一种船用燃料电池高压供氢系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种船用燃料电池高压供氢系统及控制方法。

背景技术

水路交通载运工具绿色化是水运行业的技术前沿和未来趋势。氢动力船舶基于燃料电池的氢能应用模式，兼顾能源高效利用、零排放、船舶舒适度提升，可以适应未来绿色船舶市场需求，并且具有广阔应用前景。在我国，船用储氢技术目前以高压储氢为主，船上高压供氢系统的布局方案主要参考车上高压供氢系统的布局方案，不完全满足船用的实际使用场景需求，船体在岸基加氢作业时船上供氢系统不能持续给燃料电池系统供氢，导致燃料电池系统不能正常工作，并且大容量的备用供氢系统成本高，不利于有效保障船体的续航。

发明内容

本发明目的在于提供一种船用燃料电池高压供氢系统及控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

首先本发明提供一种船用燃料电池高压供氢系统，包括：加氢模块；氢气缓冲瓶，其出口端与燃料电池系统连接；高压供氢模块，设有两个以上，所述高压供氢模块包括依次通过管道相连的加氢阀、高压氢瓶、减压阀、供氢阀，两个以上所述加氢阀的进口端同时与加氢模块的出口端连接，两个以上所述供氢阀的出料端同时与氢气缓冲瓶的进口端连接，在减压阀与供氢阀之间设有泄放接口，所述泄放接口连接有安全阀；泄放模块，包括泄放口、自动泄放阀、手动泄放阀，所述自动泄放阀、手动泄放阀和两个以上所述安全阀的出口端同时与泄放口连接，所述自动泄放阀、手动泄放阀的进口端同时连接于所述泄放接口。

本发明的有益效果是：在使用时，加氢模块连接加氢机，而加氢阀用于控制加氢模块与高压供氢模块的通断，而供氢阀用于控制高压供氢模块与氢气缓冲瓶的通断，根据不同的需求，可控制各个高压供氢模块处于供氢或者加氢中，让高压供氢模块交替地进行供氢和加氢，其中安全阀用于减压阀减压后压力过高时自动打开对外泄放氢气，自动泄放阀用于减压阀减压后压力过高且安全阀不能泄放时打开对外泄放氢气，起到保护燃料电池系统的作用；手动泄放阀用于氢瓶置换或检修时手动排放氢瓶或管路的氢气，本技术通过加氢模块分别与两个以上的高压供氢模块连接，再分别接入泄放模块与接入燃料电池系统，可以实现加氢、储氢、供氢、放氢的功能，共享部分零件，并可实现完整的保护机制。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述自动泄放阀、手动泄放阀的进口端与所述泄放接口之间设有泄放单向阀。泄放单向阀用于防止氢气逆流。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述高压氢瓶与减压阀之间设有高压传感器。高压传感器用于检测高压氢瓶出来的氢气压力，以及加氢时高压供氢模块的管道压力。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述减压阀与泄放接口之间设有中压传感器。中压传感器用于检测减压后的氢气压力。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述供氢阀与氢气缓冲瓶之间设有供氢单向阀。供氢单向阀用于防止氢气逆流。

作为上述技术方案的进一步改进，每个高压供氢模块并排连接有两个以上所述高压氢瓶。本方案设置两个以上高压氢瓶，可提高高压供氢模块的储氢量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氢气缓冲瓶设有供氢传感器。供氢传感器用于检测氢气缓冲瓶内的氢气压力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述加氢模块包括依次相连的加氢口、过滤器、加氢传感器、加氢单向阀。

通过加氢口与加氢机连接，过滤器可以过滤掉氢气的杂质，加氢传感器用于检测加氢机端的压力，监控加氢状态；加氢单向阀防止供氢系统的氢气逆流。

作为上述技术方案的进一步改进，所述高压氢瓶的瓶口连接有组合式瓶阀，组合式瓶阀连接于加氢阀、高压氢瓶、减压阀之间。

组合式瓶阀集成电磁阀、手动截止阀、手动泄放阀、限流阀、止回阀、过滤器、温度传感器、TPRD模块等，实现瓶内温度监控、温度保护、氢气过流保护、氢气正常充放、氢气手动泄放等功能。

此外本发明还提供一种适用于所述船用燃料电池高压供氢系统的控制方法，具体方法如下：

设定两个高压供氢模块，分别为第一高压供氢模块和第二高压供氢模块，其中一个为常用，另外一个为备用；

供氢过程：

当第一高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力大于第一阀值，第二高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力大于第二阀值，第二阀值高于第一阀值，则同时打开所有的高压氢瓶、供氢阀；

当第一高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力大于第一阀值，第二高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力小于等于第二阀值，第二阀值高于第一阀值，则打开第一高压供氢模块上的高压氢瓶、供氢阀，关闭第二高压供氢模块上的高压氢瓶、供氢阀；

当第一高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力小于等于第一阀值，第二高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力大于第二阀值或者第二高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力小于等于第二阀值，第二阀值高于第一阀值，则打开第二高压供氢模块上的高压氢瓶、供氢阀，关闭第一高压供氢模块上的高压氢瓶、供氢阀；

当第一高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力小于等于第一阀值，第二高压供氢模块上的高压氢瓶出口的压力小于等于第一阀值，停止供氢；

加氢过程：

当需要对第一高压供氢模块加氢时，打开第一高压供氢模块上的加氢阀，关闭第一高压供氢模块上的供氢阀、第二高压供氢模块上的加氢阀；

当需要对第二高压供氢模块加氢时，打开第二高压供氢模块上的加氢阀，关闭第二高压供氢模块上的供氢阀、第一高压供氢模块上的加氢阀；

在加氢过程中，两个高压供氢模块可交替、同时或停止进行供氢。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明所提供的船用燃料电池高压供氢系统，其一实施例的示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明的船用燃料电池高压供氢系统作出如下实施例：

本实施例的船用燃料电池高压供氢系统包括加氢模块100、氢气缓冲瓶500、泄放模块200和高压供氢模块。

其中高压供氢模块设置有两个以上，本实施例以两个高压供氢模块来阐述原理，在一些实施例中，可设置三个、四个或者五个高压供氢模块。本实施例的两个高压供氢模块分别为第一高压供氢模块300和第二高压供氢模块400。

如图1所示，本实施例的加氢模块100包括有加氢口110、过滤器120、加氢传感器130、加氢单向阀140，其中加氢口110与外设的加氢机相连，加氢口110通过管路连接过滤器120，通过加氢口110给高压供氢系统加氢，过滤器120可以过滤掉氢气的杂质，过滤器120通过管路连接加氢传感器130，加氢传感器130用于检测加氢机端的压力，监控加氢状态，加氢传感器130通过管路连接加氢单向阀140，加氢单向阀140防止供氢系统的氢气逆流，加氢单向阀140与三通管路连接，三通管路的一个分支接入第一高压供氢模块300，另一分支连接第二高压供氢模块400。

其中第一高压供氢模块300包括第一加氢阀310、第一高压氢瓶320、第一减压阀330、第一供氢阀340，第一加氢阀310、第一高压氢瓶320、第一减压阀330、第一供氢阀340依次通过管道连接，在第一减压阀330与第一供氢阀340之间设置有第一泄放接口350，所述第一泄放接口350连接有第一安全阀360。

其中，第一高压氢瓶320的瓶口安装有组合式的第一瓶阀321，第一瓶阀321为组合阀，第一瓶阀321内集成电磁阀、手动截止阀、手动泄放阀、限流阀、止回阀、过滤功能、温度传感器、TPRD模块等，实现瓶内温度监控、温度保护、氢气过流保护、氢气正常充放、氢气手动泄放等功能。

本实施例中的每个高压供氢模块设置有两个高压氢瓶。

在所述第一高压氢瓶320与第一减压阀330之间设置有第一高压传感器370，第一高压传感器370用于检测高压氢瓶出来的氢气压力，以及加氢时高压供氢模块的管道压力。

在所述第一减压阀330与泄放接口之间设有第一中压传感器380，第一中压传感器380用于检测减压后的氢气压力。

第一供氢阀340的出料端与氢气缓冲瓶500的进口端连接，在所述第一供氢阀340与氢气缓冲瓶500之间设置有第一供氢单向阀390，第一供氢单向阀390用于防止氢气逆流。

所述氢气缓冲瓶500设置有供氢传感器510，供氢传感器510用于检测氢气缓冲瓶500内的氢气压力，氢气缓冲瓶500的出口端与燃料电池系统连接。

而泄放模块200包括泄放口210、自动泄放阀220、手动泄放阀230，自动泄放阀220、手动泄放阀230、第一安全阀360的出口端一起与泄放口210连接，自动泄放阀220、手动泄放阀230的进口端就一起连接于第一泄放接口350。

在自动泄放阀220、手动泄放阀230的进口端与第一泄放接口350之间设置有第一泄放单向阀351，第一泄放单向阀351用于防止氢气逆流。

两个高压供氢模块在结构上相同，进而第二高压供氢模块400也包括有第二加氢阀410、第二高压氢瓶420、第二减压阀430、第二供氢阀440、第二瓶阀421、第二高压传感器470、第二中压传感器480、第二供氢单向阀490、第二泄放接口450、第二安全阀460、第二泄放单向阀451。

上述的供氢阀、加氢阀均为电动电磁阀。

在使用时，加氢模块100连接加氢机，而加氢阀用于控制加氢模块100与高压供氢模块的通断，而供氢阀用于控制高压供氢模块与氢气缓冲瓶500的通断，根据不同的需求，可控制各个高压供氢模块处于供氢或者加氢中，让高压供氢模块交替地进行供氢和加氢，其中安全阀用于减压阀减压后压力过高时自动打开对外泄放氢气，自动泄放阀220用于减压阀减压后压力过高且安全阀不能泄放时打开对外泄放氢气，起到保护燃料电池系统的作用；手动泄放阀230用于氢瓶置换或检修时手动排放氢瓶或管路的氢气，本技术通过加氢模块100分别与两个以上的高压供氢模块连接，再分别接入泄放模块200与接入燃料电池系统，可以实现加氢、储氢、供氢、放氢的功能，共享部分零件，并可实现完整的保护机制。

高压供氢系统通过控制单元HMS进行控制，控制方法如下，下面以两个高压供氢模块组成的高压供氢系统进行说明，把第一高压供氢模块300定义为常用高压供氢模块，第二高压供氢模块400定义为备用高压供氢模块，燃料电池系统工作时，高压供氢系统按如下步骤进行供氢。

供氢过程：

正常情况下，高压供氢系统的所有瓶阀、电磁阀、手动阀处于常闭状态；

步骤一：HMS检测所有压力传感器信号正常，所有温度信号正常，所有电磁阀体状态正常，则高压供氢系统自检通过；

步骤二：HMS根据是否接收到加氢机的加氢信号、加氢传感器130、第一高压传感器370、第二高压传感器470的信号进行控制供氢系统的动作；

步骤三：当HMS未接收到加氢机的加氢信号，接到开阀供氢指令；HMS控制所述第一瓶阀321、第二瓶阀421同时打开1秒并关闭；

步骤四：

当HMS未接收到加氢机的加氢信号，第一高压传感器370的压力大于第一阀值，第二高压传感器470的压大于第二阀值，第二阀值高于第一阀值，则同时打开第一瓶阀321、第二瓶阀421、第一供氢阀340、第二供氢阀440，第一高压供氢模块300和第二高压供氢模块400同时给燃料电池系统供氢；

当HMS未接收到加氢机的加氢信号，第一高压传感器370的压力大于第一阀值，第二高压传感器470的压力小于等于第二阀值，第二阀值高于第一阀值，则同时打开第一瓶阀321、第一供氢阀340，且第二瓶阀421、第二供氢阀440保持关闭，只有第一高压供氢模块300给燃料电池系统供氢；

当HMS未接收到加氢机的加氢信号，第一高压传感器370的压力小于等于第一阀值，第二高压传感器470的压力大于第二阀值，第二阀值高于第一阀值，则同时打开第二瓶阀421、第二供氢阀440，且保持关闭第一瓶阀321、第一供氢阀340，只有第二高压供氢模块400给燃料电池系统供氢；

当HMS未接收到加氢机的加氢信号，第一高压传感器370的压力小于等于第一阀值，第二高压传感器470的压力小于等于第二阀值且大于第一阀值，第二阀值高于第一阀值，则同时打开第二瓶阀421、第二供氢阀440，且保持关闭第一瓶阀321、第一供氢阀340，并发送启用备用气源提醒信号，只有第二高压供氢模块400给燃料电池系统供氢；

当HMS未接收到加氢机的加氢信号，第一高压传感器370的压力小于等于第一阀值，第二高压传感器470的压力小于等于第一阀值，则第一瓶阀321、第二瓶阀421、第一供氢阀340、第二供氢阀440保持关闭，第一高压供氢模块300和第二高压供氢模块400均不给燃料电池系统供氢；

当HMS接收到加氢机的加氢信号，判断当前高压供氢系统模块的加氢状态，若第一加氢阀310为打开，第二加氢阀410为关闭状态，判断第一高压供氢模块300处于加氢状态，则第二高压传感器470的压力大于第一阀值，则同时打开第二瓶阀421、第二供氢阀440，且保持关闭第一瓶阀321、第一供氢阀340，只有第二高压供氢模块400给燃料电池系统供氢；若第一加氢阀310为关闭第二加氢阀410为打开状态，判断第二高压供氢模块400处于加氢状态，则同时打开第一瓶阀321、第一供氢阀340，且第二瓶阀421、第二供氢阀440保持关闭，只有第一高压供氢模块300给燃料电池系统供氢；

步骤五：接到停止供氢指令，同时关闭第一瓶阀321、第二瓶阀421、第一供氢阀340、第二供氢阀440。

加氢过程控制：

当HMS接收到加氢机的加氢信号，判断当前高压供氢模块的供氢状态后采取对应方法：

若第一高压供氢模块300和第二高压供氢模块400同时给燃料电池系统供氢，则停止第一高压供氢模块300供氢，给第一高压供氢模块300加氢，第二高压供氢模块400保持供氢，关闭第一瓶阀321、第一供氢阀340，打开第一加氢阀310，同时第二瓶阀421、第二供氢阀440保持打开，并发送第一高压供氢模块300加氢准备就绪信息，当第一高压供氢模块300氢气加满，关闭第一加氢阀310，加氢机给加氢枪泄压，加氢传感器130的压力小于第三阀值时，切换为第一高压供氢模块300供氢，停止第二高压供氢模块400供氢，给第二高压供氢模块400加氢，先打开第一瓶阀321、第一供氢阀340，再关闭第二瓶阀421、第二供氢阀440，打开第二加氢阀410，并发送第二高压供氢模块400加氢准备就绪信息，当第二高压供氢模块400氢气加满，关闭第二加氢阀410；

若第一高压供氢模块300处于给燃料电池系统供氢状态和第二高压供氢模块400处于不给燃料电池系统供氢状态，且第二高压传感器470的压力大于第一阀值，则切换为给第一高压供氢模块300加氢，第二高压供氢模块400供氢，先打开第二瓶阀421、第二供氢阀440，再关闭第一瓶阀321、第一供氢阀340，打开第一加氢阀310，并发送第一高压供氢模块300加氢准备就绪信息，当第一高压供氢模块300氢气加满，关闭第一加氢阀310，加氢机给加氢枪泄压，加氢传感器130的压力小于第三阀值时，切换为第一高压供氢模块300供氢，停止第二高压供氢模块400供氢，给第二高压供氢模块400加氢，先打开第一瓶阀321、第一供氢阀340，再关闭第二瓶阀421、第二供氢阀440，打开第二加氢阀410，并发送第二高压供氢模块400加氢准备就绪信息，当第二高压供氢模块400氢气加满，关闭第二加氢阀410；

若第一高压供氢模块300处于给燃料电池系统供氢状态和第二高压供氢模块400处于不给燃料电池系统供氢状态，且第二高压传感器470的压力小于第一阀值，则给第二高压供氢模块400加氢，第一高压供氢模块300保持供氢，第一瓶阀321、第一供氢阀340保持打开，第二瓶阀421、第二供氢阀440保持关闭，打开第二加氢阀410，并发送第二高压供氢模块400加氢准备就绪信息，当第二高压供氢模块400氢气加满，关闭第二加氢阀410，加氢机给加氢枪泄压，加氢传感器130的压力小于第三阀值时，切换为第二高压供氢模块400供氢，停止第一高压供氢模块300供氢，给第一高压供氢模块300加氢，先打开第二瓶阀421、第二供氢阀440，再关闭第一瓶阀321、第一供氢阀340，打开第一加氢阀310，并发送第一高压供氢模块300加氢准备就绪信息，当第一高压供氢模块300氢气加满，关闭第一加氢阀310；

若第一高压供氢模块300处于不给燃料电池系统供氢状态和第二高压供氢模块400处于给燃料电池系统供氢状态，则给第一高压供氢模块300加氢，第二高压供氢模块400保持供氢，第一瓶阀321、第一供氢阀340保持关闭，打开第一加氢阀310，同时第二瓶阀421、第二供氢阀440保持打开，并发送第一高压供氢模块300加氢准备就绪信息，当第一高压供氢模块300氢气加满，关闭第一加氢阀310，加氢机给加氢枪泄压，加氢传感器130的压力小于第三阀值时，切换为第一高压供氢模块300供氢，停止第二高压供氢模块400供氢，给第二高压供氢模块400加氢，先打开第一瓶阀321、第一供氢阀340，再关闭第二瓶阀421、第二供氢阀440，打开第二加氢阀410，并发送第二高压供氢模块400加氢准备就绪信息，当第二高压供氢模块400氢气加满，关闭第二加氢阀410；

若第一高压供氢模块300和第二高压供氢模块400均处于不给燃料电池系统供氢状态，则先给第一高压供氢模块300加氢，再给第二高压供氢模块400加氢，第一瓶阀321、第二瓶阀421、第一供氢阀340、第二供氢阀440保持关闭，打开第一加氢阀310，并发送第一高压供氢模块300加氢准备就绪信息，当第一高压供氢模块300氢气加满，关闭第一加氢阀310，加氢机给加氢枪泄压，加氢传感器130的压力小于第三阀值时，切换为第二高压供氢模块400加氢，打开第二加氢阀410，并发送第二高压供氢模块400加氢准备就绪信息，当第二高压供氢模块400氢气加满，关闭第二加氢阀410。

不仅实现船上高压供氢系统的备份功能，而且可以满足船体在岸基作业或加氢时，燃料电池系统正常工作的氢气供氢需求，备用供氢系统能根据需求转化为常用供氢系统，提高供氢系统的利用率。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。