CN113277469B - 一种车载原位制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车载原位制氢系统，包括水箱、供水管路、至少一个主制氢罐和供气管路，所述供水管路与所述水箱连接,所述水箱用于存储水溶液，还包括回水管路和一个副制氢罐；所述副制氢罐的尺寸比所述主制氢罐的尺寸小；所述主制氢罐和所述副制氢罐内均装填有制氢材料和催化剂；所述供水管路用于向所述主制氢罐和所述副制氢罐输送水溶液以与其中的制氢材料进行水解制氢反应；所述回水管路用于把所述主制氢罐和所述副制氢罐中的水溶液输送回所述水箱；所述供气管路与所述主制氢罐和所述副制氢罐均连通，并用于把反应生成的氢气输出；该车载原位制氢系统的过量水溶液的过量比较小。

Description

一种车载原位制氢系统
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，尤其涉及一种车载原位制氢系统。
背景技术
氢能具有比能量高、清洁、可再生等特点，被认为是最具发展前景的新能源之一。氢能汽车的应用能够解决传统汽车带来的环境与能源问题。
目前，氢能汽车的供氢系统主要分为可逆系统和原位制氢系统。可逆系统是利用高压储氢罐、液氢罐和储氢合金等实现氢气的可逆吸收/释放，很难同时满足储氢量、安全性和释放条件的要求。原位制氢系统主要利用水解反应为汽车提供氢气，具有储氢密度高、反应条件温和（常温常压即可反应）、安全性能好等优点，具有很大发展潜力。
一般的原位制氢系统，为保证理想的放氢效果，原位制氢系统所需的制氢材料的量较大，而且在工作时需要保证水溶液淹没制氢材料，才能够保证制氢反应充分，因此，系统中水溶液的量不仅要满足制氢过程的耗水量要求，还必须配备保证制氢材料反应充分所需的过量水溶液，现有的原位制氢系统一般设置有多个尺寸相同的制氢罐，为保证所有制氢材料均能够充分反应，从而提高制氢材料的利用率，系统中需要配备的过量水溶液的过量比（过量水溶液重量与系统总重量之比）较大，从而无效重量在系统总重量中的占比较高，影响汽车能耗性能。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本申请实施例的目的在于提供一种车载原位制氢系统，有利于降低系统中过量水溶液的过量比。
第一方面，本申请实施例提供一种车载原位制氢系统，包括水箱、供水管路、至少一个主制氢罐和供气管路，所述供水管路与所述水箱连接, 所述水箱用于存储水溶液，还包括回水管路和一个副制氢罐；所述副制氢罐的尺寸比所述主制氢罐的尺寸小；所述主制氢罐和所述副制氢罐内均装填有制氢材料和催化剂；所述供水管路用于向所述主制氢罐和所述副制氢罐输送水溶液以与其中的制氢材料进行水解制氢反应；所述回水管路用于把所述主制氢罐和所述副制氢罐中的水溶液输送回所述水箱；所述供气管路与所述主制氢罐和所述副制氢罐均连通，并用于把反应生成的氢气输出。
本申请实施例提供的车载原位制氢系统，工作时，先逐个地向主制氢罐输入足够的水溶液进行制氢且每当一个主制氢罐的制氢材料耗尽后把其中的水溶液抽出进行循环利用，当所有主制氢罐的制氢材料耗尽后再启用副制氢罐；由于副制氢罐的尺寸比主制氢罐的尺寸小，其工作时所需要的过量水溶液较少，因此系统中需要配备的过量水溶液只需要满足副制氢罐工作需要即可，有利于降低系统中过量水溶液的过量比。
优选地，所述制氢材料为MgH2，所述催化剂为MgCl2。
优选地，所述供气管路的输出端设置有主出气口和抽气口，所述主出气口用于输出氢气，所述抽气口用于与外部的抽气装置连接，所述主出气口处设置有第一阀门，所述抽气口处设置有第二阀门。
优选地，所述供气管路包括供气总管，所述主制氢罐和所述副制氢罐与所述供气总管之间均连接有供气支管，所述供气支管上设置有第三阀门。
优选地，所述主出气口处设置有第一气体流量传感器，所述供气支管上设置有第二气体流量传感器。
优选地，所述供水管路包括与所述水箱连通的供水总管，以及设置在所述供水总管上的供水泵；所述主制氢罐和所述副制氢罐与所述供水总管之间连接有供水支管。
优选地，所述供水总管上设置有第四阀门，所述供水支管上设置有第五阀门。
优选地，所述供水支管上设置有液体流量传感器。
优选地，所述回水管路包括与所述水箱连通的回水总管，以及设置在所述回水总管上的回水泵；所述主制氢罐和所述副制氢罐与所述回水总管之间连接有回水支管。
优选地，所述回水总管上设置有第六阀门，所述回水支管上设置有第七阀门。
有益效果：
本申请实施例提供的一种车载原位制氢系统，工作时，先逐个地向主制氢罐输入足够的水溶液进行制氢且每当一个主制氢罐的制氢材料耗尽后把其中的水溶液抽出进行循环利用，当所有主制氢罐的制氢材料耗尽后再启用副制氢罐；由于副制氢罐的尺寸比主制氢罐的尺寸小，其工作时所需要的过量水溶液较少，因此系统中需要配备的过量水溶液只需要满足副制氢罐工作需要即可，有利于降低系统中过量水溶液的过量比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的车载原位制氢系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的车载原位制氢系统中，制氢罐的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的车载原位制氢系统中，供气管路的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的车载原位制氢系统中，供水管路的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的车载原位制氢系统中，回水管路的结构示意图。
标号说明：1、水箱；101、补液口；2、供水管路；201、供水总管；202、供水泵；203、供水支管；204、第四阀门；205、第五阀门；206、液体流量传感器；207、供水连接管；208、第二快速接头；3、主制氢罐；301、罐体；302、盖体；303、装填物；304、水位传感器；4、供气管路；401、主出气口；402、抽气口；403、第一阀门；404、第二阀门；405、供气总管；406、供气支管；407、第三阀门；408、第一气体流量传感器；409、第二气体流量传感器；410、供气连接管；411、第一快速接头；412、三通管；5、副制氢罐；6、回水管路；601、回水总管；602、回水泵；603、回水支管；604、第六阀门；605、第七阀门；606、回水连接管；607、第三快速接头。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1，本申请实施例提供的一种车载原位制氢系统，包括水箱1、供水管路2、至少一个主制氢罐3和供气管路4，所述供水管路2与所述水箱1连接, 所述水箱1用于存储水溶液，还包括回水管路6和一个副制氢罐5；所述副制氢罐5的尺寸比所述主制氢罐3的尺寸小；所述主制氢罐3和所述副制氢罐5内均装填有制氢材料和催化剂；所述供水管路2用于向所述主制氢罐3和所述副制氢罐5输送水溶液以与其中的制氢材料进行水解制氢反应；所述回水管路6用于把所述主制氢罐3和所述副制氢罐5中的水溶液输送回所述水箱1；所述供气管路4与所述主制氢罐3和所述副制氢罐5均连通，并用于把反应生成的氢气输出。
工作时，先逐个地向主制氢3罐输入足够的水溶液进行制氢且每当一个主制氢罐3的制氢材料耗尽后把其中的水溶液抽出进行循环利用，当所有主制氢罐3的制氢材料耗尽后再启用副制氢罐5；由于副制氢罐5的尺寸比主制氢罐3的尺寸小，其工作时所需要的过量水溶液较少，因此系统中需要配备的过量水溶液只需要满足副制氢罐3工作需要即可，有利于降低系统中过量水溶液的过量比，从而降低无效重量在系统总重量中的占比，提高汽车能耗性能。
例如，假设有x个主制氢罐3，主制氢罐3的罐体重量和填充材料重量之和为A，主制氢罐3中的制氢材料完全反应所消耗的水溶液重量为B，主制氢罐3工作时所需的过量水溶液的重量为b，副制氢罐5的体积为主制氢罐3体积的c倍， c<1，从而副制氢罐5的罐体重量和填充材料重量之和为c*A，副制氢罐5中的制氢材料完全反应所消耗的水溶液重量为c*B，副制氢罐5工作时所需的过量水溶液的重量为c*b，系统中其它设备的总重量为E；从而，有：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
;
Figure 783489DEST_PATH_IMAGE002
;
即，X2<X1；其中，X1为不设置副制氢罐5时系统中过量水溶液的过量比，X2为设置副制氢罐5后系统中过量水溶液的过量比。可见，通过设置副制氢罐5有利于降低系统中过量水溶液的过量比，从而降低无效重量在系统总重量中的占比，提高汽车能耗性能。
优选地，c=b/（b+B），此时，最后一个主制氢罐3的制氢材料消耗完时，其所需过量水溶液的重量b刚好等于副制氢罐5的制氢材料完全反应所消耗的水溶液重量c*B和副制氢罐5工作时所需的过量水溶液的重量c*b之和，即最后一个主制氢罐3的过量水溶液刚好足够副制氢罐5消耗且保证副制氢罐5正常工作，此时的降低无效重量在系统总重量中的占比的效果较佳。
在一些优选实施方式中，所述制氢材料为MgH2，所述催化剂为MgCl2。
其中，MgH2是一种较理想的水解制氢材料，算上参加反应的水的质量后其理论产氢量为6.47 wt%，但纯MgH2的水解反应程度非常有限，需要在体系中添加催化剂，在现有技术中，MgH2发生水解制氢反应会形成副产物Mg(OH)2，当制氢罐中的制氢材料用完后，一般需要对反应的副产物Mg(OH)2进行回收，而制氢罐中除了有副产物Mg(OH)2还有催化剂，需要进行分离处理，从而提高了回收成本。此处，对于制氢罐中的残余物，可直接加入HCl溶液，从而副产物Mg(OH)2和未完全反应的MgH2会与HCl反应产生MgCl2，而MgCl2本身就是催化剂，该催化剂可继续使用，因此，在回收残余物时无需进行分离处理，回收成本低。
其中，主制氢罐3的数量可根据实际需要进行设置。例如图1中，主制氢罐3设置有三个。
在一些优选实施方式中，见图3，所述供气管路4的输出端设置有主出气口401和抽气口402，所述主出气口401用于输出氢气，所述抽气口402用于与外部的抽气装置连接，所述主出气口401处设置有第一阀门403，所述抽气口402处设置有第二阀门404。在实际应用中，当制氢罐中的制氢材料用完后需要更换新的制氢罐，新的制氢罐内会存在空气，而且拆下制氢罐后，供气管路4中也难免会进入空气，从而，当车载原位制氢系统重新工作时，这些空气的存在会影响输出氢气的纯度；此处，在车载原位制氢系统重新工作时，可先关闭第一阀门403，并打开第二阀门404，由外部的抽气装置把系统中的空气抽出，然后重新关闭第二阀门404并打开第一阀门403进行氢气输出，从而可保证输出氢气的纯度。其中，第一阀门403和第二阀门404优选为电磁阀。
在本实施例中，见图3，所述供气管路4包括供气总管405，所述主制氢罐3和所述副制氢罐5与所述供气总管405之间均连接有供气支管406，所述供气支管406上设置有第三阀门407。一方面，当拆卸制氢罐前，可先关闭第三阀门407，以避免供气管路4中的氢气泄漏到空气中引起火灾；另一方面，可根据需要调节第三阀门407的开度来调节氢气的流量。该第三阀门407优选为电磁阀。
优选地，见图3，所述主出气口401处设置有第一气体流量传感器408，所述供气支管406上设置有第二气体流量传感器409。通过第一气体流量传感器408可检测总输气流量，以便更加精确地控制输出氢气的流量，通过第二气体流量传感器409可检测对应的制氢罐是否还能放氢，以便及时发现制氢材料用完或即将用完的情况。
在一些实施方式中，见图2、3，所述主制氢罐3和副制氢罐5上插接有供气连接管410，该供气连接管410通过第一快速接头411与对应的供气支管406连接，以便于制氢罐的快速装拆。
在本实施例中，主制氢罐3和副制氢罐5均包括罐体301和盖设在罐体301上侧的盖体302，所述供气连接管410插接在盖体302上，且供气连接管410的下端位于装填物303（制氢材料和催化剂）的上方，有利于保证供气连接管410的下端在溶液的上方，从而避免放氢时的溶液进入供气管路4，如图2所示。优选地，供气连接管410的下端设置有喇叭状端口，有利于使氢气的输出更加顺畅，从而减小噪声。
在一些实施方式中，供气总管405的端部、主出气口401和抽气口402之间通过一个三通管412连接，如图3所示。
在一些优选实施方式中，见图1、4，所述供水管路2包括与所述水箱1连通的供水总管201，以及设置在所述供水总管201上的供水泵202；所述主制氢罐3和所述副制氢罐5与所述供水总管201之间连接有供水支管203。当需要向制氢罐输送水溶液时，供水泵202启动把水溶液从水箱1中抽出并先后通过供水总管201和供水支管203输送至对应的制氢罐中。实际上，各制氢罐也可各自通过供水管道直接与水箱1连接，且每个供水管道上均设置水泵，但与图1、4所示的结构相比，结构更加复杂，成本更高，且系统可靠性更低。
优选地，见图4，所述供水总管201上设置有第四阀门204，所述供水支管203上设置有第五阀门205。当制氢罐需要拆卸时，可先关闭对一个的第五阀门205，以防溶液泄漏，且在工作过程中，若只需要启动一部分制氢罐，则可关闭其它制氢罐对应的第五阀门205，从而可对各制氢罐的启动状态进行有效控制；此外，通过控制第四阀门204和第五阀门205的开度可控制进入各制氢罐的水溶液流量，从而适应不同工作状况的要求。优选地，第四阀门204和第五阀门205为电磁阀。
为了实现对各供水支管203的水溶液流量的精确控制，可在所述供水支管203上设置液体流量传感器206。通过液体流量传感器206实时检测水溶液流量，从而可根据实测的流量控制第四阀门204和第五阀门205的开度，达到精确控制流量的效果。
在一些实施方式中，见图2、4，所述主制氢罐3和副制氢罐5上插接有供水连接管207，该供水连接管207通过第二快速接头208与对应的供水支管203连接，以便于制氢罐的快速装拆。在本实施例中，供水连接管207插接在盖体302上，且供水连接管207的下端位于装填物303（制氢材料和催化剂）的上方，有利于保证供水连接管207的下端在溶液的上方，从而避免放氢时的气压把溶液压回供水管路2，如图2所示。
为了能够实时检测制氢罐中的水溶液是否足够，可在主制氢罐3和副制氢罐5内设置水位传感器304，以便根据制氢罐中的溶液水位控制供水泵202、第四阀门204和第五阀门205的开关，以确保制氢罐中的溶液水位准确，避免水位高过而导致溶液进入供气管路4。在本实施例中，该水位传感器304固定在盖体302上。
在一些优选实施方式中，见图1、5，所述回水管路6包括与所述水箱1连通的回水总管601，以及设置在所述回水总管601上的回水泵602；所述主制氢罐3和所述副制氢罐5与所述回水总管601之间连接有回水支管603。当需要拆卸制氢罐时，可先启动回水泵602把该制氢罐中的溶液抽出送回水箱1中，再进行拆卸，而且，当制氢罐中的水位过高时，可启动回水泵602抽回部分溶液，从而能够更加精确地控制水位。实际上，各制氢罐也可各自通过回水管道直接与水箱1连接，且每个回水管道上均设置水泵，但与图1、5所示的结构相比，结构更加复杂，成本更高，且系统可靠性更低。
优选地，所述回水总管601上设置有第六阀门604，所述回水支管603上设置有第七阀门605。当不需要进行溶液抽取时，第六阀门604和第七阀门605保持关闭，以防止由于放氢时产生的气压把溶液压至回水管路6中，影响制氢罐中的溶液水位（从而影响放氢效率）。优选地，第六阀门604和第七阀门605为电磁阀。
在一些实施方式中，见图2、5，所述主制氢罐3和副制氢罐5上插接有回水连接管606，该回水连接管606通过第三快速接头607与对应的回水支管603连接，以便于制氢罐的快速装拆。在本实施例中，回水连接管606插接在盖体302上，且回水连接管606的下端延伸至制氢罐内腔的底部，以便可充分抽出制氢罐内的溶液，如图2所示。
在实际应用中，还可在供水总管201上设置一个排液口，并在该排液口上设置第八阀门，且水箱1上设置有补液口101，从而，当需要对系统中的溶液进行更换时，可把所有溶液先抽送回水箱1，然后打开第八阀门，用供水泵202把水箱1中的溶液全部从排液口排出，然后把新的水溶液从补液口101输入水箱1内。从而方便水溶液的更换，更换时无需另外使用工具进行旧溶液的抽取，且对原位制氢系统的结构复杂度影响较小。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (10)

1.一种车载原位制氢系统，包括水箱（1）、供水管路（2）、至少一个主制氢罐（3）和供气管路（4），所述供水管路（2）与所述水箱（1）连接, 所述水箱（1）用于存储水溶液，其特征在于，还包括回水管路（6）和一个副制氢罐（5）；所述副制氢罐（5）的尺寸比所述主制氢罐（3）的尺寸小；所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）内均装填有制氢材料和催化剂；所述供水管路（2）用于向所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）输送水溶液以与其中的制氢材料进行水解制氢反应；所述回水管路（6）用于把所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）中的水溶液输送回所述水箱（1）；所述供气管路（4）与所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）均连通，并用于把反应生成的氢气输出；
所述副制氢罐（5）的体积为所述主制氢罐（3）的c倍，且c=b/（b+B）；
其中，b为所述主制氢罐（3）工作时所需的过量水溶液的重量，B为所述主制氢罐（3）中的制氢材料完全反应所消耗的水溶液重量。
2.根据权利要求1所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述制氢材料为MgH2，所述催化剂为MgCl2。
3.根据权利要求1所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述供气管路（4）的输出端设置有主出气口（401）和抽气口（402），所述主出气口（401）用于输出氢气，所述抽气口（402）用于与外部的抽气装置连接，所述主出气口（401）处设置有第一阀门（403），所述抽气口（402）处设置有第二阀门（404）。
4.根据权利要求3所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述供气管路（4）包括供气总管（405），所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）与所述供气总管（405）之间均连接有供气支管（406），所述供气支管（406）上设置有第三阀门（407）。
5.根据权利要求4所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述主出气口（401）处设置有第一气体流量传感器（408），所述供气支管（406）上设置有第二气体流量传感器（409）。
6.根据权利要求1所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述供水管路（2）包括与所述水箱（1）连通的供水总管（201），以及设置在所述供水总管（201）上的供水泵（202）；所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）与所述供水总管（201）之间连接有供水支管（203）。
7.根据权利要求6所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述供水总管（201）上设置有第四阀门（204），所述供水支管（203）上设置有第五阀门（205）。
8.根据权利要求7所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述供水支管（203）上设置有液体流量传感器（206）。
9.根据权利要求1所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述回水管路（6）包括与所述水箱（1）连通的回水总管（601），以及设置在所述回水总管（601）上的回水泵（602）；所述主制氢罐（3）和所述副制氢罐（5）与所述回水总管（601）之间连接有回水支管（603）。
10.根据权利要求9所述的车载原位制氢系统，其特征在于，所述回水总管（601）上设置有第六阀门（604），所述回水支管（603）上设置有第七阀门（605）。
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