一种无电池辅助的复合固态储氢燃料电池电动自行车的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种无电池辅助的复合固态储氢燃料电池电动自行车。


背景技术：

2.电动车轻便、速度适中、价廉、无噪音尾气污染、占用车位小，可大大提高非机动车道的通行效率，非常适合城市内单人短程出行，具有其它交通工具无法比拟的优势。近10多年来，我国电动车市场出现迅猛增长势头。现在全国电动车拥有量达1400多万辆。据全国各大城市的市民需求调查，高达76％的市民有将电动车作为代步交通工具的需求，且中国人口数量持续增长，并有相当基数的脚踏自行车用户，也是未来转电动自行车的潜在用户，这对于中国的自行车运动产业的发展来说有着巨大增长潜力。此外，一些事件对注重环境保护、保证国家石油安全提出了迫切要求，推动了世界范围内新能源技术进步，新型电动自行车社会建设也势在必行。
3.目前市场上的电动自行车电力储备主要由铅酸电池和锂离子电池承担，两者都具备续航短、充电慢、充电难、寿命衰减的问题，并且锂离子电池存在一定的安全隐患和更换价格昂贵的弊端；而铅酸电池和锂电池的前期、后期污染也是一个长期的环境问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种无电池辅助的复合固态储氢燃料电池电动自行车，以清洁能源载体，使用氢燃料电池装置代替传统的铅酸电池和锂电池，并采用复合固态储氢装置为其提供氢气，具有高效、清洁、零排放的优点。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种无电池辅助的复合固态储氢燃料电池电动自行车，包括自行车车体和设置于所述自行车车体上的电池舱、驱动装置和控制装置，所述电池舱内设置有复合固态储氢装置和氢燃料电池装置，所述复合固态储氢装置通过气路与所述氢燃料电池装置连接，为所述氢燃料电池装置提供氢气，所述氢燃料电池装置与所述驱动装置电性连接，为所述电动自行车提供驱动力；所述控制装置分别与所述的复合固态储氢装置、氢燃料电池装置和驱动装置电性连接，根据所述氢燃料电池装置的输出电压控制所述复合固态储氢装置向所述氢燃料电池装置提供氢气以满足所述驱动装置的动力需求。
7.所述复合固态储氢装置设置在所述自行车车体的座椅下方，所述氢燃料电池装置设置在所述自行车车体的脚踏处。
8.所述复合固态储氢装置包括固态储氢罐和低压缓冲罐，所述的固态储氢罐和低压缓冲罐之间通过第一气路连通，用于将所述固态储氢罐产生的氢气通入所述低压缓冲罐内；所述固态储氢罐的罐口处设有第一罐口组合阀，所述低压缓冲罐的罐口处设有第二罐口组合阀，所述的第一罐口组合阀和第二罐口组合阀的出口通过第二气路与所述氢燃料电池装置连通。
9.所述第一罐口组合阀和第二罐口组合阀均为一进二出式球阀，包括进气口、直通口和减压单向输出口，其进气口分别与固态储氢罐和低压缓冲罐的罐口相连，直通口分别与所述第一气路的两端连通，减压单向输出口通过第二气路与所述氢燃料电池装置连通。
10.所述第一气路上设有控制气路开关的第一电磁阀和控制气体流向的第一单向阀；所述第二气路上设有流量控制器和控制气体流向的第二单向阀，所述流量控制器与所述控制装置电性连接，用于定量控制进入所述氢燃料电池装置的氢气。
11.所述第一罐口组合阀和第二罐口组合阀均为一进二出式球阀，其减压单向输出口分别通过第二电磁阀和第三电磁阀与所述第二气路连通。
12.所述固态储氢罐上设有加热带、用于监测器内部压力和温度的第一压力传感器和温度传感器，所述加热带与所述氢燃料电池装置电性连接，用于为所述加热带提供电能；所述低压缓冲罐上设有用于监测器内部压力的第二压力传感器；所述控制装置与所述的第一罐口组合阀、第二罐口组合阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一压力传感器、温度传感器和第二压力传感器电性控制连接。
13.所述氢燃料电池装置包括发电模块和电堆状态检测装置，所述电堆状态检测装置与所述控制装置电性连接，通过与所述控制系统电性连接的所述复合固态储氢装置上的传感器及电磁阀协同作用，保证电力输出的稳定。
14.所述电堆状态检测装置包括电堆温度传感器、电堆电压传感器和电堆电流传感器。
15.所述自行车车体上还设有显示屏，所述显示屏与所述控制装置电性连接，用于显示车辆运行状态、复合固态储氢装置内氢气压力、温度、及释放氢气量。
16.本发明技术方案，具有如下优点：
17.a、本发明在自行车车体的电池舱内设置了复合固态储氢装置和氢燃料电池装置，复合固态储氢装置能够保证高储氢量的同时能够为氢燃料电池装置提供超高纯度氢气，充氢快速。本发明以清洁能源氢气载体，使用氢燃料电池装置代替传统的铅酸电池和锂电池，以氢气作为还原剂，以氧气作为氧化剂，当电池工作时，产物只有水，没有废气排放，具有高效、清洁、零排放的优点。解决了现有电动自行车续航里程短、充电不方便的问题，保证自行车正常驱动的前提下日常用电设备运行稳定。
18.b、本发明通过低压缓冲罐与固态储氢罐配合实现氢气定额稳定输出和高储氢量的同时氢气供给纯度超高，可重复使用。
19.c、本发明通过合理的管路设计、球阀设置以及低压缓冲罐和固态储氢罐的配合，实现无蓄电池辅助的燃料电池系统，彻底告别蓄电池存在时整条产业链的污染。
20.d、本发明能够实现无蓄电池的迅速启动，并在各种路况下保持充足功率输出电力。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明电池电动自行车整体结构示意图；
23.图2为本发明中复合固态储氢罐与氢燃料电池系统结构示意图(一)；
24.图3为本发明中复合固态储氢罐与氢燃料电池系统结构示意图(二)；
25.图4为本发明电池电动自行车供电系统原理示意图。
26.图中标识如下：
27.1-自行车车体，11-显示屏，12-大灯，13-座椅，14-车轮；2-电池舱； 3-复合固态储氢装置，31-固态储氢罐，311-第一罐口组合阀，312-第二电磁阀，313-加热带，314-第一压力传感器，315-温度传感器，32-低压缓冲罐，321-第二罐口组合阀，322-第三电磁阀，323-第二压力传感器，33-第一气路，331-第一电磁阀，332-第一单向阀，34-第二气路，341-流量控制器，342-第二单向阀；4-氢燃料电池装置，41-发电模块，42-电堆温度传感器，43-电堆电压传感器，44-电堆电流传感器；5-驱动装置；6-控制装置，61-dc-dc稳压器。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.如图1-图2所示，本发明提供了一种无电池辅助的复合固态储氢燃料电池电动自行车，包括自行车车体1和设置于自行车车体1上的电池舱2、驱动装置5和控制装置6，电池舱2内设置有复合固态储氢装置3和氢燃料电池装置4，复合固态储氢装置3设置在自行车车体1的座椅下方，氢燃料电池装置4设置在自行车车体1的脚踏处，复合固态储氢装置3通过气路与氢燃料电池装置4连接，为氢燃料电池装置4提供氢气，氢燃料电池装置4与驱动装置5电性连接，为电动自行车提供驱动力；控制装置6置于自行车车体1的大灯12下方位置，其分别与复合固态储氢装置3、氢燃料电池装置4和驱动装置5电性连接，根据氢燃料电池装置4的输出电压控制复合固态储氢装置3向氢燃料电池装置4提供氢气以满足驱动装置5的动力需求。本发明在自行车车体的电池舱内设置了复合固态储氢装置和氢燃料电池装置，复合固态储氢装置能够保证高储氢量的同时能够为氢燃料电池装置提供超高纯度氢气，充氢快速。本发明以清洁能源载体，使用氢燃料电池装置代替传统的铅酸电池和锂电池，以氢气作为还原剂，以氧气作为氧化剂，当电池工作时，产物只有水，没有废气排放，具有高效、清洁、零排放的优点。解决了现有电动自行车续航里程短、充电不方便的问题，保证自行车正常驱动的前提下日常用电设备运行稳定。
32.进一步地，如图3所示，复合固态储氢装置3包括固态储氢罐31和低压缓冲罐32，固态储氢罐31和低压缓冲罐32之间通过第一气路33连通，用于将固态储氢罐31产生的氢气通入低压缓冲罐32内。在第一气路33上设有控制气路开关的第一电磁阀331和控制气体流向的第一单向阀332，第一单向阀332的设置使氢气只能由固态储氢罐31流向低压缓冲罐32，而不能倒流。固态储氢罐31的罐口处设有第一罐口组合阀311，低压缓冲罐32 的罐口处设有第二罐口组合阀321，第一罐口组合阀311和第二罐口组合阀 321均为一进二出式球阀，第一罐口组合阀311和第二罐口组合阀321均为一进二出式球阀，包括进气口、直通口和减压单向输出口，其进气口分别与固态储氢罐31和低压缓冲罐32的罐口相连，直通口分别与第一气路33 的两端连通，减压单向输出口分别通过第二电磁阀312和第三电磁阀322，并借助第二气路34与氢燃料电池装置4连通。第二气路34上设有流量控制器341和控制气体流向的第二单向阀342，流量控制器341与控制装置6 电性连接，用于定量控制进入氢燃料电池装置4的氢气。第二单向阀342 主要起隔断复合固态储氢装置3和氢燃料电池装置4的安全作用，防止意外情况发生时不安全因素倒流进复合固态储氢装置3内。
33.本技术中固态储氢罐31和低压缓冲罐32的罐体由内至外依次包括内胆、缠绕层和外壳，内胆为铝合金无缝材料和/或铝合金内胆，缠绕层采用碳纤维缠绕复合材料，外壳为不锈钢材料，能够进一步增强罐体安全性，并与常见的钢瓶相比，重量可减轻40％-70％，同时具有安全性高、易于携带的特点，且铝合金经氧化后具有独特的耐腐蚀特性。
34.固态储氢罐31上设有加热带313、用于监测器内部压力和温度的第一压力传感器314和温度传感器315，加热带313与氢燃料电池装置4电性连接，用于为加热带313提供电能；低压缓冲罐32上设有用于监测器内部压力的第二压力传感器323；控制装置6与第一罐口组合阀311、第二罐口组合阀321、第一电磁阀331、第二电磁阀312、第三电磁阀322、第一压力传感器314、温度传感器315和第二压力传感器323电性控制连接。
35.第一压力传感器314和第二压力传感器323分别设置有两个压力阈值，为最低阈值和最高阈值，根据固态储氢罐31和低压缓冲罐32实际生产质量阈值不同，考虑到安全及实际使用体验，低压缓冲罐32最低阈值为0.1 5mpa，最高阈值为0.50mpa，固态储氢罐31最低阈值为0.10mpa，最高阈值为0.6mpa。当第一压力传感器314检测到压力低于最低阈值0.10mpa时，控制装置6控制加热带313开始工作补充氢气，当压力到达最高阈值0.60 mpa，停止加热。温度传感器315负责监测固态储氢罐31内部温度，根据氢气需求量调节加热带313工作温度。低压缓冲罐32用来为自行车起步时给氢燃料电池装置4提供氢气达到提供电力的目的，当其压力低于最低阈值0.15mpa时，控制装置6控制第一电磁阀331打开，通过第一气路33由固态储氢罐31向低压缓冲罐32补充氢气，保证下次启动时的氢气储存。
36.氢燃料电池装置4包括发电模块41和电堆状态检测装置，发电模块4 1为配套质子交换膜的风冷型燃料电池电堆，电堆状态检测装置与控制装置 6电性连接，通过与控制系统6电性连接的复合固态储氢装置3上的传感器及电磁阀协同作用，保证电力输出的稳定。电堆状态检测装置包括电堆温度传感器42、电堆电压传感器43和电堆电流传感器44。
37.驱动装置5包括电动机和传动装置，电动机采用以spwm或pwm方式控制交流电动机或永磁电动机，传动装置置于自行车车体1底部与后轮机械连接，负责动能传输。整车停机后，复合固态储氢装置3内的氢气能够进入氢燃料电池装置4的发电模块41发电反应室内并对催化剂进行冷却，防止催化剂被氧化。
38.自行车车体1上还设有显示屏11，显示屏11与控制装置6电性连接，用于显示车辆运行状态、复合固态储氢装置(3)内氢气压力、温度、及释放氢气量。
39.如图2、图4所示，本实施例的工作原理如下：电动自行车启动时由低压缓冲罐32给氢燃料电池装置4提供氢气发电使电动自行车正常行驶，同时将电能供给到固态储氢罐31的加热带313，为其供电，待第一压力传感器314和第二压力传感器323达到相应阈值后控制装置6控制各路电磁阀的开关，使复合固态储氢装置3保证充足氢气，若电动车耗电功率较大如上坡或者维持高速行驶时，则控制装置6控制固态储氢罐31和低压缓冲罐 32的电磁阀共同向氢燃料电池装置4提供氢气；若电动车耗电功率较小，则控制装置6根据驱动装置5的需求功率、固态储氢罐31和低压缓冲罐3 2的压力传感器与氢燃料电池装置4的电堆状态检测装置控制固态储氢罐3 1的电磁阀向氢燃料电池装置4提供氢气，各用电器件与氢燃料电池装置4 通过与控制装置6的dc-dc稳压器61依次相连接，保证整车供电。
40.本发明通过合理的管路设计、球阀设置以及低压缓冲罐和固态储氢罐的配合，实现无蓄电池辅助的燃料电池系统，彻底告别蓄电池存在时整条产业链的污染。另外，本发明能够实现无蓄电池的迅速启动，并在各种路况下保持充足功率输出电力。
41.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。