[发明专利]基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置

说明书

本发明公开了一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，属于车载液氢储罐技术领域，包括液氢储罐、液氮储罐以及防灭火装置；液氢储罐外层罐体与液氮储罐内层罐体采用冷桥连接，使液氢储罐外层罐体处于接近液氮温度，从而最大程度减轻液氢储罐内外罐体之间的辐射换热；同时，液氮储罐与防灭火模块连接，当氢气泄露仪监测出车载密闭空间的氢气浓度超出安全允许值时，防灭火模块设置自增压旁通支路，通过增压气化器与雾化喷枪，将液氮储罐内的液氮快速雾化喷向密闭空间，利用液氮气化的膨胀体积大、吸热高，将密闭空间的氢气迅速排挤出并使其降温，从而达到车载液氢储罐的防灭火目的。

技术领域

本发明涉及车载液氢储罐技术领域，具体地说，涉及一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置。

背景技术

交通运输业一直是全球能源消耗的主要增长极，因此各大车企无不在加速布局新能源汽车的发展，如纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车等。其中，氢燃料电池汽车具有CO₂零排放、效率高、续航里程长、补能时间短、燃料来源广等优势，逐渐被视为未来新能源汽车发展的大方向。

据保守估计，至2030年氢燃料电池汽车的市场保有量将高达百万辆，意味着氢气的市场需求量也越来越大，这将对服务于加氢站的输运罐车储氢能力形成巨大挑战。另外，车载储氢装置也是氢燃料电池汽车设计的技术难点之一，直接决定了车辆续航里程、运行成本与安全性。因此，车载储氢罐的设计是未来氢能汽车全面普及的一大关键。目前，可行的车载储氢技术主要包括高压气态储氢、金属氢化物储氢和低温液态储氢等方式。高压气态储氢技术将氢气压缩至高压状态后储存在钢制储气罐内，其压力可达70MPa。高压气态储氢装置技术成熟，成本低，但是单位储氢密度较小，因此用于车载时限制了车辆的里程范围，且罐内压力高，存在较大安全隐患。金属氢化物储氢则采用特定的金属与氢气反应形成化合物，用氢时再对氢化物进行加热分解，析出氢气。与高压氢储存方式相比，金属氢化物储氢更加安全，体积储氢密度也更高，但技术仍不成熟，储氢材料昂贵，储氢装置重量大，氢释放速率慢，限制了其在车载装置上的大规模商业化应用。低温液态储氢就是将氢气液化后，储存在低温绝热容器内。相对于常压氢气，其体积减小数百倍，实现了高密度的氢存储。由于低温绝热技术较为成熟，且低温液态储氢一般压力较低，因此特别适用于长续航的车载应用中，是极具应用前景的一种储氢方式。

尽管车载低温液态储氢方式的安全性较高，但仍需预防氢气泄露导致的燃烧和爆炸事故。与其它燃料相比，氢气相对分子质量小，具有易燃易爆、易扩散的特点，其与空气混合物的燃烧范围为4％～75％，且最低点火能仅需0.019mJ。然而，车载液氢储罐发生泄露而引发爆炸的潜在因素非常多。比如，由于罐体真空绝热失效、罐体老化腐蚀等因素造成罐体破裂或穿孔；由于系统泄压系统故障导致罐体压力过高；由于车辆剧烈振动导致管道与阀门的焊接口破裂；由于车辆受到外部机械碰撞导致结构变形或密封受损；等等。在液氢发生泄露情况下，车载环境内又存在很多的可能点火源。比如，车辆发生碰撞事故或产生颠簸时，系统设备之间碰撞摩擦产生电火花；水热管理系统发生故障时，设备表面温度升高；防静电装置发生损坏时，系统设备之间产生静电；等等。上述这些潜在因素都是无法完全避免的，因此亟需一种有效、快速响应的防火控系统，以尽可能地降低氢气泄露爆炸的风险。

低温绝热是低温液氢储罐设计面临的技术难点之一。当容器绝热性能较差时，容易加快液氢的蒸发损失，进而导致罐内压力升高。当蒸发后的氢气压力达到容器耐压上限时，有可能引发氢气泄露事故，这对身处密闭空间的车内人员造成了安全威胁。为减小车载液氢储罐的蒸发损失，目前最常见的是采用高压低温液氢储罐技术，相应研发单位如美国劳伦斯利沃莫尔国家实验室。与常压液氢储罐相比，这种高压液氢储罐的储氢密度更大，但安全性与成本问题同样也更加突出。因此，如何尽可能减小车载常压液氢储罐的蒸发率，仍然是当前车载液氢储罐的研发方向之一。

发明内容

本发明的目的为提供一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，可以减轻现有车载液氢储罐的蒸发率较高，预防密闭空间内氢气泄露引发爆燃。