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CN110040007A - 基于固体氢的巴士动力系统 - Google Patents

基于固体氢的巴士动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固体氢的巴士动力系统，包括：氢气发生装置、水路系统、固体氢供输系统、空气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、动力系统以及控制系统。本发明以固体氢为原料，仅需在干燥、常温常压条件下存储和运输，成本低，无需高成本制造的高压储氢罐；氢气发生装置中固体氢和水反应产生高纯氢，即产即用；本发明中氢气发生反应在常温常压下进行，且通过控制系统能控制氢气发生装置内生成的高纯氢的量，且能实现燃料电池系统产生的电量的控制；本发明利用燃料电池系统为汽车提供动力，具有无污染、噪声低、效率高等优点；本发明中燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，用于与固体氢反应，能实现水资源循环利用，节约资源。

Description

基于固体氢的巴士动力系统
技术领域
本发明涉及动力系统领域，特别涉及一种基于固体氢的巴士动力系统。
背景技术
目前巴士的动力是由传统汽油或者电池来提供。新能源汽车有不同的类型，其中，纯电动汽车几乎是“零污染”，无需汽油、柴油等燃料，采用电力系统驱动，不排放尾气，不污染环境和空气，但续航里程短、充电时间长、充电难等问题。而燃料电池汽车不仅能够在燃料上实现对燃油的完全替代，而且具有“零排放”、能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。氢气作为燃料电池的主要燃料，却也存在储存困难、运输不安全等问题，固体氢具有储运方便、安全等优势，其利用金属氢化物与水反应生成氢气，固体氢可应用到巴士的动力系统领域，但现在缺少能将固体氢应用到巴士的动力系统中的成熟技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于固体氢的巴士动力系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，包括：氢气发生装置、水路系统、固体氢供输系统、空气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、动力系统以及控制系统；
所述氢气发生装置中通过固体氢与水反应生成氢气；
所述燃料电池系统以所述固体氢氢气发生装置产生的氢气为原料与氧气反应发电并生成水，发出的电供给所述动力系统；
所述水路系统用于为所述氢气发生装置提供原料水，以及回收所述燃料电池系统产生的水；
所述固体氢供输系统用于为所述氢气发生装置输送固体氢；
所述DC/DC转换器用于将所述燃料电池系统发出的电进行升压后供给所述动力系统。
优选的是，所述水路系统包括水箱和水泵，所述水泵用于将所述水箱中存储的水注入所述氢气发生装置；所述燃料电池系统产生的水通过管道输送至所述水箱。
优选的是，所述固体氢供输系统包括固体氢箱和固体泵，所述固体泵用于将所述固体氢箱中存储的固体氢输送至所述氢气发生装置。
优选的是，所述氢气发生装置上设置有第一入口、第二入口和氢气出口，固体氢和水分别从所述第一入口和第二入口进入，所述氢气发生装置内反应产生的氢气从所述氢气出口排出，并输送至所述燃料电池系统。
优选的是，所述空气发生装置上设置有空气入口和空气出口，其用于将外部空气吸入，压缩后输送至所述燃料电池系统。
优选的是，所述控制系统用于根据巴士的动力需求，控制所述固体泵的供固体氢量、控制所述水泵的供水量以及控制所述空气发生装置排出的空气量与压力，从而控制所述燃料电池系统的发电量。
优选的是，所述动力系统包括电机，所述电机接收所述燃料电池系统输送的电能，为巴士提高动力。
优选的是，所述水箱的出水口通过管道与所述水泵连接，所述水泵再通过管道连接至所述固体氢氢气发生装置；
所述出水口上设置有复合过滤网，所述复合过滤网包括滤网本体及依次设置在所述滤网本体上的无纺布层、苯乙烯-二乙烯苯交联吸附树脂滤网层、聚丙烯纤维层、玻璃纤维层和纳米碳纤维布层。
优选的是，所述固体氢为氢化镁；所述氢气发生装置、固体氢箱和水箱采用316不锈钢制成，且所述316不锈钢中的成分的质量分数满足以下要求：碳≤0.08、硅≤1.00、锰≤2.00、硫≤0.030、磷≤0.035、铬：16.00～18.50、镍：10.00～14.00、钼：2.00～3.00。
本发明的有益效果是：
本发明的基于固体氢的巴士动力系统，以固体氢(氢气与金属反应生成的固体金属氢化物)为原料，仅需在干燥、常温常压条件下存储和运输，成本低，无需高成本制造的高压储氢罐；本发明中氢气发生装置中固体氢和水反应产生高纯氢，即产即用；本发明中氢气发生反应在常温常压下进行，且通过控制系统能控制氢气发生装置内生成的高纯氢的量，且能实现燃料电池系统产生的电量的控制；本发明利用燃料电池系统为汽车提供动力，具有无污染、噪声低、效率高等优点；本发明中燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，用于与固体氢反应，能实现水资源循环利用，节约资源。
附图说明
图1为本发明的基于固体氢的巴士动力系统的原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实施例的一种基于固体氢的巴士动力系统，包括：氢气发生装置、水路系统、固体氢供输系统、空气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、动力系统以及控制系统；
所述氢气发生装置中通过固体氢与水反应生成氢气；
所述燃料电池系统以所述固体氢氢气发生装置产生的氢气为原料与氧气反应发电并生成水，发出的电供给所述动力系统；作为巴士的动力来源，产生的余热用作巴士的供热能源，产生的水循环至水箱；
所述水路系统用于为所述氢气发生装置提供原料水，以及回收所述燃料电池系统产生的水；
所述固体氢供输系统用于为所述氢气发生装置输送固体氢；
所述DC/DC转换器用于将所述燃料电池系统发出的电进行升压后供给所述动力系统。
其中，所述水路系统包括水箱和水泵，所述水泵用于将所述水箱中存储的水注入所述氢气发生装置；所述燃料电池系统产生的水通过管道输送至所述水箱，燃料电池系统产生的水作为固体氢氢气发生装置所需的原料水重复利用。
其中，所述固体氢供输系统包括固体氢箱和固体泵，所述固体泵用于将所述固体氢箱中存储的固体氢输送至所述氢气发生装置。固体氢箱用于存储固体氢，其为常温常压盒，固体氢是通过氢气与金属反应生成的固体金属氢化物(如镁基氢化物)。
其中，所述氢气发生装置上设置有第一入口、第二入口和氢气出口，固体氢和水分别从所述第一入口和第二入口进入，所述氢气发生装置内反应产生的氢气从所述氢气出口排出，并输送至所述燃料电池系统。
其中，所述空气发生装置上设置有空气入口和空气出口，其用于将外部空气吸入，压缩后输送至所述燃料电池系统。
其中，所述控制系统用于根据巴士的动力需求，控制所述固体泵的供固体氢量、控制所述水泵的供水量以及控制所述空气发生装置排出的空气量与压力，从而控制所述燃料电池系统的发电量。
其中，所述动力系统包括电机，所述电机接收所述燃料电池系统输送的电能，为巴士提高动力。
在一种实施例中，具体原理为：通过水泵和固体泵将水和固体氢输送至所述氢气发生装置，水泵和固体泵均为电动式，输送量可方便控制。水和固体氢反应产生氢气，如以下化学式XH2+2H2O→X(OH)2+2H2或XH3+3H2O→X(OH)3+3H2；产生的氢气进入燃料电池系统。空气发生装置中，其将空气吸入、压缩，排出进入燃料电池系统。该空气发生装置由控制系统控制，通过变频调节其气量。在燃料电池系统中，氢气和空气中的氧气反应，如化学式H2＝＝2H++2e-和2H++1/2O2+2e-＝＝H2O，所表示的反应，由此产生电能。燃料电池系统产生的电能通过DC/DC变换器转变成高压直流电，作为巴士的动力来源。
本发明以固体氢(氢气与金属反应生成的固体金属氢化物)为原料，仅需在干燥、常温常压条件下存储和运输，成本低，无需高成本制造的高压储氢罐；氢气发生装置中固体氢和水反应产生高纯氢，即产即用；本发明中氢气发生反应在常温常压下进行，且通过控制系统能控制氢气发生装置内生成的高纯氢的量，且能实现燃料电池系统产生的电量的控制；本发明利用燃料电池系统为汽车提供动力，具有无污染、噪声低、效率高等优点；本发明中燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，用于与固体氢反应，能实现水资源循环利用，节约资源。
在一种进一步优选的实施例中，所述水箱的出水口通过管道与所述水泵连接，所述水泵再通过管道连接至所述固体氢氢气发生装置；所述燃料电池系统通过水管连接至水箱的进水口，以将所述燃料电池系统产生的水输送至所述水箱。
所述出水口上设置有复合过滤网，所述复合过滤网包括滤网本体及依次设置在所述滤网本体上的无纺布层、苯乙烯-二乙烯苯交联吸附树脂滤网层、聚丙烯纤维层、玻璃纤维层和纳米碳纤维布层。滤网本体采用不锈钢材质或塑料材质。
其中，无纺布层既具有一定的过滤作用，又能对内层形成保护。苯乙烯-二乙烯苯交联吸附树脂滤网层空隙率很大，对杂质吸附率高，且具有很好的机械强度，苯乙烯-二乙烯苯交联吸附树脂滤网层为采用苯乙烯-二乙烯苯交联吸附树脂材料制成的网状膜层。聚丙烯纤维层有极好的吸附效果，且吸附速率高，能有效过滤掉水中的杂质颗粒。玻璃纤维层能进一步提高过滤性能和机械强度。纳米碳纤维布层能进一步进行深层过滤，且能有效增强复合过滤网的机械强度，延长其使用寿命。
水箱中的水经复合过滤网过滤后由水泵抽吸至所述固体氢氢气发生装置，与其中的固体氢反应，产生氢气。复合过滤网用于将水中的杂质颗粒进行高效过滤，防止杂质颗粒进入固体氢氢气发生装置中影响固体氢与水的反应，也能避免杂质颗粒进入水泵而影响水泵的工作。水箱中回收燃料电池系统产生的水，长期使用时，水箱中容易混入杂质颗粒(水垢、铁锈等)，杂质颗粒进入固体氢氢气发生装置中时，容易降低固体氢与水的反应反应速率，还容易影响氢气发生装置控制器对固体氢氢气发生装置内反应速率的控制。复合过滤网通过各过滤层配合，能对水箱的出水进行有效过滤，能极大减小进入水泵和固体氢氢气发生装置中的水中的杂质颗粒，保证固体氢氢气发生装置的正常工作。
在一种优选的实施例中，所述固体氢为镁基氢化物氢化镁(MgH2)，氢化镁通过反应Mg+H2→MgH2制得，具体过程为先切削Mg铸锭得到Mg薄片，然后对Mg薄片进行压缩、成型，最后与氢气进行反应；进一步优选的，所述氢化镁(MgH2)具备以下技术参数特点：
氢化镁(MgH2)密度：1.2g/cm3
氢化镁(MgH2)质量能量密度2.145万J/Kg
氢化镁(MgH2)体积能量密度3217.5万J/m3。
本系统使用环境中需要长期与水溶液和氢气接触，各装置主体材质(如氢气发生装置、固体氢箱和水箱)所使用的材料需要满足一定的耐腐蚀性和防氢脆性能，在一种优选的实施例中，使用316不锈钢(但不限于316不锈钢)，耐腐蚀性和防氢脆性能满足要求的材料均可使用。
进一步优选的，本发明中使用的316不锈钢的成分(质量百分比％)满足：
碳C：≤0.08；硅Si：≤1.00；锰Mn：≤2.00；硫S：≤0.030；磷P：≤0.035；铬Cr：16.00～18.50；镍Ni：10.00～14.00；钼Mo：2.00～3.00；余量为铁。
其中，316不锈钢增加了钼元素,可以显著提高其耐晶间腐蚀、氧化物应力腐蚀的能力以及减少焊接时的热裂倾向性，其还有良好的耐氯化物腐蚀的性能。316不锈钢添加的钼元素还可提高防氢脆性能。
进一步优选的，本发明中，与固体氢反应的水质满足以下要求：
电导率mS/m，(25℃)：≤0.01；
比电阻(MΩ.cm.)(25℃)：≥10；
可氧化物质mg/L：0；
吸光度(254mm，1cm光程)：≤0.001；
蒸发残渣(105±2℃)，mg/L：0；
可溶性硅mg/L：＜0.01；
铁离子ppm：≤0.2；
氯离子ppm：≤0.2。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (9)

1.一种基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，包括：氢气发生装置、水路系统、固体氢供输系统、空气发生装置、燃料电池系统、DC/DC转换器、动力系统以及控制系统；
所述氢气发生装置中通过固体氢与水反应生成氢气；
所述燃料电池系统以所述固体氢氢气发生装置产生的氢气为原料与氧气反应发电并生成水，发出的电供给所述动力系统；
所述水路系统用于为所述氢气发生装置提供原料水，以及回收所述燃料电池系统产生的水；
所述固体氢供输系统用于为所述氢气发生装置输送固体氢；
所述DC/DC转换器用于将所述燃料电池系统发出的电进行升压后供给所述动力系统。
2.根据权利要求1所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述水路系统包括水箱和水泵，所述水泵用于将所述水箱中存储的水注入所述氢气发生装置；所述燃料电池系统产生的水通过管道输送至所述水箱。
3.根据权利要求2所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述固体氢供输系统包括固体氢箱和固体泵，所述固体泵用于将所述固体氢箱中存储的固体氢输送至所述氢气发生装置。
4.根据权利要求3所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述氢气发生装置上设置有第一入口、第二入口和氢气出口，固体氢和水分别从所述第一入口和第二入口进入，所述氢气发生装置内反应产生的氢气从所述氢气出口排出，并输送至所述燃料电池系统。
5.根据权利要求4所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述空气发生装置上设置有空气入口和空气出口，其用于将外部空气吸入，压缩后输送至所述燃料电池系统。
6.根据权利要求5所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述控制系统用于根据巴士的动力需求，控制所述固体泵的供固体氢量、控制所述水泵的供水量以及控制所述空气发生装置排出的空气量与压力，从而控制所述燃料电池系统的发电量。
7.根据权利要求6所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述动力系统包括电机，所述电机接收所述燃料电池系统输送的电能，为巴士提高动力。
8.根据权利要求2-7中任意一项所述的基于固体氢的巴士动力系统，其特征在于，所述水箱的出水口通过管道与所述水泵连接，所述水泵再通过管道连接至所述固体氢氢气发生装置；
所述出水口上设置有复合过滤网，所述复合过滤网包括滤网本体及依次设置在所述滤网本体上的无纺布层、苯乙烯-二乙烯苯交联吸附树脂滤网层、聚丙烯纤维层、玻璃纤维层和纳米碳纤维布层。
9.根据权利要求7所述的基于固体氢技术的混合动力汽车，其特征在于，所述固体氢为氢化镁；所述氢气发生装置、固体氢箱和水箱采用316不锈钢制成，且所述316不锈钢中的成分的质量分数满足以下要求：碳≤0.08、硅≤1.00、锰≤2.00、硫≤0.030、磷≤0.035、铬：16.00～18.50、镍：10.00～14.00、钼：2.00～3.00。
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