液氢供给系统、燃料电池系统及车辆的制作方法

1.本发明涉及车辆配套器材技术领域，特别涉及一种液氢供给系统。本发明还涉及一种应用了该液氢供给系统的燃料电池系统以及应用了该燃料电池系统的车辆。


背景技术：

2.化石能源的大规模使用给环境带来了极大的污染，氢能源作为清洁能源开始得到关注，并得到快速推进及大力发展，高体积功率密度和高质量功率密度的氢燃料电池逐渐受到社会各界的关注。
3.相应地，燃料电池汽车具有环保节能、“零”排放等显著优点，燃料电池汽车推广范围日益增加，应用氢燃料电池的车辆数快速增长。目前，车载储氢仍以高压气态储氢形式为主，由于车辆空间有限，高压气瓶的存储气量也受到限制，而液态储氢因其密度较高，所需储存空间较小，故而可以很好的解决这个问题。
4.然而，虽然液态储氢能够解决上述技术问题，但受限于目前的液态储氢技术在车辆上的应用还不成熟，尤其是液态氢很容易挥发，需要在低温-253℃以下的环境中储存，若存在漏热，则会有部分液态氢汽化为气态氢，若气态氢在储罐内集聚过多，液氢储罐不能承受过大压力，就需要释放气态氢，但是如果将气态氢直接排放会带来安全风险，不利于车辆的安全稳定使用，同时也降低了氢气的利用率；此外，目前针对液态储氢技术在车辆领域的应用，大多采用液氢汽化后的压力作为系统供氢压力，这一应用方式仅能够适配一些特殊工况下的系统供氢需求，无法满足大多数高压燃料电池系统的供氢需求，制约了液氢供给系统的应用范围。
5.因此，如何优化液氢供给系统的供氢能力，提升液氢利用率，以便匹配不同工况下燃料电池系统的运行需求是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种液氢供给系统，该液氢供给系统的供氢能力较强，液氢利用率较高，能够适应不同工况下燃料电池系统的运行需求。本发明的另一目的是提供一种应用了该液氢供给系统的燃料电池系统以及应用了该燃料电池系统的车辆。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种液氢供给系统，包括能够储存液态氢的液氢瓶，所述液氢瓶上设置有储氢压力传感器、供氢阀和泄氢阀，所述液氢供给系统还包括沿供氢方向连通于所述供氢阀下游的汽化器，以及沿供氢方向连通于所述泄氢阀下游的泄氢主管路，所述汽化器的下游与燃料电池系统的燃料电池组件间连通有供氢主管路，所述供氢主管路上沿供氢方向依次布置有增压泵、减压器、主管路压力传感器以及比例阀；
8.该液氢供给系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐与所述供氢主管路间连通有缓冲管路，所述缓冲管路上设置有缓冲阀，所述缓冲罐的罐口处设置有与所述缓冲管路连通的瓶阀和缓冲压力传感器，所述缓冲管路与所述供氢主管路间的连通点沿供氢方向位于所述增压泵与所述减压器之间；
9.还包括沿供氢方向连通于所述泄氢主管路与所述供氢主管路之间的泄氢增压管路和泄氢平压管路，所述泄氢增压管路与泄氢平压管路相并联，所述泄氢增压管路上设置有泄氢增压阀，且所述泄氢增压管路与所述供氢主管路的连通点沿供氢方向位于所述汽化器与所述增压泵之间，所述泄氢平压管路上设置有泄氢平压阀，且所述泄氢平压管路与所述供氢主管路的连通点沿供氢方向位于所述增压泵与所述缓冲管路之间。
10.优选地，所述液氢瓶至少为两个，所述供氢阀与所述汽化器间连通有供氢支管，各所述供氢支管间相互并联；
11.所述泄氢阀与所述泄氢主管路间连通有泄氢支管，各所述泄氢支管间相互并联。
12.优选地，所述缓冲罐至少为两个，且各所述缓冲罐间相互并联。
13.优选地，所述供氢主管路上设置有供氢单向阀，所述供氢单向阀沿供氢方向位于所述泄氢平压管路与所述缓冲管路之间。
14.优选地，所述泄氢主管路上设置有泄氢单向阀。
15.优选地，所述汽化器与燃料电池系统的燃料电池组件的冷却管路相连通适配。
16.优选地，所述供氢阀、所述泄氢阀、所述缓冲阀、所述瓶阀、所述泄氢增压阀以及所述泄氢平压阀均为电磁阀。
17.本发明还提供一种燃料电池系统，包括相互配合的燃料电池组件和液氢供给系统，所述液氢供给系统为如上任一项所述的液氢供给系统。
18.本发明还提供一种车辆，包括车体和燃料电池系统，该燃料电池系统为如上一项所述的液氢供给系统。
19.相对上述背景技术，本发明所提供的液氢供给系统，其工作运行过程中，当处于正常供氢工况时，供氢阀开启，液氢瓶内的液氢由供氢阀处输出至汽化器内，经由汽化器完成液汽转化后，再经由供氢主管路输送至增压泵处，经由增压泵进行增压处理后的氢气继续沿供氢主管路输送至减压器处，由减压器将供氢主管路内的氢气减压处理至适当气压状态，以满足下游燃料电池系统的燃料电池组件等相关设备的使用需求，经减压器处理后的氢气继续沿供氢主管路输送并经过比例阀后顺畅输入至下游的燃料电池组件处，供燃料电池系统的工作运行之用；
20.当储氢压力传感器检测到液氢瓶内的气体压力值达到需进行泄放的预设数值时，泄氢阀打开，缓冲阀打开，且比例阀关闭，之后液氢瓶内的氢气经由泄氢阀输入泄氢主管路内，在此工况下，设：a为储氢压力传感器的检测值，b为缓冲压力传感器的检测值，c为储氢压力传感器与缓冲压力传感器之间的管路压降，则：
21.m＝a-(b c)，
22.在此基础上，若m＞0，则泄氢平压阀开启，且泄氢增压阀关闭，氢气由泄氢阀处依次经由泄氢主管路、泄氢平压管路、供氢主管路、缓冲管路和瓶阀后输入缓冲罐内，以便由缓冲罐收集液氢瓶内气化的氢气并集中储存；若m≤0，则泄氢增压阀开启，且泄氢平压阀关闭，同时增压泵启动，氢气由泄氢阀处依次经由泄氢主管路、泄氢增压管路、增压泵、供氢主管路、缓冲管路和瓶阀后输入缓冲罐内，以便由缓冲罐收集液氢瓶内气化的氢气并集中储存；
23.当车辆停放一段时间后首次启动时，若缓冲压力传感器的检测数值大于预设的缓冲供氢数值，则缓冲阀和比例阀均开启，且供氢阀关闭，储存于缓冲罐内的氢气依次经由瓶
阀和缓冲管路通入供氢主管路内，再依次经由减压器和比例阀后送至燃料电池组件处，以便为相关下游设备提供满足压力需求的氢气，供燃料电池系统稳定运行，直至缓冲压力传感器处的检测数值低于前文所述的预设的缓冲供氢数值为止。
24.由此可见，本发明所提供的液氢供给系统，通过连通于供氢主管路上的缓冲罐与各相关液压适配件协同配合，能够将液氢瓶内汽化的氢气高效存储起来，以便后续车辆启动及其他工况下的供氢之用，避免管路内因氢气压力过大导致的管路压力异常等情况，保证整个液氢供给系统的供氢能力，并充分利用液氢瓶内的液氢汽化后的氢气，避免液氢浪费，提高液氢利用率，从而通过缓冲管路及缓冲罐等功能装置的协同配合，实现了多种工况下均可向下游的燃料电池组件等燃料电池系统相关设备稳定供给氢气，大幅提高了所述液氢供给系统的工况适应能力和运行效率。
25.在本发明的另一优选方案中，所述液氢瓶至少为两个，所述供氢阀与所述汽化器间连通有供氢支管，各所述供氢支管间相互并联；所述泄氢阀与所述泄氢主管路间连通有泄氢支管，各所述泄氢支管间相互并联。供氢支管及泄氢支管均与液氢瓶一一对应布置并协同配合，实现多个液氢瓶的同步供氢作业，以进一步优化所述液氢供给系统的供氢能力，满足不同工况下的燃料电池系统运行需求。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
27.图1为本发明一种具体实施方式所提供的燃料电池系统的液氢供给系统与燃料电池组件的配合示意图。
28.其中：
29.11-液氢瓶；
30.111-储氢压力传感器；
31.112-供氢阀；
32.113-泄氢阀；
33.114-供氢支管；
34.115-泄氢支管；
35.12-汽化器；；
36.13-泄氢主管路；
37.131-泄氢增压管路；
38.132-泄氢增压阀；
39.133-泄氢平压管路；
40.134-泄氢平压阀；
41.135-泄氢单向阀；
42.14-供氢主管路；
43.141-增压泵；
44.142-减压器；
45.143-主管路压力传感器；
46.144-比例阀；
47.145-供氢单向阀；
48.15-缓冲罐；
49.151-缓冲管路；
50.152-缓冲阀；
51.153-瓶阀；
52.154-缓冲压力传感器；
53.21-燃料电池组件；
54.211-冷却管路。
具体实施方式
55.本发明的核心是提供一种液氢供给系统，该液氢供给系统的供氢能力较强，液氢利用率较高，能够适应不同工况下燃料电池系统的运行需求；同时，提供一种应用了该液氢供给系统的燃料电池系统以及采用了该燃料电池系统的车辆。
56.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
57.请参考图1。图1为本发明一种具体实施方式所提供的燃料电池系统的液氢供给系统与燃料电池组件的配合示意图。
58.在具体实施方式中，本发明所提供的液氢供给系统，包括能够储存液态氢的液氢瓶11，液氢瓶11上设置有储氢压力传感器111、供氢阀112和泄氢阀113，所述液氢供给系统还包括沿供氢方向连通于供氢阀112下游的汽化器12，以及沿供氢方向连通于泄氢阀113下游的泄氢主管路13，汽化器12的下游与燃料电池系统的燃料电池组件21 间连通有供氢主管路14，供氢主管路14上沿供氢方向依次布置有增压泵141、减压器142、主管路压力传感器143以及比例阀144；
59.该液氢供给系统还包括缓冲罐15，缓冲罐15与供氢主管路14间连通有缓冲管路151，缓冲管路151上设置有缓冲阀152，缓冲罐15 的罐口处设置有与缓冲管路151连通的瓶阀153和缓冲压力传感器 154，缓冲管路151与供氢主管路14间的连通点沿供氢方向位于增压泵141与减压器142之间；
60.所述液氢供给系统还包括沿供氢方向连通于泄氢主管路13与供氢主管路14之间的泄氢增压管路131和泄氢平压管路133，泄氢增压管路131与泄氢平压管路133相并联，泄氢增压管路131上设置有泄氢增压阀132，且泄氢增压管路131与供氢主管路14的连通点沿供氢方向位于汽化器12与增压泵141之间，泄氢平压管路133上设置有泄氢平压阀134，且泄氢平压管路133与供氢主管路14的连通点沿供氢方向位于增压泵141与缓冲管路151之间。
61.所述液氢供给系统工作运行过程中，当处于正常供氢工况时，供氢阀112开启，液氢瓶11内的液氢由供氢阀112处输出至汽化器12 内，经由汽化器12完成液汽转化后，再经由供氢主管路14输送至增压泵141处，经由增压泵141进行增压处理后的氢气继续沿供氢主管路14输送至减压器142处，由减压器142将供氢主管路14内的氢气减压处理至适当气压状
态，以满足下游燃料电池系统的燃料电池组件 21等相关设备的使用需求，经减压器142处理后的氢气继续沿供氢主管路14输送并经过比例阀144后顺畅输入至下游的燃料电池组件21 处，供燃料电池系统的工作运行之用；
62.当储氢压力传感器111检测到液氢瓶11内的气体压力值达到需进行泄放的预设数值时，泄氢阀113打开，缓冲阀152打开，且比例阀 144关闭，之后液氢瓶11内的氢气经由泄氢阀113输入泄氢主管路13 内，在此工况下，设：a为储氢压力传感器111的检测值，b为缓冲压力传感器154的检测值，c为储氢压力传感器111与缓冲压力传感器154之间的管路压降，则：
63.m＝a-(b c)，
64.在此基础上，若m＞0，则泄氢平压阀134开启，且泄氢增压阀 132关闭，氢气由泄氢阀113处依次经由泄氢主管路13、泄氢平压管路133、供氢主管路14、缓冲管路151和瓶阀153后输入缓冲罐15 内，以便由缓冲罐15收集液氢瓶11内气化的氢气并集中储存；若m ≤0，则泄氢增压阀132开启，且泄氢平压阀134关闭，同时增压泵 141启动，氢气由泄氢阀113处依次经由泄氢主管路13、泄氢增压管路131、增压泵141、供氢主管路14、缓冲管路151和瓶阀153后输入缓冲罐15内，以便由缓冲罐15收集液氢瓶11内气化的氢气并集中储存；
65.当车辆停放一段时间后首次启动时，若缓冲压力传感器154的检测数值大于预设的缓冲供氢数值，则缓冲阀152和比例阀144均开启，且供氢阀112关闭，储存于缓冲罐15内的氢气依次经由瓶阀153和缓冲管路151通入供氢主管路14内，再依次经由减压器142和比例阀 144后送至燃料电池组件21处，以便为相关下游设备提供满足压力需求的氢气，供燃料电池系统稳定运行，直至缓冲压力传感器154处的检测数值低于前文所述的预设的缓冲供氢数值为止。
66.由此可见，本发明所提供的液氢供给系统，通过连通于供氢主管路14上的缓冲罐15与各相关液压适配件协同配合，能够将液氢瓶11 内汽化的氢气高效存储起来，以便后续车辆启动及其他工况下的供氢之用，避免管路内因氢气压力过大导致的管路压力异常等情况，保证整个液氢供给系统的供氢能力，并充分利用液氢瓶11内的液氢汽化后的氢气，避免液氢浪费，提高液氢利用率，从而通过缓冲管路151及缓冲罐15等功能装置的协同配合，实现了多种工况下均可向下游的燃料电池组件21等燃料电池系统相关设备稳定供给氢气，大幅提高了所述液氢供给系统的工况适应能力和运行效率。
67.进一步地，液氢瓶11至少为两个，供氢阀112与汽化器12间连通有供氢支管114，各供氢支管114间相互并联；泄氢阀113与泄氢主管路13间连通有泄氢支管115，各泄氢支管115间相互并联。供氢支管114及泄氢支管115均与液氢瓶11一一对应布置并协同配合，实现多个液氢瓶11的同步供氢作业，以进一步优化液氢供给系统的供氢能力，满足不同工况下的燃料电池系统运行需求。
68.需要相应说明的是，多个液氢瓶11协同作业时，针对上述工况，当储氢压力传感器111检测到液氢瓶11内的气体压力值达到需进行泄放的预设数值时，各液氢瓶11对应的泄氢阀113打开，缓冲阀152 打开，且比例阀144关闭，之后液氢瓶11内的氢气经由相应的泄氢阀 113输入泄氢主管路13内，在此工况下，设：a为储氢压力传感器111 的检测值，b为缓冲压力传感器154的检测值，c为储氢压力传感器 111与缓冲压力传感器154之间的管路压降，则：
69.m＝a-(b c)，
70.在此基础上，若至少一个液氢瓶11对应的m＞0，则泄氢平压阀 134开启，且泄氢增压阀132关闭，氢气由泄氢阀113处依次经由泄氢主管路13、泄氢平压管路133、供氢主管路14、缓冲管路151和瓶阀153后输入缓冲罐15内，以便由缓冲罐15收集液氢瓶11内气化的氢气并集中储存；若至少一个液氢瓶11对应的m≤0，则泄氢增压阀 132开启，且泄氢平压阀134关闭，同时增压泵141启动，氢气由泄氢阀113处依次经由泄氢主管路13、泄氢增压管路131、增压泵141、供氢主管路14、缓冲管路151和瓶阀153后输入缓冲罐15内，以便由缓冲罐15收集液氢瓶11内气化的氢气并集中储存。
71.更进一步地，缓冲罐15至少为两个，且各缓冲罐15间相互并联。多个缓冲罐15并联布置，能够进一步提高整个液氢供给系统的氢气缓冲储存能力，保证液氢瓶11内汽化的氢气都能够尽可能地被缓冲罐 15存储，以备后续工况取用之需，从而进一步提高整个液氢供给系统的氢利用率，避免资源浪费。
72.在此基础上需要说明的是，实际应用中，缓冲罐15的容积可以根据实际工况下的液氢质量及汽化率的具体数据进行适应性调整，以匹配不同工况下的应用需求。
73.此外应当指出的是，缓冲罐15通常选用承压气瓶，并可以依据实际工况需求选择适宜的耐受压力。工作人员可以依据实际应用需求和具体工况环境灵活选择和调整缓冲罐15的具体数量和结构类型，原则上，只要是能够满足所述液氢供给系统的实际应用需要均可。
74.更具体地，供氢主管路14上设置有供氢单向阀145，供氢单向阀 145沿供氢方向位于泄氢平压管路133与缓冲管路151之间。该供氢单向阀145能够有效避免供氢主管路14内的氢气回流，保证供氢主管路14内的单向供氢恒定平稳，避免因氢气回流导致的管路冲击和组件工作异常，并避免因氢气回流导致的系统安全隐患。
75.此外，泄氢主管路13上设置有泄氢单向阀135。该泄氢单向阀 135能够有效避免泄氢主管路13内的氢气回流，保证泄氢主管路13 内的单向供氢恒定平稳，避免因氢气回流导致的管路冲击和组件工作异常，并避免因氢气回流导致的系统安全隐患。
76.另一方面，汽化器12与燃料电池系统的燃料电池组件21的冷却管路211相连通适配。一般工况下，汽化器12工作时，燃料电池组件 21也处于工作状态，此时可通过冷却管路211将燃料电池组件21与汽化器12适度连通，以便利用燃料电池组件21工作过程中产生的热能对汽化器12实施加热，为汽化器12的运行提供热能，以此进一步合理利用燃料电池组件21运行过程中产生的热能，提高燃料电池系统的整体资源利用率，避免资源浪费，降低运行成本。
77.另外，供氢阀112、泄氢阀113、缓冲阀152、瓶阀153、泄氢增压阀132以及泄氢平压阀134均为电磁阀。电磁阀的控制精度高，开启和关闭较为灵敏，将所述液氢供给系统的各阀均采用电磁阀，能够进一步提高所述液氢供给系统的控制精度和运行效率，保证不同工况条件下的系统运行效率和工作性能。
78.在具体实施方式中，本发明一种具体实施方式中所提供的燃料电池系统，包括相互配合的燃料电池组件21和液氢供给系统，该液氢供给系统为如上文所述的液氢供给系统。该燃料电池系统的液氢供给系统的供氢能力较强，液氢利用率较高，能够适应不同工况下燃料电池系统的运行需求。
79.在具体实施方式中，本发明一种具体实施方式中所提供的一种车辆，包括车体和燃料电池系统，该燃料电池系统为如上文所述的燃料电池系统。该车辆的燃料电池系统所采用的液氢供给系统的供氢能力较强，液氢利用率较高，能够适应不同工况下燃料电池系统的运行需求。
80.综上可知，本发明中提供的液氢供给系统，其工作运行过程中，当处于正常供氢工况时，供氢阀开启，液氢瓶内的液氢由供氢阀处输出至汽化器内，经由汽化器完成液汽转化后，再经由供氢主管路输送至增压泵处，经由增压泵进行增压处理后的氢气继续沿供氢主管路输送至减压器处，由减压器将供氢主管路内的氢气减压处理至适当气压状态，以满足下游燃料电池系统的燃料电池组件等相关设备的使用需求，经减压器处理后的氢气继续沿供氢主管路输送并经过比例阀后顺畅输入至下游的燃料电池组件处，供燃料电池系统的工作运行之用；当储氢压力传感器检测到液氢瓶内的气体压力值达到需进行泄放的预设数值时，泄氢阀打开，缓冲阀打开，且比例阀关闭，之后液氢瓶内的氢气经由泄氢阀输入泄氢主管路内，在此工况下，设：a为储氢压力传感器的检测值，b为缓冲压力传感器的检测值，c为储氢压力传感器与缓冲压力传感器之间的管路压降，则：m＝a-(b c)，在此基础上，若m＞0，则泄氢平压阀开启，且泄氢增压阀关闭，氢气由泄氢阀处依次经由泄氢主管路、泄氢平压管路、供氢主管路、缓冲管路和瓶阀后输入缓冲罐内，以便由缓冲罐收集液氢瓶内气化的氢气并集中储存；若m≤0，则泄氢增压阀开启，且泄氢平压阀关闭，同时增压泵启动，氢气由泄氢阀处依次经由泄氢主管路、泄氢增压管路、增压泵、供氢主管路、缓冲管路和瓶阀后输入缓冲罐内，以便由缓冲罐收集液氢瓶内气化的氢气并集中储存；当车辆停放一段时间后首次启动时，若缓冲压力传感器的检测数值大于预设的缓冲供氢数值，则缓冲阀和比例阀均开启，且供氢阀关闭，储存于缓冲罐内的氢气依次经由瓶阀和缓冲管路通入供氢主管路内，再依次经由减压器和比例阀后送至燃料电池组件处，以便为相关下游设备提供满足压力需求的氢气，供燃料电池系统稳定运行，直至缓冲压力传感器处的检测数值低于前文所述的预设的缓冲供氢数值为止。由此可见，本发明所提供的液氢供给系统，通过连通于供氢主管路上的缓冲罐与各相关液压适配件协同配合，能够将液氢瓶内汽化的氢气高效存储起来，以便后续车辆启动及其他工况下的供氢之用，避免管路内因氢气压力过大导致的管路压力异常等情况，保证整个液氢供给系统的供氢能力，并充分利用液氢瓶内的液氢汽化后的氢气，避免液氢浪费，提高液氢利用率，从而通过缓冲管路及缓冲罐等功能装置的协同配合，实现了多种工况下均可向下游的燃料电池组件等燃料电池系统相关设备稳定供给氢气，大幅提高了所述液氢供给系统的工况适应能力和运行效率。
81.此外，本发明提供的用于该液氢供给系统的燃料电池系统，其液氢供给系统的供氢能力较强，液氢利用率较高，能够适应不同工况下燃料电池系统的运行需求。
82.另外，本发明提供的应用了该液氢供给系统的车辆，其燃料电池系统所采用的液氢供给系统的供氢能力较强，液氢利用率较高，能够适应不同工况下燃料电池系统的运行需求。
83.以上对本发明所提供的液氢供给系统、应用了该液氢供给系统的燃料电池系统以及应用了该燃料电池系统的车辆进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可
以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。