一种分段启闭的弥散式氢气加注装置及其控温方法

本发明属于氢气加注，具体而言，涉及一种分段启闭的弥散式氢气加注装置及其控温方法。

背景技术：

1、为降低全球碳排放，氢能被认为是汽车领域化石能源最好的替代品，而汽车利用氢能最直接、最常见的方式就是高压气态储氢。氢气快速加注是一种将氢气快速充入氢燃料电池车辆的过程。这种加注方法可以显著减少充氢时间，使驾驶员更加便捷地获取氢气燃料。

2、现目前对储氢瓶快速加注过程温度控制的方式主要包括：预冷加注气体、控制气体加注速率等。然而，高压气态储氢在快速加注过程中，由于气瓶浮力效应、压缩效应、焦耳-汤姆逊效应等原因，往往会造成温度上升以及局部温度过高等问题。这些问题具体表现为：气瓶浮力效应：高压气体进入气瓶时，产生的浮力效应会导致气瓶内部气体分布不均匀，局部区域温度急剧上升；压缩效应：在快速加注过程中，氢气被迅速压缩，压缩热效应使得氢气温度显著升高；焦耳-汤姆逊效应：高压氢气通过节流阀或其他限制流动的部件时，由于焦耳-汤姆逊效应可能导致氢气温度变化，具体取决于氢气的初始状态。

3、快速加注过程中，由于温度急剧变化，这些温度上升及局部温度过高的现象对储氢瓶的结构完整性及安全性产生不利影响，增加材料的疲劳损伤和破裂风险。此外，温度的急剧变化也会影响罐内可充气量，从而降低汽车的续航里程。现有温度控制方法虽然在一定程度上能够缓解这些问题，但仍然存在不足之处，例如预冷加注气体的方法会增加系统的复杂性和成本，而控制气体加注速率的方法在确保快速加注的同时难以实现精准温控。温度监控滞后，现有的温度监控系统响应速度慢，无法实时监测和调整氢气加注过程中的温度变化，导致温控不及时，影响加注效率和安全性。

4、因此，亟需一种能够更高效、更可靠地解决上述问题的氢气加注装置和控温方法，以确保氢燃料电池车辆在快速加注过程中的安全性、稳定性以及高效性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种分段启闭的弥散式氢气加注装置及其控温方法，解决了高压气态储氢快速加注过程中温度上升及局部温度过高的技术问题。

2、一方面，本发明提供一种分段启闭的弥散式氢气加注装置，所述弥散式氢气加注装置设置在所述储氢罐的一侧；所述弥散式氢气加注装置包括弥散式喷头组件，所述弥散式喷头组件包括设置在所述储氢罐内部的弥散式喷头和活动管；

3、所述弥散式喷头一端为开口端，另一端为封闭端，所述活动管通过所述弥散式喷头的开口端套设在其内部，并能够在其内部伸缩移动；所述弥散式喷头上设置有若干加注小孔；

4、当所述活动管向所述弥散式喷头的封闭端移动时，所述活动管的外表面遮挡所述弥散式喷头上的加注小孔；相反，当所述活动管向弥散式喷头的开口端移动时，所述活动管的外表面打开加注小孔。

5、进一步地，所述弥散式氢气加注装置的加注速率通过下式确定：

6、

7、式中：表示本发明的弥散式氢气加注装置的最大加注速率；p表示弥散式喷头组件内的压力；rg表示气体常数；t表示弥散式喷头组件内的氢气温度；α表示转换系数；表示加注小孔总面积；φ表示弥散式喷头组件的孔隙率；dt表示弥散式喷头内壁直径；δp表示弥散式喷头组件内部气体与罐内气体的压力差；kz表示102阶的常数；μ表示弥散式喷头组件内部的动力粘度；x表示弥散式喷头组件壁厚。

8、进一步地，所述弥散式氢气加注装置的加注速率满足：

9、

10、式中：表示本发明的弥散式氢气加注装置的最大加注速率；表示直喷式加注装置的最大加注速率；mτ表示充装完毕之后的氢气总质量；m0表示充装前的质量；t表示加注时间；pfinal表示氢气重装完毕后的加注氢气压力；v表示储氢罐体积；tfinal表示氢气充装完毕后的罐内温度。

11、进一步地，所述弥散式氢气加注装置的设计参数和运行参数应满足下式：

12、

13、式中：dk表示加注小孔直径；n表示所有加注小孔数目；φ表示弥散式喷头组件的孔隙率；dt表示弥散式喷头内壁直径；x表示弥散式喷头组件壁厚；t表示弥散式喷头组件内的氢气温度；α表示转换系数；p表示弥散式喷头内部压力；rg表示气体常数；kz表示102阶(90到160之间)的常数；μ表示弥散式喷头组件内部的动力粘度；δp表示弥散式喷头组件内部气体与罐内气体的压力差。

14、进一步地，所述活动管根据所述弥散式喷头的总长设置有多段位移量，每段位移量对应所述弥散式喷头上不同位置的加注小孔，所述活动管按照每段位移量逐段移动。

15、进一步地，还包括执行机构和壳体，所述执行机构包括电机和齿条；所述壳体一侧设置有套筒结构，所述电机设置在所述套筒结构的内侧，所述齿条沿所述活动管的管长方向设置在所述活动管的外表面，所述电机的输出轴设置有与所述齿条啮合连接的齿轮。

16、进一步地，还包括温度传感器；所述套筒结构的前端面与所述储氢罐的一侧端面紧密连接、且前端面设置有所述温度传感器和弥散式喷头接管，所述弥散式喷头接管的前端与所述弥散式喷头连接，所述弥散式喷头接管和所述弥散式喷头内部连通、且呈固定姿态与所述温度传感器一同设置在所述储氢罐内部的，所述活动管的前端依次套设在所述弥散式喷头接管和所述弥散式喷头内部；所述活动管外表面与所述弥散式喷头接管和所述弥散式喷头的内壁紧密贴合。

17、进一步地，还包括进气管道，所述进气管道包括出输入管和主输出管；所述输入管连通外部氢气源，所述主输出管套设在所述活动管的末端内侧、且其外壁与所述活动管内壁之间紧密贴合。

18、另一方面，本发明提供了一种如上述任意一项所述的分段启闭的弥散式氢气加注装置的控温方法，所述方法包括：

19、步骤1：氢气未加注时，执行机构控制活动管移动至弥散式喷头前端内侧抵接，加注小孔完全遮挡；

20、步骤2：启动氢气加注，执行机构控制活动管逐段按照预设位移量向弥散式喷头后端移动；

21、步骤3：温度传感器实时采集储氢罐内部温度，并将温度数据实时发送至信号接收发射器，信号接收发射器将温度数据发送至控制系统；

22、步骤4：控制系统基于温度数据计算温度和时刻变化率，若温度和时刻变化率低于设定阈值，则控制系统向执行机构发送打开加注小孔的位移指令，若温度和时刻变化率高于设定阈值，则控制系统向执行机构发送闭合加注小孔的位移指令；

23、步骤5：执行机构根据控制系统的位移指令运动，当接收打开加注小孔的位移指令时，执行机构控制活动管继续按照预设位移量逐段向弥散式喷头后端移动，若接收闭合加注小孔的位移指令时，执行机构控制活动管按照预设位移量逐段向弥散式喷头前端移动。

24、步骤6：重复步骤3-5，直至完成氢气加注。

25、进一步地，步骤4中温度和时刻变化率通过下式确定：

26、

27、式中：k表示温度和时刻变化率；tj为第j个测试时刻，ti为第i个测试时刻，tj为tj时刻的温度，ti为ti时刻的温度。

28、本发明的有益效果是：

29、第一、本发明的分段启闭的弥散式氢气加注装置通过活动管在弥散式喷头内的移动，可以精确控制氢气通过加注小孔进入储氢罐的量，分段启闭设计可以根据实际需求灵活调整氢气的加注速率，既可以在初始阶段快速加注，又可以在接近满罐时减缓加注速率，防止过充导致的安全隐患，确保储氢罐内压力和温度的稳定与安全；

30、第二、本发明的分段启闭的弥散式氢气加注装置的加注小孔分段设置在弥散式喷头的侧壁，弥散式喷头的前端面为封闭面，所以进入弥散式喷头的气体不会直接进入储氢，而是基于弥散式喷头内部压力与储氢罐内压的压差，将气体吸入罐内，通过弥散式喷头实现缓冲，氢气以扩散的形式进入储氢罐内，避免局部氢气的大量聚集，降低储氢罐局部温度过高的现象，将温度分散到罐内各个区域，降低了储氢罐内最大温度；

31、第三、本发明的分段启闭的弥散式氢气加注装置在储氢罐未加注状态时，通过完全遮挡弥散式喷头上的加注小孔，可以防止在燃料电池供氢时弥散式喷头通过加注小孔将储氢罐内的氢气反向吸入，增强了加注装置的安全性和操作稳定性；通过监测储氢罐的温度，动态控制活动管的位置，进而控制打开或关闭的加注小孔数量，以实现对储氢罐温度的精确调节，确保储氢罐在最佳温度范围内运行；当活动管完全遮挡弥散式喷头上的加注小孔时，储氢罐内的压力将保持稳定，不会因氢气继续注入而导致压力过高，避免了安全隐患；

32、第四、本发明的控制方法针对现有技术在氢气快速加注过程中存在的温度急剧变化问题，通过控制活动管的位移和加注小孔的开启和闭合，有效地调节氢气进入气瓶的速度和分布，减少气瓶内部的浮力效应，避免局部区域温度急剧上升的问题，不仅提高气瓶内部气体的均匀性，还降低了局部温度过高对气瓶结构完整性和安全性的影响，减少了材料的疲劳损伤和破裂风险。

33、第五、本发明的控制方法在快速加注过程中，通过温度传感器实时监测温度和调节加注小孔的开度，使得控制系统能够根据温度和时刻变化率快速做出反应，实时监测和调节机制显著提高了温度监控的响应速度和温控精度，确保了加注过程中温度控制的及时性和准确性，还能够有效控制氢气的压缩热效应，避免氢气温度显著升高。

34、第六、本发明的控制方法相较于传统的预冷加注气体的方法，通过控制系统和活动管的精确位移控制，实现了温控效果，避免系统复杂性和成本的增加，提高系统的可靠性和经济性。