CN104724671A - 一种以氢气作为热媒的混合储氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以氢气作为热媒的混合储氢系统，包括高压气态储氢单元、固态储氢单元、换热单元和气体循环管路；其中，固态储氢单元设置在高压气态储氢单元内部，氢气可在二者之间自由流动；气体循环管路自氢气源依次通过换热单元、固态储氢单元、换热单元，最后连接至高压气态储氢单元的氢气入口。本发明的混合储氢系统采用系统内的氢气作为热媒，取代传统的以水作为热媒的方式，极大地改善了换热水管在超高压储氢条件下一旦发生破裂即会对固态储氢床体造成不可逆破坏的情况，提高了系统安全性。

Description

一种以氢气作为热媒的混合储氢系统
技术领域
本发明涉及一种以氢气作为热媒的混合储氢系统，属于混合储氢技术领域。
背景技术
当前，日益严峻的能源危机和环境污染，使得发展清洁的可再生能源成为各个国家的重要议题。氢能源以其可再生性和良好的环保效应成为未来最具发展潜力的能源载体。目前，许多国家已经着手研究以氢能源作为动力的新能源汽车，并取得了巨大的进步。随着以氢作为动力的新能源汽车的逐渐推广，加氢站的建设也是势在必行。
目前，日臻成熟的储氢方式主要包括高压气态储氢、液态储氢、固态储氢等。而目前加氢站主要采用高压气态储存方式，该方式重量储氢密度相对较高、体积储氢密度较低；而固态储氢方式的重量储氢密度相对较低、体积储氢密度较高。结合高压储氢和固态储氢各自的优势，将储氢材料与高压容器耦合，形成固态/高压混合储氢系统，可以提高系统的体积储氢密度和动态响应特性，同时减少高压压缩机的开启频率，降低能耗。
固态储氢材料在吸放氢过程中，需要通过与外界进行换热来完成的氢气的吸收和脱附，而如果采用传统的以水作为热媒的方式，在高压条件下，极有可能造成换热水管的破裂，尤其是轻质高容量储氢材料对水更为敏感，因此一旦换热水管破裂将会对混合储氢系统造成不可逆的破坏。
发明内容
为了有效解决采用水作为换热介质时可能碰到的系统安全性问题，本发明提供一种以氢气作为热媒的混合储氢系统。在该系统中，氢气既作为一种存储介质，同时也作为一种热媒参与系统对外界环境的换热过程。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种以氢气作为热媒的混合储氢系统，包括高压气态储氢单元、固态储氢单元、换热单元和气体循环管路；其中，固态储氢单元设置在高压气态储氢单元内部，氢气可在二者之间自由流动；气体循环管路自氢气源依次通过换热单元、高压气态储氢单元内的固态储氢单元、换热单元，最后连接至高压气态储氢单元的氢气入口。
在该混合储氢系统中，所述换热单元在储氢过程中为冷却单元，在放氢过程中为加热单元。所述气体循环管路为储氢过程中用于输入气体的气体循环管路，以及放氢过程中用于输出气体的气体循环管路。
所述高压气态储氢单元采用内部为金属内胆外部缠绕纤维固化而成的储氢容器。
所述固态储氢单元由压制成型的储氢合金或其他储氢材料组成，可以保证系统具备良好的吸放氢性能和动力学性能。
所述气体循环管路可以选择不锈钢或硬质铝合金等强度高、导热性能良好的金属管。该气体循环管路流经换热单元和固态储氢单元的部分采用U型管、螺旋管或翅片式等结构，以提高系统的换热性能。
所述换热单元中的换热介质为水或其他换热性能良好的介质。
本发明的优点在于：
(1)本发明的混合储氢系统采用系统内的氢气作为热媒，取代传统的以水作为热媒的方式，极大地改善了换热水管在超高压储氢条件下一旦发生破裂即会对固态储氢床体造成不可逆破坏的情况，提高了系统安全性。
(2)本发明的混合储氢系统中固态储氢单元采用压制成型的储氢合金或其他储氢材料，可以保证系统具备良好的吸放氢性能和动力学性能。
(3)本发明的混合储氢系统具有固态储氢的体积储氢密度高的优点，使混合系统的体积储氢密度比单纯的高压气态储氢提高了50％。
附图说明
图1为本发明单换热单元、单换热回路的混合储氢系统的结构示意图。
图2为本发明双换热单元、双换热回路的混合储氢系统的结构示意图。
图3为本发明双换热单元、单换热回路的混合储氢系统的结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明并不限定于这些具体实施方式。
本发明的混合储氢系统以氢气作为热媒，包括高压气态储氢单元、固态储氢单元、换热单元和气体循环管路；其中，固态储氢单元设置在高压气态储氢单元内部，氢气可在二者之间自由流动；气体循环管路自氢气源依次通过换热单元、高压气态储氢单元内的固态储氢单元、换热单元，最后连接至高压气态储氢单元的氢气入口。其中，高压气态储氢单元采用内部为金属内胆外部缠绕纤维固化而成的储氢容器。固态储氢单元由压制成型的储氢合金或其他储氢材料组成。气体循环管路可以选择不锈钢或硬质铝合金等强度高、导热性能良好的金属管。该气体循环管路流经换热单元和固态储氢单元的部分采用U型管、螺旋管或翅片式等结构，以提高系统的换热性能。
作为本发明的一种实施方式，如图1所示，该混合储氢系统包括高压气态储氢单元1、固态储氢单元2、换热单元3和气体循环管路4；其中，固态储氢单元2设置在高压气态储氢单元1内部，例如可以通过支撑架5固定在高压气态储氢单元1内，氢气可在二者之间自由流动；气体循环管路4的一端连接氢气源6，另一端连接高压气态储氢单元1的氢气入口7，并且，气体循环管路4自氢气源5依次通过换热单元3、高压气态储氢单元1内的固态储氢单元2、换热单元3，最后连接至高压气态储氢单元1的氢气入口7。在该混合储氢系统中，通过控制换热单元3中的热交换介质，可以实现气体循环管路中氢气的冷却和加热。氢气源6在固态储氢单元的储氢过程中作为氢气的输入端，在固态储氢单元的放氢过程中作为氢气的输出端，同时，图中箭头方向仅示意性的表示某一过程中的气体流向，并不用来限定气体的唯一流向(以下同)。
基于图1中示出的混合储氢系统的结构，其在固态储氢单元储氢和放氢过程中的具体工作方式为：
(1)在系统储氢过程中，预先打开换热单元3的进、出水阀门8、9，接通低于5℃的冷却水，使之在换热单元内循环，然后打开阀门10、11，将氢气由氢气源6通过气体循环管路4充入至高压气态储氢单元1内，固态储氢单元2中的储氢合金吸收氢气，在合金吸氢过程中放出的热量传递给设置在其外侧的气体循环管路，此时该部分气体循环管路中流通的是经冷却后氢气(经充分冷却后约5℃左右)，在此作为热媒参与系统对外界环境的换热过程。氢气吸收固态储氢合金床体释放的热量之后沿气体循环气路重新回到换热单元3进行冷却，然后经阀门11进入高压气态储氢单元1内；(2)在系统放氢过程中，由换热单元3的进、出水阀门8、9向换热单元接通80℃的水，使之在换热单元内循环，然后打开阀门11、10，高压气态储氢单元1内的氢气经气体循环管路流出(按照图中箭头的反方向)，系统压力随之降低，固态储氢单元2内的金属氢化物开始释放氢气，同时合金床体吸收热量，释放的氢气经过换热单元3进行加热后(经充分加热后约70℃)，再沿气体循环管路循环至固态储氢单元，并向其补偿热量，加快氢的脱附，最后经阀门10流出系统。
作为本发明的另一种实施方式，如图2所示，该混合储氢系统采用双换热单元和双换热回路的结构，即包括两个换热单元，分别为冷却水箱3和加热水箱3’；以及两套气体循环管路。其中实线部分表示储氢过程中用于输入气体的气体循环管路4，虚线部分表示放氢过程中用于输出气体的气体循环管路4’。基于该结构的混合储氢系统，在固态储氢单元储氢和放氢过程中的具体工作方式为：
(1)在系统储氢过程中，预先打开冷却水箱3的进、出水阀门8、9，接通低于5℃的冷却水，使之在冷却水箱内循环，然后打开阀门10、11、13、14，由氢气源6将氢气通过气体循环管路4充入至高压气态储氢单元1内，固态储氢单元2中的储氢合金吸收氢气，在合金吸氢过程中放出的热量传递给设置在其外侧的气体循环管路，此时该部分气体循环管路中流通的是经冷却后氢气(经充分冷却后约5℃左右)，在此作为热媒参与系统对外界环境的换热过程。氢气吸收固态储氢合金床体释放的热量之后再经过冷却水箱3冷却后沿循环气路经阀门11进入高压气态储氢单元1内；(2)在系统放氢过程中，关闭阀门10、11、13、14，然后打开加热水箱3’的进、出水阀门17、18，接通80℃的水，打开阀门12、15、16，高压气态储氢单元1内的氢气经气体循环管路4’流出(图中虚线表示)，系统压力随之降低，固态储氢单元2内的金属氢化物开始释放氢气，同时合金床体吸收热量，释放的氢气经过加热水箱3’进行加热(经充分加热后约70℃)，再沿气体循环管路4’循环至固态储氢单元2，并向其补偿热量，加快氢的脱附，最后经阀门16流出系统。
作为本发明的又一种实施方式，如图3所示，该混合储氢系统采用双换热单元和单换热回路的结构，即包括两个换热单元，分别为冷却水箱3和加热水箱3’；以及一套气体循环管路4。基于该结构的混合储氢系统，在固态储氢单元储氢和放氢过程中的具体工作方式为：
(1)在系统储氢过程中，预先打开冷却水箱3的进、出水阀门8、9，接通低于5℃的冷却水，使之在冷却水箱内循环，关闭加热水箱3’的进、出水阀门17、18，打开阀门10、11，由氢气源6将氢气通过气体循环管路4充入至高压气态储氢单元1内，固态储氢单元2中的储氢合金吸收氢气，在合金吸氢过程中放出的热量传递给设置在其外侧的气体循环管路，此时该部分气体循环管路中流通的是经冷却后氢气(经充分冷却后约5℃左右)，在此作为热媒参与系统对外界环境的换热过程。氢气吸收固态储氢合金床体释放的热量之后沿循环气路经阀门11进入高压气态储氢单元内；(2)在系统放氢过程中，关闭阀门8、9，打开阀门17、18，向加热水箱3’接通80℃的水，使之在加热水箱内循环，打开阀门11，高压气态储氢单元1内的氢气经气体循环管路4流出，系统压力随之降低，固态储氢单元内的金属氢化物开始释放氢气，同时合金床体吸收热量，释放的氢气经过加热水箱3’进行加热后(经充分加热后约70℃)，再沿气体循环管路4循环至固态储氢单元2，并向其补偿热量，加快氢的脱附，最后经阀门10流出系统。

Claims (8)

1.一种以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，包括高压气态储氢单元、固态储氢单元、换热单元和气体循环管路；其中，固态储氢单元设置在高压气态储氢单元内部，氢气可在二者之间自由流动；气体循环管路自氢气源依次通过换热单元、固态储氢单元、换热单元，最后连接至高压气态储氢单元的氢气入口。
2.根据权利要求1所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述混合储氢系统中的换热单元在储氢过程中为冷却单元，在放氢过程中为加热单元。
3.根据权利要求1所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述混合储氢系统中的气体循环管路为储氢过程中用于输入气体的气体循环管路，以及放氢过程中用于输出气体的气体循环管路。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述高压气态储氢单元采用内部为金属内胆外部缠绕纤维固化而成的储氢容器。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述固态储氢单元由压制成型的储氢合金或其他储氢材料组成。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述气体循环管路的材质为不锈钢或硬质铝合金。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述气体循环管路流经换热单元和固态储氢单元的部分采用U型管、螺旋管或翅片式结构。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的以氢气作为热媒的混合储氢系统，其特征在于，所述换热单元中的换热介质为水或其他换热性能良好的介质。
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