CN113879502B - 一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，包括：储氢装置包括至少两个外浸水箱和至少两组合金储氢罐组；燃料电池模块包括相连接的燃料电池本体和第一换热器，第一换热器用于吸收燃料电池本体的余热；至少两组氢气管路，每组氢气管路均与每组合金储氢罐组相连通且互相并联设置的加氢管路、第一出氢管路及第二出氢管路；循环液管路包括主液管路、至少两个进液支管、至少两个出液支管。该船用燃料电池供氢系统采用多组合金储氢罐组并联供氢的方式，满足船用设备单一故障原则，保证单组合金储氢罐组故障后不会导致燃料电池系统和船舶失去动力，而且多组合金储氢罐组交替使用可最大程度降低残余氢气量，以提高氢气利用率。

Description

一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统

技术领域

本发明涉及船舶动力领域，尤其涉及一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统。

背景技术

氢燃料电池是21世纪动力能源技术制高点，具有如下优势特点：能量转化效率高、振动噪声低、零排放、模块化结构、低成本潜力、符合国家安全和能源战略。因此，采用氢燃料电池系统的绿色船舶可实现能源高效利用、零排放和舒适度提升，是未来绿色船舶动力装置的理想方案。

虽然采用氢燃料电池技术的绿色船舶具有上述优势，但是续航力成为重大瓶颈。制约长续航力氢燃料电池船舶发展的核心问题是目前船用氢燃料电池系统的氢燃料储存密度不够高。目前基础较好的主要五种储氢形式为高压气态储氢、低温液氢储氢、合金储氢、重整制氢和有机液体储氢。这五种储氢形式各有特点，针对不同的船型和应用场景可选择最适合的储氢形式。

由于储氢合金具有在吸氢化学反应时放出大量热，而在放氢时吸收大量热的特性，随着温度的升高或者降低，会有效降低储氢合金的吸氢和放氢速率，特别是放氢速率的降低，使得合金储氢罐内的残余氢气无法得到有效的利用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，用以解决氢燃料电池利用率低的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，包括：

储氢装置，包括至少两个外浸水箱和至少两组合金储氢罐组，每组所述合金储氢罐置于充满溶液的每个所述外浸水箱内，每组所述合金储氢罐组至少具有一个合金储氢罐；

燃料电池模块，包括相连接的燃料电池本体和第一换热器，所述第一换热器用于吸收所述燃料电池本体的余热；

至少两组氢气管路，每组所述氢气管路均包括与每组所述合金储氢罐组相连通且互相并联设置的加氢管路、第一出氢管路及第二出氢管路，每组所述第一出氢管路上设有第一氢气调节阀组，每组所述第一出氢管路的另一端均与阻火器相连通以用于充氢泄压，每组所述第二出氢管路上设有第二氢气调节阀组，且每组所述第二出氢管路的另一端均与所述燃料电池本体相连通；

循环液管路，包括主液管路、至少两个进液支管、至少两个出液支管，每个所述出液支管的一端与对应的每个所述外浸水箱的一端连通，另一端与所述主液管路的一端连通，所述主液管路的另一端与每个所述进液支管的一端连通，每个所述进液支管的另一端分别对应的与每个所述外浸水箱的另一端相连通，所述进液支管和所述出液支管上均设有第一电动阀，所述主液管路上设有液体调节阀组，且所述第一换热器接入所述主液管路以换热。

根据一些实施例，所述合金储氢罐设有与所述氢气管路连通的合金储氢瓶阀。

根据一些实施例，所述外浸水箱上均设有第一温度传感器、液位传感器及电加热器。

根据一些实施例，所述燃料电池本体与所述第一换热器之间所形成的闭式循环水水温范围为60~80℃之间；

所述合金储氢罐组所在外浸水箱内所需的循环水水温范围为40~50℃之间。

根据一些实施例，所第一氢气调节阀组包括安全阀和第一针阀，所述安全阀和所述第一针阀并联于所述第一出氢管路上。

根据一些实施例，所述第二氢气调节阀组包括由所述合金储氢罐至所述燃料电池本体方向依次设于所述第二出氢管路上的第一压力传感器、过滤器、电磁阀、减压阀、第二压力传感器及第二针阀。

根据一些实施例，所述氢气管路还包括氢气桥接管道和第三针阀，所述氢气桥接管道的一端与所述电磁阀和所述减压阀之间的管路相连通，每两组所述氢气桥接管道的另一端之间经第三针阀相连通。

根据一些实施例，所述液体调节阀组包括所述主液管路上沿所述出液支管至所述进液支管方向依次设置的第一手动阀、循环水泵、温控阀、第二温度传感器、流量传感器及第二手动阀；

其中，所述第一换热器位于所述流量传感器和所述第二手动阀之间。

根据一些实施例，所述循环液管路还包括补水管路和出水管路，所述补水管路的一端与所述主液管路和每个所述进液支管的连通处相连通，所述出水管路的一端与所述主液管路和每个所述出液支管的连通处相连通。

根据一些实施例，还包括第二换热器，并联设于所述温控阀和所述第二温度传感器之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

该船用燃料电池供氢系统本发明采用合金储氢技术，具有环境友好无污染、高安全性、体积储氢密度高等优点。采用外浸式合金储氢罐结构，加工难度小，可布置在船舱外，节省舱内空间。可间接式梯度利用燃料电池高品质循环水加热储氢合金供氢，提高能量利用率。采用多组合金储氢罐组并联供氢，满足船用设备单一故障原则，保证单组合金储氢罐组故障后不会导致燃料电池系统和船舶失去动力，而且多组合金储氢罐组交替使用可最大程度降低残余氢气量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统的流路结构示意图。

图中：储氢装置100、外浸水箱110、第一温度传感器111、液位传感112、电加热器113、合金储氢罐120、合金储氢瓶阀121、燃料电池模块200、燃料电池本体210、第一换热器220、氢气管路300、加氢管路310、第一出氢管路320、安全阀321、第一针阀322、阻火器323、第二出氢管路330、第一压力传感器331、过滤器332、电磁阀333、减压阀334、第二压力传感器335、第二针阀336、氢气桥接管道340、第三针阀341、循环液管路400、主液管路410、第一手动阀411、循环水泵412、温控阀413、第二温度传感器414、流量传感器415、第二手动阀416、进液支管420、第一电动阀421、出液支管430、补水管路440、出水管路450、第二换热器460。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，本发明提供一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，该船用燃料电池供氢系统采用外浸式合金储氢罐结构，加工难度小，而且可间接式梯度利用燃料电池高品质循环水加热储氢合金供氢，提高能量利用率。并且采用多组外浸式合金储氢罐组120并联供氢的方式，满足船用设备单一故障原则，保证单组外浸式合金储氢罐组120故障后不会导致燃料电池系统和船舶失去动力，而且多组外浸式合金储氢罐组120交替使用可最大程度降低残余氢气量，其具体方案如下。

储氢装置100包括至少两个外浸水箱110和至少两组合金储氢罐120，每组合金储氢罐置于充满溶液的每个外浸水箱110内。其中每组合金储氢罐120是至少具有一个合金储氢罐，每组合金储氢罐120之间是并联方式相连通。每个外浸水箱110上均设有第一温度传感器111、液位传感112器及电加热器113，第一温度传感器111和液位传感112器分别用于传感外浸水箱110上的温度和液位容积，电加热器113可实时的对每组合金储氢罐组120进行加热。

燃料电池模块200包括相连接的燃料电池本体210和第一换热器220，第一换热器220用于吸收燃料电池本体210的余热。可以理解为第一换热器220与燃料电池本体210之间通过闭式循环水单元连接，第一换热器220经闭式循环水单元以吸收燃料电池本体210的余热。

至少两组氢气管路300，合金储氢罐设有与氢气管路300连通的合金储氢瓶阀121。每组氢气管路300均包括通过合金储氢瓶阀121与每个合金储氢罐相连通且互相并联设置的加氢管路310、第一出氢管路320及第二出氢管路330，每组第一出氢管路320上设有第一氢气调节阀组（未在图中示出），每组第一出氢管路320的另一端均与阻火器323相连通以用于充氢泄压，每组第二出氢管路330上设有第二氢气调节阀组（未在图中示出），且每组第二出氢管路330的另一端均与燃料电池本体210相连通。

其中，所第一氢气调节阀组包括安全阀321和第一针阀322，安全阀321和第一针阀322并联于第一出氢管路320上，安全阀321作为手动控制，一般处于常闭状态，第一针阀322作为自动化控制，当第一针阀322处于故障状态时，启用安全阀321进行泄压。

第二氢气调节阀组包括由合金储氢罐至燃料电池本体210方向依次设于第二出氢管路330上的第一压力传感器331、过滤器332、电磁阀333、减压阀334、第二压力传感器335及第二针阀336，第一压力传感器331用于传感该型船用燃料电池系统充氢和出氢时的压力值，过滤器332用于过滤掉可能存在的储氢合金粉末等杂质，电磁阀333用于控制第二出氢管路330的开合，减压阀334用于对第二出氢管路330内的供氢压力进行减压，第二压力传感器335用于传感减压后的供氢压力值，第二针阀336用于控制第二出氢管路330减压后管路的开合，以对燃料电池本体210供氢。

另外，氢气管路300还包括氢气桥接管道340和第三针阀341，氢气桥接管道340的一端与电磁阀333和减压阀334之间的管路相连通，每两组氢气桥接管道340的另一端之间经第三针阀341相连通。从而当其中一组第二出氢管路330的减压阀334发生故障时，可通过氢气桥接管道340和第三针阀341实现多组外浸式合金储氢罐组120的切换，以保证单组合金储氢罐组120故障后不会导致燃料电池系统和船舶失去动力。

循环液管路400包括主液管路410、至少两个进液支管420、至少两个出液支管430，每个出液支管430的一端与对应的每个外浸水箱110的一端连通，另一端与主液管路410的一端连通，主液管路410的另一端与每个进液支管420的一端连通，每个进液支管420的另一端分别对应的与每个外浸水箱110的另一端相连通，进液支管420和出液支管430上均设有第一电动阀421，通过第一电动阀421可控制每个外浸水箱110之间自循环流通。主液管路410上设有液体调节阀组（未在图中示出），且第一换热器220接入主液管路410以换热。

液体调节阀组包括主液管路410上沿出液支管430至进液支管420方向依次设置的第一手动阀411、循环水泵412、温控阀413、第二温度传感器414、流量传感器415及第二手动阀416。其中，第一换热器220位于流量传感器415和第二手动阀416之间，以使得主液管路410可对第一换热器220所吸收的预热加以利用。其中第一手动阀411用于手动控制主液管路410的开合，循环水泵412将多个外浸水箱110内的水泵入主液管路410，且通过温控阀413控制主液管路410内的水温，然后通过第一换热器220为含闭式循环水单元的燃料电池本体210散热，多余的热量通过第二换热器460释放到外围。

循环液管路400还包括补水管路440和出水管路450和第三手动阀，补水管路440的一端与主液管路410和每个进液支管420的连通处相连通，出水管路450的一端与主液管路410和每个出液支管430的连通处相连通，其中补水管路440和出水管路450上均设有第三手动阀。

循环液管路400还包括第二换热器460，并联设于温控阀413和第二温度传感器414之间，通过将第二换热器460并联于温控阀413和第二温度传感器414之间的管路上，以便于温控阀413通过调节第二散热器的水量来改变散热器的散热量。

本实施例以100kW级船用燃料电池系统为例进行解释说明，该船用燃料电池系统配两组外浸式合金储氢罐组120，每组含两个40kg级外浸式合金储氢罐。

其中，该型船用燃料电池系燃料电池本体210与第一换热器220之间所形成的闭式循环水水温范围为60~80℃之间。合金储氢罐所在外浸水箱110内所需的循环水水温范围为40~50℃之间。

该型船用燃料电池系统充氢时，首先通过第三手动阀将外部冷冻水引入每个外浸水箱110，要求冷冻水温度不超过10℃，温度越低充氢速度越快。然后外部氢源通过加氢管路310将氢气充至每组外浸式合金储氢罐组120内，并通过第一压力传感器331实时检测充氢压力，一般不超过4.5MPa，必要是可通过打开第一出氢管路320上的第一针阀322泄压。

该型船用燃料电池系统运行时，循环水由外浸水箱110通过循环水泵412增压后流过环水通过温控阀413将温度控制在40℃~45℃，然后通过第一换热器220吸收含闭式循环水单元的燃料电池本体210上的余热，且多余的热量通过第二换热器460释放到外围，其中通过进液支管420和出液支管430上设有第一电动阀421以控制外浸水箱110之间循环水的流通，从而控制两组外浸式合金储氢罐组120之间吸热供氢。根据第一压力传感器331所测得的供氢压力切换运行，进而通过循环水泵412变频调节流经两组外浸式合金储氢罐组120之间的循环水流量，以满足含闭式循环水单元的燃料电池本体210不同工况下的耗氢率需求。两组合金储氢罐组120中的一组处于供氢状态，氢气通过过滤器332过滤掉可能存在的储氢合金粉末等杂质，通过减压阀334减压至0.1MPa~0.2MPa，满足一般含闭式循环水单元的燃料电池本体210工作要求，待第一压力传感器331测得该组外浸式合金储氢罐组120组储氢压力低于0.3MPa时，关闭处于供氢状态的合金储氢罐组120，启用另一组外浸式合金储氢罐组120，待另一组外浸式合金储氢罐组120组运行一段时间后，上一组外浸式合金储氢罐组120组因热平衡和物料平衡等原因，供氢压力有一定程度回升，可继续切换回来吸热释放氢气。

由此，该船用燃料电池供氢系统本发明采用合金储氢技术，具有环境友好无污染、高安全性、体积储氢密度高等优点。采用外浸式合金储氢罐结构，加工难度小，可布置在船舱外，节省舱内空间。可间接式梯度利用燃料电池高品质循环水加热储氢合金供氢，提高能量利用率。采用多组合金储氢罐组120并联供氢，满足船用设备单一故障原则，保证单组合金储氢罐组120故障后不会导致燃料电池系统和船舶失去动力，而且多组合金储氢罐组120交替使用可最大程度降低残余氢气量。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，包括：

储氢装置，包括至少两个外浸水箱和至少两组合金储氢罐组，每组所述合金储氢罐组均置于充满溶液的每个所述外浸水箱内，每组合金储氢罐组至少具有一个合金储氢罐，所述外浸水箱上均设有第一温度传感器、液位传感器及电加热器；

燃料电池模块，包括相连接的燃料电池本体和第一换热器，所述第一换热器用于吸收所述燃料电池本体的余热；

至少两组氢气管路，每组所述氢气管路包括均与每组所述合金储氢罐组相连通且互相并联设置的加氢管路、第一出氢管路及第二出氢管路，每组所述第一出氢管路上设有第一氢气调节阀组，每组所述第一出氢管路的另一端均与阻火器相连通以用于充氢泄压，每组所述第二出氢管路上设有第二氢气调节阀组，且每组所述第二出氢管路的另一端均与所述燃料电池本体相连通，所述第二氢气调节阀组包括由所述合金储氢罐至所述燃料电池本体方向依次设有于所述第二出氢管路上的第一压力传感器、过滤器、电磁阀、减压阀、第二压力传感器及第二针阀，所述氢气管路还包括氢气桥接管道和第三针阀，所述氢气桥接管道的一端与所述电磁阀和所述减压阀之间的管路相连通，每两组所述氢气桥接管道的另一端之间经第三针阀相连通；

循环液管路，包括主液管路、至少两个进液支管、至少两个出液支管，每个所述出液支管的一端与对应的每个所述外浸水箱的一端连通，另一端与所述主液管路的一端连通，所述主液管路的另一端与每个所述进液支管的一端连通，每个所述进液支管的另一端分别对应的与每个所述外浸水箱的另一端相连通以形成循环回路，所述进液支管和所述出液支管上均设有第一电动阀，所述主液管路上设有液体调节阀组，且所述第一换热器接入所述主液管路以对液体换热，所述循环液管路还包括补水管路和出水管路，所述补水管路的一端与所述主液管路和每个所述进液支管的连通处相连通，所述出水管路的一端与所述主液管路和每个所述出液支管的连通处相连通；所述液体调节阀组包括所述主液管路上沿所述出液支管至所述进液支管方向依次设置的第一手动阀、循环水泵、温控阀、第二温度传感器、流量传感器及第二手动阀；其中，所述第一换热器位于所述流量传感器和所述第二手动阀之间；还包括第二换热器，并联设于所述温控阀和所述第二温度传感器之间的管路上以供所述温控阀调节所述主液管路内液体温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，所述合金储氢罐设有与所述氢气管路连通的合金储氢瓶阀。

3.根据权利要求2所述的一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，所述燃料电池本体与所述第一换热器之间所形成的闭式循环水水温范围为60~80°C之间；所述合金储氢罐所在外浸水箱内所需的循环水水温范围为40~50°C之间。

4.根据权利要求3所述的一种基于外浸式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，

所第一氢气调节阀组包括安全阀和第一针阀，所述安全阀和所述第一针阀并联式接入所述第一出氢管路上。

Images