1.本发明涉及燃料电池汽车的供氢系统，特别涉及一种多个传感器、控制器相互协调、实时控制氢气流量的供氢系统。
背景技术：
2.燃料电池技术近年来获得了很多国家重视，燃料电池通过将化学能转换为电能，直接给电机提供电能，又不受卡诺循环的限制，因此燃料电池具有高效率、无噪声、无污染等优点。在多种类燃料电池中质子交换膜燃料电池的应用最为广泛，氢气和氧气分别在阳极和阴极发生反应，氢气反应生成的氢离子通过质子交换膜传递到阴极与氧气反应生成水，产生的电子由外电路传递形成电流，供应外部负载所需的能量。
3.传统的燃料电池供氢系统采取终端间歇式排放，周期性关闭尾排阀的方式，令没有反应完的氢气较长时间停留在阳极参与反应，也能在一定程度提高氢气的利用率，但是这种方式容易使得反应生成的水不能顺利排出而出现对阳极的水淹现象，同时，阴极的氮气也会渗透到阳极，对阳极的反应产生影响。
技术实现要素：
4.本发明提出了一种燃料电池汽车的供氢系统，能够循环利用未反应完的氢气，同时根据负载调节供氢量，并具有对氢气泄漏的应急处理功能。
5.根据本发明实施例的一方面，提供一种燃料电池汽车的供氢系统，包括：
6.引射器；
7.供氢单元，其将储氢罐内氢气减压后经过管道输送至所述引射器一次流入口，以及将电堆阳极未反应完的氢气经过循环管道供给到所述引射器二次流入口，所述引射器将所述一次流入口和所述二次流入口流入的氢气混合扩散至与所述电堆连接的输出管道；
8.氢气泄漏监测单元，监测所述供氢单元周围空气中氢气浓度；以及
9.控制器，根据流量需求控制所述供氢单元向所述电堆供应氢气，且在所述氢气泄漏监测单元监测到氢气浓度超过安全阈值时，停止向所述电堆供应氢气，并对所述供氢单元管道内氢气进行吹扫排除氢气泄漏风险。
10.在一些示例中，还包括向所述储氢罐内加氢的加氢单元，所述加氢单元包括依次连接的加氢口、缓冲室、单向阀、高压汇流室，所述储氢罐连接到所述高压汇流室，所述储氢罐上具有监测氢气状态的压力传感器、温度传感器，监测到所述储氢罐氢气加满时，所述单向阀关闭。
11.在一些示例中，所述高压汇流室上安装第一泄压阀和第一排气管，所述氢气泄漏监测单元监测到空气中的氢气浓度大于安全阈值时，所述第一泄压阀启动，所述储氢罐供气阀门关闭，所述第一排气管将所述高压汇流室内的氢气排出。
12.在一些示例中，所述储氢罐提供的氢气经过两次减压后传递给所述引射器。
13.在一些示例中，所述高压汇流室依次通过球阀、一级减压阀、第一电磁阀、二级减
压阀、直径可调阀门、氢气流速控制泵与所述引射器所述一次流入口连接，所述一级减压阀和所述第一电磁阀之间的连接管道上连接第二泄压阀和第二排气管，所述控制器根据流量需求控制所述直径可调阀门开度和所述氢气流速控制泵内叶轮转速。
14.在一些示例中，所述引射器和所述电堆之间的所述输出管道上具有：控制氢气温度的加热器；监测氢气压力和温度的压力监测传感器、温度监测传感器；以及第二电磁阀；当所述压力监测传感器、所述温度监测传感器监测到流入所述电堆的气体满足供应条件后，所述第二电磁阀开启。
15.在一些示例中，所述电堆阳极未反应完的氢气经过汽水分离装置进行气液分离后供给到所述引射器所述二次流入口，分离后的液态水从尾排阀排出。
16.在一些示例中，还包括在低温下对所述尾排阀排出的液态水进行加热的加热装置。
17.本发明通过调节流速控制泵和直径可调阀门阀门直径，能够稳定调节连续变化的氢气流量，很好地解决了引射器工作范围较小的问题。整个供氢系统具有完整的控制策略，保证输送给阳极的氢气满足负载要求，并建立了安全监测和应急处理策略，针对氢气泄露等紧急情况，能够进行警报和处理，保护设备与人员安全。氢气控制器采用域控制器架构，并采取分级控制，很好地保证了供氢系统的安全性和高效性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
19.图1是本发明一实施例提供的一种燃料电池汽车的供氢系统结构图。
20.图2是燃料电池动力域控制器架构图。
21.图3是本发明一实施例提供的一种燃料电池汽车的供氢系统分级控制架构图。
22.图4是本发明一实施例提供的一种燃料电池汽车的供氢系统控制策略流程图。
具体实施方式
23.图1示出了一种燃料电池汽车的供氢系统，该系统包括：储氢罐204；引射器215；给储氢罐204加氢气的加氢单元；供氢单元，其将储氢罐204内氢气减压后经过管道输送至引射器215一次流入口，以及将电堆220阳极未反应完的氢气经过循环管道供给到引射器215二次流入口，引射器215将所述一次流入口和所述二次流入口流入的氢气混合扩散至与电堆220连接的输出管道；监测所述供氢单元周围空气中氢气浓度的氢气泄漏监测单元；以及控制器，控制所述加氢单元给储氢罐204加氢，以及根据流量需求控制所述供氢单元向电堆220供应氢气，且在所述氢气泄漏监测单元监测到氢气浓度超过安全阈值时，停止向电堆220供应氢气，并对所述供氢单元管道内氢气进行吹扫。
24.所述加氢单元包括依次连接的加氢口201、缓冲室202、高压汇流室203，储氢罐204连接到高压汇流室203。
25.加氢口201由国家标准确定，与外接的加氢枪对接，完成氢气的注射，氢气在这个过程中会经历压力波动，因此设置缓冲室202，降低氢气流入储氢罐204的速度，防止因为摩擦生热而升高氢气的温度。
26.在缓冲室202到高压汇流室203之间设置单向阀，防止充氢完成后氢气的逆向流动。
27.在储氢罐204上安装压力传感器、温度传感器，随时监测储氢罐204中氢气状态，当达到储氢罐204氢气加满的压力阈值时，所述单向阀关闭，停止对储氢罐204加氢，从而完成整个加氢过程。
28.在高压汇流室203上安装第一泄压阀205和第一排气管206，并在四周布置所述氢气泄漏监测单元(如氢气浓度监测仪)，当空气中的氢气浓度大于安全阈值时(空气中氢气浓度达到40000
?
750000ppm遇到火源就会爆炸)，启动车辆警示灯，第一泄压阀205开启，储氢罐204供气阀门关闭，第一排气管206迅速将汇流室203内的少量氢气排出，降低空气中氢气的浓度，保护汽车安全。
29.储氢罐204提供的氢气经过两次减压后传递给引射器215，但不限定于此。
30.高压汇流室203依次通过球阀207、一级减压阀209、电磁阀212、二级减压阀213、直径可调阀门208、氢气流速控制泵214与引射器215所述一次流入口连接。一级减压阀209和电磁阀212之间的连接管道上安装有第二泄压阀210和第二排气管211。所述控制器根据流量需求控制直径可调阀门208开度和氢气流速控制泵214内叶轮转速。
31.球阀207与汽车的启动键串联，当汽车启动时，球阀207开启，此时储氢罐204内的氢气开始输出供氢。
32.球阀207后面接入一级减压阀209，对氢气进行第一次减压，随后接入第二泄压阀210和第二排气管211。
33.在第二泄压阀210后面连接电磁阀212，当所述氢气泄漏监测单元监测到直径可调阀门208到球阀207之间的管道出现氢气泄漏的情况时，第二泄压阀210开启，直径可调阀门208和球阀207关闭，封闭部分管道并将管道内的少部分氢气排出，快速切断氢气供应并降低空气中氢气的浓度。
34.电磁阀212后连接二级减压阀213，实现对氢气的二次减压。
35.直径可调阀门208集成了电磁阀和流量控制的作用，既能控制阀门的开启和关闭，也能控制阀门直径(开度)从而控制氢气的流量。
36.氢气经减压后进入直径可调阀门208、流速控制泵214，通过控制氢气流速控制泵214叶轮的转速达到控制氢气流速的目的，叶轮速度的大小由控制电压的大小所决定，所述控制器提供叶轮控制电压信号。
37.氢气流速控制泵214与直径可调阀门208进行协调配合，在满足所需氢气流量的同时，也要保证直径可调阀门208压强不能过大，防止对阀门产生损坏，直径可调阀门208开度由控制电压大小决定，所述控制器提供控制电压信号。
38.具有确定流量的氢气流入引射器215中。如上所述，一次流由储氢罐204供给，二次流由阳极未反应完的氢气经过循环管道供给。
39.根据公式v代表需求功率下电堆220所需氢气流量，v
circulate
代表二次流循环的氢气流量，d代表直径可调阀门208阀门的直径，可以连续变化，v代表由氢气流速控制泵214控制的一次流氢气的流速。
40.所述控制器通过功率需求计算得到v，在引射器215所述二次流入口设置流量传感
器，实时监测二次流的流量，相减后得到一次流所需氢气流量。
41.电堆220中存在没有反应完的氢气，如果汽车所需功率越大，则电堆220阳极所需的氢气量越多，设定相应的过量系数，剩余没有反应完的氢气量也相应增多。
42.没有反应完的氢气中含有阴极渗透到阳极的水，利用汽水分离装置221以冷凝的方式将氢气与水分离，分离后的氢气作为二次流从进入引射器215，在混合室内与储氢罐204供给的一次流混合，混合后的气体再经过冷却通道进入扩散室，经扩散室扩散到与电堆220连接的输出管道。
43.在进入电堆220前，控制气体温度在最适宜的温度范围内，因此在扩散室后安装加热器(可以是电热丝)216，调节氢气的温度。
44.在加热器216后安装压力监测传感器217、温度监测传感器218，对最终流入电堆220的气体进行状态监测，当满足供应条件后，电磁阀219开启。
45.汽水分离装置221分离后的液态水从尾排阀223排出。为适应极寒的天气情况，尾排阀223四周安装加热装置222，当外界环境温度低于0℃时，加热装置222开启，对尾排水加热，防止尾排阀223中的水冷凝结冰将其堵塞。
46.如图2所示，本发明所述燃料电池汽车的供氢系统的控制器属于动力域控制器结构中的部分，符合汽车结构按功能分块的架构思想，在燃料电池汽车域控制器中还包含dc/dc转换器、制动能量回收、燃料电池电堆控制器、空气供给控制器、蓄电池控制器等多个动力域相关的控制器，各控制器独立完成各自的工作的同时，也能通过can总线实现信号传输和跨控制器的控制。
47.如图3、图4所示，所述控制器内部实现分级控制，考虑到氢气属于危险爆炸性气体，那么本发明在所述控制器中设置监测氢气泄漏的传感器以及控制氢气泄漏风险的部件为一级控制对象，包括氢气浓度监测仪、警报灯、储氢罐204供气阀门、第一泄压阀205、球阀207、直径可调阀门208、第二泄压阀210、电磁阀219，212等。
48.在所述控制器中设置向电堆220的实施供氢的部件及传感器为二级控制对象，包括监测引射器流量的流量传感器、直径可调阀门208、氢气流速控制泵214、加热器216、压力监测传感器217、温度监测传感器218、电磁阀219，212等
49.当控制器达到了一级的安全标准，再实施向电堆220的供氢控制工作，利用这种分级控制能够保证整个氢气供应系统的安全性。技术特征：
1.一种燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，包括：引射器(215)；供氢单元，其将储氢罐(204)内氢气减压后经过管道输送至引射器(215)一次流入口，以及将电堆(220)阳极未反应完的氢气经过循环管道供给到引射器(215)二次流入口，引射器(215)将所述一次流入口和所述二次流入口流入的氢气混合扩散至与电堆(220)连接的输出管道；氢气泄漏监测单元，监测所述供氢单元周围空气中氢气浓度；以及控制器，根据流量需求控制所述供氢单元向电堆(220)供应氢气，且在所述氢气泄漏监测单元监测到氢气浓度超过安全阈值时，停止向电堆(220)供应氢气，并对所述供氢单元管道内氢气进行吹扫。2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，还包括向储氢罐(204)内加氢的加氢单元，所述加氢单元包括依次连接的加氢口(201)、缓冲室(202)、单向阀、高压汇流室(203)，储氢罐(204)连接到高压汇流室(203)，储氢罐(204)上具有监测氢气状态的压力传感器、温度传感器，监测到储氢罐(204)氢气加满时，所述单向阀关闭。3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，高压汇流室(203)上安装第一泄压阀(205)和第一排气管(206)，所述氢气泄漏监测单元监测到空气中的氢气浓度大于安全阈值时，第一泄压阀(205)启动，储氢罐(204)供气阀门关闭，第一排气管(206)将高压汇流室(203)内的氢气排出。4.根据权利要求3所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，储氢罐(204)提供的氢气经过两次减压后传递给引射器(215)。5.根据权利要求4所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，高压汇流室(203)依次通过球阀(207)、一级减压阀(209)、电磁阀(212)、二级减压阀(213)、直径可调阀门(208)、氢气流速控制泵(214)与引射器(215)所述一次流入口连接，一级减压阀(209)和电磁阀(212)之间的连接管道上连接第二泄压阀(210)和第二排气管(211)，所述控制器根据流量需求控制直径可调阀门(208)开度和氢气流速控制泵(214)内叶轮转速。6.根据权利要求1
?
5任一项所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，引射器(215)和电堆(220)之间的所述输出管道上具有：控制氢气温度的加热器(216)；监测氢气压力和温度的压力监测传感器(217)、温度监测传感器(218)；以及电磁阀(219)；当压力监测传感器(217)、温度监测传感器(218)监测到流入电堆(220)的气体满足供应条件后，电磁阀(219)开启。7.根据权利要求6所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，电堆(220)阳极未反应完的氢气经过汽水分离装置(221)进行气液分离后供给到引射器(215)所述二次流入口，分离后的液态水从尾排阀(223)排出。8.根据权利要求7所述的燃料电池汽车的供氢系统，其特征在于，还包括在低温下对尾排阀(223)排出的液态水进行加热的加热装置(222)。
技术总结
公开了一种燃料电池汽车的供氢系统，包括：引射器(215)；供氢单元，其将储氢罐(204)内氢气减压后经过管道输送至引射器(215)一次流入口，以及将电堆(220)阳极未反应完的氢气经过循环管道供给到引射器(215)二次流入口，引射器(215)将所述一次流入口和所述二次流入口流入的氢气混合扩散至与电堆(220)连接的输出管道；氢气泄漏监测单元，监测所述供氢单元周围空气中氢气浓度；以及控制器，根据流量需求控制所述供氢单元向电堆(220)供应氢气，且在所述氢气泄漏监测单元监测到氢气浓度超过安全阈值时，停止向电堆(220)供应氢气，并对所述供氢单元管道内氢气进行吹扫。本发明能够根据负载变化调节供氢量，并具有对氢气泄漏的应急处理功能。处理功能。处理功能。
技术研发人员：陈奔 陈文尚 周彧 邓期昊 周浩然 孟凯
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2021.06.30
技术公布日：2021/10/8
声明：
“燃料电池汽车的供氢系统” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：武汉理工大学
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2024年12月06日 ~ 08日 
