一种液氢储供系统集成调节装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液氢储供系统集成调节装置及方法，涉及氢能技术领域。本发明专利技术采用简单结构、易于加工的音速喷嘴组件替代现用的调节阀和流量计等大体积部件，且不受下游动力装置、管路等因素的影响，实现氢介质的流量调节和参数测量的耦合统一；通过仲正氢转化吸热的特性最大限度地降低音速喷嘴下游压力，确保对应的音速喷嘴达到临界状态，保证实际流量参数的计算精度；利用氢气温度大于转回温度时节流升温、小于转回温度时节流降温的特性，设计了多种冷却剂循环方式，提升系统整体的能量利用效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种液氢储供系统集成调节装置及方法


[0001]本专利技术涉及氢能
，特别涉及一种液氢储供系统集成调节装置及方法。

技术介绍

[0002]航空业每年的碳排放占全球碳排放的2％，其中99％的碳排放源于飞机燃油消耗。氢能是未来航空飞机最可能采用的动力能源。氢能源用于飞机的主要方式之一是将其作为氢空燃料电池的动力来源，可广泛用于小型支线飞机及无人机领域。由于气氢密度较小，作为航空飞机的主要能量来源时，倾向于采用液氢作为机载存储形式，液氢体积是同等质量航空煤油的十倍，还有稳定性好、安全性高的特点，能够在各种环境中实现对大量氢的存储及输送。然而，在低温液态储氢技术中，液氢储罐及其配套部件的重量等占很大比例，严重影响了整体系统的储重比参数，因此，储氢系统轻量化成为重要指标，可降低储氢系统成本，提高产品竞争力和载具行驶里程。液氢储供系统往往需要同时实现氢流量的调节和测量，但常规配套的调节阀、流量计等部件体积和重量较大，难以实现液氢储供系统轻量化的设计目标。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种液氢储供系统集成调节装置及方法，利用并联运行的音速喷嘴实现氢流量调节操作和测量操作的深度集成，通过仲正氢转化吸热的特性令音速喷嘴达到临界状态，实现流经音速喷嘴的氢流量计算，并根据氢节流特性，设计多种运行模式，实现系统整体高效热集成。
[0004]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种液氢储供系统集成调节装置，包括氢管路、液氢储罐、液氢汽化器、氢气换热器、集成调节器、冷却器、氢空燃料电池、冷却剂循环管路和空气管路；
[0006]所述液氢汽化器、氢气换热器和冷却器的内部分别具有能构成换热接触的第一通道和第二通道；
[0007]所述氢管路依次连接液氢储罐、液氢截止阀、液氢泵、液氢汽化器的第一通道、氢气换热器的第一通道、集成调节器、冷却器的第二通道和氢空燃料电池，用于将液氢储罐内部的液氢介质汽化后输送至氢空燃料电池进行反应；
[0008]所述集成调节器内部包括高压容器和低压容器；氢管路在集成调节器内部首先连接高压容器，随后分为若干条并联支路，每条支路上分别依次连接有控制阀和音速喷嘴，若干条支路随后共同连接低压容器；
[0009]所述高压容器上设置有用于内部状态参数测量的温度传感器和压力传感器，低压容器内设置有仲正氢转化器；仲正氢转化器用于通过仲正氢转化吸热的特性，降低低压容器内部的压力；
[0010]所有控制阀、温度传感器和压力传感器均通过电源信号线与控制器相连，控制器
能通过温度传感器和压力传感器的输入信号参数以控制各控制阀的启停；
[0011]所述空气管路依次连接空气压缩机、空气截止阀、液氢汽化器的第二通道和氢空燃料电池，用于将外部空气经过压缩和冷却后输送至氢空燃料电池进行反应；
[0012]所述冷却剂循环管路前端分为两条支路，第一支路流经第一冷却阀，第二支路依次流经第二冷却阀和冷却器的第一通道，随后两条支路合并，且依次流经氢气换热器的第二通道、冷却剂循环泵和氢空燃料电池的冷却通道后与冷却剂循环管路前端连通并构成循环回路；冷却剂循环管路用于利用低温氢气的冷量对氢空燃料电池进行热管理，提升氢空燃料电池的运行效率。
[0013]作为优选，所述液氢储罐、液氢泵、液氢截止阀和液氢汽化器外部均包裹有用于减少漏热的绝热材料。
[0014]作为优选，所述冷却剂循环管路内填充有冷却剂。
[0015]作为优选，所述集成调节器内部设有三条并联支路，第一支路依次连接第一电控阀和第一音速喷嘴，第二支路依次连接第二电控阀和第二音速喷嘴，第三支路依次连接第三电控阀和第三音速喷嘴。
[0016]作为优选，所述控制阀为电控阀或集成化的机械式阀门。
[0017]作为优选，所述仲正氢转化器为涂敷有仲正氢转化催化剂的金属多孔介质。
[0018]作为优选，所述高压容器和低压容器前后的压差可使各音速喷嘴内部的氢气达到临界状态。
[0019]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述液氢储供系统集成调节装置的运行方法，其根据进入各音速喷嘴的氢气温度数值分为S1和S2两个模式，具体如下：
[0020]S1、当高压容器内部的氢气温度小于氢气的转回温度190K，此时经过音速喷嘴的高压氢气会降温，具有较大的冷量回收潜力，因此进行如下操作：
[0021]S101、打开液氢截止阀和各控制阀，启动液氢泵；液氢储罐内部的液氢介质依次经过液氢截止阀和液氢泵并进入液氢汽化器的第一通道，吸收空气热量后转变为高压氢气；高压氢气随后进入氢气换热器的第一通道，吸收冷却剂热量进一步升温，但使出口温度小于氢气的转回温度190K，随后进入集成调节器进行流量调节和测量；
[0022]S102、从氢气换热器流出的高压氢气进入高压容器后分别进入各条支路中，在支路中分别通过控制阀和音速喷嘴，由高压氢气转变为低温低压氢气，随后各条支路汇合并进入低压容器，在仲正氢转化器的作用下，低压氢气进行仲正氢转化并进一步降温，使低压容器内部的压力进一步降低，各音速喷嘴达到临界状态；
[0023]S103、通过温度传感器和压力传感器测量得到高压容器内部氢气的温度T0和压力P0参数，并通过电源信号线将其代入控制器，控制器通过质量流量公式获取单个音速喷嘴的氢流量数值，并根据氢空燃料电池的用氢量需求调整各控制阀的启停，进而实现氢流量调节和测量的集成；
[0024]所述质量流量公式如下：
[0025][0026]其中，C
d
为流出系数，C
r
为实际临界流函数，A
t
为音速喷嘴面积，R
m
为常数；
[0027]从集成调节器流出的低压氢气沿着氢管路进入冷却器的第二通道，吸收冷却剂热
量后再次升温，接着进入氢空燃料电池进行反应；
[0028]S104、打开空气截止阀，启动空气压缩机；外部空气进入空气管路并依次经过空气压缩机和空气截止阀，随后进入液氢汽化器的第二通道，吸收液氢冷量后降温，随后进入氢空燃料电池进行反应；
[0029]S105、打开第二冷却阀，启动冷却剂循环泵；来自氢空燃料电池冷却通道的高温冷却剂经过第二冷却阀后进入冷却器的第一通道进行预冷，随后进入氢气换热器的第二通道，吸收低温氢气冷量进行再次冷却，转变为低温冷却剂，随后经过冷却剂循环泵再次进入氢空燃料电池的冷却通道以对氢空燃料电池进行降温，提升氢空燃料电池的运行效率；
[0030]S2、当高压容器内部的氢气温度大于等于氢气的转回温度190K，此时经过音速喷嘴的高压氢气会升温，冷量回收潜力较小，因此进行如下操作：
[0031]S201、打开液氢截止阀和各控制阀，启动液氢泵；液氢储罐内部的液氢介质依次经过液氢截止阀和液氢泵并进入液氢汽化器的第一通道，吸收空气热量后转变为高压氢气；高压氢气随后进入氢气换热器的第一通道，吸收冷却剂热量进一步升温，但使出口温度大于等于氢气的转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，包括氢管路(1)、液氢储罐(2)、液氢汽化器(5)、氢气换热器(6)、集成调节器(7)、冷却器(17)、氢空燃料电池(18)、冷却剂循环管路(23)和空气管路(27)；所述液氢汽化器(5)、氢气换热器(6)和冷却器(17)的内部分别具有能构成换热接触的第一通道和第二通道；所述氢管路(1)依次连接液氢储罐(2)、液氢截止阀(3)、液氢泵(4)、液氢汽化器(5)的第一通道、氢气换热器(6)的第一通道、集成调节器(7)、冷却器(17)的第二通道和氢空燃料电池(18)，用于将液氢储罐(2)内部的液氢介质汽化后输送至氢空燃料电池(18)进行反应；所述集成调节器(7)内部包括高压容器(8)和低压容器(15)；氢管路(1)在集成调节器(7)内部首先连接高压容器(8)，随后分为若干条并联支路，每条支路上分别依次连接有控制阀和音速喷嘴，若干条支路随后共同连接低压容器(15)；所述高压容器(8)上设置有用于内部状态参数测量的温度传感器(20)和压力传感器(21)，低压容器(15)内设置有仲正氢转化器(16)；仲正氢转化器(16)用于通过仲正氢转化吸热的特性，降低低压容器(15)内部的压力；所有控制阀、温度传感器(20)和压力传感器(21)均通过电源信号线(19)与控制器(22)相连，控制器(22)能通过温度传感器(20)和压力传感器(21)的输入信号参数以控制各控制阀的启停；所述空气管路(27)依次连接空气压缩机(28)、空气截止阀(29)、液氢汽化器(5)的第二通道和氢空燃料电池(18)，用于将外部空气经过压缩和冷却后输送至氢空燃料电池(18)进行反应；所述冷却剂循环管路(23)前端分为两条支路，第一支路流经第一冷却阀(24)，第二支路依次流经第二冷却阀(25)和冷却器(17)的第一通道，随后两条支路合并，且依次流经氢气换热器(6)的第二通道、冷却剂循环泵(26)和氢空燃料电池(18)的冷却通道后与冷却剂循环管路(23)前端连通并构成循环回路；冷却剂循环管路(23)用于利用低温氢气的冷量对氢空燃料电池(18)进行热管理，提升氢空燃料电池(18)的运行效率。2.根据权利要求1所述的一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，所述液氢储罐(2)、液氢泵(4)、液氢截止阀(3)和液氢汽化器(5)外部均包裹有用于减少漏热的绝热材料。3.根据权利要求1所述的一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，所述冷却剂循环管路(23)内填充有冷却剂。4.根据权利要求1所述的一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，所述集成调节器(7)内部设有三条并联支路，第一支路依次连接第一电控阀(9)和第一音速喷嘴(12)，第二支路依次连接第二电控阀(10)和第二音速喷嘴(13)，第三支路依次连接第三电控阀(11)和第三音速喷嘴(14)。5.根据权利要求1所述的一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，所述控制阀为电控阀或集成化的机械式阀门。6.根据权利要求1所述的一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，所述仲正氢转化器(16)为涂敷有仲正氢转化催化剂的金属多孔介质。7.根据权利要求1所述的一种液氢储供系统集成调节装置，其特征在于，所述高压容器(8)和低压容器(15)前后的压差可使各音速喷嘴内部的氢气达到临界状态。
8.一种利用权利要求1～7任一所述液氢储供系统集成调节装置的运行方法，其特征在于，根据高压容器(8)内部的氢气温度数值分为S1和S2两个模式，具体如下：S1、当高压容器(8)内部的氢气温度小于氢气的转回温度190K，此时经过音速喷嘴的高压氢气会降温，具有较大的冷量回收潜力，因此进行如下操作：S101、打开液氢截止阀(3)和各控制阀，启动液氢泵(4)；液氢储罐(2)内部的液氢介质依次经过液氢截止阀(3)和液氢泵(4)并进入液氢汽化器(5)的第一通道，吸收空气热量后转变为高压氢气；高压氢气随后进入氢气换热器(6)的第一通道，吸收冷却剂热量进一步升温，但使出口温度小于氢气的转回温度190K，随后进入集成调节器(7)进行流量调节和测量；S102、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，宋建军，申娟，杨晓阳，阎玮，张平，杨行，杨括，陈永，陈静，李山峰，瞿骞，
申请(专利权)人：北京航天试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：