基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置专利检索-绝热材料建筑材料建筑材料专利检索查询-专利查询网

基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置

阅读：681发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，属于车载液氢储罐技术领域，包括液氢储罐、液氮储罐以及防灭火装置；液氢储罐外层罐体与液氮储罐内层罐体采用冷桥连接，使液氢储罐外层罐体处于接近液氮温度，从而最大程度减轻液氢储罐内外罐体之间的辐射换热；同时，液氮储罐与防灭火模块连接，当氢气泄露仪监测出车载密闭空间的氢气浓度超出安全允许值时，防灭火模块设置自增压旁通支路，通过增压气化器与雾化喷枪，将液氮储罐内的液氮快速雾化喷向密闭空间，利用液氮气化的膨胀体积大、吸热高，将密闭空间的氢气迅速排挤出并使其降温，从而达到车载液氢储罐的防灭火目的。，下面是基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，包括液氢储罐(01)、液氮储罐(03)与基于液氮的防灭火装置(04)；
所述液氢储罐(01)包括内层罐体(11)、外层罐体(12)和绝热冷屏(13)；所述内层罐体(11)内设置液氢液位计(18)和压力计(20)，其电远传信号(19)连接车载电脑；所述液氢储罐(01)还设置有泄压安全阀(21)、单向排气阀(22)、单向排液阀(23)与单向充液阀(24)，其中泄压安全阀(21)和单向排气阀(22)通过导管接至气相区(14)的顶部，单向排液阀(23)与单向充液阀(24)通向液相区(15)的底部；所述液氢储罐的阀门均设置在可开启式的绝热冷屏箱(02)内，所述绝热冷屏箱(02)内设置有抽真空口(27)，上部装有氢气泄漏监测仪(25)；
所述液氮储罐(03)包括内层罐体(31)与外层罐体(30)；所述内层罐体(31)内设置有液氮液位计(32)与压力计(33)，其电远传信号(19)也接至车载电脑；所述液氮储罐(03)外部设置有安全泄压阀(34)、截止气阀(35)、单向充液阀(36)与单向排液阀(37)，其中单向排液阀(37)接至液氮防灭火装置(04)；
所述防灭火装置(04)包括依次设置的液氮增压气化器(41)、止回阀(42)、压力调节阀(43)与雾化喷枪(45)；所述止回阀(42)与压力调节阀(43)之间设置自增压旁通支路(44)，连至截止气阀(35)。
2.根据权利要求1所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，所述的液氢储罐(01)的绝热冷屏(13)与所述的液氮储罐(03)的外层罐体(30)共体集成。
3.根据权利要求2所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，所述的液氢储罐(01)的外层罐体(12)与所述的液氮储罐(03)的内层罐体(31)之间采用铜制冷桥(05)连接。
4.根据权利要求1所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，采用可分离式串联结构，所述的液氢储罐(01)的绝热冷屏(13)与所述的液氮储罐(03)的外层罐体(30)为两个独立的罐体；所述液氢储罐(01)的外层罐体(12)与所述液氮储罐(03)的内层罐体(31)之间采用带真空活接头(50)的铜制冷桥(05)连接。
5.根据权利要求4所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，所述的真空活接头(50)焊接固定在两段铜制冷桥(05)上，外部带有螺纹，前端设置密封圈(54)；所述铜制冷桥(05)接触端涂覆低温导热硅脂(55)；铜制冷桥(05)的外部包裹一层保冷管(51)，管内采用真空多孔绝热材料(53)，设置点支撑(52)。
6.根据权利要求1所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，采用同心式分层结构，所述的液氢储罐(01)位于所述的液氮储罐(03)内；所述液氢储罐(01)的外层罐体(12)与所述液氮储罐(03)的内层罐体(31)之间设有点支撑(173)。
7.根据权利要求6所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，所述的液氢储罐(01)的内层罐体(11)与外层罐体(12)之间采用真空多层绝热(16)，并设有环状加强筋支架(17)；所述的液氮储罐(03)的内层罐体(31)与外层罐体(30)之间采用真空多层绝热(16)，并环状加强筋支架(17)。
8.根据权利要求1所述的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，其特征在于，当车载密闭空间内的氢气浓度高于安全允许值时，氢气泄漏监测仪(25)将泄漏电传信号传至车载电脑，车载电脑发出防灭火装置启动指令；液氮截止气阀(35)、单向排液阀(37)、止回阀(42)与压力调节阀(43)均打开；由于液氮罐内保有一定压力，液氮从单向排液阀(37)自发流出，至液氮增压气化器，液氮气化率高于70％；经过止回阀(42)后，一部分增压气化后的液氮从压力调节阀(43)流至雾化喷枪(45)，将密闭空间内的氢气排挤、稀释、降温，另一部分增压气化后的氮气经自增压旁通支管(44)、截止气阀(35)，流回液氮储罐(03)，保证罐内具有足够的自流压力。

说明书全文

基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置

技术领域

[0001] 本发明涉及车载液氢储罐技术领域，具体地说，涉及一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置。

背景技术

[0002] 交通运输业一直是全球能源消耗的主要增长极，因此各大车企无不在加速布局新能源汽车的发展，如纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车等。其中，氢燃料电池汽车具有CO2零排放、效率高、续航里程长、补能时间短、燃料来源广等优势，逐渐被视为未来新能源汽车发展的大方向。

[0003] 据保守估计，至2030年氢燃料电池汽车的市场保有量将高达百万辆，意味着氢气的市场需求量也越来越大，这将对服务于加氢站的输运罐车储氢能力形成巨大挑战。另外，车载储氢装置也是氢燃料电池汽车设计的技术难点之一，直接决定了车辆续航里程、运行成本与安全性。因此，车载储氢罐的设计是未来氢能汽车全面普及的一大关键。目前，可行的车载储氢技术主要包括高压气态储氢、金属氢化物储氢和低温液态储氢等方式。高压气态储氢技术将氢气压缩至高压状态后储存在钢制储气罐内，其压力可达70MPa。高压气态储氢装置技术成熟，成本低，但是单位储氢密度较小，因此用于车载时限制了车辆的里程范围，且罐内压力高，存在较大安全隐患。金属氢化物储氢则采用特定的金属与氢气反应形成化合物，用氢时再对氢化物进行加热分解，析出氢气。与高压氢储存方式相比，金属氢化物储氢更加安全，体积储氢密度也更高，但技术仍不成熟，储氢材料昂贵，储氢装置重量大，氢释放速率慢，限制了其在车载装置上的大规模商业化应用。低温液态储氢就是将氢气液化后，储存在低温绝热容器内。相对于常压氢气，其体积减小数百倍，实现了高密度的氢存储。由于低温绝热技术较为成熟，且低温液态储氢一般压力较低，因此特别适用于长续航的车载应用中，是极具应用前景的一种储氢方式。

[0004] 尽管车载低温液态储氢方式的安全性较高，但仍需预防氢气泄露导致的燃烧和爆炸事故。与其它燃料相比，氢气相对分子质量小，具有易燃易爆、易扩散的特点，其与空气混合物的燃烧范围为4％～75％，且最低点火能仅需0.019mJ。然而，车载液氢储罐发生泄露而引发爆炸的潜在因素非常多。比如，由于罐体真空绝热失效、罐体老化腐蚀等因素造成罐体破裂或穿孔；由于系统泄压系统故障导致罐体压力过高；由于车辆剧烈振动导致管道与阀门的焊接口破裂；由于车辆受到外部机械碰撞导致结构变形或密封受损；等等。在液氢发生泄露情况下，车载环境内又存在很多的可能点火源。比如，车辆发生碰撞事故或产生颠簸时，系统设备之间碰撞摩擦产生电火花；水热管理系统发生故障时，设备表面温度升高；防静电装置发生损坏时，系统设备之间产生静电；等等。上述这些潜在因素都是无法完全避免的，因此亟需一种有效、快速响应的防火控系统，以尽可能地降低氢气泄露爆炸的风险。

[0005] 低温绝热是低温液氢储罐设计面临的技术难点之一。当容器绝热性能较差时，容易加快液氢的蒸发损失，进而导致罐内压力升高。当蒸发后的氢气压力达到容器耐压上限时，有可能引发氢气泄露事故，这对身处密闭空间的车内人员造成了安全威胁。为减小车载液氢储罐的蒸发损失，目前最常见的是采用高压低温液氢储罐技术，相应研发单位如美国劳伦斯利沃莫尔国家实验室。与常压液氢储罐相比，这种高压液氢储罐的储氢密度更大，但安全性与成本问题同样也更加突出。因此，如何尽可能减小车载常压液氢储罐的蒸发率，仍然是当前车载液氢储罐的研发方向之一。

发明内容

[0006] 本发明的目的为提供一种基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置，可以减轻现有车载液氢储罐的蒸发率较高，预防密闭空间内氢气泄露引发爆燃。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提供的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置包括液氢储罐、液氮储罐与基于液氮的防灭火装置；

[0008] 液氢储罐包括内层罐体、外层罐体和绝热冷屏；内层罐体内设置液氢液位计和压力计，其电远传信号连接车载电脑；液氢储罐还设置有泄压安全阀、单向排气阀、单向排液阀与单向充液阀，其中泄压安全阀和单向排气阀通过导管接至气相区的顶部，单向排液阀与单向充液阀通向液相区的底部；液氢储罐的阀门均设置在可开启式的绝热冷屏箱内，绝热冷屏箱内设置有抽真空口，上部装有氢气泄漏监测仪；

[0009] 液氮储罐包括内层罐体与外层罐体；内层罐体内设置有液氮液位计与压力计，其电远传信号也接至车载电脑；液氮储罐外部设置有安全泄压阀、截止气阀、单向充液阀与单向排液阀，其中单向排液阀接至液氮防灭火装置；

[0010] 防灭火装置包括依次设置的液氮增压气化器、止回阀、压力调节阀与雾化喷枪；止回阀与压力调节阀之间设置自增压旁通支路，连至截止气阀。

[0011] 上述技术方案，既可以在液氢发生泄露时利用液氮气化的快速膨胀特性，将泄露点的氢气稀释并挤压出车辆密闭空间，还可以通过液氮的自身冷能降低液氢的蒸发率。

[0012] 液氮作为一种低温流体，气化潜热大，气化后体积会迅速膨胀，且气化得到的氮气是一种不可燃的惰性气体。因此，液氮是一种较为理想的灭火剂，有望用于车载液氢储罐的防灭火系统中。此外，其常压下的液氮温度可达77.7K，可为液氢储罐提供一定的补偿冷量，降低液氢储罐的蒸发率。液氮的双重优势可车载液氢储罐的大规模应用提供一定的安全保障。

[0013] 作为一种具体方案，液氢储罐的绝热冷屏与液氮储罐的外层罐体共体集成。作为优选，液氢储罐的外层罐体与液氮储罐的内层罐体之间采用铜制冷桥连接。将液氢储罐的绝热冷屏与液氮储罐的外层罐体集成在一起，以使罐体更加整洁。所优选的一体式液氢储罐采用减振底座，减少冷桥的振动变形。

[0014] 作为另一种具体方案，本发明采用可分离式串联结构，液氢储罐的绝热冷屏与液氮储罐的外层罐体为两个独立的罐体；液氢储罐的外层罐体与液氮储罐的内层罐体之间采用带真空活接头的铜制冷桥连接。

[0015] 作为优选，真空活接头焊接固定在两段铜制冷桥上，外部带有螺纹，前端设置密封圈；铜制冷桥接触端涂覆低温导热硅脂；铜制冷桥的外部包裹一层保冷管，管内采用真空多孔绝热材料，设置点支撑。

[0016] 可分离式串联布置拆装更加便捷；液氢储罐的外层罐体与液氮储罐的内层罐体之间采用两段冷桥连接，冷桥之间采用真空活接头连通，冷桥外部包裹真空保冷管。所优选的可分离式液氢储罐采用一体式减震底座，减小冷桥的振动变形。

[0017] 作为另一种具体方案，本发明采用同心式分层结构，液氢储罐位于液氮储罐内；所述液氢储罐的外层罐体与液氮储罐的内层罐体之间设有点支撑。

[0018] 作为优选，液氢储罐的内层罐体与外层罐体之间采用真空多层绝热，并设有环状加强筋支架；液氮储罐的内层罐体与外层罐体之间采用真空多层绝热，并环状加强筋支架。

[0019] 同心式分层结构，结构更加紧凑，冷屏效果更好；液氢储罐集成装置包含四层罐体，最内层罐贮存液氢，由内到外的第二层罐体为可承压冷屏，第二层罐体与第三层绝热罐体之间贮存液氮，最外层罐体为绝热冷屏，层间采用真空绝热。

[0020] 作为优选，当车载密闭空间内的氢气浓度高于安全允许值时，氢气泄漏监测仪将泄漏电传信号传至车载电脑，车载电脑发出防灭火装置启动指令；液氮截止气阀、单向排液阀、止回阀与压力调节阀均打开；由于液氮罐内保有一定压力，液氮从单向排液阀自发流出，至液氮增压气化器，液氮气化率高于70％；经过止回阀后，一部分增压气化后的液氮从压力调节阀流至雾化喷枪，将密闭空间内的氢气排挤、稀释、降温，另一部分增压气化后的氮气经自增压旁通支管、截止气阀，流回液氮储罐，保证罐内具有足够的自流压力。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0022] 本发明的车载液氢储罐集成装置在现有低温液氢储罐的基础上，设有液氮保冷与防灭火装置；通过将液氮内罐与液氢外罐以冷桥方式连接，可使液氢外罐处于液氮温度，降低液氢储罐内罐与外罐之间的辐射换热。根据如下辐射换热公式：

[0023]

[0024] 式中，To和Ti分别为液氢储罐外层罐体与内层罐体的温度。假设外层罐体的温度To,LN在77.7K～150K之间波动，内层罐体的温度与液氢温度之间的温差为5K，那么相对环境温度为25℃时，采用本发明的装置，辐射换热量的减少率为另外，液氮防灭火装置可在液氢发生泄露
时，可迅速喷射大量的氮气，将氢气排挤出密闭空间，降低氢气浓度，同时物化的液氮可迅速蒸发，降低密闭空间温度，达到车载密闭空间防灭火的目的。防火灭火装置的气阀旁通支路，结合增压气化器，可起到液氮罐排液自增压的作用。
附图说明

[0025] 图1为本发明实施例1中基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置的一体式串联集成结构示意图；

[0026] 图2为本发明实施例2中基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置的可分离式串联集成结构示意图；

[0027] 图3为本发明实施例1和实施例2中液氢储罐的外层罐体的材料结构示意图；

[0028] 图4为本发明实施例2中冷桥活接头剖面结构示意图；

[0029] 图5为本发明实施例3中基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置的同心式分层集成结构示意图。

具体实施方式

[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

[0031] 实施例1

[0032] 参见图1，本实施例的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置采用一体式串联集成结构，包括液氢储罐01、液氢储罐阀门冷屏箱02、液氮储罐03与防灭火装置04。

[0033] 其中，液氢储罐01从内到外依次设有内层罐体11、外层罐体12与绝热冷屏13。内层罐体11内包含气相区14与液相区15，气相区14含有气相氢，液相区15含有液相氢，内层罐体11、外层罐体12与绝热冷屏13之间为真空多层绝热材料16，且采用加强筋支撑架17。内层罐体01内设置液氢液位计18与压力计20，其电远传信号19送至车载电脑。阀门冷屏箱02内包括压力计20、泄压安全阀21、单向排气阀22、单向排液阀23、单向充液阀24与抽真空口27，以及安装在冷屏箱上部的氢气泄露监测仪25；泄压安全阀21与单向排气阀22通过排气管接至气相区14顶部，单向排液阀23与单向充液阀24通过输液管接至液相氢15底部；抽真空口27连通液氢储罐03的内层罐体11、外层罐体12与绝热冷屏13之间的真空多层绝热材料16；氢气泄露监测仪25带有传感器探头26，靠近阀门易漏点，用于监测车载密闭空间的氢气含量。

[0034] 液氮储罐03包括内层罐体31和外层罐体，本实施例的外层罐体与液氢储罐01的绝热冷屏13一体，它们之间的夹层空间通过抽真空口27形成真空多层绝热。液氮储罐03内的液位与压力通过液氮液位计32与压力计33监测；罐体上的泄压安全阀34和气阀35与液氮储罐的气相区38顶部相连，单向充液阀36与单向排液阀37与液相区39底部相连。

[0035] 防灭火装置04接至液氮单向排液阀37之后，依次包括增压气化器41、止回阀42、压力调节阀43与雾化喷枪45；在止回阀42之后设置有旁通支管44，接至液氮气阀35，用于防灭火时的罐内液氮自增压与液氮充注时的排气。

[0036] 本实施例中，液氢储罐的外层罐体12与液氮储罐的内层罐体31之间采用冷桥05连接，以使液氢储罐的外层罐体12尽可能处于液氮温度；冷桥05可为铜制导热棒或导热带。

[0037] 在上述实施例中，液氢储罐01的内层罐体11与液氮储罐03的内层罐体31均采用铝制内衬，外部缠绕高强度碳纤维；外层罐体12的材料组成以及与冷桥05的连接，参见图3，最内层采用铜制内衬120，与冷桥05之间采用高频焊122，外层覆盖高反射率聚合物121，使液氢储罐的外层罐体12尽可能保持在液氮温度(77.7K)，以减少外层罐体12与内层罐体11之间的辐射换热；液氢储罐的外层罐体12外部再套上一层绝热冷屏13，材料采用奥氏体钢，绝热冷屏13与外层罐体12之间也采用真空绝热，以减少处于液氮温度的外层罐体12与环境之间的辐射漏热；液氢储罐01的仪表与阀门均设置在独立的冷屏箱02内，以减少阀门工作时罐体内部液氢向环境的漏热。

[0038] 增压气化器41可以设置电加热辅助装置，使液氮的气化率至少为70％，一方面保证气化器具有足够的出口压力，另一方面保证产生足够的防灭火氮气。

[0039] 阀门冷屏箱02内的阀门动作方法：当压力计20所测得的压力高于设定压力值时，打开泄压安全阀21，将超压氢气排放至外部大气或回收装置。当燃料电池车进行工作时，打开单向排液阀23，利用气相区14的压力自动排液。当液氢储罐内液位低于设定值时，打开单向充液阀24与单向排气阀22，对液氢储罐进行补氢。

[0040] 防灭火装置04的控制步骤：当液氢储罐未发生泄露时，单向排液阀门37与止回阀42均处于关闭状态，若由于液氮蒸发导致液氮储罐03内部压力33超过设定值，泄压安全阀
34打开，保证液氮储罐03的安全工作；当液氢储罐01发生泄露，导致车载密度空间的氢气浓度高于安全允许值时，氢气泄露监测仪25发送氢气泄露信号，打开单向排液阀37，液氮储罐
03内的液相区39因罐内压力，流向增压气化器41，发生部分气化，气化率不低于70％，随后流经止回阀42与压力调节阀43，从雾化喷枪45喷出，将车载密闭空间内的氢气排挤向外部环境，并降低空间内的温度；另外，在止回阀42后设置气体旁通支路44，一部分气化氮气流经截止气阀35，回到液氮储罐03内，通过调节压力调节阀43，使之起到防灭火装置自增压的效果；当液氮液位计32所测得的液位低于设定值时，防灭火装置04停止工作，可通过打开单向充液阀36、截止气阀35与压力调节阀43，液氮流经充液阀36向液氮储罐补氮，同时气相区
38先后经截止气阀35、压力调节阀43与雾化喷枪45排出，保证顺利补氮。

[0041] 综上所述，本发明通过采用冷桥将车载液氢储罐外层罐体与液氮储罐内层罐体相连，使液氢储罐外层罐体处于接近液氮温度，大大减少了液氢储罐内层罐体与外层罐体之间的辐射换热，延长了液氢的储存时间，同时利用液氮的气化潜热高与气化膨胀体积大的特点，可快速地将泄露的氢气排挤出车载密闭空间，并使之降温，从而有效地保证了车载液氢储罐的使用安全性。

[0042] 实施例2

[0043] 参见图2，本实施例的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置采用可分离式串联集成结构，采用独立、可拆卸的液氮储罐03，液氢储罐01的绝热冷屏13与液氮储罐03的外层罐体30之间非共体，但液氢储罐01的外层罐体12与液氮储罐03的内层罐体31之间采用带真空活接头50的冷桥05紧密连接，其它部件配置与上述实施例1一致，此处不再赘述。

[0044] 在本实施例中，带真空活接头50的冷桥05剖面结构示意图如图4所示。真空活接头50焊接固定在两段冷桥05上，外部带有螺纹；冷桥05接触端涂覆低温导热硅脂55，以减小接触热阻；活接头50前端设置密封圈54，以减轻漏热；冷桥05外部包裹一层保冷管51，以减小与环境之间的热损失；保冷管51内采用真空多孔绝热材料53，并设置点支撑52。

[0045] 实施例3

[0046] 参见图5，本实施例的基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置采用同心式分层集成结构，由内到外包含四层罐体，内层罐体11内包含气相区14与液相区15，内层罐体11与外层罐体12之间采用真空多层绝热16与环状加强筋支架17，外层罐体12与内层罐体31储存液氮，并设置点支撑173，内层罐体31与最外层的外层罐体30之间也采用真空多层绝热16与环状加强筋支架17；其余部件设置与上述实施例1一致，此处不再赘述。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种增强型纳米绝热毡及其制备方法和应用	2020-05-08	768
考虑均匀及温度梯度的纤维增强复合薄壳旋转振动试验台	2020-05-08	635
湖泊冰期大气污染物沉降附存原位取样结构及检测方法	2020-05-08	54
一种飞行器用阻燃绝热材料	2020-05-08	558
绝热材料及其制造方法和使用了其的电子设备及汽车	2020-05-08	630
热回收系统	2020-05-08	505
一种LNG冷链物流车冷能回收利用系统	2020-05-08	266
一种新型铝箔岩棉板	2020-05-08	280
一种高散热的单面覆铜板	2020-05-08	21
一种自动报警热水系统	2020-05-08	962

基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置

基于液氮的灭火与保温一体化的车载液氢储罐集成装置

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：