CN113236969B - 一种电加热式金属储放氢系统 - Google Patents
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Abstract
一种电加热式金属储放氢系统，包括储氢容器，储氢容器的侧表面分别设置有进气口和排气口，进气口通过冷风管道与高压鼓风装置相连接；储氢容器内腔设置有若干个储氢金属罐，储氢金属罐的氢气出口端连接第一管路，第一管路通过三通分别与第二管路和第三管路相连接，第二管路与氢燃料电池相连接，第三管路的端部连接氢气源，储氢金属罐内部安装有电加热管，电加热管穿过储氢金属罐和储氢容器的底部且与储氢金属罐密封连接，电加热管的输入端与加热控制器电性连接。本发明克服了现有技术的不足，可以更直接的完成热量传递，热量传递过程没有损失，系统启动速度快，配合多管金属储氢容器，可有效降低系统重量。
Description
技术领域
本发明涉及金属储氢技术领域，具体涉及一种电加热式金属储放氢系统。
背景技术
高压储氢是现在的主要储氢方式，技术成熟，但储氢密度低（2%左右），为达到较高的储氢密度，需要提高储氢压力，现在的高压储氢罐主要是35MPa和70MPa级别。虽然高压储氢与燃氢发电、供暖及氢燃料电池可以匹配使用，但高压储氢罐的使用有极大的风险，因此难以在民用市场大规模应用。
低温液态是把氢气降温至-253℃以下，使其液化，以实现高密度存储（10%以上）。但由于降温及保温的难度，难以在民用市场使用，目前仅用于航空航天领域。
有机物储氢是将氢气储存在常温常压下的有机物中，该技术的储氢密度高（6%左右），但有机物储氢后放出的氢气纯度有限，不能直接用于氢燃料电池，需进行提纯。现有条件下，提纯氢气成本很高，因此有机物储氢一般用于氢气燃烧发电和供暖。
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（6-7.5%），且容器内常温常压，仅放氢时需要加热，因此较为安全，未来可用于更多场合，如楼宇、车辆甚至家用。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，本发明提供了一种电加热式金属储放氢系统，克服了现有技术的不足，设计合理，可以更直接的完成热量传递，热量传递过程没有损失，系统启动速度快，配合多管金属储氢容器，可有效降低系统重量。且该系统为模块化设计，可根据需要搭配，可广泛应用于移动和固定金属储氢设备。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种电加热式金属储放氢系统，包括储氢容器，所述储氢容器的侧表面分别设置有进气口和排气口，所述进气口连接冷风管道的一端，所述冷风管道的另一端与高压鼓风装置的输出端相连接，所述排气口与排气管道相连接；
所述储氢容器内腔设置有若干个储氢金属罐，所述储氢金属罐的氢气出口端连接第一管路的一端，所述第一管路的另一端通过三通分别与第二管路和第三管路相连接，所述第二管路的端部与氢燃料电池的氢气入口端相连接，所述第三管路的端部连接氢气源，所述储氢金属罐内部安装有电加热管，所述电加热管穿过储氢金属罐和储氢容器的底部且与储氢金属罐密封连接，所述电加热管的输入端与加热控制器电性连接。
优选地，所述第一管路、第二管路和第三管路上分别安装有第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一管路上还固定安装有冷却器和第一压力传感器。
优选地，所述冷风管道上分别安装有第一温度传感器和流量计，所述排气管道上固定安装有第二温度传感器。
优选地，所述储氢金属罐内均固定安装有温度传感器。
优选地，所述第二管路上分别固定安装有减压器、质量流量控制器和第二压力传感器。
优选地，所述氢燃料电池的电量输出端与锂电池和加热控制器的电量输入端相连接，所述氢燃料电池的排水端通过管路连接电解水槽，所述电解水槽的氢气出口端通过管路与氢气压缩机相连接，所述氢气压缩机的输出端与第三管路相连通。
优选地，所述锂电池的电量输入端还与太阳能电池的电量输出端相连接，所述锂电池的电量输出端分别与高压鼓风装置、加热控制器和氢气压缩机电性连接。
优选地，所述高压鼓风装置包括空压机和压缩空气储罐，所述空压机的输出端与压缩空气储罐的进气端相连接，所述压缩空气储罐的出气端通过与冷风管路相连接。
优选地，所述高压鼓风装置为高压风机。
本发明提供了一种电加热式金属储放氢系统。具备以下有益效果：可以更直接的完成热量传递，热量传递过程没有损失，系统启动速度快，配合多管金属储氢容器，可有效降低系统重量。且该系统为模块化设计，可根据需要搭配，可广泛应用于移动和固定金属储氢设备。
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 本发明的局部结构示意图；
图中标号说明：
1、储氢容器；2、进气口；3、排气口；4、冷风管道；5、高压鼓风装置；6、排气管道；7、储氢金属罐；8、第一管路；9、第二管路；10、第三管路；11、氢燃料电池；12、电加热管；13、加热控制器；14、第一电磁阀；15、第二电磁阀；16、第三电磁阀；17、第一温度传感器；18、第二温度传感器；19、流量计；20、冷却器；21、第一压力传感器；22、温度传感器；23、减压器；24、质量流量控制器；25、第二压力传感器；26、锂电池；27、电解水槽；28、氢气压缩机；29、太阳能电池。
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，一种电加热式金属储放氢系统，包括储氢容器1，储氢容器1的侧表面分别设置有进气口2和排气口3，进气口2连接冷风管道4的一端，冷风管道4的另一端与高压鼓风装置5的输出端相连接，排气口3与排气管道6相连接；
储氢容器1内腔设置有若干个储氢金属罐7，储氢金属罐7的氢气出口端连接第一管路8的一端，第一管路8的另一端通过三通分别与第二管路9和第三管路10相连接，第二管路9的端部与氢燃料电池11的氢气入口端相连接，第三管路10的端部连接氢气源，储氢金属罐7内部安装有电加热管12，电加热管12穿过储氢金属罐7和储氢容器1的底部且与储氢金属罐7密封连接，电加热管12的输入端与加热控制器13电性连接。
在本实施例中，第一管路8、第二管路9和第三管路10上分别安装有第一电磁阀14、第二电磁阀15和第三电磁阀16，第一管路8上还固定安装有冷却器20和第一压力传感器21。
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：
即充氢时为放热反应，放氢时为吸热反应，理想反应温度均为350℃。
在放氢时，启动加热控制器13对电加热管12进行控制加热，在本实施例中，电加热管12采用辐射式电加热管，通过电加热管12对储氢金属罐7内的储氢材料进行加热，当储氢容器被加热到200℃时，开始少量放氢，随着温度升高，放氢速度不断升高，直至380℃时达到最大放氢速度，此时可根据用氢要求，可通过调节电加热管12的加热功率控制氢气输出量。由储氢金属罐7产生的氢气经第一管路8上的冷却器20冷却到80℃以下，再经过第一压力传感器21到第一电磁阀14，当第一压力传感器21监测到的压力超过1.3MPa时，打开第一电磁阀14和第二电磁阀15进行氢气输出。停止工作时，关闭电加热管12、第一电磁阀14和第二电磁阀15，即可完全关闭系统。如果启动或运行时，第一压力传感器21的数值无法超过.3MPa，可认为多管储氢容器中的氢气已经耗尽需要充氢。
在本实施例中，可在储氢金属罐7内均固定安装有温度传感器22。通过温度传感器22对储氢容器1内各个储氢金属罐7内温度进行监测，加热控制器13可根据此温度传感器22的温度数据控制加热功率，确保各储氢金属罐7中的温度在550℃以下。同时温度传感器22也能够用于监测各电加热管12是否正常工作。
在充氢时，先通过加热控制器13启动电加热管12对储氢金属罐7进行预加热至250℃，再打开第一电磁阀14和第三电磁阀16，使氢气通过第三管路10和第一管路8进入到储氢金属罐7内，由于充氢时会放热，因此在充氢一段时间后，可关闭电加热管12，并打开高压鼓风装置5，通过高压鼓风装置5向储氢容器1内输送空气进行冷却；
在本实施例中，可在冷风管道4上分别安装有第一温度传感器17和流量计19，排气管道6上固定安装有第二温度传感器18。从而在控制电加热管12的启闭时，可通过第一温度传感器17和第二温度传感器18进行判定，当第二温度传感器18的数值大于第一温度传感器17时，可关闭电加热管12并打开高压鼓风装置5进行冷却；如充氢时储氢容器1无法有效冷却，第二温度传感器18的数值达到480℃或温度传感器22数值大于520℃时，可关闭第三电磁阀16，暂时停止充氢，等第二温度传感器18的数值降至400℃以下时，可打开第三电磁阀16恢复充氢。待第一温度传感器17和第二温度传感器18的数值接近，同时温度传感器22的数值小于250℃时，可认为充氢结束，关闭第一电磁阀14和第三电磁阀16，停止充氢。
通过上述的放氢或充氢的技术方案和工作流程，可以实现固态金属储氢装置的走向实用，通过本申请系统采用加热控制器13加热启动，氢气直接输出，氢气输出量与加热功率成正比，可提供稳定的常温、常压氢气源，系统简单，控制方便，使用安全。
实施例二，作为实施例一的进一步方案，第二管路9上分别固定安装有减压器23、质量流量控制器24和第二压力传感器25。通过减压器23将第二管路9内输送的氢气降至1.3MPa，再通过第二压力传感器25的控制，将流量为1g/s、压力为1MPa的氢气送入氢燃料电池11中进行燃烧发电，其中第二压力传感器25的数值可作为第一质量流量控制器25的控制参数。
实施例三，作为实施例一的进一步方案，氢燃料电池11的电量输出端与锂电池26和加热控制器13的电量输入端相连接，氢燃料电池11的排水端通过管路连接电解水槽27，电解水槽27的氢气出口端通过管路与氢气压缩机28相连接，氢气压缩机28的输出端与第三管路10相连通。
其中，锂电池26的电量输入端还与太阳能电池29的电量输出端相连接，锂电池26的电量输出端分别与高压鼓风装置5、电解水槽27、加热控制器13和氢气压缩机28电性连接。
从而在白天的时候，太阳能电池29发电充入锂电池26，有一定电量时，驱动电解水槽27产生氢气，经氢气压缩机28增压，经电磁阀3和电磁阀2充入多管储氢容器，锂电池同时驱动风机2冷却多管储氢容器。晚上的时候，锂电池驱动电加热管X，加热多管储氢容器，放也氢气，经第二电磁阀15、第一电磁阀14、减压器23、质量流量控制器24送入氢燃料电池11，氢燃料电池11产生的电部分驱动电加热管12，部分送回锂电池26，继而输出。
实施例四，作为实施例一的进一步方案，高压鼓风装置10可以采用高压风机结构也可以为空压机和压缩空气储罐的组合结构，其中空压机的输出端与压缩空气储罐的进气端相连接，压缩空气储罐的出气端通过与冷风管道4相连接。用于在储氢容器需要冷却时，通过高压风机或压缩空气储罐来提供冷却所需的高压空气，辅助其快速冷却。
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)
1.一种电加热式金属储放氢系统，其特征在于：包括储氢容器（1），所述储氢容器（1）的侧表面分别设置有进气口（2）和排气口（3），所述进气口（2）连接冷风管道（4）的一端，所述冷风管道（4）的另一端与高压鼓风装置（5）的输出端相连接，所述排气口（3）与排气管道（6）相连接；
所述储氢容器（1）内腔设置有若干个储氢金属罐（7），所述储氢金属罐（7）的氢气出口端连接第一管路（8）的一端，所述第一管路（8）的另一端通过三通分别与第二管路（9）和第三管路（10）相连接，所述第二管路（9）的端部与氢燃料电池（11）的氢气入口端相连接，所述第三管路（10）的端部连接氢气源，所述储氢金属罐（7）内部安装有电加热管（12），所述电加热管（12）穿过储氢金属罐（7）和储氢容器（1）的底部且与储氢金属罐（7）密封连接，所述电加热管（12）的输入端与加热控制器（13）电性连接；
所述氢燃料电池（11）的电量输出端与锂电池（26）和加热控制器（13）的电量输入端相连接，所述氢燃料电池（11）的排水端通过管路连接电解水槽（27），所述电解水槽（27）的氢气出口端通过管路与氢气压缩机（28）相连接，所述氢气压缩机（28）的输出端与第三管路（10）相连通；
所述锂电池（26）的电量输入端还与太阳能电池（29）的电量输出端相连接，所述锂电池（26）的电量输出端分别与高压鼓风装置（5）、加热控制器（13）、电解水槽（27）和氢气压缩机（28）电性连接；
所述高压鼓风装置（5）包括空压机和压缩空气储罐，所述空压机的输出端与压缩空气储罐的进气端相连接，所述压缩空气储罐的出气端通过与冷风管道（4）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电加热式金属储放氢系统，其特征在于：所述第一管路（8）、第二管路（9）和第三管路（10）上分别安装有第一电磁阀（14）、第二电磁阀（15）和第三电磁阀（16），所述第一管路（8）上还固定安装有冷却器（20）和第一压力传感器（21）。
3.根据权利要求1所述的一种电加热式金属储放氢系统，其特征在于：所述冷风管道（4）上分别安装有第一温度传感器（17）和流量计（19），所述排气管道（6）上固定安装有第二温度传感器（18）。
4.根据权利要求1所述的一种电加热式金属储放氢系统，其特征在于：所述储氢金属罐（7）内均固定安装有温度传感器（22）。
5.根据权利要求1所述的一种电加热式金属储放氢系统，其特征在于：所述第二管路（9）上分别固定安装有减压器（23）、质量流量控制器（24）和第二压力传感器（25）。
6.根据权利要求1所述的一种电加热式金属储放氢系统，其特征在于：所述高压鼓风装置（5）为高压风机。
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