[发明专利]一种车载高压氢气分级充注系统

说明书

本发明公开了一种车载高压氢气分级充注系统。该系统包括两个金属隔膜式压缩机、一个高压储气罐、一个低压储气罐、两个流量控制阀、蒸汽压缩式制冷系统、一个加氢机、一个车载储氢气瓶；蒸汽压缩式制冷系统由蒸发换热器，压缩机，冷凝器，节流阀组成的一个制冷系统，作用是降低高低压储氢气罐的温度；所述两个金属隔膜式压缩机分别连接高压储气罐和低压储气罐，高压储气罐和低压储气罐的出口分别通过流量控制阀连接加氢机，连接管路上设有压力表和温度表；加氢机另一端连接车载储氢气瓶；蒸发换热器分别与高压储气罐和低压储气罐连接，为储气罐提供换热或制冷的功能。本发明可根据极限压力等现实情况进行选择，为车载高压氢气充注系统具体实施提供理论基础。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池汽车，尤其涉及一种车载储氢气瓶的氢气预冷和分级充注系统，属于新能源利用科学领域。

背景技术

氢能是一种储量大、能量密度高且清洁的新能源，是未来能源利用低碳化发展的重要方向。大力发展氢能产业，包含制氢、储氢、氢能利用等产业链已经成为世界各国在能源规划中优先布局的重要发展方向。目前，燃料电池是氢能大规模利用最成熟的技术，自2011年左右，我国开始发展氢燃料电池技术，并在近年来获得快速发展，在我国多地区已经密集出台了支持氢能产业发展和落地相关的配套政策和大量的资金支持。

相对于较为成熟的氢气制取和利用，氢气的高效安全存储目前仍存在技术瓶颈。由于常温常压状态氢气的密度约为空气的1/14，存储效率很低，因此目前氢气存储时需要压缩到高压状态以提高其存储密度。目前较为主流的高压储氢压力一般为35 MPa和70MPa。储氢压力越高，单位容积储氢罐的储氢密度越高，但相应的耐压罐设计困难。一般为了增加单位质量储氢罐储氢容量和降低氢气泄漏风险，储氢罐一般采用多层嵌套设计方案，内层的碳纤维材料极限使用温度不超过85℃，否则会导致罐体强度降低，产生安全隐患。由于氢气充注进入储氢罐一般为3—5分钟，可以视为绝热压缩过程，温度会急剧升高，威胁储氢罐的安全使用，因此实际的储氢系统往往需要对待充氢气预冷，以降低氢气充注终温。从充注安全的角度，氢气预冷的温度越低越好，但预冷温度越低，系统的能耗越高。

发明内容

针对目前车载高压充注系统涉及的问题，在现有的高压气态储氢的基础上，提出了一种氢气预冷和分级充注系统，使氢气充注过程满足安全和经济的要求。

本发明提供了车载高压氢气分级充注系统设计方案，并模拟氢气在充注过程各状态参数的变化，为实际中车载高压氢气分级充注系统的设计提供理论支撑。本发明利用蒸汽压缩式制冷循环实现氢气气源预冷，并且分级充注至车载储氢气瓶中。

本发明提供了一种车载高压氢气分级充注系统（两级），包括两个金属隔膜式压缩机、一个高压储气罐、一个低压储气罐、两个流量控制阀、蒸汽压缩式制冷系统、一个加氢机、一个车载储氢气瓶；蒸汽压缩式制冷系统由蒸发换热器，压缩机，冷凝器，节流阀组成的一个制冷系统，作用是降低高低压储氢气罐的温度；

所述两个金属隔膜式压缩机分别连接高压储气罐和低压储气罐，高压储气罐和低压储气罐的出口分别通过流量控制阀连接加氢机，连接管路上设有压力表和温度表；加氢机另一端连接车载储氢气瓶；蒸发换热器分别与高压储气罐和低压储气罐连接，为储气罐提供换热或制冷的功能。

上述车载高压氢气分级充注系统（两级）的分级充注过程包括：氢气气源经金属隔膜式压缩机加压形成高压氢气后，分别进入高、低压储氢气罐中进行储存，形成高-低压供氢体系，蒸汽压缩式制冷系统开始工作；低温低压的制冷剂液体在蒸发换热器处吸收热量变为蒸汽，使储氢系统温度下降；低温低压制冷剂蒸汽被压缩机吸入，成为高温高压的气体后排出；而冷凝器将高温高压制冷剂蒸汽冷凝液化为高压液体；最后通过节流阀，使高压液体压力变小变为低压液体；如此反复完成制冷循环使得储氢系统温度冷却；然后利用高-低压储氢气罐与车载储氢气瓶的不平衡压差，在加氢机的控制下，依次打开流量控制阀，并且同时保持压力传感器与温度传感器的监测功能，将氢气由低-高压储氢气罐分级梯度加注到车载储氢气瓶内，当达到目标压力，结束充气。