机车车载储氢系统及机车加氢设备的制作方法

1.本公开涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种机车车载储氢系统及机车加氢设备。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换率高，清洁环保的优点，燃料电池车辆是新能源车辆发展的重要方向。氢燃料电池机车具有车载储氢系统，用于在行驶过程中为燃料电池提供氢气。
3.在现有技术中，对机车车载储氢系统加氢时，氢气通过地面压缩机进行加压，再通过加氢枪与车载加氢口进行对接，将高压氢气充入车载储氢系统中。由于机车储氢量较大，而允许的加氢时间较短，就需要进行大流量和高压力的加氢。大流量的高压氢气在进入加氢管路时，由于管路直径较小，导致氢气在管路里的流速非常高，氢气与管路之间的摩擦大，气体的阻力加大，引起加氢管路温度短时极速升高，从而会导致管路由于温度变化产生氢气泄露问题，影响车载储氢系统的安全。如为保障安全而降低加氢速度，则又会影响加氢的效率。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本公开的目的在于提供一种机车车载储氢系统及机车加氢设备，该系统能够增大加氢时的安全性和效率。
6.根据本公开的一个方面，提供一种机车车载储氢系统，系统包括：
7.储氢装置；
8.加氢管路，加氢管路的一端与储氢装置相连通，加氢管路的另一端用于与地面加氢系统相连接，以使得地面加氢系统通过加氢管路向储氢装置提供氢气；
9.供氢管路，供氢管路的一端与储氢装置相连通，供氢管路的另一端用于与燃料电池相连通，供氢管路用于储氢装置向燃料电池供氢；
10.冷却管路，冷却管路的部分与加氢管路相邻设置，冷却管路用于使冷却工质在冷却管路中循环；
11.换热器，换热器与冷却管路相连通，以使冷却工质在冷却管路和换热器中循环，换热器与加氢管路相邻设置，冷却工质在换热器中对加氢管路进行冷却；
12.散热器，散热器与冷却管路相连通，以使冷却工质在冷却管路、换热器和散热器中循环，散热器远离加氢管路设置，散热器用于冷却散热器内的冷却工质。
13.在本公开的一种示例性实施方式中，散热器包括：
14.散热片，散热片与冷却管路相连通；
15.风扇，风扇与散热片相邻设置，风扇用于冷却散热片内的冷却工质。
16.在本公开的一种示例性实施方式中，冷却工质为冷却液，系统还包括水泵，水泵设于冷却管路，水泵用于驱动冷却液在冷却管路内循环流动，水泵用于控制冷却液的流速。
17.在本公开的一种示例性实施方式中，系统还包括冷却液箱，冷却液箱与冷却管路相连通，冷却液箱、散热器和水泵在冷却液的流动方向依次设置。
18.在本公开的一种示例性实施方式中，加氢管路的部分和供氢管路的部分重叠，以构成高压管路，换热器为盘管式液冷换热器，换热器的一段包裹在高压管路上，换热器的另一段包裹在加氢管路未与供氢管路重叠的部分。
19.在本公开的一种示例性实施方式中，系统还包括传感器和车载控制器，传感器和车载控制器相连接，传感器用于采集冷却工质进入换热器的首端温度和冷却工质离开换热器的尾端温度；车载控制器用于获取首端温度和尾端温度，并根据首端温度和尾端温度与第一预设温度的关系，调节冷却工质的循环速度和散热器的功率。
20.在本公开的一种示例性实施方式中，车载控制器在首端温度大于第一预设温度时，开启散热器；车载控制器在尾端温度大于第一预设温度时，开启散热器至最大功率；
21.其中，车载控制器还用于根据首端温度和尾端温度，实时调节散热器的功率。
22.在本公开的一种示例性实施方式中，传感器还用于采集加氢管路的压力以及储氢装置的瓶口温度，车载控制器与地面加氢系统相连接，车载控制器还用于根据首端温度、尾端温度、压力和瓶口温度调节地面加氢系统提供氢气的速度。
23.在本公开的一种示例性实施方式中，车载控制器在尾端温度大于第二预设温度时，降低氢气进入车载储氢系统的速度；
24.车载控制器在尾端温度大于第三预设温度时，停止氢气进入车载储氢系统；
25.其中，第三预设温度大于第二预设温度，第二预设温度大于第一预设温度，车载控制器与地面加氢系统通过无线网络连接。
26.根据本公开的另一个方面，提供一种机车加氢设备，设备包括：
27.地面加氢系统；
28.上述任意一项的机车车载储氢系统，地面加氢系统与机车车载储氢系统相连接；
29.其中，地面加氢系统包括气源与压缩机，气源中的氢气通过压缩机后进入机车车载储氢系统。
30.本公开示例性实施方式的机车车载储氢系统能够将加氢管路的热量散出至远离加氢管路处，从而能够持续地对加氢管路进行冷却，从而避免大流量高压氢气在进入加氢管路时因温升剧烈而导致的氢气泄露，提高了加氢时的安全性；同时，对加氢管路进行冷却，也降低了氢气进入储氢装置时的温度，避免了由于氢气进入储氢装置时的温度过高而导致的加氢管路自动关闭的情况，提升了对储氢装置加氢的效率。
附图说明
31.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。
32.为了更好地理解本公开，可参考在下面的附图中示出的实施例。在附图中的部件
未必是按比例的，并且相关的元件可能省略，以便强调和清楚地说明本公开的技术特征。另外，相关要素或部件可以有如本领域中已知的不同的设置。此外，在附图中，同样的附图标记在各个附图中表示相同或类似的部件。其中：
33.图1示意性示出了根据本公开的一种示例性实施方式的机车车载储氢系统的示意图；
34.图2示意性示出了根据本公开的一种示例性实施方式的地面加氢系统的示意图；
35.图3示意性示出了根据本公开的一种示例性实施方式的机车加氢设备的示意图。
36.附图标记说明如下：
37.10、储氢装置；11、瓶口阀；20、加氢管路；21、高压管路；22、加氢口；23、单向阀；24、第一过滤器；
38.30、供氢管路；31、第一电磁阀；32、减压阀；33、第二过滤器；34、安全阀；
39.40、冷却管路；50、换热器；60、散热器；61、散热片；62、风扇；70、水泵；80、冷却液箱；90、车载控制器；91、第一温度传感器；92、第二温度传感器；93、第一压力传感器；94、第三温度传感器；
40.1、燃料电池；2、排空管路；101、气源；102、压缩机；103、加氢枪；104、加氢机控制器；105、第四温度传感器；106、第二压力传感器；107、预冷器。
具体实施方式
41.下面将结合本公开示例实施例中的附图，对本公开示例实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。本文中的描述的示例实施例仅仅是用于说明的目的，而并非用于限制本公开的保护范围，因此应当理解，在不脱离本公开的保护范围的情况下，可以对示例实施例进行各种修改和改变。
42.除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接，或信号连接；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
43.进一步地，本公开的描述中，需要理解的是，本公开的示例实施例中所描述的“上”、“下”、“内”、“外”等方位词仅出于方便，例如根据附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本公开的示例实施例的限定。还需要理解的是，在上下文中，当提到一个元件或特征连接在另外元件(一个或多个)“上”、“下”、或者“内”、“外”时，其不仅能够直接连接在另外(一个或多个)元件“上”、“下”或者“内”、“外”，也可以通过中间元件间接连接在另外(一个或多个)元件“上”、“下”或者“内”、“外”。
44.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
45.燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换率高，清洁环保的优点，燃料电池车辆是新能源车辆发展的重要方向。氢燃料电池机车具有车载储氢系统，用于在行驶过程中为燃料电池提供氢气。
46.目前，车载储氢的方式主要是高压气态储氢，对机车车载储氢系统加氢时，氢气通过地面压缩机进行加压，再通过加氢枪与车载加氢口进行对接，将高压氢气充入车载储氢系统中。由于机车储氢量较大，而允许的加氢时间较短，就需要进行大流量和高压力的加氢。大流量的高压氢气在进入加氢管路时，由于管路直径较小，导致氢气在管路里的流速非常高，氢气与管路之间的摩擦大，气体的阻力加大，引起加氢管路温度短时极速升高，从而会导致管路由于温度变化产生氢气泄露问题，影响车载储氢系统的安全。如为保障安全而降低加氢速度，则又会影响加氢的效率。
47.下面结合附图1至图3并通过具体实施方式来进一步说明本公开的技术方案。
48.本公开提供了一种机车车载储氢系统，参考图1所示，包括储氢装置10、加氢管路20、供氢管路30、冷却管路40、换热器50和散热器60，加氢管路20的一端与储氢装置10相连通，加氢管路20的另一端用于与地面加氢系统相连接，以使得地面加氢系统通过加氢管路20向储氢装置10提供氢气。
49.供氢管路30的一端与储氢装置10相连通，供氢管路30的另一端用于与燃料电池1相连通，供氢管路30用于储氢装置10向燃料电池1供氢。
50.冷却管路40、换热器50和散热器60相连通，换热器50与加氢管路20相邻设置，冷却工质在换热器50中对加氢管路20进行冷却，散热器60远离加氢管路20设置，用于冷却散热器60内的冷却工质，冷却工质在冷却管路40、换热器50和散热器60中循环，将加氢管路20的热量散出至远离加氢管路20处，从而能够持续地对加氢管路20进行冷却，避免大流量高压氢气在进入加氢管路20时因温升剧烈而导致的氢气泄露，提高了加氢时的安全性；同时，对加氢管路20进行冷却，也降低了氢气进入储氢装置10时的温度，避免了由于氢气进入储氢装置10时的温度过高而导致的加氢管路20自动关闭的情况，提升了对储氢装置10加氢的效率，因此，尤为适合具有大容量和快速加氢需求的机车。
51.具体而言，机车车载储氢系统一般采用高压气态储氢，储氢装置10可为35mpa或70mpa的高压储氢瓶。地面加氢系统具有加氢枪103，加氢管路20的一端与高压储氢瓶连接，另一端设有加氢口22，通过加氢枪103与加氢口22对接，即可实现地面加氢系统向机车车载储氢系统加氢。
52.加氢管路20上还可设有单向阀23，参考图1所示，防止加氢口22损坏或密封不严时，氢气从加氢管路20上泄露，而单向阀23可阻断氢气外泄。加氢管路20上还可设有第一过滤器24，以拦截颗粒杂质进入储氢装置10。第一过滤器24可设于单向阀23靠近加氢口22的一侧，这样还可以起到防止颗粒杂质进入单向阀23，引起单向阀23损坏。
53.供氢管路30主要实现由储氢装置10向燃料电池1的供氢，参考图1所示，供氢管路30上设有第一电磁阀31，以控制供氢管路30的通断。供氢管路30上还可设有减压阀32，储氢装置10中的高压氢气经过减压阀32后调节至燃料电池1所需的压力。减压阀32还可具有平衡压力波动的功能，以在储氢装置10中的氢气消耗，高压氢气压力降低后，保持向燃料电池1的供氢压力稳定。供氢管路30上还可设有第二过滤器33，以拦截颗粒杂质进入并污染燃料电池1；当然，第二过滤器33可设于减压阀32靠近储氢装置10的一侧，这样还可以起到防止颗粒杂质进入减压阀32，引起减压阀32的损坏。
54.在本公开的示例性实施方式中，参考图1所示，机车储氢系统还可以包括排空管路2，排空管路2在减压阀32与燃料电池1之间与供氢管路30连通，用于放空减压阀32下游过大
的压力。排空管路2与供氢管路30之间可以设有安全阀34，当减压阀32下游压力达到安全阀34的开启压力时，氢气自排空管路2放出。排空管路2还可与储氢装置10连通，以在储氢装置10内温度过高时，使储氢装置10内的氢气排出，起到超温和超压保护的功能。
55.换热器50与加氢管路20相邻设置，以与加氢管路20实现热交换。具体来说，换热器50可以为冷却管，其中流动有液态或气态的冷却工质。冷却管路40将换热器50和散热器60连接通，以构成一个循环系统。
56.例如，冷却管内可为空气、氢气、氦气等气态冷却工质，流经换热器50时，与温度较高的加氢管路20进行热交换，对加氢管路20降温；在流经散热器60时，被散热器60降温，例如散热器60压缩气态冷却工质，从而使冷却工质再次进入换热器50时，气体膨胀吸收加氢管路20的热量，形成对加氢管路20冷却的循环。冷却管内也可为氟利昂、碳氢化合物等制冷剂，其原理与蒸气压缩式制冷机相同，在此不再详细描述。
57.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图1所示，散热器60包括散热片61和风扇62，散热片61与冷却管路40相连通；风扇62与散热片61相邻设置，用于冷却散热片61内的冷却工质。散热片61可以具有较大的散热面积，风扇62可以加速散热片61内的冷却工质与外界环境热交换的速度，从而可以提高散热器60的散热效率。
58.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图1所示，冷却工质为冷却液，系统还包括水泵70，水泵70设于冷却管路40，水泵70用于驱动冷却液在冷却管路40内循环流动，水泵70用于控制冷却液的流速。从而可以通过调节水泵70，调节冷却管路40内冷却液的流速，间接控制了对加氢管路20冷却的功率。例如，冷却液可以为水、硅油或氟化液等，此时，冷却管路40、换热器50、散热器60和水泵70构成一个液冷散热系统，工作可靠，换热效率高，且不易燃烧，提高了机车车载储氢系统的安全性。
59.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图1所示，系统还包括冷却液箱80，冷却液箱80与冷却管路40相连通，从而使管路内的冷却液保持充足，也能对冷却液起到一定的冷却作用。冷却液箱80、散热器60和水泵70在冷却液的流动方向依次设置，使得经加氢管路20流回的温度较高的冷却液先流回冷却液箱80，再流经散热器60温度降低后再经过水泵，可以对水泵起到保护作用。
60.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图1所示，加氢管路20的部分和供氢管路30的部分重叠，以构成高压管路21。换热器50为盘管式液冷换热器，换热器50的一段包裹在高压管路21上，以在加氢过程和供氢过程中均可以对高压管路21进行冷却。由于加氢过程的中氢气在加氢管路20中的压力和流速大于供氢过程中氢气在供氢管路30中的流速，因此换热器50的另一段包裹在加氢管路20未与供氢管路30重叠的部分，以重点强化对于加氢过程中加氢管路20的冷却。
61.具体而言，加氢管路20和供氢管路30可以共用一段管路，以构成高压管路21。即加氢过程中氢气在高压管路21中的流动方向为朝向储氢装置10，供氢过程中氢气在高压管路21中的流动方向为远离储氢装置10，以使管路结构更加简洁。在其他示例性实施例中，加氢管路20和供氢管路30也可以不共用，而仅仅是相贴合地设置，以使盘管式液冷换热器同时包裹在加氢管路20和供氢管路30构成高压管路21的部分。
62.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图1所示，系统还包括传感器和车载控制器90，传感器和车载控制器90相连接，传感器用于采集冷却工质进入换热器50的首端温度
和冷却工质离开换热器50的尾端温度。车载控制器90用于获取首端温度和尾端温度，并根据首端温度和尾端温度与第一预设温度的关系，调节冷却工质的循环速度和散热器60的功率。这样系统可以获取到加氢过程中加氢管路20的实际温升情况，并据此调节对加氢管路20的冷却功率。例如，可以根据首端温度或尾端温度作为判断是否开启风扇62和水泵70的条件，也可以根据首端温度和尾端温度之间的差值了解到换热器50对加氢管路20的冷却情况，从而调节风扇62和水泵70的运转功率等。
63.其中，传感器可以包括两个温度传感器，分别设于盘管式换热器的两端，并分别连接到车载控制器90；也可以为集成式的传感器，具有多个采集点，可以设于盘管式换热器两端附近及加氢管路20的相应位置，综合得出首端温度和尾端温度，再将温度以信号形式传输至车载控制器90。例如，传感器包括第一温度传感器91和第二温度传感器92，分别设于盘管式换热器的进口处和出口处，采集到的温度记为ti和to，并将ti和to通过数据传输线发送给车载控制器90。
64.在本公开的一种示例性实施方式中，车载控制器90在首端温度ti大于第一预设温度时，开启散热器60；车载控制器90在尾端温度to大于第一预设温度时，开启散热器60至最大功率。当然，车载控制器90还可以在首端温度ti大于第一预设温度时，可选地或同时地开启水泵70，促进冷却工质在冷却管路40中循环，并在尾端温度to大于第一预设温度时，开启水泵70至最大功率。散热器60的功率调整，根据其类型不同，可以为调节压缩机的功率，或是通过调节风扇62的功率间接调整散热器60的功率。
65.例如，在加氢管路20温升较低时，可以不开启风扇62，或将水泵70的流速调节至较低水平，从而能够节约资源；在加氢管路20温升较明显时，开启风扇62和水泵70至最大的运转功率，最大程度地冷却加氢管路20。
66.在本公开的一种示例性实施方式中，车载控制器90还用于根据首端温度和尾端温度，实时调节散热器60和水泵70的功率，使管路温度调节更加合理精确，达到节能和提高加氢效率的目的。例如，车载控制器90内包括pid控制器(proportion integration differentiation，比例-积分-微分控制器)，通过预测pid算法、鲁棒控制等对散热器60和水泵70的功率进行实时调节。当然，也可以通过lqr控制器(linear quadratic regulator，线性二次型调节器)或神经网络控制方法进行实时调节。实时调节的算法均为现有技术中的算法，在此不再详细描述。
67.在本公开的一种示例性实施方式中，传感器还用于采集加氢管路20的压力以及储氢装置10的瓶口温度，车载控制器90与地面加氢系统相连接，车载控制器90还用于根据首端温度、尾端温度、压力和瓶口温度调节地面加氢系统提供氢气的速度。
68.在现有技术中，参考图2所示，机车车载储氢系统中发生温度异常或故障时，无法及时反馈给地面加氢系统，地面加氢系统只能通过加氢枪103处和地面加氢系统的管路上的温度和压力传感器检测到异常，才会降低加氢压力和速度或停止加氢过程，导致车载储氢系统发生异常时，和地面系统之间存在滞后性，反馈响应速度慢，影响加氢过程的安全性和效率。本公开示例性实施方式通过将车载控制器90与地面加氢系统相连接，并使车载控制器90对地面加氢系统提供氢气的速度进行控制，可以提升车、地之间的响应速率，提高加氢过程的安全性和效率。
69.例如，传感器可以包括第一压力传感器93，第一压力传感器93设于加氢管路20上，
以检测加氢管路20在加氢过程中的压力。第一压力传感器93可以设于加氢管路20上构成高压管路21的部分，即在加氢过程和供氢过程中均可检测高压管路21的压力。储氢装置10的瓶口处设置有瓶口阀11，瓶口阀11可集成手动截至阀、电磁阀、tprd控制阀等。储氢装置10的瓶口处还设置有第三温度传感器94，以采集储氢装置10在加氢过程中的瓶口温度。
70.参考图2所示，地面加氢系统一般由加氢机控制器104控制，地面加氢系统的管路上设有第四温度传感器105和第二压力传感器106。第四温度传感器105和第二压力传感器106将采集到的温度和压力信息发送至加氢机控制器104，当温度和压力信息异常时，加氢机控制器104降低加氢压力和速度，或停止加氢。此外，车载控制器90与加氢机控制器104相连接，根据加氢管路20的首端温度、尾端温度、压力和瓶口温度控制加氢机控制器104。
71.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图3所示，地面加氢系统与加氢机控制器104通过无线网络如wi-fi或5g网络连接，以提高使用的便捷性。当然，在其他示例性实施方式中，地面加氢系统与加氢机控制器104也可以通过数据线连接。
72.在本公开的一种示例性实施方式中，车载控制器90在尾端温度大于第二预设温度时，降低氢气进入车载储氢系统的速度；在尾端温度大于第三预设温度时，停止氢气进入车载储氢系统；其中，第三预设温度大于第二预设温度，第二预设温度大于第一预设温度。
73.具体而言，根据前述，车载控制器90在尾端温度大于第一预设温度时，已开启散热器60至最大功率。因此，当尾端温度大于第二预设温度时，换热器50对加氢管路20的冷却作用已经达到上限，此时车载控制器90通过控制加氢机控制器104，降低加氢枪103处的氢气流入速度，防止发生危险，同时也防止温度进一步上升导致瓶口阀11自动关闭，影响加氢效率。在尾端温度更进一步地上升至大于第三预设温度时，车载控制器90控制加氢机控制器104关闭加氢枪103，防止发生危险。
74.当然，车载控制器90也可以根据加氢管路20的首端温度、尾端温度、压力和瓶口温度控制加氢机控制器104，进而实时控制氢气进入车载储氢系统的速度，可采用的控制方法与前述实时调节散热器60的功率相同，不再详述。
75.根据本公开的另一个方面，提供一种机车加氢设备，参考图3所示，包括地面加氢系统和上述的机车车载储氢系统，地面加氢系统与机车车载储氢系统相连接，前述已描述过其连接方式，此处不再详述。
76.在本公开的一种示例性实施方式中，参考图3所示，地面加氢系统包括气源101与压缩机102，气源101中的氢气通过压缩机102后进入机车车载储氢系统，以提供高压氢气快速储氢。地面加氢系统还可包括预冷器107，预冷器107设于压缩机102与加氢枪103之间，用于对高压氢气进行预冷，在一定程度上防止高压氢气在加氢管路20中的温升过高，与本公开前述的机车车载储氢系统相配合，能够更好地控制加氢管路20的温度；同时，本公开的机车加氢设备能够实现机车车载储氢系统对地面加氢系统的控制，从而提高对机车车载储氢系统加氢的安全性和效率。
77.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
78.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的保护范围仅由所附的权利要求来限制。