CN109708002A - 一种温度补偿式合金储氢供氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度补偿式合金储氢供氢系统，包括金属储氢容器、恒温槽、溢流阀、质量流量控制器、氢源、燃料电池电堆、加热水箱、制冷机组、自动补水循环泵以及温度传感器；该系统以去离子水为传热介质，金属储氢容器能够在不同工况下通过对循环水的切换实现充/放氢流程的选择与转换，氢气流速平稳，反应均衡，反应产物为纯净水，清洁无污染，而且整个系统结构紧凑，制造和维修成本低，工作性能稳定。

Description

一种温度补偿式合金储氢供氢系统

技术领域

本发明属于氢气的储存、运输及供给领域，涉及固态储氢供氢技术，具体地涉及一种温度补偿式合金储氢供氢系统。

背景技术

氢气作为一种高效清洁的能源，通过燃料电池电堆反应后能够转化为电能。但是，如何安全可靠地储存和使用氢气，并且保证不泄露，是一个重点关注的问题。当前常见的储氢技术主要有高压储氢、物理吸附储氢、固态储氢、有机液体储氢等几种方式。

高压储氢的主要缺点是密封性差，容易泄露，存在安全隐患。物理吸附储氢一般只能在低温下达到较大的储氢量，与化学储氢材料相比，物理储氢的吸附热低，作用力弱，只是分子之间的范德华力，不涉及化学键的断裂和生成。固态储氢技术发展较快，某些类型的合金储氢材料具有很强的与氢气反应的能力，在一定温度和压力下能够大量吸收氢气，生成金属氢化物，如TiFe、TiMn、V系、镧系金属等，但距离大规模工程应用还有很长一段路。有机液体储氢技术近年来得到广泛的关注，主要是以某些不饱和芳香烃、烯炔烃等作为储氢载体，通过与氢气作为反应物发生可逆化学反应来实现储放氢，但大多处于试验室研究阶段，在工程应用方面报道较少。储氢合金在充/放氢反应过程中表现出显著地热效应，即吸氢放热，吸热放氢。因此，为了保证吸放氢平衡，需要为金属储氢装置配置特殊的换热结构或热平衡装置。

中国专利CN105387341公开了一种阵列式固态储氢放氢装置，包括储氢罐和罐内的气路系统，该储氢装置由一个腔体和以结构单元阵列式安装在腔体内的具有承担固态储氢和放氢功能的储氢罐组成。该专利的特点是：储氢罐以阵列方式置于腔体内，以结构单元形式安装，可根据实际需求容量增减单元数量；冷却/加热系统与装置一体化，既保证热传递的效果，又能够有效简化整体结构，降低成本；金属化合物合金粉均匀分布在层叠放置的方块铝膜上，填充量高，储氢多；该装置既可作为储、放氢装置，又可作为储氢介质特性、储放氢动力学和热量传递的研究装置。

中国专利CN105387341公开的储放氢装置虽然便于安装，适于安装到具有特定形状的设备中，但其复杂的结构使得制造和维护成本高，不适用于给一般简单的设备供氢。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种结构简单、操作方便、工作性能稳定的温度补偿式合金储氢供氢系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种温度补偿式合金储氢供氢系统，包括用于吸氢储存的内含储氢合金的金属储氢容器以及给储氢合金提供氢气的氢源，还包括盛装用于热传导的去离子水的恒温槽和通过质量流量控制器连接于金属储氢容器的燃料电池电堆，所述的金属储氢容器设于恒温槽内且外壁直接接触去离子水，质量流量控制器用于控制放氢流速，调节放氢压力，恒温槽上侧的溢流出口连接有溢流阀，所述的燃料电池电堆出口连接有加热水箱，加热水箱通过自动补水循环泵与恒温槽的进水口和出水口连接，用于提供作为热传导的去离子水所需的热量，通过自动补水循环泵将反应产物水所携带的热量返还给恒温槽，用于系统热循环回路，所述的自动补水循环泵位于溢流阀的下游和金属储氢容器的下方，用于整个系统回路的循环利用，所述的加热水箱上连接有制冷机组，制冷机组的水箱与自动补水循环泵连接，为恒温槽循环提供冷却水，所述的恒温槽的内部设有温度传感器，温度传感器的一端与恒温槽连接，另一端与自动补水循环泵连接，用于监测金属储氢容器外表面进行热交换的去离子水的温度变化，将金属储氢容器的外表面温度变化实时地传递给自动补水循环泵，自动补水循环泵相应地通过接收的控制信号来改变开关状态，根据温度信号控制自动补水循环泵与溢流阀的开启与否，以改变与金属储氢容器接触的循环冷却水的流量和温度。

所述的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，其金属储氢容器由罐体、叠加在罐体内的多个换热结构以及穿过换热结构中心的导气管组成，所述的换热结构内壁粘贴有一层金属缓冲层，所述的金属缓冲层为波浪形“V”字结构金属片叠加而成，所述的导气管为粉末冶金多孔的中空结构，让气体通过同时阻止金属粉末通过。

所述的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，其换热结构的外壁与罐体内表面直接接触。接触面积大，间隙小，为去离子水的热交换提供了良好的换热条件。

所述的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，其储氢合金为TiFe、TiFe_0.9Mn_0.1、TiMn_1.5、Ti_0.8Zr_0.2Cr_0.8Mn_1.2、V_0.8Ti_0.2或LaNi₅。

本发明的有益效果是：本发明的储氢供氢系统，释放出的氢气经过燃料电池电堆反应后，生成的产物水可作为金属储氢容器放氢反应所需要的热源，通过质量流量控制器可调节氢气流速，对外持续供氢。使用去离子水作为传热介质，去离子水与金属储氢容器的外表面直接接触，使得设计的金属储氢容器的结构简单，生产和维护成本低，装拆方便快捷。通过温度传感器随时监测水温变化，根据水温变化而补充因充/放氢流程所需的热量交换：充氢时放热，提供冷却水；放氢时吸热，提供热水。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的放氢工作流程；

图3是本发明的充氢工作流程；

图4是本发明金属储氢容器的结构示意图。

图5是本发明换热结构的侧视图；

图6是本发明换热结构的俯视图；

图7是本发明换热结构的立体图。

各附图标记为：1—金属储氢容器，2—恒温槽，3—溢流阀，4—质量流量控制器，5—氢源，6—燃料电池电堆，7—加热水箱，8—制冷机组，91、92—自动补水循环泵，10—温度传感器，11—罐体，12—换热结构，13—导气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明公开的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，包括金属储氢容器1、恒温槽2、溢流阀3、质量流量控制器4、氢源5、燃料电池电堆6、加热水箱7、制冷机组8、自动补水循环泵91和92以及温度传感器10。

恒温槽2盛装用于热传导的去离子水，金属储氢容器1设于恒温槽2内且外壁直接接触去离子水，燃料电池电堆6通过质量流量控制器4连接于金属储氢容器1，质量流量控制器4用于控制放氢流速，调节放氢压力，恒温槽2上侧的溢流出口连接有溢流阀3，燃料电池电堆6出口连接加热水箱7，加热水箱7通过自动补水循环泵91、92与恒温槽2的进水口和出水口连接，用于提供作为热传导的去离子水所需的热量，通过自动补水循环泵91、92将反应产物水所携带的热量返还给恒温槽2，用于系统热循环回路，自动补水循环泵91、92位于溢流阀3的下游和金属储氢容器1的下方，用于整个系统回路的循环利用，加热水箱7连接有制冷机组8，制冷机组8的水箱与自动补水循环泵91、92连接，为恒温槽2循环提供冷却水，恒温槽2的内部设置温度传感器10，温度传感器10的一端与恒温槽2连接，另一端与自动补水循环泵91、92连接，用于监测金属储氢容器1外表面进行热交换的去离子水的温度变化，将金属储氢容器1的外表面温度变化实时地传递给自动补水循环泵91、92，自动补水循环泵91、92相应地通过接收的控制信号来改变开关状态，根据温度信号控制自动补水循环泵91、92与所述溢流阀3的开启与否，以改变与金属储氢容器1接触的循环冷却水的流量和温度。

金属储氢容器1中装有储氢合金，储氢合金可以列举TiFe、TiFe_0.9Mn_0.1、TiMn_1.5、Ti_0.8Zr_0.2Cr_0.8Mn_1.2、V_0.8Ti_0.2、LaNi₅等，根据外部用氢设备对氢气依赖的要求，可选择充氢压力大于等于4.50MPa（试验数据所得）、充氢水温5～10℃（试验数据所得）；放氢压力0.3～1.0MPa、放氢水温60～70℃（试验数据所得）。

如图2所示，当合金放氢时，恒温槽2保持罐体表面水温60～70℃范围，如果水温下降，温度传感器10可释放信号给自动补水循环泵91和92，将加热水箱7提供的热水，包含燃料电池电堆6反应生成的产物水流入加热水箱7的部分，一起导入恒温槽2中补充供热，同时将溢流阀3打开，通过自动补水循环泵91排出多余的热交换水，如此循环往复，直至储氢合金完全放氢为止。

由于放氢的过程是一个吸热反应过程，会导致金属储氢容器1内部储氢合金的温度下降，为了持续向外部用氢设备提供稳定的氢气来源，传感器10将金属储氢容器1的外表面温度变化实时地传递给自动补水循环泵91，自动补水循环泵91相应地通过接收的控制信号来改变开关状态，以改变与金属储氢容器1接触的循环水流量和温度，同时在温度较低时通过溢流阀3将多余的已被完全吸收了热量的循环水通过自动补水循环泵92排至加热水箱7。

如图3所示，当合金吸氢时，恒温槽2可保持罐体表面温度5～10℃范围，如果水温升高，温度传感器10可将控制信号传给自动补水循环泵92，将制冷机组8提供的冷却水导入恒温槽2中，同时将溢流阀3打开，排出多余的热交换水，如此循环往复，直至合金吸氢饱和为止。

由于充氢的过程是一个放热反应过程，会导致金属储氢容器1内部储氢合金的温度上升，为了保证储氢合金持续吸氢，由氢源5持续供氢，同时温度传感器10将金属储氢容器1的外表面温度变化实时地传递给自动补水循环泵91，自动补水循环泵91相应地通过接收的控制信号来改变开关状态，以改变与金属储氢容器1接触的循环冷却水的流量和温度，冷却水由制冷机组8提供，同时在水温升高时通过溢流阀3将多余的已吸收足够热量的循环水通过自动补水循环泵92排至制冷机组8水箱，进行下一轮的循环利用。

如图4所示，所述的金属储氢容器1由罐体11、叠加在罐体11内的多个换热结构12以及穿过换热结构12中心的导气管13组成，换热结构12的外壁与罐体11内表面直接接触，接触面积大，间隙小，为去离子水的热交换提供了良好的换热条件。

如图5至图7所示，所述的换热结构12内壁粘贴有一层金属缓冲层，可以抵消或减缓合金材料吸氢膨胀时对罐体的挤压，所述的金属缓冲层为波浪形“V”字结构金属片叠加而成，下面粘贴阻粉层，安装在换热结构12内壁，紧贴内壁粘贴，所述的导气管13为粉末冶金多孔的中空结构，安装在罐体11内部，通过换热结构12中心，可让气体通过同时阻止金属粉末通过。储氢合金在吸氢膨胀时不与罐体内壁直接接触，而是由金属缓冲层承受合金膨胀导致的应力应变影响，可减缓或避免罐体的应力应变挤压效应，起到保护罐体的作用。

在本发明中水是传热介质，用作热传导的水可以由加热水箱7或制冷机组8提供，根据充/放氢工作流程的不同进行选择和切换。

本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (4)

1.一种温度补偿式合金储氢供氢系统，包括内含储氢合金的金属储氢容器（1）以及给储氢合金提供氢气的氢源（5），其特征在于：还包括盛装去离子水的恒温槽（2）和通过质量流量控制器（4）连接于金属储氢容器（1）的燃料电池电堆（6），所述的金属储氢容器（1）设于恒温槽（2）内且外壁直接接触去离子水，恒温槽（2）上侧的溢流出口连接有溢流阀（3），所述的燃料电池电堆（6）出口连接有加热水箱（7），加热水箱（7）通过自动补水循环泵（91、92）与恒温槽（2）的进水口和出水口连接，用于将反应产物所携带的热量返还给恒温槽（2），所述的自动补水循环泵（91、92）位于溢流阀（3）的下游和金属储氢容器（1）的下方，所述的加热水箱（7）上连接有制冷机组（8），制冷机组（8）的水箱与自动补水循环泵（91、92）连接，为恒温槽（2）循环提供冷却水，所述的恒温槽（2）内设有温度传感器（10），温度传感器（10）的一端与恒温槽（2）连接，另一端与自动补水循环泵（91、92）连接，用于监测去离子水的温度变化，将金属储氢容器（1）的外表面温度变化实时地传递给自动补水循环泵（91、92），自动补水循环泵（91、92）通过接收的控制信号来改变循环冷却水的流量和温度。

2.根据权利要求1所述的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，其特征在于，所述的金属储氢容器（1）由罐体（11）、叠加在罐体（11）内的多个换热结构（12）以及穿过换热结构（12）中心的导气管（13）组成，所述的换热结构（12）内壁粘贴有一层金属缓冲层，所述的金属缓冲层为波浪形“V”字结构金属片叠加而成，所述的导气管（13）为粉末冶金多孔的中空结构，让气体通过同时阻止金属粉末通过。

3.根据权利要求2所述的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，其特征在于，所述换热结构（12）的外壁与罐体（11）内表面直接接触。

4.根据权利要求1所述的一种温度补偿式合金储氢供氢系统，其特征在于，所述的储氢合金为TiFe、TiFe_0.9Mn_0.1、TiMn_1.5、Ti_0.8Zr_0.2Cr_0.8Mn_1.2、V_0.8Ti_0.2或LaNi₅。