥补该流率的降低，但是温度和加热率很有可能不允许完 全补偿。从而，必须使用具有一定范围的组成的若干模块来满足高流 率。此外，能效最高的是加热会产生所需氢气流率的最少储存介质量。 考虑到不能提前知道流量需求且升高模块的温度需要某些有限时间 量，因而必须对该方法进行权衡使得可适应突然高流量需求。这些原
8则和约束产生了稍后所述的实施方式。
在任何时候，多达三个模块可被主动加热并输送氢气。
基于池(bin)的方法三个激活模块中的每一模块均代表流率池 (慢、中、快)。"慢"模块是具有最少氩气量的模块，而"快"模块具 有最多氢气。
各模块均可保持预先确定的温度或温度范围，使得总是可获得氬 气。根据储存介质，可利用单一温度，在容量降低的情况下升高的两 种或更多种温度，或者在容量降低的情况下升高以保持某一速率能力 或氢气压力的全可变温度。若可得到储存介质的详细动态模型，则可 根据速率等式确定温度。
慢模块优先当需要氢气流时，优先利用来自"慢"模块的氢气。 若"慢"模块不能满足流量要求，则使用"中"模块的氢气，且然后在需 要时使用"快"模块的氢气。这样在需要时可利用更快(更满)的模块。 可通过阀致动对来自各模块的流量进行控制。
为了防止时延，在需要任何氢气流时，可将"慢"模块和"中"模块 都加热至其相应的操作温度。可在"中"模块用于输送氢气时加热"快" 模块。
模块的状态可根据模块内的可用氢气而改变。 一旦"慢"模块为空， "中"模块就变为"慢"，"快"模块就变为"中"，若一满模块可用则其变 为"快"。若仅留下两个模块，则仅"慢"模块和"中"模块用于解吸控制 目的。若除了一个模块外所有模块均为空，则该模块为"慢"模块。然 而，此时系统接近空，在系统"耗尽气体"之前重填燃料是可取的。
若储存系统刚刚完成氢气填充，则控制系统将"慢"、"中"、"快" 分配给三个模块，尽管这三个模块均处于相同容量。该选择可以是随 机的，使得若驾驶员在系统不完全空时连续重填燃料，不会一直使用
同一模块。、、、、、" ，一、，、、 、，、u
不应视为背离本发明的精神和范围。
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权利要求
1、一种系统，该系统包括模块化氢气储存系统，该模块化氢气储存系统包括多个离散模块，每一模块均构造并布置成使得可独立于其它模块而从离散模块输送氢气。
2、 如权利要求l所述的系统，其中各模块还包括单独的加热器，从而各模块可独立于其它模块而有选择地被加热。
3、 如权利要求1所述的系统，还包括操作连接至所述模块化氬气储存系统的燃料电池，并且还包括控制器，该控制器设计成接收与择地控制各个模块的加热。
4、 一种方法，该方法包括提供这样一种系统，该系统包括模块化氢气储存系统和操作连接至该模块化氢气储存系统的燃料电池，该模块化氢气储存系统包括多个离散模块，每一模块均构造并布置成使得可独立于其它模块而从离散模块输送氩气；启动燃料电池，这包括不加热所有模块而从被加热的模块释放氢气。
5、 如权利要求4所述的方法，其中在所述燃料电池的启动期间仅其中一个模块被加热。
6、 如权利要求4所述的方法，其中至少一个模块内不包括储存的氢气，而一个模块内包括储存的氢气，在加热其内储存有氩气的模块的同时冷却其内不包括储存的氢气的模块。
7、 如权利要求4所述的方法，还包括提供控制器，该控制器设计成接收与所述燃料电池的输送需求有关的输入，并响应于所述输送需求而有选择地控制各个模块的加热，其中各模块均具有作为模块的温度、压力和氢气浓度的函数的氬气输送速率，所述控制器接收与燃料电池需求有关的输入，并响应于所选择的加热模块而解吸氬气从而响应于燃料电池需求而提供整体氢气输送速率。
8、 一种方法，该方法包括提供这样一种系统，该系统包括模块化氢气储存系统和操作连接至该模块化氢气储存系统的燃料电池，该模块化氢气储存系统包括多个离散模块，每一模块均构造并布置成使得可独立于其它模块而从离散模块输送氢气，所述多个模块至少包括第一模块、第二模块和第三模块；在第一速率下加热第一模块，从而可从该第一模块得到氢气以在第一速率下输送至所述燃料电池；在第一速率下加热第一模块，从而可从该第一模块得到氬气以在第一速率下输送至所述燃料电池；在第二速率下加热第二才莫块，从而可从该第二模块得到氢气以在第二速率下输送至所述燃料电池，所述第二速率大于可从所述第一模块得到的输送速率；以及在第三速率下加热第三模块，从而可从该第三模块得到氢气以在第三速率下输送至所述燃料电池，所述第三速率大于可从所述第二模块得到的输送速率。
全文摘要
本发明涉及在车辆中输送氢气的系统和方法。一个示例性实施方式包括模块化氢气储存系统，该模块化氢气储存系统包括多个离散模块，每一模块均构造并布置成使得可独立于其它模块而从离散模块输送氢气。
文档编号H01M8/00GK101685870SQ20091017348
公开日2010年3月31日 申请日期2009年9月18日 优先权日2008年9月19日
发明者D·E·德德里克, T·A·约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作公司