一种高利用率储氢系统的制作方法

1.本发明属于发动机燃料存储与供给技术领域，具体涉及一种高利用率储氢系统。


背景技术：

2.氢在燃烧过程中与氧气反应只产生水蒸气排放，相对传统燃油车能大大降低对空气的污染。因此，氢能源作为未来新能源之一，在能量领域中,占据着极其重要的地位。
3.由于氢气有着较广的爆炸极限(4％～75.6％)，为了保证氢内燃机的高效可靠的运转，通常采用的缸内直喷的方式进行燃气喷射，因此对上游压力有一定的要求。随着储氢罐内氢气的消耗，储氢罐内压力降低；同时氢气由液态变为气态会吸收热量，从而导致温度降低,又使得储氢罐内的压力进一步降低，从而影响氢气的喷射。因此，氢气的释放量与存储量通常有一定差距。
4.专利《一种新能源汽车用储氢罐及其使用方法》(专利号：202210502963.6)介绍了一种储氢罐。该专利通过下面两种方式来提升氢气利用率：
5.1、通过在储氢罐内安装弹簧与气囊，当储氢罐内压力上升时，压缩弹簧和气囊；当释放氢气时，弹簧回弹从而保持罐内压力；
6.2、在加氢时，通过冷却水实现对罐内进行降温，从而提升存储容量。
7.但是该专利依然存在一下缺陷：
8.1、在储氢罐内安装弹簧等机构，提升了储氢罐制造成本以及维修成本；
9.2、由于储氢罐内压力较大，弹簧必须有较高的刚度，而气囊是一个柔性机构，两者配合易失效；
10.3、加氢时必须保证发动机运转才可能对罐内进行降温，有安全风险。


技术实现要素：

11.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种高利用率储氢系统，有效提升储氢罐内氢气利用率。
12.本发明采用的技术方案是：一种高利用率储氢系统，包括第一储氢罐、第二储氢罐和发动机；所述第一储氢罐包括储气腔体；第二储氢罐的出气口与储气腔体的进气口相连通；储气腔体的出气口与发动机的进气口相连通；还包括控制器；所述储气腔体内设置有第一压力传感器；所述第一传感器与控制器的信号输入端电连接；还包括气泵，所述气泵的进气口与第二储氢罐的出气口相连通，所述气泵的出气口与储气腔体的进气口相连通；所述气泵的信号输入端与控制器的信号输出端电连接。本发明通过第一压力传感器实时检测第一储氢罐内的气压并将其反馈至控制器。当控制器判定第一储氢罐的内部气压低于设定值时，则通过启动气泵，使作为备用氢气储蓄罐的第二储氢罐向第一储氢罐充气，保证第一储氢罐的内部气压保持在设定值以上。
13.上述技术方案中，第二储氢罐内部设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器与控制器的信号输入端电连接。第二压力传感器用于实时检测第二储氢罐内部的气压并将
其反馈至控制器，控制器基于第二储氢罐和第一储氢罐内部的气压，选择性控制气泵。
14.上述技术方案中，还包括单向阀，其中单向阀的进气端与第二储氢罐的出气口相连通，单向阀的出气端与储气腔体的进气口相连通。本发明通过设置单向阀，减少控制器和气泵的工作，当第二储氢罐内的气压大于第一储氢罐内的气压时，可以实现第二储氢罐向第一储氢罐的自动充气，减少计算成本，保证充气过程顺畅性。
15.上述技术方案中，还包括第一三通；第一三通的第一连接端与第二储氢罐的出气口相连通；第一三通的第二连接端与气泵的进气口相连通；第一三通的第三连接端与单向阀的进气端相连通。本发明通过设置三通结构，优化管路的整体布置。
16.上述技术方案中，还包括第二三通；第二三通的第一连接端与储气腔体的进气口相连通；第二三通的第二连接端与气泵的出气口相连通；第二三通的第三连接端与单向阀的出气端相连通。本发明通过设置三通结构，优化管路的整体布置。
17.上述技术方案中，第二储氢罐的进气口用于连通加氢设备。本发明采用第二储氢罐作为第一储氢罐的中介结构，强化了充气过程的安全性。且由于单向阀的设置，保证充气过程中氢气可以直接从气压更高的第二储氢罐进入第一储氢罐。
18.上述技术方案中，还包括发动机、发动机冷却系统；所述第一储氢罐还包括进水腔体，所述进水腔体环绕于储气腔体的外侧；所述进水腔体与储气腔体相互封闭隔离；发动机的冷却水出水口与进水腔体的进水口相连通；进水腔体的出水口与发动机冷却系统的进水口相连通；发动机冷却系统的出口与发动机的冷却水进水口相连通；所述发动机的冷却水的出水口与发动机冷却系统的进水口相连通；所述发动机的冷却水出水口与进水腔体的进水口相连通的管路上设置有通断阀；所述通断阀的信号输入端与控制器的信号输出端电连接。本发明通过设置进水腔体，使得加热后的冷却水可以从发动机出水口进入进水腔体为第一储氢罐中的气体进行加热。该种加热方式用于当第二储氢罐内部的气压低于安全值，控制器接通断阀，采用由发动机加热后的冷却水为第一储氢罐的内部气体加热，使第一储氢罐内的气压上升，提高储氢罐内气体的利用率。
19.上述技术方案中，还包括第三三通；所述第三三通的第一连接端通过管道与发动机的冷却水出水口相连通；所述第三三通的第二连接端通过管道与进水腔体的进水口相连通；所述第三三通的第三连接端通过管道与发动机冷却系统的进水口相连通。本发明通过设置三通结构，优化管路的整体布置。
20.上述技术方案中，所述发动机的冷却水出水口与第三三通的第一连接端相连通的管路上设置有水泵，有效提高冷却液在循环效率。
21.上述技术方案中，所述通断阀设置于进水腔体的进水口与第三三通的第二连接端相连通的管路上。本发明合理优化通断阀的布置方式，保证系统的整体安全性。
22.本发明的有益效果是：本发明在加气过程中，采用第二储氢罐作为第一储氢罐的中介结构，强化了充气过程的安全性；且由于单向阀的设置，保证充气过程中氢气可以直接从气压更高的第二储氢罐进入第一储氢罐，保证了有效加气的同时提高了加气过程的整体安全性。本发明在用气过程中，随着发动机的运转，第一储氢罐内的压力逐渐降低，此时第二储氢罐的压力大于第一储氢罐内压力，氢气会由第二储氢罐经单向阀进入第一储氢罐，最终使得两者气压相同，该过程无需控制器的额外操作，简单便捷且能自动化实现，有效保证第一储氢罐内部气压满足要求的同时，节约了控制器的整体计算成本。当第一储氢罐和
第二储氢罐的内部气量均偏小，且第一储氢罐气压大于第二储氢罐时即单向阀自动关闭时，控制器驱动气泵工作，将第二储氢罐内部的气体抽入第一储氢罐，保证发动机的氢气有效供应。当第一储氢罐的内部其他大于压力限值或者第二储氢罐的内部气压低于安全值时，气泵不工作，保证两个储氢罐的安全。当第二储氢罐无法向第一储氢罐提供氢气，且第一储氢罐中气压不足时，控制器驱动水泵和通断阀作用，采用冷却水为第一储氢罐加热，从而增大第一储氢罐中气压，提高储氢罐中的氢气利用率。本发明通过第一压力传感器和第二传感器监测第一储氢罐和第二储氢罐中的气压，控制器除了可以根据两者的气压驱动气泵和通断阀，还可以根据两者的气压差值判定单向阀和管路以及气泵是否存在故障，实时检测管路系统的整体故障状态，进一步强化整体系统的安全性。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为本发明的第一储气罐的示意图；
25.图3为本发明的第二储气罐的示意图；
26.图4为本发明的电路连接示意图。
27.1-第二储氢罐；2-单向阀；3-气泵；4-第一储氢罐；5-通断阀；6-水泵；7-第一三通；8-第二三通；9-第三三通；11-第二储氢罐的进气口；12-第二储氢罐的出气口；13-第二压力传感器；41-第一储氢罐的外壁；42-第二储氢罐内壁；43-第一储氢罐的出气口；44-第一储氢罐的出水口；45-第一储氢罐的入水口；46-第一储氢罐进气口；47-第一压力传感器。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
29.如图1所示，本发明一种高利用率储氢系统，包括第一储氢罐4、第二储氢罐1和发动机；所述第一储氢罐4包括储气腔体；第二储氢罐1的出气口与储气腔体的进气口相连通；储气腔体的出气口与发动机的进气口相连通；还包括控制器；所述储气腔体内设置有第一压力传感器47；所述第一传感器与控制器的信号输入端电连接；还包括气泵3，所述气泵3的进气口与第二储氢罐1的出气口相连通，所述气泵3的出气口与储气腔体的进气口相连通；所述气泵3的信号输入端与控制器的信号输出端电连接。本发明通过第一压力传感器47实时检测第一储氢罐4内的气压并将其反馈至控制器。当控制器判定第一储氢罐4的内部气压低于设定值时，则通过启动气泵3，使作为备用氢气储蓄罐的第二储氢罐1向第一储氢罐4充气，保证第一储氢罐4的内部气压保持在设定值以上。
30.如图2所示，所述第一储氢罐4还包括进水腔体，所述进水腔体环绕于储气腔体的外侧；所述进水腔体与储气腔体相互封闭隔离。所述第一储氢罐4的内壁42形成密闭的腔体结构。所述第一储氢罐4的内壁42外侧包覆有外壁41，所述内壁42和41相互配合形成密闭的腔体结构即为进水腔体。第一储氢罐4的进气口46和出气口43与储气腔体相连通，但是与进水腔体相隔离。第一储氢罐4的进水口46和出水口44与进水腔体相连通，但是与储气腔体相隔离，有效保证第一储气罐的整体安全性。
31.如图3，第二储氢罐1内部设置有第二压力传感器13，所述第二压力传感器13与控
制器的信号输入端电连接。第二压力传感器13用于实时检测第二储氢罐1内部的气压并将其反馈至控制器，控制器基于第二储氢罐1和第一储氢罐4内部的气压，选择性控制气泵3。
32.具体地，还包括单向阀2，其中单向阀2的进气端与第二储氢罐1的出气口相连通，单向阀2的出气端与储气腔体的进气口相连通。本发明通过设置单向阀2，减少控制器和气泵3的工作，当第二储氢罐1内的气压大于第一储氢罐4内的气压时，可以实现第二储氢罐1向第一储氢罐4的自动充气，减少计算成本，保证充气过程顺畅性。
33.具体地，还包括第一三通7；第一三通7的第一连接端与第二储氢罐1的出气口相连通；第一三通7的第二连接端与气泵3的进气口相连通；第一三通7的第三连接端与单向阀2的进气端相连通。本发明通过设置三通结构，优化管路的整体布置。
34.具体地，还包括第二三通8；第二三通8的第一连接端与储气腔体的进气口相连通；第二三通8的第二连接端与气泵3的出气口相连通；第二三通8的第三连接端与单向阀2的出气端相连通。本发明通过设置三通结构，优化管路的整体布置。
35.具体地，第二储氢罐1的进气口用于连通加氢设备。本发明采用第二储氢罐1作为第一储氢罐4的中介结构，强化了充气过程的安全性。且由于单向阀2的设置，保证充气过程中氢气可以直接从气压更高的第二储氢罐1进入第一储氢罐4。
36.具体地，还包括发动机、发动机冷却系统；发动机的冷却水出水口与进水腔体的进水口相连通；进水腔体的出水口与发动机冷却系统的进水口相连通；发动机冷却系统的出口与发动机的冷却水进水口相连通；所述发动机的冷却水的出水口与发动机冷却系统的进水口相连通；所述发动机的冷却水出水口与进水腔体的进水口相连通的管路上设置有通断阀5；所述通断阀5的信号输入端与控制器的信号输出端电连接。本发明通过设置进水腔体，使得加热后的冷却水可以从发动机出水口进入进水腔体为第一储氢罐4中的气体进行加热。该种加热方式用于当第二储氢罐1内部的气压低于安全值，控制器接通断阀5，采用由发动机加热后的冷却水为第一储氢罐4的内部气体加热，使第一储氢罐4内的气压上升，提高储氢罐内气体的利用率。
37.具体地，还包括第三三通9；所述第三三通9的第一连接端通过管道与发动机的冷却水出水口相连通；所述第三三通9的第二连接端通过管道与进水腔体的进水口相连通；所述第三三通9的第三连接端通过管道与发动机冷却系统的进水口相连通。本发明通过设置三通结构，优化管路的整体布置。
38.具体地，所述发动机的冷却水出水口与第三三通9的第一连接端相连通的管路上设置有水泵6，有效提高冷却液在循环效率。
39.具体地，所述通断阀5设置于进水腔体的进水口与第三三通9的第二连接端相连通的管路上。本发明合理优化通断阀5的布置方式，保证系统的整体安全性。
40.本具体实施例的使用过程如下：
41.加气时：
42.将第二储氢罐1的进气口11与加氢设备连接，氢气通入第二储氢罐1，并由第二储氢罐1的出气口12—单向阀2—第一储氢罐的进气口46进入第一储氢罐4，此时气泵3与通断阀5处于非工作状态。当第二储氢罐1压力达到存储压力限值pmax时，停止加气。
43.用气时：
44.情形1——储氢罐气量充足，即：第二储氢罐1内压力值大于保证发动机氢气稳定
喷射的最小压力p1。
45.随着发动机的运转，第一储氢罐4内的压力逐渐降低，此时第二储氢罐1的压力大于第一储氢罐4内压力，氢气会由第二储氢罐1经单向阀2进入第一储氢罐4，最终使得两者气压相同，此时控制器控制气泵3以及通断阀5处于非工作状态。
46.情形2——储氢罐气量偏少，即：第二储氢罐1内压力小于限值p1，且第一储氢罐4内压力小于限值p2，且第二储氢罐1内压力大于最小安全压力p0。(其中p2＞p1＞p0)
47.处于此情形下，控制器控制气泵3开始工作，将第二储氢罐1内的氢泵入第一储氢罐4，从而提高第一储氢罐4内的压力。当第一储氢罐4内压力大于存储压力限值pmax时或者第二储氢罐1内压力小于安全压力p0时，控制器控制气泵3停止工作。此时第一储氢罐4压力大于第二储氢罐1的压力，但由于气泵以及单向阀的作用，氢气无法从第一储氢罐4回流第二储氢罐1内，从而第一储氢罐4以较高压力向发动机供气。
48.情形3——储氢罐气量很少，即：第二储氢罐1内压力小于等于安全压力p0，且第一储氢罐4内压力小于限值p2。即此时，第二储氢罐1无法继续向第一储氢罐4供气了。
49.控制器控制通断阀5接通，发动机出口的热冷却水经水泵6加压后，经通断阀5进入第一储气罐的外壁41与内壁42间的进水腔体内，对储气腔体进行加热。经加热后第一储氢罐4内的压力上升，当第一储氢罐4内的压力大于设定压力时，控制器控制通断阀5断开。当第一储氢罐4内压力重新降低到p2以下时，控制器控制通断阀5重新接通，直至压力达到存储压力限值pmax。如此反复。
50.本具体实施例的故障诊断过程如下：
51.加气时，控制器接收到的第二压力传感器13与第一压力传感器47反馈的气压数值应相等。如果控制器判定第二压力传感器13与第一压力传感器47反馈至控制器的数值差值大于设定误差值，则判定单向阀或管路存在堵塞。
52.在用气时的情形1下，第二压力传感器13与第一压力传感器47反馈至控制器的数值应相等。如果控制器判定第二压力传感器13与第一压力传感器47反馈至控制器的数值差值大于设定误差值，则判定单向阀或管路存在堵塞。当气泵工作后，不进行此诊断，直至加气过程结束后，可重新进行诊断。
53.在用气时的情形2下，气泵3工作时，在规定时间t内，如果控制器判定第二压力传感器13与第一压力传感器47反馈至控制器的数值差值未大于限值，则判定泵损坏、管路堵塞或单向阀失效。
54.第二储氢罐1容量应大于第一储氢罐4的容量，且容量差异越大，其氢气利用率越高。
55.假设第二储氢罐1容量为v1，第一储氢罐4的容量为v2，则可用氢气为；
[0056][0057]
其利用率为:
[0058]
[0059]
因为p1＞p0，因此越大其利用率越大。
[0060]
现常用储氢罐压力为35mpa，以某氢气高压喷嘴为例，喷射压力需要10mpa。若采取传统100l储氢罐，当储氢罐内压力接近10mpa时，高压喷嘴就无法保证喷射精度正常喷射。即有氢气无法利用，整体利用率为
[0061]
若采用本具体实施例，第二储氢罐1仍为100l(35mpa)，额外配备10l(35mpa)的第一储氢罐4，则第二储氢罐1内的可利用的氢气为(假设第二储氢罐1内安全压力p0＝1个大气压＝0.1mpa)；第一储氢罐4内可利用的氢气为(不考虑加热的情况)；总可利用气量为99.7+2.9＝102.6l不考虑额外加热的情况下，利用率为102.6/(100+10)≈93.3％，考虑额外加热，则利用率将高于93.3％
[0062]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。