CN112303490A - 一种自热式金属氢化物储氢系统及充放氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自热式金属氢化物储氢系统，包括储氢系统和用于对储氢系统加热的氢气催化燃烧加热系统；所述储氢系统包括储氢罐体，在储氢罐体内装有金属氢化物储氢材料，在储氢罐体的一端设置有充放氢端口,在储氢罐体的另一端设置有用于向氢气催化燃烧加热系统供氢的出氢端口；所述氢气催化燃烧加热系统包括氢气催化燃烧器，在氢气催化燃烧器内装有催化剂，氢气催化燃烧器的进气端连接混合气输送主管道，氢气催化燃烧器的出气端连接导热管，所述导热管缠绕在储氢罐体上。本发明将储氢罐体中的氢分出一部分在燃烧器内催化剂上进行催化燃烧，将燃烧后的高温气体对储氢罐加热，可自主控温，自主供热，无需额外配置加热系统。

Description

一种自热式金属氢化物储氢系统及充放氢方法
技术领域
本发明涉及储氢系统领域，具体地说是涉及一种自热式金属氢化物储氢系统，以及采用该储氢系统的充放氢方法。
背景技术
氢燃料电池具有诸多优势，但是其商业化进程，特别是在新能源汽车、无人机等移动场合的应用推广却受制于当前移动供氢技术的发展水平。氢气在标准状况下，密度仅为0.0899g/L，体积能量密度很低。同时，氢气的沸点为-253℃，液化难度大。现有的移动储氢技术的主要瓶颈是体积能量密度不足或者质量能量密度不足。高压气态储氢是目前商用化程度最高的储氢技术，但是储氢罐的安全性和失效机理有待深入研究，加氢过程氢气压缩功耗大，缠绕储罐的碳纤维依然是我国的技术瓶颈。
金属氢化物储氢材料具有安全系数高，体积能量密度大，氢气纯度高等优点，然而其吸放氢温度较高，如果将其用于为氢燃料电池供氢的话需要额外配置加热装置，导致结构复杂，难以管理，因此限制了其大规模的生产应用。虽然国内外学者研究了各种方法来降低吸放氢温度，但是依然尚未找到能在温和条件下(吸放氢温度小于100℃)具有储氢密度高，吸放氢速率快，结构稳定而且价格适合大规模生产的高效储氢材料。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种自热式金属氢化物储氢系统及充放氢方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种自热式金属氢化物储氢系统，包括储氢系统和用于对储氢系统加热的氢气催化燃烧加热系统；
所述储氢系统包括储氢罐体，在储氢罐体内装有金属氢化物储氢材料，在储氢罐体的一端设置有充放氢端口，充放氢端口连接充氢管道和放氢管道，在充氢管道上设置有第一控制阀门，在放氢管道上设置有第二控制阀门；在储氢罐体的另一端设置有用于向氢气催化燃烧加热系统供氢的出氢端口；
所述氢气催化燃烧加热系统包括氢气催化燃烧器，在氢气催化燃烧器内装有催化剂，氢气催化燃烧器的进气端连接混合气输送主管道，混合气输送主管道通过氢气输送管道与出氢端口相连通，在氢气输送管道上设置有第三控制阀门，混合气输送主管道上还连接有空气输送管道，在空气输送管道上设置有风机和第四控制阀门；氢气催化燃烧器的出气端连接导热管，所述导热管缠绕在储氢罐体上；
在充放氢端口处设置有压力传感器，在储氢罐体外侧设置有用于检测储氢罐体壁温的第一热电偶，在氢气催化燃烧器的出气端设置有用于检测出气端气体温度的第二热电偶；在氢气输送管道上设置有氢气流量计，在空气输送管道上设置有空气流量计；
所述压力传感器、第一热电偶、第二热电偶、氢气流量计、空气流量计、第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门和第四控制阀门均与计算机总控制器相连接。
优选的，所述导热管共设置两根，该两根导热管在储氢罐体的外壁上呈对向双层缠绕。
优选的，在充放氢端口和出氢端口处均设置有过滤层。
优选的，所述储氢罐体、氢气催化燃烧器和导热管均内置于保温层中。
优选的，在导热管的末端连接有用于对燃料电池进行预热的余热回收管道。
上述催化剂为装有氧化铝负载的铂催化剂。
上述出氢端口处还设置有防爆阀。
一种自热式金属氢化物储氢系统的充放氢方法，采用如上所述的储氢系统，具体步骤如下：
(1)充氢工作过程：冲氢前要保证储氢罐内为无氧状态，当储氢系统需要冲氢时，第一控制阀门打开，储氢罐开始充氢，当储氢罐内氢气压力达到设定值时，第一控制阀门关闭停止充氢；风机启动，第三控制阀门和第四控制阀门打开，氢气和氧气按照比例混合后经混合器输送主管道进入氢气催化燃烧器，在催化剂的作用下开始催化燃烧释放出大量的热量，燃烧后的高温气体经过导热管传递给储氢罐体，储氢罐体开始升温；当由第一热电偶检测到储氢罐体壁温达到金属氢化物储氢材料的最佳吸氢温度后，通过自动调整第三控制阀门和第四控制阀门开度，使储氢罐体处于保温状态，同时第一控制阀门再次打开，缓慢充氢至储氢材料的最佳吸氢压力，并保压一定的时间，待金属储氢材料吸氢饱和后，第一控制阀门和第三控制阀门关闭，储氢罐暂停充氢，并且氢气催化燃烧器停止加热，第四控制阀门开至最大，使储氢罐降温，待第一热电偶检测温度降至一定温度后，第一控制阀开启，继续充氢至储氢罐体在此温度下所允许的工作压力，然后第一控制阀门和第四控制阀门关闭，充氢过程结束；
(2)放氢工作过程：当储氢系统需要向外供氢时，第二控制阀门开启，由计算机总控制器根据氢气燃料电池的需要调整第二控制阀门的开度，控制放氢的流量，当储氢罐体内气体压力降低至第一设定值时，风机启动，第三控制阀门和第四控制阀门开启，氢气和空气混合气体经混合器输送主管道进入氢气催化燃烧器，储氢罐体开始升温，当温度升至储氢材料的最佳放氢温度后，保温，随着储氢罐中的氢气不断放出，罐体内压力不断下降，当氢气压力低于储氢材料在此温度下的放氢平台压力时，储氢材料开始放氢；当储氢罐体内氢气压力继续降低至第二设定值后，第三控制阀门关闭，燃烧器停止加热，第二控制阀门关闭，储氢罐停止向外供氢，待氢气催化燃烧器内氢气反应完全之后，第四控制阀门关闭，风机停止，放氢结束。
本发明的有益技术效果是：
本发明设计了一种缠绕式自供热型金属氢化物储氢系统，该储氢系统将储氢罐体中的氢分出一部分在燃烧器内催化剂上进行催化燃烧，通过调节进入燃烧器混合气中的氢气氧气比例和混合气的流量来调节燃烧器的温度范围，将燃烧后的高温气体对储氢罐加热。本发明可以实现储氢系统自主控温，自主供热，无需额外配置加热系统。
本发明储氢系统中氢气采用催化燃烧方式进行供热，具有如下优点：
(1)可在常温下启动，无需额外配点火装置；
(2)氢气在催化剂上可实现无火焰燃烧，安全系数较高；
(3)催化燃烧产物只有水，不会产生氮氧化物等污染性气体，清洁环保；
(4)催化燃烧产生的温度可控，因此可以为不同类型的金属氢化物甚至是配位氢化物储氢材料进行供热；
另外，本发明储氢系统的设计还具有以下优点：
(5)氢气催化燃烧为储氢容器供热后产生的余热可以为燃料电池进行预热，可解决氢燃料电池低温启动困难的问题。
(6)经燃烧后的高温气体分成两路，通过两根金属细导管从储氢罐体两端开始进行对向双层缠绕，双向缠绕的目的是为了实现在储氢罐体轴向上的均匀供温。
(7)本发明在储氢罐体的两端分别设置有过滤层，可防止储氢罐体中的细粒粉体进入两端的控制阀门导致漏气。
(8)本发明将储氢罐体、氢气催化燃烧器和导热管都填埋在保温层如保温玻璃棉材料中，可起到进一步保温作用，防止热量流失。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明自热式金属氢化物储氢系统的结构原理示意图。
具体实施方式
结合附图，一种自热式金属氢化物储氢系统，包括储氢系统和用于对储氢系统加热的氢气催化燃烧加热系统。所述储氢系统包括储氢罐体1，在储氢罐体1内装有金属氢化物储氢材料，储氢罐体1横向布置，在储氢罐体1的一端设置有充放氢端口2，充放氢端口2连接充氢管道3和放氢管道4。在充氢管道3上设置有第一控制阀门5，在放氢管道4上设置有第二控制阀门6。在储氢罐体1的另一端设置有用于向氢气催化燃烧加热系统供氢的出氢端口7。
所述氢气催化燃烧加热系统包括氢气催化燃烧器8，在氢气催化燃烧器8内装有催化剂26，氢气催化燃烧器的进气端连接混合气输送主管道9，混合气输送主管道9通过氢气输送管道10与出氢端口相连通，在氢气输送管道10上设置有第三控制阀门11。混合气输送主管道上还连接有空气输送管道12，在空气输送管道12上设置有风机13和第四控制阀门14。氢气催化燃烧器的出气端连接导热管15，所述导热管15缠绕在储氢罐体1上。
在充放氢端口2处设置有压力传感器16，在储氢罐体外侧设置有用于检测储氢罐体壁温的第一热电偶17，在氢气催化燃烧器的出气端设置有用于检测出气端气体温度的第二热电偶18。在氢气输送管道上设置有氢气流量计19，在空气输送管道上设置有空气流量计20。所述压力传感器16、第一热电偶17、第二热电偶18、氢气流量计19、空气流量计20、第一控制阀门5、第二控制阀门6、第三控制阀门11和第四控制阀门14均与计算机总控制器21相连接。
本发明设计了一种缠绕式自供热型金属氢化物储氢系统，该储氢系统将储氢罐体中的氢分出一部分在燃烧器内催化剂上进行催化燃烧，通过调节进入燃烧器混合气中的氢气氧气比例和混合气的流量来调节燃烧器的温度范围，将燃烧后的高温气体对储氢罐加热。本发明可以实现储氢系统自主控温，自主供热，无需额外配置加热系统。本发明将供热-储氢系统进行集成，并可进一步作为一个简单的模块与氢燃料电池进行结合，将有利于推进氢燃料电池汽车的市场化。
作为对本发明的进一步设计，所述导热管15共设置两根，该两根导热管在储氢罐体的外壁上呈对向双层缠绕，即一根导热管从储氢罐体的左端向右端缠绕，另一根导热管从储氢罐体的右端向左端缠绕。经燃烧后的高温气体分成两路，并通过双向缠绕的两根导热管实现在储氢罐体轴向上的均匀供温。
更进一步的，在充放氢端口2和出氢端口7处均设置有过滤层22。过滤层22的设置可防止储氢罐体中的细粒粉体进入两端的控制阀门导致漏气。
进一步的，所述储氢罐体、氢气催化燃烧器和导热管均内置于保温层23中，保温层可采用保温玻璃棉材料，即将上述整个储氢罐体、氢气催化燃烧器和导热管都填埋在保温玻璃棉材料中。在保温层的外侧设置有壳体24。
更进一步的，在导热管的末端连接有用于对燃料电池进行预热的余热回收管道25，经与储氢罐体换热后的气体可继续经余热回收管道25输送至燃料电池处，对燃料电池进行预热，即可解决氢燃料电池低温启动困难的问题，又可以充分利用余热。
上述催化剂可选择装有氧化铝负载的铂催化剂，氢气在催化剂上可实现无火焰燃烧，安全系数较高。
在出氢端口7处还设置有防爆阀27。
本发明还提供一种自热式金属氢化物储氢系统的充放氢方法，采用如上所述的储氢系统，具体步骤如下：
(1)充氢工作过程：冲氢前要保证储氢罐内为无氧状态，当储氢系统需要冲氢时，第一控制阀门5打开，储氢罐体开始充氢，当储氢罐体内氢气压力达到0.5MPa时，第一控制阀门5关闭停止充氢。风机13启动，第三控制阀门11和第四控制阀门14打开，氢气和氧气按照比例混合后经混合器输送主管道进入氢气催化燃烧器8，在催化剂的作用下开始催化燃烧释放出大量的热量，燃烧后的高温气体经过两根导热管15传递给储氢罐体1，储氢罐体1开始升温。当由第一热电偶17检测到储氢罐体壁温达到金属氢化物储氢材料的最佳吸氢温度后，通过调整第三控制阀门11和第四控制阀门14开度，使储氢罐体处于保温状态，同时第一控制阀门5再次打开，缓慢充氢至储氢材料的最佳吸氢压力，并保压一定的时间，待金属储氢材料吸氢饱和后，第三控制阀门11关闭，氢气催化燃烧器8停止加热，将第四控制阀门14开至最大，使储氢罐体1降温，待第一热电偶检测温度降至200℃时，第一控制阀门5开启，继续充氢至储氢罐体在此温度下所允许的工作压力，然后第一控制阀门5和第四控制阀门14关闭，充氢过程结束。
(2)放氢工作过程：当储氢系统需要向外供氢时，第二控制阀门6开启，由计算机总控制器21控制第二控制阀门的开度，控制放氢的流量，当储氢罐体内气体压力降低至1MPa时，风机13启动，第三控制阀门11和第四控制阀门14打开，氢气和空气混合气体经混合器输送主管道9进入氢气催化燃烧器8，燃烧后的高温气体使储氢罐体开始升温。当温度升至储氢材料的最佳放氢温度后，加热系统使储氢罐体进入自动保温控制，随着储氢罐中的氢气不断放出，罐体内压力不断下降，当氢气压力低于储氢材料在此温度下的放氢平台压力时，储氢材料开始放氢。当储氢罐体内氢气压力继续降低至0.2MPa后，第三控制阀门11关闭，燃烧器8停止加热，第二控制阀门6关闭，储氢罐体1停止向外供氢。待氢气催化燃烧器内氢气反应完全且排出反应器之后，第四控制阀门14关闭，风机停止，放氢结束。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自热式金属氢化物储氢系统，其特征在于：包括储氢系统和用于对储氢系统加热的氢气催化燃烧加热系统；
所述储氢系统包括储氢罐体，在储氢罐体内装有金属氢化物储氢材料，在储氢罐体的一端设置有充放氢端口，充放氢端口连接充氢管道和放氢管道，在充氢管道上设置有第一控制阀门，在放氢管道上设置有第二控制阀门；在储氢罐体的另一端设置有用于向氢气催化燃烧加热系统供氢的出氢端口；
所述氢气催化燃烧加热系统包括氢气催化燃烧器，在氢气催化燃烧器内装有催化剂，氢气催化燃烧器的进气端连接混合气输送主管道，混合气输送主管道通过氢气输送管道与出氢端口相连通，在氢气输送管道上设置有第三控制阀门，混合气输送主管道上还连接有空气输送管道，在空气输送管道上设置有风机和第四控制阀门；氢气催化燃烧器的出气端连接导热管，所述导热管缠绕在储氢罐体上；
在充放氢端口处设置有压力传感器，在储氢罐体外侧设置有用于检测储氢罐体壁温的第一热电偶，在氢气催化燃烧器的出气端设置有用于检测出气端气体温度的第二热电偶；在氢气输送管道上设置有氢气流量计，在空气输送管道上设置有空气流量计；
所述压力传感器、第一热电偶、第二热电偶、氢气流量计、空气流量计、第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门和第四控制阀门均与计算机总控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种自热式金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述导热管共设置两根，该两根导热管在储氢罐体的外壁上呈对向双层缠绕。
3.根据权利要求1所述的一种自热式金属氢化物储氢系统，其特征在于：在充放氢端口和出氢端口处均设置有过滤层。
4.根据权利要求1所述的一种自热式金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述储氢罐体、氢气催化燃烧器和导热管均内置于保温层中。
5.根据权利要求1所述的一种自热式金属氢化物储氢系统，其特征在于：在导热管的末端连接有用于对燃料电池进行预热的余热回收管道。
6.根据权利要求1所述的一种自热式金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述催化剂为装有氧化铝负载的铂催化剂。
7.一种自热式金属氢化物储氢系统的充放氢方法，采用如权利要求1-6中任一权利要求所述的储氢系统，其特征在于步骤如下：
(1)充氢工作过程：冲氢前要保证储氢罐内为无氧状态，当储氢系统需要冲氢时，第一控制阀门打开，储氢罐开始充氢，当储氢罐内氢气压力达到设定值时，第一控制阀门关闭停止充氢；风机启动，第三控制阀门和第四控制阀门打开，氢气和氧气按照比例混合后经混合器输送主管道进入氢气催化燃烧器，在催化剂的作用下开始催化燃烧释放出大量的热量，燃烧后的高温气体经过导热管传递给储氢罐体，储氢罐体开始升温；当由第一热电偶检测到储氢罐体壁温达到金属氢化物储氢材料的最佳吸氢温度后，通过自动调整第三控制阀门和第四控制阀门开度，使储氢罐体处于保温状态，同时第一控制阀门再次打开，缓慢充氢至储氢材料的最佳吸氢压力，并保压一定的时间，待金属储氢材料吸氢饱和后，第一控制阀门和第三控制阀门关闭，储氢罐暂停充氢，并且氢气催化燃烧器停止加热，将第四控制阀门开至最大，使储氢罐降温，待第一热电偶检测温度降至设定温度后，第一控制阀开启，继续充氢至储氢罐体在此温度下所允许的工作压力，然后第一控制阀门和第四控制阀门关闭，充氢过程结束；
(2)放氢工作过程：当储氢系统需要向外供氢时，第二控制阀门开启，由计算机总控制器根据需要调整第二控制阀门的开度，控制放氢的流量，当储氢罐体内气体压力降低至第一设定值时，风机启动，第三控制阀门和第四控制阀门开启，氢气和空气混合气体经混合器输送主管道进入氢气催化燃烧器，储氢罐体开始升温，当温度升至储氢材料的最佳放氢温度后，保温；随着储氢罐中的氢气不断放出，罐体内压力不断下降，当氢气压力低于储氢材料在此温度下的放氢平台压力时，储氢材料开始放氢；当储氢罐体内氢气压力继续降低至第二设定值后，第三控制阀门关闭，燃烧器停止加热，第二控制阀门关闭，储氢罐停止向外供氢，待氢气催化燃烧器内氢气反应完全之后，第四控制阀门关闭，风机停止，放氢结束。
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