CN113394431A - 一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统及方法，所述热管理系统设置在储氢装置和氢能利用系统之间；包括设置在主循环管道上的第一泵、散热装置、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器，第一泵、第一热交换器分别通过支路管道与第二泵的两端连接；循环管道的两端分别与储氢装置的底部连接，第一泵设置在靠近储氢装置的一端；所述散热装置、第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器分别并联连接在主循环管道上，散热装置、第二热交换器和第三热交换器均设置在第一泵与第一热交换器之间；第一热交换器还与氢能利用系统连接。本发明通过储氢装置的压力和温度管理，以及设置旁路的热管理系统，从而提高整个绿氢能源系统利用效率。

Description

一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统及方法
技术领域
本发明属于氢能源利用技术领域，具体涉及一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统及方法。
背景技术
当前，煤、天然气、石油等化石能源的使用造成了地球变暖和气候变化。可再生能源有望缓解由化石能源造成的环境问题。然而，由于风电、光伏等可再生能源的间歇性问题，其无法提供稳定的电力供应是其大规模推广应用的主要障碍之一。能源储存和传输是可再生能源利用的关键技术之一。氢气由于具有便携性、可大规模长期贮存的优势，是目前最有前景的储能媒介之一。目前氢储能方式有压缩氢气储能、液氢储能、甲基环己烷和氨等液态氢化物储能、金属氢化物储能。前两种是物理储能，后两种是化学储能。压缩氢气是最流行的的储能方法，通常应用在燃料电池汽车里。它的缺点是体积能量比低，在70MPa下大约为～4kg/100L；高压下的安全问题；加压过程中的能量消耗，例如加压到70MPa大约需要消耗氢气总能量的13％。液氢的能量密度更高，可达7kg/100L，也可商用于大规模运输。液氢的缺点是液化温度低(-253℃)，需要消耗氢气总能量的30％以上；安全问题；氢气容易蒸发而不适于长期贮存。甲基环己烷可通过甲苯加氢获得，在室温室压环境下以液态贮存，密度大约5kg/100L。甲基环己烷可采用现有的汽油输送管道运输，缺点是脱氢过程中大约需要消耗氢气总能量的30％；需要纯化过程；以及有监管要求。液氨的优势也是可以采用现有的管道运输，其中氢的密度可达11kg/100L，含量为17.7wt.％，体积能量密度比更高。液氨储能的缺点是氨的合成、脱氢过程中消耗大量的能量；需要纯化过程；以及有监管要求。金属氢化物储能是一种固态储氢方法，它的优势是高的体积能量比(～10kg/100L)，超高纯度，移动部件少，接近于室温下运行，可靠性高，脱吸附过程能量消耗少，监管要求不高、运维成本不高等。其缺点是重量能量比低，大约1-2wt.％。除了由于重量原因移动不便以外，金属氢化物储能在寸土寸金的城市地区是最实际的储能方式。
一般地，电制氢的能量转换效率为75％左右，氢发电的能量转换效率为46％左右，因此，电-氢-电的整个能量转换效率约为35％左右。为了提高整个绿氢能源系统的能量利用效率，科研工作者提出了一些相应的方法和系统，但还是存在一定缺陷的。
申请号为CN201310576349.5的专利文献提出了一种利用即时制得的氢气进行发电的系统及方法，所述系统包括制氢子系统、发电子系统、收集利用子系统，制氢子系统、发电子系统、收集利用子系统依次连接；制氢子系统利用甲醇水制备氢气，将制得的氢气通过传输管路实时传输至发电子系统用于发电；收集利用子系统连接发电子系统的排气通道出口，从排出的气体中收集氧气，或利用收集到的氧气供制氢子系统或/和发电子系统使用。本发明可收集发电子系统排出的余气，并从中提取出氢气、氧气、水，氢气、氧气可以燃烧放热，为发电子系统提供热能，水可以传输至制氢子系统循环利用，系统不需要额外的水源。本发明可以提高系统发电的效率，节省能源。该方法是利用收集的余气，分别提纯氢气、氧气，燃烧后产热，为发电子系统提供热能，说明氢气发电的利用效率不高，氢气并没有尽可能地转化为高品位的电能，另外余气提纯为氢气和氧气也需要消耗能量。这两方面是这个专利的缺陷所在。
申请号为CN03121004.X的专利文献提出了一种燃料电池的热利用系统，包括：转化装置利用供应的燃料生成氢气；在电池组中，设置有阳极和阴极，向上述阳极供应氢气或者含有氢气的燃料，向上述阴极供应氧气或者含有氧气的氧化剂，通过电化学反应产生电和热量；主排气线引导上述转化装置产生的排出气体，上述主排气线上安装有温水发生装置，上述温水发生装置利用上述排出气体对水进行加热；支排气线从上述主排气线分支形成，引导排出气体，上述支排气线上安装有水分供应装置，水分供应装置利用上述排出气体向上述转化装置和电池组供应水分；开闭阀门用于选择性地将上述转化装置产生的排出气体引导向上述主排气线和支排气线。通过上述本发明，提高了燃料电池的能源利用效率。该专利只考虑燃料电池的能源利用效率，而对于燃料生成氢气以及氢气储存过程需要消耗的能源并没有涉及，要提高氢能的利用效率，需要从整个氢能能源系统的利用效率考虑。
申请号为CN202010312735.3的专利文献提供了一种直流微电网系统及控制方法，本发明的一种直流微电网系统经过双向电能转换模块后，通过开关连接电网，所述直流微电网系统包括：可再生发电模块、直流母线、储氢模块、耗电模块和控制模块，在本发明的直流微电网系统中，通过直流微网系统分配电力，制取氢气，满足加氢、充电(包括氢燃料电池汽车充电和纯电动汽车充电)、照明需求，有效消纳了风电和光电，且电能不需要经过交直流的多次转换，提高了能源利用的效率并降低了直流微电网的能量损耗，并且本发明将电能回馈给电网，缓解电网的调峰压力。该专利的特点是直流微网，不需要经过交直流的多次转换，但是风电是交流电，风电输入直流微网还是需要交流转换成直流的，还有电能回馈给电网也还是需要直流转换成交流的。
发明内容
在可再生能源制氢的情境下，由于可再生能源发电的波动性，电解槽在最高效率下连续运行时相当困难的。另外，金属氢化物储氢运行过程中其辅助系统还需要电力供应，电-氢-电的整个能量转换效率还得更低一些。为了提高整个绿氢能源系统的能量利用效率，减少储氢装置的供电和供热是至关重要的。一方面可减少光伏对储氢装置的功率PIN’和燃料电池对储氢装置的功率PIN”的需求。另外，为了增加整个绿氢能源系统的能量转换效率，不仅要利用好电能，而且要利用好系统中燃料电池产生的热能。在氢气脱附过程中，储氢罐底部需要加热。利用燃料电池本身产生的部分热量来加热储氢罐底部是有优势的，因为不需要额外的热源。然而，这种加热方式会消耗燃料电池产出的一半热量，为了增加整个能量转换效率有必要尽可能减少燃料电池对储氢装置的供热QIN和增加燃料电池对外供热QOUT。从实际应用角度考虑，在氢储能系统中有效的节能和热管理运行是非常重要的。
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统及方法。
本发明的创新点一是通过储氢装置的压力和温度管理，优化储氢装置的冷却流程，减少电力消耗，提高电能利用效率；二是通过增加由热负荷装置和储热装置等旁路系统将多余的热量有效利用和存储起来，提高热利用率。通过提高电能利用效率和热能利用效率从而提高整个绿氢能源系统利用效率。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提供了一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，所述热管理系统设置在储氢装置和氢能利用系统之间；
所述热管理系统包括设置在主循环管道上的第一泵、散热装置、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器，第一泵、第一热交换器分别通过支路管道与第二泵的两端连接；所述循环管道的两端分别与储氢装置的底部连接，第一泵设置在靠近储氢装置的一端；所述散热装置、第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器分别并联连接在主循环管道上，且散热装置、第二热交换器和第三热交换器均设置在第一泵与第一热交换器之间；所述第一热交换器还与氢能利用系统连接。
优选地，所述第二热交换器、第三热交换器分别与储热装置或热负荷装置连接。
优选地，所述主循环管道上设置有阀门a、阀门b、阀门c、阀门d、阀门e、阀门f，第二泵两端的支路管道上分别设置有阀门a’、阀门b’；所述第一热交换器、散热装置、第二热交换器、第三热交换器的入口端分别相应设置有阀门c’、阀门d’、阀门e’、阀门f’。
优选地，通过阀门c和阀门c’控制第一热交换器的运行和关闭，通过阀门d和阀门d’控制散热装置的运行和关闭，通过阀门e和阀门e’控制第二热交换器的运行和关闭，通过阀门f和阀门f’控制第三热交换器的运行和关闭。
优选地，所述第一泵的功率为0.4kW，第二泵的功率为0.1kW。
优选地，所述储氢装置上还设置有压力控制装置和温度控制装置。所述压力控制装置用于对储氢装置内部压力的监测，所述温度控制装置用于对储氢装置内部温度和储氢装置底部的热交换流体温度的监测。
优选地，所述储氢装置包括多个并联设置的储氢罐，所述储氢罐采用的储氢材料为钛铁合金；储氢罐采用水制冷或者水制热。钛铁合金放在储氢罐里。储氢罐被隔热板包裹着。
所述氢能利用系统包括燃料电池系统。燃料电池系统采用一个致密的水冷的质子交换膜(PEM)燃料电池作为用氢设备，通常可每日启停和部分负荷运行。
优选地，所述储热装置为储热罐；所述散热装置为散热器。
本发明还提供了一种基于前述的热管理系统的提高绿氢能源系统利用效率的方法，包括以下步骤：
当绿氢能源系统处于制氢运行模式时，热交换流体采用以下方式循环：
A、当与储氢装置发生了热交换后的热交换流体温度低于30℃时，不开启散热器冷却，打开阀门a、阀门f、阀门e、阀门d、阀门c、阀门b，关闭阀门a’、阀门f’、阀门e’、阀门d’、阀门c’、阀门b’，使热交换流体被储氢装置底部加热后在主循环管道中通过第一泵后流回储氢装置底部；
B、当与储氢装置发生了热交换后的热交换流体温度高于30℃时，需开启散热器冷却，此时阀门a和b打开，阀门a’和b’关闭；阀门f、阀门e、阀门d’、阀门c打开，阀门f’打开阀门a、阀门f、阀门e、阀门d’、阀门c、阀门b，关闭阀门a’、阀门f’、阀门e’、阀门d、阀门c’、阀门b’，使热交换流体被储氢装置底部加热后在主循环管道中通过第一泵、散热装置后流回储氢装置底部；
当绿氢能源系统处于用氢运行模式时，热交换流体采用以下方式循环：
C、当储氢装置不需要供热时，打开阀门a’、阀门b’、阀门c’、阀门d、阀门e’、阀门f’，关闭阀门a、阀门b、阀门c、阀门d’、阀门e、阀门f，使热交换流体通过第一热交换器与氢能利用系统发生热交换后，通过第二泵、第三热交换器、第二热交换器后流回第一热交换器；所述热交换流体通过第三热交换器供应热负荷装置，通过第二热交换器将热量存储在储热装置中；
D、当储氢装置需要供热时，打开阀门a、阀门b、阀门c’、阀门d、阀门e、阀门f，关闭阀门a’、阀门b’、阀门c、阀门d’、阀门e’、阀门f’，使热交换流体通过第一热交换器与氢能利用系统发生热交换后，通过主循环管道流到储氢装置底部，对储氢装置进行供热。
优选地，步骤A中，当储氢装置的压力达到0.9MPa时，对流经第一泵的热交换流体进行一定时间的降压，然后停止降压；以此进行多次降压操作。
更优选地，当储氢装置的压力达到0.9MPa时，第一泵开启0.5-1分钟对流经第一泵的热交换流体进行降压。
优选地，所述热交换流体为丙二醇溶液。
本发明还提供了一种光伏制氢能源系统，包括依次连接的光伏发电系统、制氢装置、储氢装置和氢能利用系统；还包括前述的热管理系统。
优选地，所述光伏发电系统可以是单晶硅、多晶硅及其它高效光电转换设备。
优选地，所述制氢装置采用的是致密的聚合物电解液膜，可每日启停和部分负荷运行，可快速启动，在部分负荷运行时也是高效的。
本发明的光伏制氢能源系统运行时，当光伏发电系统产生的电力过量时，进行光伏制氢的步骤。在一个典型的制氢运行模式下，当与储氢装置发生了热交换后的热交换流体温度高于30℃时，需开启散热装置冷却，此时阀门a和b打开，阀门a’和b’关闭；阀门f、阀门e、阀门d’、阀门c打开，阀门f’、阀门e’、阀门d、阀门c’关闭。当与储氢装置发生了热交换后的热交换流体温度低于30℃时，不开启散热装置冷却，此时阀门a和b打开，阀门a’和b’关闭；阀门f、阀门e、阀门d、阀门c打开，阀门f’、阀门e’、阀门d’、阀门c’关闭。在储氢装置中吸附储氢是放热反应，被储氢装置底部加热的热交换流体(本实施例采用的热交换流体为60％丙二醇，流速为9.0L/min，但不限于此)通过第一泵后，进入/不进入散热装置冷却，然后通过主循环管道流回储氢装置底部，通过热交换流体冷却储氢装置。该过程不使用热交换器。
为了尽可能减少PIN’和PIN”，制氢运行模式的初始阶段，第一泵和散热装置均不运行。具体方法为：打开阀门a、阀门f、阀门e、阀门d、阀门c、阀门b，关闭阀门a’、阀门f’、阀门e’、阀门d’、阀门c’、阀门b’。随着光伏增加产氢率也增加，储氢装置中氢气吸附反应过程中的放热量也在增加。因此，储氢装置的温度和压力也显著增加。作为回应，当储氢装置压力达到某一阈值时，第一泵间歇性启停，通过热交换流体冷却储氢装置，只要储氢装置的温度与热交换流体温度差小于某一设定值(例如小于30℃)即可。
当光伏不够或者没有的情况下氢能利用系统通过燃烧氢气来供电和供热。在制氢完成时储氢装置的压力较高，储氢装置暂时不需要供热就可以给氢能利用系统供氢，即QIN为0。在该典型的用氢运行模式下，阀门a’和b’打开，阀门a和b关闭，阀门c’、阀门d、阀门e’、阀门f’打开，阀门c、阀门d’、阀门e、阀门f关闭。氢能利用系统与热交换流体在第一热交换器中进行热交换，通过第二泵流向第三热交换器和第二热交换器，供应热负荷装置或在储热装置中存储。因为氢能利用系统在运行时需要第一热交换器运行得以冷却，第二泵需要一直开启运行。但是第二泵的功率比第一泵要小得多。通过这种方式，大幅提高热利用效率。
在另一个典型的用氢运行模式下，即当储氢装置需要供热时，阀门a和阀门b打开，阀门a’和阀门b’关闭，阀门c’、阀门d、阀门e、阀门f打开，阀门c、阀门d’、阀门e’、阀门f’关闭。氢能利用系统与热交换流体在第一热交换器中进行热交换后，通过主循环管道流到储氢装置底部，对储氢装置进行供热，交换的热量供应储氢装置用于脱氢反应，而脱附的氢气供应氢能利用系统发电。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过储氢装置的压力和温度管理，以及设置旁路的热管理系统，从而提高整个绿氢能源系统利用效率。
附图说明
本发明的非限制性示例性实施方案的详细描述，以及对照附图，可以更好地理解本发明，其中：
图1为本发明实施例所述的光伏制氢能源系统拓扑图；
图2为本发明实施所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统；
其中：1-储氢罐；2-第一泵；3-第一热交换器；4-质子交换膜燃料电池；5-散热装置；6-第二热交换器；7-储热装置；8-第三热交换器；9-热负荷装置；10-第二泵。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本申请的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本申请的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本申请的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本申请的保护范围之内。
实施例
下面将对本申请的实施例作详细说明，本实施例在以本申请技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本申请的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种光伏制氢能源系统，包括依次连接的光伏发电系统、制氢装置、储氢装置和氢能利用系统；还包括设置在储氢装置和氢能利用系统之间的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统。所述光伏制氢能源系统拓扑图如图1所示。
所述光伏发电系统可以是单晶硅、多晶硅及其它高效光电转换设备。本实施例中具体采用的光伏发电系统由20kW单晶硅光伏板组成。
本实施例采用产氢装置采用的是致密的聚合物电解液膜，可每日启停和部分负荷运行，可快速启动，在部分负荷运行时也是高效的。该产氢装置的电解槽最大产氢速率为5Nm3/h，DC功率为26kW。金属氢化物的加热辅助系统电力为5kW，效率为73-87％。
所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统如图2所示，包括设置在主循环管道上的第一泵2、散热装置5、第一热交换器3、第二热交换器6、第三热交换器8，第一泵2、第一热交换器3分别通过支路管道与第二泵10的两端连接；所述循环管道的两端分别与储氢装置的底部连接，第一泵2设置在靠近储氢装置的一端；所述散热装置、第一热交换器3、第二热交换器6和第三热交换器8分别并联连接在主循环管道上，且散热装置5、第二热交换器6和第三热交换器8均设置在第一泵2与第一热交换器3之间；所述第一热交换器3还与氢能利用系统连接。
所述第二热交换器6、第三热交换器8分别与储热装置7或热负荷装置9连接。
所述主循环管道上设置有阀门a、阀门b、阀门c、阀门d、阀门e、阀门f，第二泵10两端的支路管道上分别设置有阀门a’、阀门b’；所述第一热交换器3、散热装置5、第二热交换器6、第三热交换器8的入口端分别相应设置有阀门c’、阀门d’、阀门e’、阀门f’。
通过阀门c和阀门c’控制第一热交换器3的运行和关闭，通过阀门d和阀门d’控制散热装置5的运行和关闭，通过阀门e和阀门e’控制第二热交换器6的运行和关闭，通过阀门f和阀门f’控制第三热交换器8的运行和关闭。
所述储氢装置上还设置有压力控制装置和温度控制装置。所述压力控制装置用于对储氢装置内部压力的监测，所述温度控制装置用于对储氢装置内部温度和储氢装置底部的热交换流体温度的监测。
所述储氢装置包括多个并联设置的储氢罐1，所述储氢罐1采用的储氢材料为钛铁合金；储氢罐1的氢气压力设置在1.0MPa。储氢罐1采用水制冷或者水制热。65公斤钛铁合金放在储氢罐1里。钛铁合金为TiFe0.8Mn0.2，钛铁合金在高频熔炉中使用CaO坩埚制备。铸锭在1100℃退火24-48小时后达到平衡。这种合金在80℃真空90分钟后容易吸收氢气，全氢储存容量为1.77wt.％。50％的大小晶粒大于150mm。储氢罐1被隔热板包裹着。在30℃和45℃的吸脱附过程中，储氢罐1中氢气的重量能量比为1.4％，每个储氢罐1的储氢量为40Nm3。
所述氢能利用系统包括燃料电池系统。所述燃料电池系统由一个致密的水冷的质子交换膜(PEM)燃料电池4组成，作为用氢设备，通常每日启停和部分负荷运行。最大的输出功率为3.5kW，氢气流量为2.1Nm3/h，输出功率范围在1.25-3.5kW之间。在每个功率输出下的H2tP与热输出效率分别为45.6％和33.7％。质子交换膜燃料电池4运行的氢气压力必须小于50kPa(最小压力15kPa)。
所述储热装置7为储热罐；所述散热装置5为散热器，本实施例中采用两个串联的散热器，每个散热器的功率为0.1kW。
本实施例还提供了一种基于前述的热管理系统的提高绿氢能源系统利用效率的方法，包括以下步骤：
当光伏发电系统产生的电力过量时，进行光伏制氢的步骤。在一个典型的制氢运行模式下，当与储氢罐1发生了热交换后的热交换流体温度高于30℃时，需开启散热器冷却，此时阀门a和b打开，阀门a’和b’关闭；阀门f、阀门e、阀门d’、阀门c打开，阀门f’、阀门e’、阀门d、阀门c’关闭。
当与储氢罐1发生了热交换后的热交换流体温度低于30℃时，不开启散热器冷却，此时阀门a和b打开，阀门a’和b’关闭；阀门f、阀门e、阀门d、阀门c打开，阀门f’、阀门e’、阀门d’、阀门c’关闭。在储氢罐1中吸附储氢是放热反应，被储氢罐1底部加热的热交换流体(本实施例采用的热交换流体为60％丙二醇，流速为9.0L/min，但不限于此)通过第一泵2后，进入/不进入散热器冷却，然后通过主循环管道流回储氢罐1底部，通过热交换流体冷却储氢罐1。该过程不使用热交换器。
为了尽可能减少PIN’和PIN”，制氢运行模式的初始阶段，第一泵2和散热器均不运行。具体方法为：打开阀门a、阀门f、阀门e、阀门d、阀门c、阀门b，关闭阀门a’、阀门f’、阀门e’、阀门d’、阀门c’、阀门b’，使热交换流体被储氢罐1底部加热后在主循环管道中通过第一泵2后流回储氢罐1底部，通过热交换流体冷却储氢罐1。而随着光伏增加产氢率也增加，氢气吸附反应过程中的放热量也在增加。因此，储氢罐1的温度和压力也显著增加。作为回应，当储氢罐1的压力达到0.9MPa时，第一泵2开启1分钟，对流经第一泵2的热交换流体进行降压。制氢运行模式的初始阶段，储氢罐1的温度大约60℃，热交换流体温度为30℃，两者之间的温度差估计为30℃。由于温差大，通过热交换流体循环下储氢罐1压力很快就降下来了。当压力再次增加时，采用相同的操作降压，重复5次。由于产氢率的下降，第一泵2第六次的运行时间调整为0.5分钟。在本次制氢运行模式的8小时里，第一泵2的运行时间只有5.5分钟，而散热器始终未开。
本实施例采用的第一泵2的功率较高，为0.4kW，第二泵10的功率较低，为0.1kW。在上述典型的制氢场景下，常规系统的PIN’＝(0.4kW+0.1kW×2)×8h＝4.8kWh；而采用上述节能操作，即本发明的热管理系统及运行方法下，PIN’＝(0.4kW+0.0kW×2)×(5.5/60)h＝0.036kWh。因此，辅助设备的电力消耗减少了99％以上，也提高了储氢效率。在产氢率不高的时候，这种节能操作效果更明显。另外，由于用氢滞后于制氢过程，制氢完成时往往储氢罐1压力很高，不需要对储氢罐1进行预热操作来增加系统中的压力。
当光伏不够或者没有的情况下通过质子交换膜燃料电池4燃烧氢气来供电和供热。在制氢完成时储氢罐1压力较高，储氢罐1暂时不需要供热就可以给质子交换膜燃料电池4供氢，即QIN为0。在该用氢运行模式下，阀门a’和阀门b’打开，阀门a和阀门b关闭，阀门c’、阀门d、阀门e’、阀门f’打开，阀门c、阀门d’、阀门e、阀门f关闭。质子交换膜燃料电池4与热交换流体在第一热交换器3中进行热交换，剩下的热量通过第二泵10流向第三热交换器8和第二热交换器6，供应热负荷装置9或在储热罐中存储。因为燃料电池在运行时需要第一热交换器3运行得以冷却，第二泵10需要一直开启运行。但是第二泵10的功率比第一泵2要小得多。通过这种方式，大幅提高热利用效率。
在另一个典型的用氢运行模式下，即当储氢罐需要供热时，阀门a和阀门b打开，阀门a’和阀门b’关闭，阀门c’、阀门d、阀门e、阀门f打开，阀门c、阀门d’、阀门e’、阀门f’关闭。质子交换膜燃料电池4与热交换流体在第一热交换器3中进行热交换后，通过主循环管道流到储氢罐1底部，对储氢罐1进行供热，交换的热量供应储氢罐1用于脱氢反应，而脱附的氢气供应质子交换膜燃料电池4发电。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，所述热管理系统设置在储氢装置和氢能利用系统之间；
所述热管理系统包括设置在主循环管道上的第一泵、散热装置、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器，第一泵、第一热交换器分别通过支路管道与第二泵的两端连接；所述循环管道的两端分别与储氢装置的底部连接，第一泵设置在靠近储氢装置的一端；所述散热装置、第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器分别并联连接在主循环管道上，且散热装置、第二热交换器和第三热交换器均设置在第一泵与第一热交换器之间；所述第一热交换器还与氢能利用系统连接。
2.根据权利要求1所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，所述第二热交换器、第三热交换器分别与储热装置或热负荷装置连接。
3.根据权利要求1所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，所述主循环管道上设置有阀门a、阀门b、阀门c、阀门d、阀门e、阀门f，第二泵两端的支路管道上分别设置有阀门a’、阀门b’；所述第一热交换器、散热装置、第二热交换器、第三热交换器的入口端分别相应设置有阀门c’、阀门d’、阀门e’、阀门f’。
4.根据权利要求3所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，通过阀门c和阀门c’控制第一热交换器的运行和关闭，通过阀门d和阀门d’控制散热装置的运行和关闭，通过阀门e和阀门e’控制第二热交换器的运行和关闭，通过阀门f和阀门f’控制第三热交换器的运行和关闭。
5.根据权利要求1所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，所述第一泵的功率为0.4KW，第二泵的功率为0.1KW。
6.根据权利要求1所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，所述储氢装置上还设置有压力控制装置和温度控制装置。
7.根据权利要求1所述的提高绿氢能源系统利用效率的热管理系统，其特征在于，所述储氢装置包括多个并联设置的储氢罐，所述储氢罐采用的储氢材料为钛铁合金；
所述氢能利用系统包括燃料电池系统。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的热管理系统的提高绿氢能源系统利用效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
当绿氢能源系统处于制氢运行模式时，热交换流体采用以下方式循环：
A、当与储氢装置发生了热交换后的热交换流体温度低于30℃时，打开阀门a、阀门f、阀门e、阀门d、阀门c、阀门b，关闭阀门a’、阀门f’、阀门e’、阀门d’、阀门c’、阀门b’，使热交换流体被储氢装置底部加热后在主循环管道中通过第一泵后流回储氢装置底部；
B、当与储氢装置发生了热交换后的热交换流体温度高于30℃时，打开阀门a、阀门f、阀门e、阀门d’、阀门c、阀门b，关闭阀门a’、阀门f’、阀门e’、阀门d、阀门c’、阀门b’，使热交换流体被储氢装置底部加热后在主循环管道中通过第一泵、散热装置后流回储氢装置底部；
当绿氢能源系统处于用氢运行模式时，热交换流体采用以下方式循环：
C、当储氢装置不需要供热时，打开阀门a’、阀门b’、阀门c’、阀门d、阀门e’、阀门f’，关闭阀门a、阀门b、阀门c、阀门d’、阀门e、阀门f，使热交换流体通过第一热交换器与氢能利用系统发生热交换后，通过第二泵、第三热交换器、第二热交换器后流回第一热交换器；所述热交换流体通过第三热交换器供应热负荷装置，通过第二热交换器将热量存储在储热装置中；
D、当储氢装置需要供热时，打开阀门a、阀门b、阀门c’、阀门d、阀门e、阀门f，关闭阀门a’、阀门b’、阀门c、阀门d’、阀门e’、阀门f’，使热交换流体通过第一热交换器与氢能利用系统发生热交换后，通过主循环管道流到储氢装置底部，对储氢装置进行供热。
9.根据权利要求8所述的提高绿氢能源系统利用效率的方法，其特征在于，步骤A中，当储氢装置的压力达到0.9MPa时，对流经第一泵的热交换流体进行一定时间的降压，然后停止降压；以此进行多次降压操作。
10.一种光伏制氢能源系统，其特征在于，包括依次连接的光伏发电系统、制氢装置、储氢装置和氢能利用系统；还包括权利要求1-7任一项所述的热管理系统。
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