燃料电池的氢气储存回收利用系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池供氢装备技术领域，具体涉及一种燃料电池的氢气储存回收利用系统。


背景技术：

2.燃料电池车是电动车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用(非燃烧)直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，其中的燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此，从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆，具备绿色环保、加氢时间短、续航里程长等优点。
3.氢气的供给是燃料电池正常运行的核心因素之一，氢气供给功能主要由车辆中的储氢系统完成，常见的储氢系统之一为高压气态储氢系统。为了检验高压气态储氢系统中气瓶是否存在泄露，往往需要在高压气态储氢系统装车后在线下进行氮气保压，并在保压操作完成后进行氢气置换操作，氢气置换的目的是将气瓶内的氮气或空气替换成供燃料电池使用的氢气。气瓶中置换出的气体(含氢气)往往通过储氢系统中预设的排放口直接排放到大气中。
4.由于燃料电池对氢气纯度要求较高，需要多次置换(一般为3～5次，置换压力一般为充氢气至3～5mpa，放气至0.2～0.3mpa左右)，以保证气瓶中氢气的纯度。直接向外部环境中排放含有氢气的气体存在一定的安全隐患，若排气时操作不当造成氢气浓度过高或产生静电，都有可能引发燃烧、爆炸等安全事故，容易引发火灾难以控制，危险系数很高；同时，氢气的购买价格较为昂贵，也造成氢气的浪费，导致生产成本居高不下。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供一种燃料电池的氢气储存回收利用系统，旨在解决储氢系统的氢气置换操作危险性大，且氢气浪费较多的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.提供一种燃料电池的氢气储存回收利用系统，包括车用储氢单元和氢气回收单元；
8.所述车用储氢单元包括第一储氢模块、与所述第一储氢模块连通的加氢气路结构及与所述第一储氢模块连通的供给气路结构，所述供给气路结构的出气端与燃料电池单元连通，所述供给气路结构的出气端还形成有回收排气口，所述回收排气口处设有回收排气阀，所述回收排气阀的出气端连接有第一接头；
9.所述氢气回收单元包括第二储氢模块及与所述第二储氢模块的进气端连通的第二接头，所述第一接头与所述第二接头可拆卸连接。
10.在一种可能的实现方式中，所述第二储氢模块包括沿气体流向顺次串联的第一阀门、缓冲容置器、第二阀门和抽吸储氢器，所述第一阀门的进气端与所述第二接头连接。
11.在一种可能的实现方式中，所述抽吸储氢器包括压缩机及与所述压缩机的出气端连接的第二储罐，所述压缩机的进气端与所述第二阀门的出气端连通。
12.在一种可能的实现方式中，所述缓冲容置器的进气端设有第二压力传感器。
13.在一种可能的实现方式中，所述第二接头与所述第二储氢模块之间设有第二单向阀。
14.在一种可能的实现方式中，所述第一储氢模块包括第一储罐和设于所述第一储罐罐口处的第三阀门，所述加氢气路结构的出气端和所述供给气路结构的进气端均与所述第三阀门连通。
15.在一种可能的实现方式中，所述第三阀门上还集成有第一压力传感器，所述第三阀门具有泄压排放口。
16.在一种可能的实现方式中，所述加氢气路结构包括沿气流方向顺次串联的加氢接口、过滤器和第一单向阀，所述第一单向阀的出气端与所述第一储氢模块连通。
17.在一种可能的实现方式中，所述供给气路结构包括减压阀和第三压力传感器，所述减压阀的进气端与所述第一储氢模块连通，所述第三压力传感器的测试端位于所述减压阀的下游，所述回收排气阀的进气端位于所述第三压力传感器的下游。
18.在一种可能的实现方式中，所述减压阀为薄膜式减压阀，其均压管处设有安全阀。
19.与现有技术相比，本技术实施例所示的方案中，车用储氢单元安装在成品车辆中，其中的第一储氢模块能储存氢气，并通过供给气路结构向燃料电池单元供给氢气，氢气置换的过程是通过加氢气路结构用于向第一储氢模块中充入氢气，并通过临近供给气路结构出气端的回收排气口将置换出的气体排出至车用储氢单元；排出车用储氢单元的气体通过第二储氢模块进行回收，由于回收气体中氢气浓度较低，虽然不能满足燃料电池的使用需求，但可以将回收气体用于储能、发电或其他用途。本技术的燃料电池的氢气储存回收利用系统中，车用储氢单元与氢气回收单元之间通过第一接头和第二接头可拆卸连接，可以实现仅在生产或检修的过程中使用氢气回收单元，其余工况下车用储氢单元和氢气回收单元，不占用车辆内部空间，也能满足氢气回收的需求，既能减少氢气的浪费，还提高的使用安全性。
附图说明
20.图1为本实用新型实施例采用的车用储氢单元的结构示意图；
21.图2为本实用新型实施例通过加氢气路结构进行加氢的气流示意图；
22.图3为本实用新型实施例向燃料电池单元供给氢气的气流示意图；
23.图4为本实用新型实施例将气体通过回收排气口进行排放的气流示意图；
24.图5为本实用新型实施例采用的氢气回收单元的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.100、车用储氢单元；
27.110、第一储氢模块；111、第一储罐；112、第三阀门；112a、泄压排放口；113、第一压力传感器；120、加氢气路结构；121、加氢接口；122、过滤器；123、第一单向阀；130、供给气路结构；131、减压阀；132、第三压力传感器；133、安全阀；140、回收排气阀；150、第一接头；
28.200、氢气回收单元；
29.210、第二储氢模块；211、第一阀门；212、缓冲容置器；213、第二阀门；214、抽吸储氢器；2141、压缩机；2142、第二储罐；215、第二压力传感器；220、第二接头；230、第二单向阀；
30.300、燃料电池单元。
具体实施方式
31.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
32.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
33.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”、“高”、“低”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，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或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。
34.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。
35.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
36.请一并参阅图1至图5，现对本实用新型提供的燃料电池的氢气储存回收利用系统进行说明。所述燃料电池的氢气储存回收利用系统，包括车用储氢单元100和氢气回收单元200；车用储氢单元100包括第一储氢模块110、与第一储氢模块110连通的加氢气路结构120及与第一储氢模块110连通的供给气路结构130，供给气路结构130的出气端与燃料电池单元300连通，供给气路结构130的出气端还形成有回收排气口，回收排气口处设有回收排气阀140，回收排气阀140的出气端连接有第一接头150；氢气回收单元200包括第二储氢模块210及与第二储氢模块210的进气端连通的第二接头220，第一接头150与第二接头220可拆卸连接。
37.本实施例中，第一接头150和第二接头220的具体实施方式包括但不限于快插式管接头、螺纹密封接头等，能满足管道对接且可拆卸的装配需求即可。
38.与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池的氢气储存回收利用系统中，车用储氢单元100安装在成品车辆中，其中的第一储氢模块110能储存氢气，并通过供给气路结构130向燃料电池单元300供给氢气，氢气置换的过程是通过加氢气路结构120用于向第一储氢模块110中充入氢气，并通过临近供给气路结构130出气端的回收排气口将置换出的气体排出至车用储氢单元200；排出车用储氢单元100的气体通过第二储氢模块210进行回收，由于回收气体中氢气浓度较低，虽然不能满足燃料电池的使用需求，但可以将回收气体用于
储能、发电或其他用途。本实施例的燃料电池的氢气储存回收利用系统中，车用储氢单元100与氢气回收单元200之间通过第一接头150和第二接头220实现可拆卸连接，可以实现仅在生产或检修的过程中使用氢气回收单元200，其余工况下车用储氢单元100和氢气回收单元200，不占用车辆内部空间，也能满足氢气回收的需求，既能减少氢气的浪费，还提高的使用安全性。
39.在一些实施例中，上述第二储氢模块210可以采用如图5所示结构。参见图5，第二储氢模块210包括沿气体流向顺次串联的第一阀门211、缓冲容置器212、第二阀门213和抽吸储氢器214，第一阀门211的进气端与第二接头220连接。其中，抽吸储氢器214能提供气体流通的动力；缓冲容置器212的具体实施方式包括但不限于缓冲罐。在开始使用时，第二阀门213关闭且第一阀门211开启，置换出的气体自然流动至缓冲容置器212中；当缓冲容置器212内的气压与车用储氢单元100的气压相等时，置换气体不再向缓冲容置器212内流动，此时关闭第一阀门211并开启第二阀门213，气体向抽吸储氢器214中流动；在缓冲容置器212大致被抽空后，第二阀门213再次关闭且第一阀门211再次开启，循环前述步骤。采用本实施例的方案后，置换出的气体是在缓冲容置器212与车用储氢单元100之间压差的作用下自然流通的，气流平缓，保证氢气在第一储氢模块110内充分流通，避免出现氢气未充分流通就被抽吸走的问题，进一步减少氢气的用量，提升置换效率；同时，通过缓冲容置器212实现气体缓存，使抽吸储氢器214实现间断性的气体抽吸和存储，使气体能缓慢充斥抽吸储氢器214的内腔，避免因连续抽气导致抽吸储氢器214之内产生紊流，最终影响气流顺畅性的问题。
40.在一些实施例中，上述抽吸储氢器214可以采用如图5所示结构。参见图5，抽吸储氢器214包括压缩机2141及与压缩机2141的出气端连接的第二储罐2142，压缩机2141的进气端与第二阀门213的出气端连通。压缩机2141是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械，为气体流通提供动力，保证气体能从缓冲容置器212中充分转移至第二储罐2142内，抽吸储氢器214整体结构简单紧凑，且工作性能可靠。
41.在一些实施例中，缓冲容置器212的进气端设有第二压力传感器215，用以感测缓冲容置器212的气压，如图5所示。本实施例实现第二压力传感器215的外置，降低传感器设置难度，方便检修更换第二压力传感器215，继而有利于降低生产及维护成本。
42.一些实施例参见图5，第二接头220与第二储氢模块210之间设有第二单向阀230，使得气体只能从第二接头220流向第二储氢模块210，避免出现气体反流而影响置换气体的回收进程。
43.本实施例中，由于氢气回收单元200的拆装次数较为频繁，在第二接头220与第二单向阀230之间、第二单向阀230与第一阀门211之间、第一阀门211与缓冲容置器212之间、缓冲容置器212与第二阀门213之间、第二阀门213与压缩机2141之间及压缩机2141与第二储罐2142之间的连接管道均采用金属软管，能有效避免连接管道磨损的问题，延长连接管道的使用寿命，降低氢气回收单元200的使用成本。
44.在一些实施例中，上述第一储氢模块110可以采用如图1至图4所示结构。参见图1至图4，第一储氢模块110包括第一储罐111和设于第一储罐111罐口处的第三阀门112，加氢气路结构120的出气端和供给气路结构130的进气端均与第三阀门112连通。本实施例将第三阀门112集成于第一储罐111的罐口处，缩短气流路径，保持较高的结构紧凑性。
45.本实施例中，为了避免经加氢气路结构120通入的氢气在未充分充斥第一储罐111之前排出，可在第三阀门112上设置分别与第一储罐111内腔连通的进气口和出气口，其中的进气口与加氢气路结构120连接，出气口与供给气路结构130连接；在进气口处设置延伸至第一储罐111末端(远离罐口一端)的进气管，可以使通入的氢气从第一储罐111的末端逐渐扩散至罐口处再排出，提高气体置换效率。
46.一些实施例参见图1制图4，第三阀门112上还集成有第一压力传感器113，第三阀门112具有泄压排放口112a。第一压力传感器113为高压传感器，主要用于感测第一储罐111内的气压，若第一储罐111内气压过高，则通过泄压排放口112a进行泄压排气，避免第一储罐111爆炸的风险，提升使用安全性。
47.在一些实施例中，上述加氢气路结构120可以采用如图1至图4所示结构。参见图1至图4，加氢气路结构120包括沿气流方向顺次串联的加氢接口121、过滤器122和第一单向阀123，第一单向阀123的出气端与第一储氢模块110连通。
48.一些实施例采用如图1至图4所示结构，供给气路结构130包括减压阀131和第三压力传感器132，减压阀131的进气端与第一储氢模块110连通，第三压力传感器132的测试端位于减压阀131的下游，回收排气阀140的进气端位于第三压力传感器132的下游。本实施例的减压阀131能将较高的气压自动降低到所需的低气压，并且，当高压侧的气压波动时，能起自动调节作用，使低压侧的气压稳定，保证供给气路结构130内气流平稳，且适于与氢气回收单元200对接排气。
49.在一些实施例中，减压阀131为薄膜式减压阀，其均压管处设有安全阀133，如图1至4所示。薄膜式减压阀的调压、稳压动作平稳，适用于水和非腐蚀性液体介质的管路，适合本技术的工作中环境；另外，安全阀133用以防止减压阀131因超压而发生损坏，当压力略高于减压阀131的正常工作压力时，安全阀133自动开启，使压力下降，当压力略低于减压阀131的正常工作压力时，安全阀133自动关闭，停止排放流体并保持密封。需要说明的是，薄膜式减压阀和安全阀133的具体结构可参考现有的减压阀和安全阀的阀门结构，在此不再赘述。
50.本技术燃料电池的氢气储存回收利用系统的具体实施方式举例如下：
51.第一阀门211、第二阀门213、第三阀门112、回收排气阀140和减压阀131均为电磁阀，第一压力传感器113、第二压力传感器215、第三压力传感器132、压缩机2141、第一阀门211、第二阀门213、第三阀门112和回收排气阀140分别与控制单元通讯连接。
52.具体的氢气置换过程如下：
53.1)将第一接头150与第二接头220相互连接，通过第三阀门112保持第一储罐111与加氢气路结构120和供给气路结构130的连通；
54.2)加氢接口121连接氢气气源，通过加氢气路结构120向第一储罐111内充气；
55.3)控制单元控制回收排气阀140及第一阀门211开启，第二阀门213保持关闭，由于供给气路结构130中气压高于缓冲容置器212，车用储氢单元100通过回收排气口向缓冲容置器212中充气；
56.4)获取第二压力传感器215和第三压力传感器132所感测的气压数值，若两个气压数值相等，则判断车用储氢单元100的气压与缓冲容置器212的气压相同，通过控制单元关闭第一阀门211，并开启第二阀门213和压缩机2141，压缩机2141将缓冲容置器212中的气体
抽送至第二储罐2142内；
57.5)获取第二压力传感器215所感测的气压数值，若该气压数值低于预设低值，则判断缓冲容置器212被抽空，此时通过控制单元开启第一阀门211，并关闭第二阀门213和压缩机2141；
58.6)重复上述步骤1)～5)，直至第三压力传感器132所感测的气压数值达到预设标准值(例如0.2～0.3mpa)，停止向缓冲容置器212中充入氢气，单次置换放气过程即成；
59.7)重复若干次(例如3～5次)置换放气过程，直至第一储罐111内的氢气浓度达到标准浓度值。
60.本技术燃料电池的氢气储存回收利用系统还可通过第三阀门112进行泄压，具体过程如下：
61.通过第一压力传感器113获取第一储罐111内的气压数值，若该数值高于预设高值，则通过控制单元控制第三阀门112开启泄压排放口112a进行泄压；直至第一压力传感器113感测的气压数值不高于预设高值时，关闭泄压排放口112a。
62.需要说明的是，上述的控制单元可以是车载电脑，也可以是可移动的控制终端(例如笔记本电脑等)，在此不做唯一限定。
63.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。