本发明是一种车载氢/氧气制取、储存、供给装置及其控制方法，具体为涉及氢气和氧气的随车制取、储存和供给。该系统在保留发动机蓄电池的基础上增加了一套车载氢氧气制取装置，一套氢氧气储存装置及一套氢氧制取、储存及电子控制单元。电控单元根据蓄电池电压信号、及氢、氧储存罐压力信号控制制氢氧机开关继电器、氧气罐单向放气阀、供氧管路线性电磁阀及供氢管路电磁阀的开启和关闭，从而实现氢氧气的随车制取、存储及供给控制。该系统的优点在于实现了氢、氧气的随车制取及储存，由于增加了氢、氧气储存装置，使车辆在冷起动时可以利用系统上次运行所制得的氢、氧气实现纯氢或纯氢氧混合气起动，从而大幅降低了汽油机起动时的HC及CO排放。
1.一种车载氢/氧气制取、储存、供给装置，其特征在于：包括蓄电池(1)、与蓄电池电连接的制氢氧机(3)、制氢氧机开关继电器(2)、氢气及氧气储存系统、以及电子控制单元(17)；
所述的氢气及氧气储存系统，包括与制氢氧机相连通的氢气储存罐(5)和氧气储存罐(7)、连接在制氢氧机和氢气储存罐之间的连接管路上的供氢管路单向电磁阀(4)、连接在制氢氧机和氧气储存罐之间的连接管路上的供氧管路单向电磁阀(6)、安装在氧气储气罐上部的氧气罐单向放气阀(8)和氧气储存罐压力传感器(9)、安装在氢气储气罐上方的氢气储存罐压力传感器(12)、与氧气储存罐相连通的供氧管路(11)、与氢气储存罐相连通的供氢管路(14)、连接在供氧管路上的供氧气管路线性电磁阀(10)和氧气供给管路阻燃阀(15)、以及连接在供氢管路上的供氢管路电磁阀(13)和氢气供给管路阻燃阀(16)；
电子控制单元(17)与蓄电池(1)相连，获得发动机蓄电池电压信号a；
电子控制单元(17)通过制氢氧机开关继电器(2)与制氢氧机相连，控制制氢氧机的启停；
电子控制单元(17)还与氧气储存罐压力传感器(9)、氢气储存罐压力传感器(12)、氧气罐单向放气阀(8)、供氧气管路线性电磁阀(10)和供氢管路电磁阀(13)相连。
2.根据权利要求1所述的一种车载氢/氧气制取、储存、供给装置，其特征在于：所述的氢气储存罐(5)和氧气储存罐(6)的体积比为2∶1。
3.一种权利要求1所述的车载氢/氧气制取、储存、供给装置的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)制氢氧及储氢氧过程：电子控制单元(17)首先检测蓄电池电压信号、氢气储存罐压力信号和氧气储存罐压力信号，在蓄电池(1)电压高于12伏，且氢气储存罐和氧气罐压力均低于3bar时，电控单元(17)发出控制信号接通制氢氧机开关继电器(2)使制氢氧机(3)开始制氢气和氧气，所制得的氢气和氧气分别通过管路进入氢气储存罐(5)及氧气储存罐(7)中；当蓄电池电压低于12伏，或氢气储存罐(5)和氧气储存罐(7)其中的任何一个压力高于3bar时，电子控制单元(17)发出控制信号，断开制氢氧机开关继电器(2)使制氢氧机(3)停止运行；
2)供气过程：该系统能够提供纯氢气以及氢氧混合气两种供气模式，以满足不同工况下发动机对氢、氧气的供给要求；
i)在供给纯氢气时，电子控制单元(17)发出控制信号(c)打开供氢管路电磁阀(13)，同时发出控制信号关闭供氧管路线性电磁阀(10)，使氢气通过供氢管路(14)及氢气供给管路阻燃阀(16)进入发动机氢气轨；同时，电子控制单元(17)根据检测到的氧气储存罐压力信号(f)及氢气储存罐压力信号(g)，当氧气储存罐压力和氢气储存罐压力不相等时，电子控制单元发出控制信号(e)打开氧气储存罐单向放气阀(8)使部分氧气排出进入驾驶室，以保证氢气储存罐和氧气储存罐压力保持相同；
ii)在供给氢氧混合气时，电子控制单元(17)发出控制信号(c)打开供氢管路电磁阀(13)，使氢气通过供氢管路(14)及氢气供给管路阻燃阀(16)进入发动机氢气轨；同时，电子控制单元(17)发出控制信号(d)打开供氧管路线性电磁阀(10)，并根据检测到的氢、氧气储存罐压力调整供氧管路线性电磁阀(10)的开度，保持氢气及氧气储存罐中的压力相同，使氧气通过供氧管路(11)及氧气供给管路阻燃阀(15)进入到发动机进气总管，以提高发动机进气中的氧气浓度并实现富氧燃烧。
一种车载氢/氧气制取、储存、供给装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明提供一种车载氢/氧气制取、储存、供给装置及其控制方法，具体内容涉及氢气和氧气的随车制取、储存和供给。
背景技术
[0002] 随着石油资源的日益减少和汽车尾气污染问题的日益严重，提高内燃机热效率、降低有害排放成为了当今内燃机发展所需解决的重要问题之一。由于氢气的扩散和燃烧速度高于汽油，因而进气混氢可以有效缩短发动机的燃烧持续期，从而改善汽油机热效率并降低HC及CO排放。同时，氢气宽广的燃烧界限和较低的点火能量也使得混氢内燃机可以在稀薄燃烧模式下运行，从而进一步改善内燃机经济与排放性能。氧气是最为理想的助燃剂之一，在内燃机上采用富氧空气可以有效地促进燃料充分、快速地燃烧，进而降低内燃机油耗率及有害排放。由于目前制氢、储氢等成本较高和相关的基础设施较少，这使得氢及混氢内燃机汽车难以短时间内大面积推广。
[0003] 目前氢气的制取方式主要有重整甲烷或煤等能源制氢及电解水制氢两种方式。通过重整甲烷或煤等石化能源制氢工艺复杂，且仍然会产生CO、CO2及其它有害排放，因而不能使氢能制取过程实现零排放。通过太阳能、风能、水能等可再生能源发电电解水，不但可制取氢气还可获得氧气，制取过程实现零排放。
[0004] 氢气的存储方法分为高压气态储氢、液态储氢及金属氢化物储氢等方式。高压气态储氢通常将氢气压力提高至20MPa以上，利用气罐等设备对氢气进行储存，但由于氢气的体积比能量密度低，因而采用该技术储存的氢气能量有限。采用液态储氢尽管可以提高氢气的随车储存量，但液氢储存成本昂贵、结构复杂、系统自重大，且存在氢气液化时能量损失大等问题。而采用金属氢化物等材料对氢气进行储存，并在一定条件下释放氢气的技术也存在设备体积大、寿命短等问题。同时，上述3种氢气储存方式都只能对已经制得的氢气进行存储，因而对加氢站的依赖程度较大。
[0005] 电解水制氢是实现氢气随制随用的有效技术之一，由于电解水制氢机的体积小，耗电相对较低，所以该制氢机更适合在车辆上安装并以蓄电池为电源实现氢气、氧气的随车制取。目前，电解水制氢机主要分为石棉膜加碱性电解液以及离子交换膜加去离子水电解液两种形式。但由于石棉膜式制氢机所产生的氢气中会携带对发动机零件有害的碱性物质，因而该技术不适合在车辆上实际使用。相比之下，离子膜式制氢机采用去离子水为电解液，所以利用该制氢机所制得的氢气纯度较高，并可避免碱液进入发动机对零件产生的损坏。
发明内容
[0006] 针对传统车用氢-氧气储存技术存在的问题，本发明提供了一种车载氢-氧气制取、储存、供给装置。本装置可以实现氢、氧气的随车制取和储存，为发动机提供纯氢和氢氧混合气两种供气模式，通过供氧管路和供氢管路将氧气和氢气分别输送至进气总管和氢气轨，实现了氢、氧气的分开供给，保证了系统的运行安全。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。该装置包括蓄电池1、与蓄电池电连接的制氢氧机3、制氢氧机开关继电器2、氢气及氧气储存系统、以及电子控制单元17。
[0008] 所述的氢气及氧气储存系统，包括与制氢氧机相连通的氢气储存罐5和氧气储存罐7、连接在制氢氧机和氢气储存罐之间的连接管路上的供氢管路单向电磁阀4、连接在制氢氧机和氧气储存罐之间的连接管路上的供氧管路单向电磁阀6、安装在氧气储气罐上部的氧气罐单向放气阀8和氧气储存罐压力传感器9、安装在氢气储气罐上方的氢气储存罐压力传感器12、与氧气储存罐相连通的供氧管路11、与氢气储存罐相连通的供氢管路14、连接在供氧管路上的供氧气管路线性电磁阀10和氧气供给管路阻燃阀15、以及连接在供氢管路上的供氢管路电磁阀13和氢气供给管路阻燃阀16；
[0009] 电子控制单元17与蓄电池1相连，获得发动机蓄电池电压信号a；
[0010] 电子控制单元17通过制氢氧机开关继电器2与制氢氧机相连，控制制氢氧机的启停；
[0011] 电子控制单元17还与氧气储存罐压力传感器9、氢气储存罐压力传感器12、氧气罐单向放气阀8、供氧气管路线性电磁阀10和供氢管路电磁阀13相连。
[0012] 所述的氢气储存罐5和氧气储存罐6的体积比为2∶1。
[0013] 本发明中车载氢/氧气制取、储存、供给装置的运行方法如下：
[0014] 1)制氢氧及储氢氧过程：电子控制单元17首先检测蓄电池电压信号、氢气储存罐压力信号和氧气储存罐压力信号，在蓄电池1电压高于12伏，且氢气储存罐和氧气罐压力均低于3bar时，电控单元17发出控制信号接通制氢氧机开关继电器2使制氢氧机3开始制氢气和氧气，所制得的氢气和氧气分别通过管路进入氢气储存罐5及氧气储存罐7中；当蓄电池电压低于12伏，或氢气储存罐5和氧气储存罐7其中的一个压力高于3bar时，电子控制单元17发出控制信号，断开制氢氧机开关继电器2使制氢氧机3停止运行；
[0015] 2)供气过程：该系统能够提供纯氢气以及氢氧混合气两种供气模式，以满足不同工况下发动机对氢、氧气的供给要求；
[0016] i)在供给纯氢气时，电子控制单元17发出控制信号c打开供氢管路电磁阀13，同时发出控制信号关闭供氧管路线性电磁阀10，使氢气通过供氢管路14及氢气供给管路阻燃阀16进入发动机氢气轨。同时，电子控制单元17根据检测到的氧气储存罐压力信号f及氢气储存罐压力信号g，当氧气储存罐压力和氢气储存罐压力不相等时，电子控制单元发出控制信号e打开氧气储存罐单向放气阀8使部分氧气排出进入驾驶室，以保证氢气储存罐和氧气储存罐压力保持相同。
[0017] ii)在供给氢氧混合气时，电子控制单元17发出控制信号c打开供氢管路电磁阀13，使氢气通过供氢管路14及氢气供给管路阻燃阀16进入发动机氢气轨；同时，电子控制单元17发出控制信号d打开供氧管路线性电磁阀10，并根据检测到的氢、氧气储存罐压力调整供氧管路线性电磁阀10的开度，保持氢气及氧气储存罐中的压力相同，使氧气通过供氧管路11及氧气供给管路阻燃阀15进入到发动机进气总管，以提高发动机进气中的氧气浓度并实现富氧燃烧。
[0018] 本发明的有益效果是：针对氢气基础设施建设不足、加氢困难及现有制氢系统难以实现氢、氧气储存的问题，提出了一种适合车用的在线制氢、储氢及氢氧混合气供给系统。该车载氢-氧制取、储存、供给系统可以利用蓄电池电能实现氢气及氧气的随车制取，并通过一套储存装置实现氢气与氧气的储存，使车辆可以利用上一次运行时所制取的氢气及氧气实现纯氢或纯氢富氧起动，从而大幅降低汽油机起动时所产生的HC及CO排放，并减少起动时发动机能耗。同时，利用该系统可以提供纯氢气和氢氧混合气两种不同的供气模式，以满足不同工况下发动机的需要。本系统中氢气和氧气的储存压力较低(约为3bar)，因而氢气及氧气储存罐的强度可以较传统车用高压氢气、氧气储存罐大幅降低，从而减少了制氢系统的重量及制造成本，有利于提高整车经济性和系统实用性。由于氢气和氧气可分别供给进入氢气轨和进气总管，从而避免了将氢氧混合气预混后送入发动机而导致的回火问题，提高了系统安全性。
附图说明
[0019] 图1本发明的结构和工作原理图
[0020] 图中：1.蓄电池；2.制氢氧机开关继电器；3.制氢氧机；4.供氢管路单向阀；5.氢气储存罐；6.供氧管路单向阀；7.氧气储存罐；8.氧气储存罐单向放气阀；9.氧气储存罐压力传感器；10.供氧气管路线性电磁阀；11.供氧管路；12.氢气储存罐压力传感器；
13.供氢管路电磁阀；14.供氢管路；15.氧气供给管路阻燃阀；16.氢气供给管路阻燃阀；
17.电子控制单元；a.蓄电池电压信号；b.制氢氧机继电器控制信号；c.供氢管路电磁阀控制信号；d.供氧气管路电磁阀控制信号；e.氧气储存罐单向放气阀控制信号；f.氧气储存罐压力信号；g.氢气储存罐压力信号
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0022] 如图1所示，该装置主要包括发动机蓄电池1、制氢氧机3、制氢氧机开关继电器2、氢气及氧气储存系统和电子控制单元17。
[0023] 氢气及氧气储存系统包括与制氢氧机相连通的氢气储存罐5和氧气储存罐7、连接在制氢氧机和氢气储存罐之间的连接管路上的供氢管路单向电磁阀4、连接在制氢氧机和氧气储存罐之间的连接管路上的供氧管路单向电磁阀6、安装在氧气储气罐上部的氧气罐单向放气阀8和氧气储存罐压力传感器9、安装在氢气储气罐上方的氢气储存罐压力传感器12、与氧气储存罐相连通的供氧管路11、与氢气储存罐相连通的供氢管路14、连接在供氧管路上的供氧气管路线性电磁阀10和氧气供给管路阻燃阀15、以及连接在供氢管路上的供氢管路电磁阀13和氢气供给管路阻燃阀16。
[0024] 电子控制单元17与蓄电池1相连，获得发动机蓄电池电压信号a；
[0025] 电子控制单元17通过制氢氧机开关继电器2与制氢氧机相连，控制制氢氧机的启停；
[0026] 电子控制单元17还与氧气储存罐压力传感器9、氢气储存罐压力传感器12、氧气罐单向放气阀8、供氧气管路线性电磁阀10和供氢管路电磁阀13相连。
[0027] 电子控制单元17可以获得蓄电池电压信号a、氧气储存罐压力信号f及氢气储存罐压力信号g，根据上述信号发出控制指令，控制制氢氧机开关继电器2、氧气供给管路线性电磁阀10、氢气供给管路电磁阀13及氧气罐单向放气阀8的开启和关闭。氢气及氧气储存罐中存储的氢、氧气压力均设计为3bar。在氢气及氧气储存罐与制氢氧机连接处分别设置了供氢管路单向电磁阀4和供氧管路电磁阀6，防止罐中的氢、氧气倒流回制氢氧机。并在氢气和氧气供给管路中分别设置了氢气供给管路阻燃阀16和氧气供给管路阻燃阀15，以防止回火。当氢气或氧气储存罐中某一储存罐压力高于安全压力时，为防止气罐超压，制氢氧机将停止运行。因此，为尽可能多的储存氢、氧气并保证系统运行安全，氢、氧气储存罐内压力应保持相同。由于电解1mol水可以产生1mol氢气及0.5mol氧气，为保证制氢氧机运行时氢气及氧气储存罐内压力平衡，氢气储存罐5和氧气储存罐6的体积比严格控制为2∶1。同时，在氧气储存罐中设置氧气储存罐单向放气阀8，以便电子控制单元17可以根据检测到的氢气储存罐压力f和氧气储存罐压力g两个信号，发出控制信号e打开氧气储存罐单向放气阀8，使氢、氧气储存罐压力保持相同。制氢氧机1采用离子交换膜电解水制氢装置，该装置氢、氧气出口压力分别恒定为3bar。
[0028] 一种车载氢-氧制取、储存、供给系统的运行方式为：
[0029] 1.制氢及储氢过程：电子控制单元17首先检测蓄电池电压信号a、氢气储存罐压力信号f和氧气储存罐压力信号g，在蓄电池1电压高于12伏，且氢、氧气罐压力低于3bar时，电子控制单元17发出控制信号b接通制氢氧机开关继电器2使制氢氧机3开始制氢气、氧气，所制得的氢气与氧气分别通过管路进入氢气储存罐5及氧气储存罐7中。当蓄电池电压低于12伏或氢、氧气储存罐压力中的任何一个的压力高于3bar时，电子控制单元17发出控制信号b，断开制氢氧机开关继电器2使制氢氧机3停止运行。由于在氢气及氧气储存罐与制氢氧机相连接的管路中分别安装了供氢管路单向阀4和供氧管路单向阀6，因而已经制得并存储在氢气及氧气储存罐中的氢、氧气不会倒流回制氢氧机3。
[0030] 2.供气过程：一种车载氢-氧制取、储存、供给系统可以提供纯氢气以及氢氧混合气两种供气模式，以满足不同工况下发动机对氢、氧气的供给要求。
[0031] 1)在供给纯氢气时，电子控制单元17发出控制信号c打开供氢管路电磁阀13，并发出控制信号d关闭供氧管路线性电磁阀10，使氢气通过供氢管路14及氢气供给管路阻燃阀16进入发动机氢气轨。同时，电子控制单元17根据检测到的氧气储存罐压力信号f及氢气储存罐压力信号g，当氧气储存罐压力和氢气储存罐压力不相等时，电子控制单元发出控制信号e打开氧气储存罐单向放气阀8使部分氧气排出进入驾驶室，以保证氢、氧气罐压力保持相等。
[0032] 2)在供给氢氧混合气时，电子控制单元17发出控制信号c打开供氢管路电磁阀13，使氢气通过供氢管路14及供氢管路阻燃阀16进入发动机氢气轨。同时，电子控制单元
17发出控制信号d打开供氧管路线性电磁阀10，并根据检测到的氢、氧气储存罐压力调整供氧管路线性电磁阀10的开度，保持氢气及氧气储存罐中的压力平衡，使氧气通过供氧管路11及供氧管路阻燃阀15进入到发动机进气总管，以提高发动机进气中的氧气浓度并实现富氧燃烧。
