CN113224357A - 一种循环储放氢反应系统 - Google Patents

Abstract

一种循环储放氢反应系统，包括氢气反应器，氢气反应器内安装有若干热管，氢气反应器内通过分隔板分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，第三腔体中的热管表面绕接有电加热丝，第一腔体内填充有固态镁基储氢材料；第三腔体进气口通过第一管路与燃烧器相连通，燃烧器与换热器相连通，换热器与风机相连通；第一腔体表面设置有氢气出口，氢气出口连接第三管路，第三管路通过三通分别与第四管路和第五管路相连接，第四管路与燃烧器相连接，第五管路与氢燃料电池相连接。本发明克服了现有技术的不足，储氢密度大，储氢密度6%以上；并且可循环储放氢，循环储放氢次数可达3000次以上；储氢常温、常压，放氢需要加热，系统工作安全可靠。

Description

一种循环储放氢反应系统

技术领域

本发明涉及储放氢技术领域，具体涉及一种循环储放氢反应系统。

背景技术

氢燃料电池可以高效环保以化学能转化成电能的一种新型发电装置，氢是燃料电池的最佳燃料，目前发达国家中与汽车、能源相关的大公司都在加速进行燃料电池的开发。

目前氢气储存、运输、分配以及加注等环节尚存在诸多技术难点，主流储放氢技术路线分为：1.高压储氢，2.低温液态储氢，3.常温常压固态储氢，4.有机物储氢。高压储氢虽然技术成熟，但储氢密度低约为2％左右，为了得到更高的储氢密度，势必增加氢气瓶压力，现今高压氢气瓶主要以35MPa、70MPa作为储氢压力，高压气瓶与燃料电池匹配应用极大的增加安全风险，并且此种风险无法避免，难以被市场、大众接受；低温液态储氢是把氢气低温零下253℃以下液化，此技术储氢密度达到10％以上，但是主要应用于航空、航天领域，民用无法应用；有机物储氢储氢密度约为6％左右，把氢气储存在常温常压的有机物中，该储氢技术放氢氢气纯度低，现阶段无法在不提纯的情况下直接与燃料电池电堆匹配应用，并且提纯设备昂贵。常温常压固态储氢，是采用金属氢化物储存氢气的技术，储氢密度较高，且容器内常温常压，仅放氢时需要加热，因此较为安全，而现有技术主要采用高温导热油为介质传递热量，以达到充氢时放热、放氢时加热的效果。但高温导热油系统结构复杂、能耗高、启动慢、可靠性差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种循环储放氢反应系统，克服了现有技术的不足，设计合理，储氢密度大，储氢密度6％以上；并且可循环储放氢，循环储放氢次数可达3000次以上；储氢常温、常压，放氢需要加热，系统工作安全可靠。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种循环储放氢反应系统，包括氢气反应器，所述氢气反应器内沿轴向固定安装有若干热管，所述氢气反应器内径向安装有两组分隔板，所述分隔板将氢气反应器分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，位于第三腔体中的热管表面绕接有电加热丝，所述第一腔体内填充有固态镁基储氢材料；

所述第三腔体侧表面分别设置有进气口和出气口，所述进气口通过第一管路与燃烧器的输出端相连通，所述燃烧器的输入端通过管路与换热器的第一输出端相连通，所述换热器的第一输入端通过管路与风机相连接，所述出气口通过第二管路与换热器的第二输入端相连接；

所述第一腔体表面设置有氢气出口，所述氢气出口连接第三管路的一端，所述第三管路的另一端通过三通分别与第四管路的一端和第五管路的一端相连接，所述第四管路的另一端与燃烧器的进气端相连接，所述第五管路的另一端与氢燃料电池的氢气入口端相连接；所述第三管路和第四管路上分别安装第一电磁阀和第二电磁阀。

优选地，所述氢燃料电池的电量输出端与锂电池电性连接，所述锂电池的电量输出端分别与燃烧器和电加热丝电性连接。

优选地，所述第四管路上分别固定安装有第一减压器和第一质量流量控制器；所述第五管路上分别固定安装有第二减压器和第二质量流量控制器。

优选地，所述第三管路上固定安装有第一压力传感器，所述第五管路上固定安装有第二压力传感器。

优选地，所述第三管路上固定安装有冷却器。

优选地，所述第二腔体侧表面分别设置有冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口通过水管与水箱相连接，所述水箱通过水管与循环水泵相连接，所述循环水泵的出口端与冷却水出口相连接。

本发明提供了一种循环储放氢反应系统。具备以下有益效果：通过以热管为换热载体传递热量，换热效率可达90％以上，热管加热速度快，系统启动时间10min以内，热源以燃烧器和电加热丝组合方式提供，稳定可靠，整个系统能量利用率达90％以上，并且该系统可拆卸，维修简单，费用低，模块化设计，储放氢量可根据实际情况模块化组合，应用在移动端和固定端。且储氢密度大，储氢密度6％以上；并且可循环储放氢，循环储放氢次数可达3000次以上；储氢常温、常压，放氢需要加热，系统工作安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1本发明的结构示意图；

图2本发明中氢气反应器的结构示意图；

图中标号说明：

1、氢气反应器；2、热管；3、分隔板；4、第一腔体；5、第二腔体；6、第三腔体；7、电加热丝；8、进气口；9、出气口；10、第一管路；11、燃烧器；12、换热器；13、风机；14、第二管路；15、氢气出口；16、第三管路；17、第四管路；18、第五管路；19、氢燃料电池；20、第一电磁阀；21、第二电磁阀；22、锂电池；23、第一减压器；24、第一质量流量控制器；25、第二减压器；26、第二质量流量控制器；27、冷却器；28、冷却水入口；29、冷却水出口；30、水箱；31、循环水泵；32、第一压力传感器；33、第二压力传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一，如图1-2所示，一种循环储放氢反应系统，包括氢气反应器1，氢气反应器1内沿轴向固定安装有若干热管2，氢气反应器1内径向安装有两组分隔板3，分隔板3将氢气反应器1分隔为第一腔体4、第二腔体5和第三腔体6，位于第三腔体6中的热管2表面绕接有电加热丝7，第一腔体4内填充有固态镁基储氢材料；

第三腔体6侧表面分别设置有进气口8和出气口9，进气口8通过第一管路10与燃烧器11的输出端相连通，燃烧器11的输入端通过管路与换热器12的第一输出端相连通，换热器12的第一输入端通过管路与风机13相连接，出气口9通过第二管路14与换热器12的第二输入端相连接；

第一腔体4表面设置有氢气出口15，氢气出口15连接第三管路16的一端，第三管路16的另一端通过三通分别与第四管路17的一端和第五管路18的一端相连接，第四管路17的另一端与燃烧器11的进气端相连接，第五管路18的另一端与氢燃料电池19的氢气入口端相连接；第三管路16和第四管路17上分别安装第一电磁阀20和第二电磁阀21。第三管路16上固定安装有第一压力传感器32，第五管路18上固定安装有第二压力传感器33。第三管路16上固定安装有冷却器27。

工作原理：

首先，以固态镁基储氢材料为例，镁基储氢材料充放氢时，反应方程为：

在放氢时，先采用高功率电池对电加热丝7供电，以加热第三腔体6中的热管2，从而使热管温度迅速升高至500-550℃，第三腔体6中热管2受热后其内部自循环加热第一腔体4中热管2，使第一腔体4中的热管2加热至420℃；在此过程也可以采用高压氢气瓶直接向燃烧器11内通过氢气源，再通过风机13将热空气输送至第三腔体6中，使第三腔体6中的热管2温度迅速升高，此方案可作为备选方案应用到系统中；

监测第一压力传感器32度数，当第三管路16内的压力超过0.25MPa后，以低流量参数开风机13，使空气通过换热器12、燃烧器11和第三腔体6后，返回至高温换热器12内外排，从而能够起到保护燃烧器高温燃损的效果；

再监测第一压力传感器32度数，当第三管路16内的压力超过0.3MPa后，启动第一电磁阀20，说明氢气反应器内部氢气含量较高，打开第二电磁阀21后，此时第一腔体4内部氢气温度约为400℃，通过冷却器27降温至80℃，再将氢气通入燃烧器11，氢气和空气在燃烧器内部发生催化氧化燃烧放出热量，反应产物为高温水蒸气和大量高温氮气的高温烟气，反应混合气温度控制在550℃；

再监测燃烧器11出口空气温度，温度升高，关闭燃烧器11，当第一压力传感器32度数至0.5MPa后，切断电加热丝的供电；此时氢气反应器1内部产氢燃烧能量足够提供反应器内部所需能量；550℃高温燃烧烟气通入第三腔体6，通过对流换热加热第三腔体6内部的热管2，使热管2加热，热量通过热管2内部萘相变传递热量，使第一腔体4中热管2升温，从而通过第一腔体4中热管2加热内部固态镁基储氢材料放氢；同时高温烟气经过第三腔体6后，通过第二管路14进入换热器12内部进行换热，用于加热风机13供给燃烧器11的空气，在本实施例中，换热器12可以采用高温板式换热器，换热效率高，可使25℃冷空气加热至200℃以上，使第二管路14中的高温烟气由500℃降温通过高温换热器降温至135℃以上再外排。

当第一压力传感器32度数至1.3MPa后，将第三管路16中的氢气通过第五管路18输送至氢燃料电池19中进行发电。

实施例二，作为实施例一的进一步方案，氢燃料电池19的电量输出端与锂电池22电性连接，锂电池22的电量输出端分别与燃烧器11和电加热丝7电性连接。氢燃料电池19所产生的电可以给锂电池22充电以锂电池22模式向外输出，也可以直接向外输出电能；同时通过锂电池22可对燃烧器11和电加热丝7进行供电，以实现内循环。

实施例三，作为实施例一的进一步方案，第四管路17上分别固定安装有第一减压器23和第一质量流量控制器24；第五管路18上分别固定安装有第二减压器25和第二质量流量控制器26。从而当氢气通过第五管路18送入到氢燃料电池19时，通过第二减压器25可将氢气降至1.3MPa，再通过第二质量流量控制器26将流量为1g/s、压力为1MPa的氢气送入氢燃料电池19中进行燃烧发电；通过第一减压器23将第四管路17内输送的氢气降至0.3MPa，再通过第一质量流量控制器24的控制，将流量为0.3g/s、压力为0.2MPa的氢气送入燃烧器11中，第二压力传感器33所监测的数值可作为第一质量流量控制器24的控制参数。

实施例四，作为实施例一的进一步方案，第二腔体5侧表面分别设置有冷却水入口28和冷却水出口29，冷却水入口28通过水管与水箱30相连接，水箱30通过水管与循环水泵31相连接，循环水泵31的出口端与冷却水出口29相连接。

当本申请系统中的氢气全部或部分输出后，可采用现有加氢站对系统进行加氢设计，加氢压力约为3MPa左右，控制加氢流量，在加氢过程中，可将第二腔体5侧表面的冷却水入口28和冷却水出口29分别接到水箱30和循环水泵31上，通过水循环系统在第二腔体5中循环冷却热管2，最终使第一腔体3中热管2保持280～400℃左右，最终达到理想充氢温度；充氢时间以储氢质量确定，以3KG储氢模块计算，充氢时间10min以内。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种循环储放氢反应系统，其特征在于：包括氢气反应器（1），所述氢气反应器（1）内沿轴向固定安装有若干热管（2），所述氢气反应器（1）内径向安装有两组分隔板（3），所述分隔板（3）将氢气反应器（1）分隔为第一腔体（4）、第二腔体（5）和第三腔体（6），位于第三腔体（6）中的热管（2）表面绕接有电加热丝（7），所述第一腔体（4）内填充有固态镁基储氢材料；

所述第三腔体（6）侧表面分别设置有进气口（8）和出气口（9），所述进气口（8）通过第一管路（10）与燃烧器（11）的输出端相连通，所述燃烧器（11）的输入端通过管路与换热器（12）的第一输出端相连通，所述换热器（12）的第一输入端通过管路与风机（13）相连接，所述出气口（9）通过第二管路（14）与换热器（12）的第二输入端相连接；

所述第一腔体（4）表面设置有氢气出口（15），所述氢气出口（15）连接第三管路（16）的一端，所述第三管路（16）的另一端通过三通分别与第四管路（17）的一端和第五管路（18）的一端相连接，所述第四管路（17）的另一端与燃烧器（11）的进气端相连接，所述第五管路（18）的另一端与氢燃料电池（19）的氢气入口端相连接；所述第三管路（16）和第四管路（17）上分别安装第一电磁阀（20）和第二电磁阀（21）。

2.根据权利要求1所述的一种循环储放氢反应系统，其特征在于：所述氢燃料电池（19）的电量输出端与锂电池（22）电性连接，所述锂电池（22）的电量输出端分别与燃烧器（11）和电加热丝（7）电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种循环储放氢反应系统，其特征在于：所述第四管路（17）上分别固定安装有第一减压器（23）和第一质量流量控制器（24）；所述第五管路（18）上分别固定安装有第二减压器（25）和第二质量流量控制器（26）。

4.根据权利要求1所述的一种循环储放氢反应系统，其特征在于：所述第三管路（16）上固定安装有第一压力传感器（32），所述第五管路（18）上固定安装有第二压力传感器（33）。

5.根据权利要求1所述的一种循环储放氢反应系统，其特征在于：所述第三管路（16）上固定安装有冷却器（27）。

6.根据权利要求1所述的一种循环储放氢反应系统，其特征在于：所述第二腔体（5）侧表面分别设置有冷却水入口（28）和冷却水出口（29），所述冷却水入口（28）通过水管与水箱（30）相连接，所述水箱（30）通过水管与循环水泵（31）相连接，所述循环水泵（31）的出口端与冷却水出口（29）相连接。

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