CN110509766A - 固态储氢氢源系统和氢能汽车 - Google Patents

固态储氢氢源系统和氢能汽车 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种固态储氢氢源系统和氢能汽车，涉及氢燃料存储设备领域。该固态储氢氢源系统，包括储氢本体，在所述储氢本体上内部开设有热交换介质管路、氢气气路以及至少一个用于装填储氢合金的合金装填腔，热交换介质管路包括围设在每一合金装填腔的外围的热交换管路，氢气气路与每一合金装填腔连通。其通过直接在储氢本体上直接成型出特定的热交换介质管路、氢气气路以及合金装填腔，使得热交换介质管路、氢气气路以及合金装填腔呈一体化设置，系统内部无需格外独立的管路，从而有效避免了系统各部件在使用过程中因振动导致部件松脱引发氢气的情况发生。此外，该氢能汽车的安全性高、稳定性佳，同时氢气加注灵活。

Description

固态储氢氢源系统和氢能汽车
技术领域
本发明涉及氢燃料存储设备领域，具体而言，涉及一种固态储氢氢源系统和氢能汽车。
背景技术
氢气的存储方式主要包含高压气态存储、低温液态存储以及使用储氢材料的固态存储等三种方式。与高压、液态存储方式相比，固态储氢方式具有充氢压力低、体积存储密度大、安全性好、可长期存储等优势。
由于历史的原因，汽车厂商往往选择技术成熟度更高的高压(>35MPa)气态存储方式作为其燃料电池汽车的首选氢燃料存储系统，这也造成了目前市场上高压气态存储方式一家独大的态势。然而，尽管高压气态储氢技术路线简单、充放氢速度快，但其体积密度低、氢气压缩耗能大、安全性低、需要造价昂贵的高压加氢站配套等固有缺陷亦直接阻碍了氢能汽车的发展。
采用低压固态储氢氢源系统替代现有高压氢气存储系统后，可以实现在较低的氢压(<5MPa)下对储氢系统充氢，仅需配备造价与现有加油站相当的低压加氢站，以破解加氢站审批困局，从而快速推进燃料电池汽车的商用化发展。
目前大多数储氢系统为了提高系统的热交换能力，皆采用了列管式排布小型储氢罐的方式。这一方式很好的改善了系统的吸放氢性能，但同时也带来了新的问题：各储罐及部件之间的连接管路普遍采用单独的阀体和气管连接，这会导致在车辆的行驶过程中，系统受到不断的震动而产生松脱等现象。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种固态储氢氢源系统，整个系统一体化，有效改善了因震动产生松脱的问题。
本发明的目的还包括，例如，提供了一种氢能汽车，其安全性高、稳定性佳，同时氢气加注灵活。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明实施例提供一种固态储氢氢源系统，包括储氢本体，在所述储氢本体上内部开设有热交换介质管路、氢气气路以及至少一个用于装填储氢合金的合金装填腔，所述热交换介质管路包括围设在每一所述合金装填腔的外围的热交换管路，所述氢气气路与每一所述合金装填腔连通。
在可选的实施方式中，通过铸造或机加工的方式成型所述热交换介质管路、所述氢气气路以及所述合金装填腔；
优选地，所述储氢本体的材料为铝合金。
在可选的实施方式中，所述储氢本体包括相互配合的基体和盖体，所述基体与所述盖体相对的表面开设有用于将所述储氢合金装填至所述合金装填腔的装填口，所述盖体具有用于闭合所述装填口的装填盖板；
优选地，所述基体和所述盖体之间设置有用于密封的密封件；
优选地，所述基体的至少一个表面为弧形表面。
在可选的实施方式中，所述热交换介质管路还包括与所述热交换管路进口端连通的进水管和与所述热交换管路出口端连通的出水管；
优选地，所述热交换管路包括至少一个环形管，且每一所述环形管环设在一个所述合金装填腔的外围；
优选地，所述热交换介质管路设置于所述基体内，所述基体的侧壁开设有进水接口和出水接口，所述进水接口与所述进水管连通，所述出水接口与所述出水管连通；
优选地，所述进水接口和所述出水接口均为快接接口。
在可选的实施方式中，所述氢气气路包括进出气总管和进出气支管，所述进出气总管通过所述进出气支管与每一所述合金装填腔连通；
优选地，所述氢气气路设置于所述基体内，所述基体的侧壁开设有进出气接口，所述进出气接口与所述进出气总管连通；
优选地，所述进出气接口为快接接口。
在可选的实施方式中，所述合金装填腔的底部设置有第一进气口，所述合金装填腔的侧壁沿其轴向方向设置有多个第二进气口，所述进出气支管同时与所述第一进气口和多个所述第二进气口连通。
在可选的实施方式中，所述合金装填腔内沿其轴向方向设置有多个用于进行热交换的翅片。
在可选的实施方式中，所述储氢合金在低温和/或加压条件下吸收氢气，且在高温和/或低压条件下释放氢气；
优选地，所述低温为20-25℃；所述高温为30-40℃；
优选地，所述储氢合金在常温下充氢压力<10MPa；
优选地，所述储氢合金为AB5型、AB型、A2B7型、AB2型或AB3型中的一种；
优选地，所述固态储氢氢源系统还包括用于对氢燃料电池与储氢合金进行换热的换热装置，所述换热装置设置在储氢本体的外部；
优选地，所述氢气气路的出口端设有减压部或加压部。
在可选的实施方式中，所述固态储氢氢源系统包括多个所述合金装填腔，且多个所述合金装填腔阵列排列；
优选地，在所述合金装填腔中装填有储氢合金；
优选地，所述储氢合金为2-4mm的片状。
第二方面，本发明实施例提供一种氢能汽车，其包括车体、氢燃料电池以及上述固态储氢氢源系统，所述氢燃料电池和所述固态储氢氢源系统设置于所述车体内，所述固态储氢氢源系统能够向所述氢燃料电池提供氢气。
本发明实施例的有益效果包括，例如：本发明实施例提供了一种固态储氢氢源系统，其通过直接在储氢本体上按照预先设计的位置和连通关系以成型出特定的热交换介质管路、氢气气路以及合金装填腔，使得热交换介质管路、氢气气路以及合金装填腔呈一体化设置，系统内部无需格外独立的管路，取消了现有技术中系统中常见的气管、阀门以及罐体之间的连接与焊接等部件和工艺，从而有效避免了系统各部件在使用过程中因振动导致部件松脱引发氢气的情况发生。同时氢气的输入和输出得到了很好的控制，在氢气输入或输出的过程中释放的热量或所需的热量也通过预设的热交换介质管路中的循环水得到了很好的热量交换，换热效果佳。此外，本申请提供的氢能汽车，其安全性高、稳定性佳，同时氢气加注灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的固态储氢氢源系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的固态储氢氢源系统的基体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的固态储氢氢源系统的合金装填腔与氢气气路配合的结构示意图。
图标：100-固态储氢氢源系统；110-储氢本体；111-基体；112-盖体；113-进出气接口；115-进水接口；116-出水接口；117-密封件；118-弧形表面；120-热交换介质管路；121-进水管；122-出水管；123-热交换管路；130-氢气气路；131-进出气总管；132-进出气支管；140-合金装填腔；141-第一进气口；142-第二进气口；143-翅片；144-储氢合金；145-装填口；146-装填盖板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
实施例
请参考图1，本实施例提供了一种固态储氢氢源系统100，其包括储氢本体110，该储氢本体110上成型有热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140，本申请中通过直接在储氢本体110上成型各种管路和腔体，使得整个系统呈一体化设置，系统内部无需格外独立的管路，取消了现有技术中系统中常见的气管、阀门以及罐体之间的连接与焊接等部件和工艺，从而有效避免了系统各部件在使用过程中因振动导致部件松脱引发氢气的情况发生。
具体地，本实施例中是通过铸造或机加工的方式成型的上述热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140，该储氢本体110的材料为铝合金。也即是，本实施例中通过在实心的铝合金锭内直接成型各种管路(例如本申请中的热交换介质管路120和氢气气路130)和腔体(例如本申请中的合金装填腔140)，通过直接成型的方式限制了各个管路和腔体的位置以及连通关系，无需再利用连接部件或焊接工艺进行连接，使得整个系统呈一体化设置。
请结合参阅图1和图2，本实施例中，储氢本体110包括基体111和盖体112，基体111和盖体112通过连接件连接，通过将储氢本体110设计为两部分，利用基体111和盖体112的配合能够方便对合金装填腔140进行装填储氢合金144。基体111与盖体112相对的表面开设有用于将储氢合金装填至合金装填腔140的装填口145，盖体112上具有用于闭合装填口145的装填盖板146；利用装填口145能够方便将片状的储氢合金装填至合金装填腔140内，同时，在需要更换储氢合金时，也可以通过直接打开盖体112进行更换，更换完成后，盖合盖体112即可。
进一步地，本实施例中的热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140均设置于基体111内，基体111的侧壁上对应设置有进水接口、出水接口和进出气接口，上述进水接口、出水接口和进出气接口可以设置于基体的同一侧壁上，也可以设置于不同的侧壁上。应理解，本申请中为了保持热交换介质管路120和氢气气路130良好的密封性，因此将进水接口、出水接口和进出气接口直接开设于基体111。而在其他实施方式中，也可以将上述进水接口、出水接口和进出气接口开设于盖体112上，只需要在连接的位置设置密封结构即可。此外，本实施例中，上述进水接口、出水接口和进出气接口均为快接接口，快接接口是一种不需要工具就能实现管路连通或断开的接头，其安装和拆卸方便，可实现系统内热交换循环中国的传热介质的快速输入和输出。
优选地，基体111和盖体112之间设置有用于密封的密封件117，密封件117能够保证基体111和盖体112之间的紧密连接，有效避免发生合金装填腔140内的储氢合金发生泄露的情况。进一步地，本申请在成型上述热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140时，还可以一并将基体111的至少一个表面成型为弧形表面118，这样有利于加大热交换介质管路120与基体111的接触面，进而提高换热效果。
请参阅图3，本实施例中，合金装填腔140有多个且呈阵列排布，合金装填腔140内填充有储氢合金144，本实施例中的储氢合金为2-4mm的片状，其可以方便的填充于合金装填腔140内。具体地，该储氢合金在低温和/或加压条件下吸收氢气，且在高温和/或低压条件下释放氢气；优选地，低温为20-25℃；高温为30-40℃；而加压和低压是通过外部的注氢设备或用氢设备产生的，本申请中主要利用热交换介质管路120控制储氢合金144的温度即可。储氢合金144在常温下充氢压力<10MPa；优选地，储氢合金144为AB5型、AB型、A2B7型、AB2型或AB3型中的一种。
进一步地，合金装填腔140内沿其轴向方向设置有多个用于进行热交换的翅片143，翅片143的设置，加大了储氢合金144与合金装填腔140的接触面积，从而加大了换热面积，提高了换热效果。
请返回参阅图1，在本实施例中，循环水通过基体111上的进水接口115进入系统，并通过基体111内的热交换介质管路120流经所有的合金装填腔140的外部，将外部热量带给合金以进行氢气的释放，或者将合金工作时产生的热量带走以进行注入氢气，最后经由基体111上的出水接口116流出系统。
具体地，本实施例中，热交换介质管路120包括进水管121、出水管122和热交换管路123，热交换管路123围设在每一合金装填腔140的外围，具体到本实施例中，热交换管路123为环形管，热交换管路123同时与进水管121和出水管122连通。通过成型热交换管路123，使得循环水能够流经每个合金装填腔140的外部，从而进行换热。
请结合参阅图1和图3，在本实施例中，氢气经基体111上的进出气接口113输入固态储氢氢源系统100内，或者从固态储氢氢源系统100中输出。
具体地，氢气气路130与的合金装填腔140的内部连通。氢气气路130包括进出气总管131和多个进出气支管132，多个进出气支管132的一端分别与多个合金装填腔140的内部连通，多个进出气支管132的另一端分别与进出气总管131连通。合金装填腔140的顶部设置有第一进气口141，合金装填腔140的侧壁沿其轴向方向设置有多个第二进气口142，进出气支管132同时与第一进气口141和多个第二进气口142连通。本实施例中，通过在合金装填腔140上设置多个进气口，从而保证了可以在合金装填腔140的多个位置输入(或输出)氢气，这样的设计可以保证合金装填腔140内各个部位的输入氢气或输出氢气的时间大致相同，有效避免在输入或输出氢气的过程中发生局部区域输入氢气或输出氢气不充分的问题。同时，该设计能够使氢气均匀地输入合金装填腔140的不同部位，或从合金装填腔140的不同部位同时输出，使合金装填腔140在输入或输出氢气时所放出或吸收的热量较为均匀，有利于提高合金装填腔140的温度的均匀性，进而改善固态储氢氢源系统100的输入或输出氢气的动力学性能，并进一步提高冷却水系统的工作效率，实现节能环保的目的。
此外，本申请中，固态储氢氢源系统还包括用于对氢燃料电池与储氢合金进行换热的换热装置，换热装置设置在储氢本体的外部。由于氢燃料电池在工作过程中也会产生热量，但是其换热不是利用循环水进行的，因此，氢燃料电池和固态储氢氢源系统100之间不能共用循环冷却系统，本申请中，为了提高热量的利用率，通过将固态储氢氢源系统100的热交换介质管路120与氢燃料电池的循环冷却系统通过换热装置连通换热，能够实现将氢燃料电池工作时所放出的热量传递至固态储氢氢源系统100，以作为固态储氢氢源系统100放氢时的热源。根据本实施例提供的一种固态储氢氢源系统100，其工作原理是：本申请中在实心的铝合金锭内直接通过铸造或机加工的方式，预先设计的位置和连通关系以成型出特定的热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140，使得热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140呈一体化设置，系统内部无需格外独立的管路，取消了现有技术中系统中常见的气管、阀门以及罐体之间的连接与焊接等部件和工艺，从而有效避免了系统各部件在使用过程中因振动导致部件松脱引发氢气的情况发生。氢气经盖体112上的进出气接口113输入固态储氢氢源系统100内，或者从固态储氢氢源系统100中输出。循环水通过盖体112上的进水接口115进入系统，并通过基体111内的热交换介质管路120流经所有的合金装填腔140的外部，将外部热量带给合金以进行氢气的释放，或者将合金工作时产生的热量带走以进行注入氢气，最后经由盖体112上的出水接口116流出系统。本申请通过一体化设计，不仅仅能够有效避免系统各部件在使用过程中因振动导致部件松脱引发氢气的情况发生，同时还使得氢气的输入和输出更加均匀，循环水的输入和输出更加方便，换热效果佳。
此外，本申请还提供了一种氢能汽车，其包括车体、氢燃料电池以及上述固态储氢氢源系统100，氢燃料电池和固态储氢氢源系统100设置于车体内。固态储氢氢源系统能够向氢燃料电池提供氢气。本申请提供的氢能汽车安全性高、稳定性佳，同时氢气加注灵活。
进一步地，本申请还提供了两个应用实例：
应用实例一：载客大巴用固态储氢氢源系统。
在9米长公交大巴上安装本实施例提供的固态储氢氢源系统100，该固态储氢氢源系统100采用蒸馏水作为冷却循环水，合金装填腔140内填充AB2型储氢合金144，每个合金装填腔140外均以水套形式包裹着热交换介质管路120。
对固态储氢氢源系统100进行氢加注时，将低压加注枪与系统盖体112上的进出气接口113通过快接接口相连，往系统内加注压力为5MPa的氢气，加注时间20分钟，期间将盖体112上的进水接口115和出水接口116与外部的冷却循环系统通过快接接口对接，以便在充氢时将储氢合金144所产生的热量及时带走。充氢结束后，断开外部热交换介质管路120，热交换介质管路120重新与氢燃料电池的热交换介质管路120的换热器相连接。氢加注完成后，系统内储氢量达18kg，可供安装了30kW氢燃料电池系统的大巴行驶380km。
储氢系统工作时，氢气从储氢系统流向燃料电池，合金放氢平台0.7MPa，经过减压后按规定流量，以0.11bar的压力输入燃料电池系统。燃料电池工作时的热量通过循环冷却系统输送至储氢系统，供储氢系统中的合金材料放氢使用。
应用实例二：城市低速、短途市政工作车固态储氢氢源系统。
市区环卫、便民市政工作车辆长期工作于人群密集区域，其行驶距离短、速度慢，对安全性、稳定性及加注灵活性的要求高，固态储氢氢源系统的低压安全加注特性可充分满足其要求。
在低速车辆上安装本申请提供的固态储氢氢源系统100，该储氢系统使用AB5型长寿命低成本储氢合金144作为储氢介质，合金最大充氢压力仅需3MPa，放氢平台0.5MPa。储氢系统外接减压阀以用作将输出的氢气压力降至燃料电池允许的氢气输入压力。燃料电池工作时的热量通过循环冷却系统输送至储氢系统，供储氢系统中的合金材料放氢使用。
人群密集区域可采用原位电解水制氢的方法，原地制备压力仅4MPa的高纯氢气供低压氢加注站使用。氢加注压力为4MPa时，加注时间10分钟，加注时储氢系统外接水循环系统，以便将加氢时合金产生的热量带走，提高加氢效率。氢加注完成后，系统内储氢量达3kg，可供安装了5kW氢燃料电池系统的低速市政工作车辆连续工作5小时。
综上所述，本发明实施例提供了一种固态储氢氢源系统100，其通过直接在储氢本体110上按照预先设计的位置和连通关系以成型出特定的热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140，使得热交换介质管路120、氢气气路130以及合金装填腔140呈一体化设置，系统内部无需格外独立的管路，取消了现有技术中系统中常见的气管、阀门以及罐体之间的连接与焊接等部件和工艺，从而有效避免了系统各部件在使用过程中因振动导致部件松脱引发氢气的情况发生。同时氢气的输入和输出得到了很好的控制，在氢气输入或输出的过程中释放的热量或所需的热量也通过预设的热交换介质管路120中的循环水得到了很好的热量交换，换热效果佳。此外，本申请提供的氢能汽车，其安全性高、稳定性佳，同时氢气加注灵活。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种固态储氢氢源系统，其特征在于，包括储氢本体，在所述储氢本体上内部开设有热交换介质管路、氢气气路以及至少一个用于装填储氢合金的合金装填腔，所述热交换介质管路包括围设在每一所述合金装填腔的外围的热交换管路，所述氢气气路与每一所述合金装填腔连通。
2.根据权利要求1所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，通过铸造或机加工的方式成型所述热交换介质管路、所述氢气气路以及所述合金装填腔；
优选地，所述储氢本体的材料为铝合金。
3.根据权利要求1所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述储氢本体包括相互配合的基体和盖体，所述基体与所述盖体相对的表面开设有用于将所述储氢合金装填至所述合金装填腔的装填口，所述盖体具有用于闭合所述装填口的装填盖板；
优选地，所述基体和所述盖体之间设置有用于密封的密封件；
优选地，所述基体的至少一个表面为弧形表面。
4.根据权利要求3所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述热交换介质管路还包括与所述热交换管路进口端连通的进水管和与所述热交换管路出口端连通的出水管；
优选地，所述热交换管路包括至少一个环形管，且每一所述环形管环设在一个所述合金装填腔的外围；
优选地，所述热交换介质管路设置于所述基体内，所述基体的侧壁开设有进水接口和出水接口，所述进水接口与所述进水管连通，所述出水接口与所述出水管连通；
优选地，所述进水接口和所述出水接口均为快接接口。
5.根据权利要求3所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述氢气气路包括进出气总管和进出气支管，所述进出气总管通过所述进出气支管与每一所述合金装填腔连通；
优选地，所述氢气气路设置于所述基体内，所述基体的侧壁开设有进出气接口，所述进出气接口与所述进出气总管连通；
优选地，所述进出气接口为快接接口。
6.根据权利要求5所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述合金装填腔的底部设置有第一进气口，所述合金装填腔的侧壁沿其轴向方向设置有多个第二进气口，所述进出气支管同时与所述第一进气口和多个所述第二进气口连通。
7.根据权利要求1所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述合金装填腔内沿其轴向方向设置有多个用于进行热交换的翅片。
8.根据权利要求1所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述固态储氢氢源系统包括多个所述合金装填腔，且多个所述合金装填腔阵列排列；
优选地，在所述合金装填腔中装填有储氢合金；
优选地，所述储氢合金为2-4mm的片状。
9.根据权利要求8所述的固态储氢氢源系统，其特征在于，所述储氢合金在低温和/或加压条件下吸收氢气，且在高温和/或低压条件下释放氢气；
优选地，所述低温为20-25℃；所述高温为30-40℃；
优选地，所述储氢合金在常温下充氢压力<10MPa；
优选地，所述储氢合金为AB5型、AB型、A2B7型、AB2型或AB3型中的一种；
优选地，所述固态储氢氢源系统还包括用于对氢燃料电池与储氢合金进行换热的换热装置，所述换热装置设置在储氢本体的外部；
优选地，所述氢气气路的出口端设有减压部或加压部。
10.一种氢能汽车，其特征在于，其包括车体、氢燃料电池以及如权利要求1-9任一项所述的固态储氢氢源系统，所述氢燃料电池和所述固态储氢氢源系统设置于所述车体内，所述固态储氢氢源系统能够向所述氢燃料电池提供氢气。
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