1.本發(fā)明涉及燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，特別涉及一種多個(gè)傳感器、控制器相互協(xié)調(diào)、實(shí)時(shí)控制氫氣流量的供氫系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2.燃料電池技術(shù)近年來(lái)獲得了很多國(guó)家重視，燃料電池通過(guò)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，直接給電機(jī)提供電能，又不受卡諾循環(huán)的限制，因此燃料電池具有高效率、無(wú)噪聲、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。在多種類(lèi)燃料電池中質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用最為廣泛，氫氣和氧氣分別在陽(yáng)極和陰極發(fā)生反應(yīng)，氫氣反應(yīng)生成的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極與氧氣反應(yīng)生成水，產(chǎn)生的電子由外電路傳遞形成電流，供應(yīng)外部負(fù)載所需的能量。

3.傳統(tǒng)的燃料電池供氫系統(tǒng)采取終端間歇式排放，周期性關(guān)閉尾排閥的方式，令沒(méi)有反應(yīng)完的氫氣較長(zhǎng)時(shí)間停留在陽(yáng)極參與反應(yīng)，也能在一定程度提高氫氣的利用率，但是這種方式容易使得反應(yīng)生成的水不能順利排出而出現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極的水淹現(xiàn)象，同時(shí)，陰極的氮?dú)庖矔?huì)滲透到陽(yáng)極，對(duì)陽(yáng)極的反應(yīng)產(chǎn)生影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明提出了一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，能夠循環(huán)利用未反應(yīng)完的氫氣，同時(shí)根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)供氫量，并具有對(duì)氫氣泄漏的應(yīng)急處理功能。

5.根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一方面，提供一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，包括：

6.引射器；

7.供氫單元，其將儲(chǔ)氫罐內(nèi)氫氣減壓后經(jīng)過(guò)管道輸送至所述引射器一次流入口，以及將電堆陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)循環(huán)管道供給到所述引射器二次流入口，所述引射器將所述一次流入口和所述二次流入口流入的氫氣混合擴(kuò)散至與所述電堆連接的輸出管道；

8.氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)所述供氫單元周?chē)諝庵袣錃鉂舛龋灰约?br />
9.控制器，根據(jù)流量需求控制所述供氫單元向所述電堆供應(yīng)氫氣，且在所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到氫氣濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，停止向所述電堆供應(yīng)氫氣，并對(duì)所述供氫單元管道內(nèi)氫氣進(jìn)行吹掃排除氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

10.在一些示例中，還包括向所述儲(chǔ)氫罐內(nèi)加氫的加氫單元，所述加氫單元包括依次連接的加氫口、緩沖室、單向閥、高壓匯流室，所述儲(chǔ)氫罐連接到所述高壓匯流室，所述儲(chǔ)氫罐上具有監(jiān)測(cè)氫氣狀態(tài)的壓力傳感器、溫度傳感器，監(jiān)測(cè)到所述儲(chǔ)氫罐氫氣加滿時(shí)，所述單向閥關(guān)閉。

11.在一些示例中，所述高壓匯流室上安裝第一泄壓閥和第一排氣管，所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到空氣中的氫氣濃度大于安全閾值時(shí)，所述第一泄壓閥啟動(dòng)，所述儲(chǔ)氫罐供氣閥門(mén)關(guān)閉，所述第一排氣管將所述高壓匯流室內(nèi)的氫氣排出。

12.在一些示例中，所述儲(chǔ)氫罐提供的氫氣經(jīng)過(guò)兩次減壓后傳遞給所述引射器。

13.在一些示例中，所述高壓匯流室依次通過(guò)球閥、一級(jí)減壓閥、第一電磁閥、二級(jí)減

壓閥、直徑可調(diào)閥門(mén)、氫氣流速控制泵與所述引射器所述一次流入口連接，所述一級(jí)減壓閥和所述第一電磁閥之間的連接管道上連接第二泄壓閥和第二排氣管，所述控制器根據(jù)流量需求控制所述直徑可調(diào)閥門(mén)開(kāi)度和所述氫氣流速控制泵內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)速。

14.在一些示例中，所述引射器和所述電堆之間的所述輸出管道上具有：控制氫氣溫度的加熱器；監(jiān)測(cè)氫氣壓力和溫度的壓力監(jiān)測(cè)傳感器、溫度監(jiān)測(cè)傳感器；以及第二電磁閥；當(dāng)所述壓力監(jiān)測(cè)傳感器、所述溫度監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)到流入所述電堆的氣體滿足供應(yīng)條件后，所述第二電磁閥開(kāi)啟。

15.在一些示例中，所述電堆陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)汽水分離裝置進(jìn)行氣液分離后供給到所述引射器所述二次流入口，分離后的液態(tài)水從尾排閥排出。

16.在一些示例中，還包括在低溫下對(duì)所述尾排閥排出的液態(tài)水進(jìn)行加熱的加熱裝置。

17.本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)流速控制泵和直徑可調(diào)閥門(mén)閥門(mén)直徑，能夠穩(wěn)定調(diào)節(jié)連續(xù)變化的氫氣流量，很好地解決了引射器工作范圍較小的問(wèn)題。整個(gè)供氫系統(tǒng)具有完整的控制策略，保證輸送給陽(yáng)極的氫氣滿足負(fù)載要求，并建立了安全監(jiān)測(cè)和應(yīng)急處理策略，針對(duì)氫氣泄露等緊急情況，能夠進(jìn)行警報(bào)和處理，保護(hù)設(shè)備與人員安全。氫氣控制器采用域控制器架構(gòu)，并采取分級(jí)控制，很好地保證了供氫系統(tǒng)的安全性和高效性。

附圖說(shuō)明

18.為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。

19.圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

20.圖2是燃料電池動(dòng)力域控制器架構(gòu)圖。

21.圖3是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)分級(jí)控制架構(gòu)圖。

22.圖4是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)控制策略流程圖。

具體實(shí)施方式

23.圖1示出了一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：儲(chǔ)氫罐204；引射器215；給儲(chǔ)氫罐204加氫氣的加氫單元；供氫單元，其將儲(chǔ)氫罐204內(nèi)氫氣減壓后經(jīng)過(guò)管道輸送至引射器215一次流入口，以及將電堆220陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)循環(huán)管道供給到引射器215二次流入口，引射器215將所述一次流入口和所述二次流入口流入的氫氣混合擴(kuò)散至與電堆220連接的輸出管道；監(jiān)測(cè)所述供氫單元周?chē)諝庵袣錃鉂舛鹊臍錃庑孤┍O(jiān)測(cè)單元；以及控制器，控制所述加氫單元給儲(chǔ)氫罐204加氫，以及根據(jù)流量需求控制所述供氫單元向電堆220供應(yīng)氫氣，且在所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到氫氣濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，停止向電堆220供應(yīng)氫氣，并對(duì)所述供氫單元管道內(nèi)氫氣進(jìn)行吹掃。

24.所述加氫單元包括依次連接的加氫口201、緩沖室202、高壓匯流室203，儲(chǔ)氫罐204連接到高壓匯流室203。

25.加氫口201由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定，與外接的加氫槍對(duì)接，完成氫氣的注射，氫氣在這個(gè)過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷壓力波動(dòng)，因此設(shè)置緩沖室202，降低氫氣流入儲(chǔ)氫罐204的速度，防止因?yàn)槟Σ辽鸁岫邭錃獾臏囟取?br />
26.在緩沖室202到高壓匯流室203之間設(shè)置單向閥，防止充氫完成后氫氣的逆向流動(dòng)。

27.在儲(chǔ)氫罐204上安裝壓力傳感器、溫度傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氫罐204中氫氣狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到儲(chǔ)氫罐204氫氣加滿的壓力閾值時(shí)，所述單向閥關(guān)閉，停止對(duì)儲(chǔ)氫罐204加氫，從而完成整個(gè)加氫過(guò)程。

28.在高壓匯流室203上安裝第一泄壓閥205和第一排氣管206，并在四周布置所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元(如氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀)，當(dāng)空氣中的氫氣濃度大于安全閾值時(shí)(空氣中氫氣濃度達(dá)到40000

?

750000ppm遇到火源就會(huì)爆炸)，啟動(dòng)車(chē)輛警示燈，第一泄壓閥205開(kāi)啟，儲(chǔ)氫罐204供氣閥門(mén)關(guān)閉，第一排氣管206迅速將匯流室203內(nèi)的少量氫氣排出，降低空氣中氫氣的濃度，保護(hù)汽車(chē)安全。

29.儲(chǔ)氫罐204提供的氫氣經(jīng)過(guò)兩次減壓后傳遞給引射器215，但不限定于此。

30.高壓匯流室203依次通過(guò)球閥207、一級(jí)減壓閥209、電磁閥212、二級(jí)減壓閥213、直徑可調(diào)閥門(mén)208、氫氣流速控制泵214與引射器215所述一次流入口連接。一級(jí)減壓閥209和電磁閥212之間的連接管道上安裝有第二泄壓閥210和第二排氣管211。所述控制器根據(jù)流量需求控制直徑可調(diào)閥門(mén)208開(kāi)度和氫氣流速控制泵214內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)速。

31.球閥207與汽車(chē)的啟動(dòng)鍵串聯(lián)，當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)，球閥207開(kāi)啟，此時(shí)儲(chǔ)氫罐204內(nèi)的氫氣開(kāi)始輸出供氫。

32.球閥207后面接入一級(jí)減壓閥209，對(duì)氫氣進(jìn)行第一次減壓，隨后接入第二泄壓閥210和第二排氣管211。

33.在第二泄壓閥210后面連接電磁閥212，當(dāng)所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到直徑可調(diào)閥門(mén)208到球閥207之間的管道出現(xiàn)氫氣泄漏的情況時(shí)，第二泄壓閥210開(kāi)啟，直徑可調(diào)閥門(mén)208和球閥207關(guān)閉，封閉部分管道并將管道內(nèi)的少部分氫氣排出，快速切斷氫氣供應(yīng)并降低空氣中氫氣的濃度。

34.電磁閥212后連接二級(jí)減壓閥213，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的二次減壓。

35.直徑可調(diào)閥門(mén)208集成了電磁閥和流量控制的作用，既能控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，也能控制閥門(mén)直徑(開(kāi)度)從而控制氫氣的流量。

36.氫氣經(jīng)減壓后進(jìn)入直徑可調(diào)閥門(mén)208、流速控制泵214，通過(guò)控制氫氣流速控制泵214葉輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制氫氣流速的目的，葉輪速度的大小由控制電壓的大小所決定，所述控制器提供葉輪控制電壓信號(hào)。

37.氫氣流速控制泵214與直徑可調(diào)閥門(mén)208進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，在滿足所需氫氣流量的同時(shí)，也要保證直徑可調(diào)閥門(mén)208壓強(qiáng)不能過(guò)大，防止對(duì)閥門(mén)產(chǎn)生損壞，直徑可調(diào)閥門(mén)208開(kāi)度由控制電壓大小決定，所述控制器提供控制電壓信號(hào)。

38.具有確定流量的氫氣流入引射器215中。如上所述，一次流由儲(chǔ)氫罐204供給，二次流由陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)循環(huán)管道供給。

39.根據(jù)公式v代表需求功率下電堆220所需氫氣流量，v

circulate

代表二次流循環(huán)的氫氣流量，d代表直徑可調(diào)閥門(mén)208閥門(mén)的直徑，可以連續(xù)變化，v代表由氫氣流速控制泵214控制的一次流氫氣的流速。

40.所述控制器通過(guò)功率需求計(jì)算得到v，在引射器215所述二次流入口設(shè)置流量傳感

器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二次流的流量，相減后得到一次流所需氫氣流量。

41.電堆220中存在沒(méi)有反應(yīng)完的氫氣，如果汽車(chē)所需功率越大，則電堆220陽(yáng)極所需的氫氣量越多，設(shè)定相應(yīng)的過(guò)量系數(shù)，剩余沒(méi)有反應(yīng)完的氫氣量也相應(yīng)增多。

42.沒(méi)有反應(yīng)完的氫氣中含有陰極滲透到陽(yáng)極的水，利用汽水分離裝置221以冷凝的方式將氫氣與水分離，分離后的氫氣作為二次流從進(jìn)入引射器215，在混合室內(nèi)與儲(chǔ)氫罐204供給的一次流混合，混合后的氣體再經(jīng)過(guò)冷卻通道進(jìn)入擴(kuò)散室，經(jīng)擴(kuò)散室擴(kuò)散到與電堆220連接的輸出管道。

43.在進(jìn)入電堆220前，控制氣體溫度在最適宜的溫度范圍內(nèi)，因此在擴(kuò)散室后安裝加熱器(可以是電熱絲)216，調(diào)節(jié)氫氣的溫度。

44.在加熱器216后安裝壓力監(jiān)測(cè)傳感器217、溫度監(jiān)測(cè)傳感器218，對(duì)最終流入電堆220的氣體進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)滿足供應(yīng)條件后，電磁閥219開(kāi)啟。

45.汽水分離裝置221分離后的液態(tài)水從尾排閥223排出。為適應(yīng)極寒的天氣情況，尾排閥223四周安裝加熱裝置222，當(dāng)外界環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，加熱裝置222開(kāi)啟，對(duì)尾排水加熱，防止尾排閥223中的水冷凝結(jié)冰將其堵塞。

46.如圖2所示，本發(fā)明所述燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)的控制器屬于動(dòng)力域控制器結(jié)構(gòu)中的部分，符合汽車(chē)結(jié)構(gòu)按功能分塊的架構(gòu)思想，在燃料電池汽車(chē)域控制器中還包含dc/dc轉(zhuǎn)換器、制動(dòng)能量回收、燃料電池電堆控制器、空氣供給控制器、蓄電池控制器等多個(gè)動(dòng)力域相關(guān)的控制器，各控制器獨(dú)立完成各自的工作的同時(shí)，也能通過(guò)can總線實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸和跨控制器的控制。

47.如圖3、圖4所示，所述控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制，考慮到氫氣屬于危險(xiǎn)爆炸性氣體，那么本發(fā)明在所述控制器中設(shè)置監(jiān)測(cè)氫氣泄漏的傳感器以及控制氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)的部件為一級(jí)控制對(duì)象，包括氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀、警報(bào)燈、儲(chǔ)氫罐204供氣閥門(mén)、第一泄壓閥205、球閥207、直徑可調(diào)閥門(mén)208、第二泄壓閥210、電磁閥219，212等。

48.在所述控制器中設(shè)置向電堆220的實(shí)施供氫的部件及傳感器為二級(jí)控制對(duì)象，包括監(jiān)測(cè)引射器流量的流量傳感器、直徑可調(diào)閥門(mén)208、氫氣流速控制泵214、加熱器216、壓力監(jiān)測(cè)傳感器217、溫度監(jiān)測(cè)傳感器218、電磁閥219，212等

49.當(dāng)控制器達(dá)到了一級(jí)的安全標(biāo)準(zhǔn)，再實(shí)施向電堆220的供氫控制工作，利用這種分級(jí)控制能夠保證整個(gè)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全性。技術(shù)特征：

1.一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，包括：引射器(215)；供氫單元，其將儲(chǔ)氫罐(204)內(nèi)氫氣減壓后經(jīng)過(guò)管道輸送至引射器(215)一次流入口，以及將電堆(220)陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)循環(huán)管道供給到引射器(215)二次流入口，引射器(215)將所述一次流入口和所述二次流入口流入的氫氣混合擴(kuò)散至與電堆(220)連接的輸出管道；氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)所述供氫單元周?chē)諝庵袣錃鉂舛龋灰约翱刂破?，根?jù)流量需求控制所述供氫單元向電堆(220)供應(yīng)氫氣，且在所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到氫氣濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，停止向電堆(220)供應(yīng)氫氣，并對(duì)所述供氫單元管道內(nèi)氫氣進(jìn)行吹掃。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，還包括向儲(chǔ)氫罐(204)內(nèi)加氫的加氫單元，所述加氫單元包括依次連接的加氫口(201)、緩沖室(202)、單向閥、高壓匯流室(203)，儲(chǔ)氫罐(204)連接到高壓匯流室(203)，儲(chǔ)氫罐(204)上具有監(jiān)測(cè)氫氣狀態(tài)的壓力傳感器、溫度傳感器，監(jiān)測(cè)到儲(chǔ)氫罐(204)氫氣加滿時(shí)，所述單向閥關(guān)閉。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，高壓匯流室(203)上安裝第一泄壓閥(205)和第一排氣管(206)，所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到空氣中的氫氣濃度大于安全閾值時(shí)，第一泄壓閥(205)啟動(dòng)，儲(chǔ)氫罐(204)供氣閥門(mén)關(guān)閉，第一排氣管(206)將高壓匯流室(203)內(nèi)的氫氣排出。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，儲(chǔ)氫罐(204)提供的氫氣經(jīng)過(guò)兩次減壓后傳遞給引射器(215)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，高壓匯流室(203)依次通過(guò)球閥(207)、一級(jí)減壓閥(209)、電磁閥(212)、二級(jí)減壓閥(213)、直徑可調(diào)閥門(mén)(208)、氫氣流速控制泵(214)與引射器(215)所述一次流入口連接，一級(jí)減壓閥(209)和電磁閥(212)之間的連接管道上連接第二泄壓閥(210)和第二排氣管(211)，所述控制器根據(jù)流量需求控制直徑可調(diào)閥門(mén)(208)開(kāi)度和氫氣流速控制泵(214)內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)速。6.根據(jù)權(quán)利要求1

?

5任一項(xiàng)所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，引射器(215)和電堆(220)之間的所述輸出管道上具有：控制氫氣溫度的加熱器(216)；監(jiān)測(cè)氫氣壓力和溫度的壓力監(jiān)測(cè)傳感器(217)、溫度監(jiān)測(cè)傳感器(218)；以及電磁閥(219)；當(dāng)壓力監(jiān)測(cè)傳感器(217)、溫度監(jiān)測(cè)傳感器(218)監(jiān)測(cè)到流入電堆(220)的氣體滿足供應(yīng)條件后，電磁閥(219)開(kāi)啟。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，電堆(220)陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)汽水分離裝置(221)進(jìn)行氣液分離后供給到引射器(215)所述二次流入口，分離后的液態(tài)水從尾排閥(223)排出。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，其特征在于，還包括在低溫下對(duì)尾排閥(223)排出的液態(tài)水進(jìn)行加熱的加熱裝置(222)。

技術(shù)總結(jié)

公開(kāi)了一種燃料電池汽車(chē)的供氫系統(tǒng)，包括：引射器(215)；供氫單元，其將儲(chǔ)氫罐(204)內(nèi)氫氣減壓后經(jīng)過(guò)管道輸送至引射器(215)一次流入口，以及將電堆(220)陽(yáng)極未反應(yīng)完的氫氣經(jīng)過(guò)循環(huán)管道供給到引射器(215)二次流入口，引射器(215)將所述一次流入口和所述二次流入口流入的氫氣混合擴(kuò)散至與電堆(220)連接的輸出管道；氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)所述供氫單元周?chē)諝庵袣錃鉂舛?；以及控制器，根?jù)流量需求控制所述供氫單元向電堆(220)供應(yīng)氫氣，且在所述氫氣泄漏監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到氫氣濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，停止向電堆(220)供應(yīng)氫氣，并對(duì)所述供氫單元管道內(nèi)氫氣進(jìn)行吹掃。本發(fā)明能夠根據(jù)負(fù)載變化調(diào)節(jié)供氫量，并具有對(duì)氫氣泄漏的應(yīng)急處理功能。處理功能。處理功能。

技術(shù)研發(fā)人員：陳奔 陳文尚 周彧 鄧期昊 周浩然 孟凱

受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.06.30

技術(shù)公布日：2021/10/8