CN113889644B - 一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，包括：至少两组合金储氢罐组，每组合金储氢罐组至少具有一个合金储氢罐，每个合金储氢罐内部均形成有储气腔和储液腔；燃料电池模块包括相连接且均可对液体加热的燃料电池电堆和膨胀水箱；至少两组氢气管路，每组氢气管路包括均与每组合金储氢罐组的各个储气腔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；循环液管路包括为循环回路的主液管路、至少两个进液支管及至少两个出液支管。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，使得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

一种基于内嵌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技术领域，尤其涉及一种基于内嵌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，特别是多组合金储氢罐组之间很难交替使用，使得多组合金储氢罐组内的残余氢气无法得到有效的利用。另外，合金储氢罐残余氢气量故障后也会导致燃料电池系统和船舶失去动力。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，用以解决充分利用合金储氢罐内残余氢气量的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，包括：
至少两组合金储氢罐组，每组合金储氢罐组至少具有一个合金储氢罐，每个所述合金储氢罐内形成有用于储存氢气的储气腔和用于储存液体的储液腔，所述储液腔内的液体通过热传导以调节所述储气腔内氢气的温度；
燃料电池模块，包括相连接且均可对液体加热的燃料电池电堆和膨胀水箱；
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的各个储气腔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电堆相连接；
循环液管路，包括为循环回路的主液管路、至少两个进液支管和至少两个出液支管，每组所述合金储氢罐组的每个储液腔的进液端和出液端分别与对应的一个所述进液支管和一个所述出液支管相连通以形成支路循环液管路，每个所述支路循环液管路均与所述主液管路并联，所述进液支管和所述出液支管上均设有第一电动调节阀，所述主液管路上设有液体调节阀组以控制液体流动循环，所述燃料电池模块接入所述主液管路以用于液体换热。
根据一些实施例，所述储气腔与所述氢气管路连通处设有合金储氢瓶阀；
所述储液腔上分别与所述进液支管和所述出液支管的连通处设有合金储氢瓶手动阀。
根据一些实施例，所述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。
根据一些实施例，所述第二氢气调节阀组包括由所述储气腔至所述燃料电池电堆方向依次设有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接通于所述电磁阀和所述减压阀之间的管路上，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主液管路上沿所述膨胀水箱的出液端至进液端方向依次设置的循环水泵、第一手动阀、第二电动调节阀、第二手动阀、温控阀、第一温度传感器、流量传感器、第三压力传感器、第一电导率传感器及第二温度传感器；
每个所述支路循环液管路的进液端并联于主液管路上的所述第一手动阀和所述第二电动调节阀之间，每个所述支路循环液管路的出液端并联于主液管路上的所述第二电动调节阀和所述第二手动阀之间；
所述燃料电池电堆接入主液管路上且位于所述第一电导率传感器和第二温度传感器之间。
根据一些实施例，所述循环液管路还包括输液管路，所述输液管路接入所述支路循环液管路上且接入点位于所述支路循环液管路和每个所述主液管路的连通处，所述输液管路上设有第三手动阀。
根据一些实施例，还包括换热器，并联于所述温控阀和所述第一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。
根据一些实施例，还包括去离子管路，所述去离子管路并联于所述主液管路上，所述去离子管路的进液端位于所述温控阀和所述第一温度传感器之间的管路上，所述去离子管路的出液端接入所述膨胀水箱，所述去离子管路上设有去离子组件以降低循环液体的导电率。
根据一些实施例，所述去离子组件包括由所述去离子管路的进液端至出液端依次设有的第三电动调节阀、去离子水设备及第二电导率传感器
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
该型船用燃料电池系统采用内嵌式合金储氢罐结构，可直接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；可独立控制每个合金储氢罐的加热水流通，进而控制其供氢通断，提高可靠性。并且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内嵌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：合金储氢罐组100、合金储氢瓶阀110、合金储氢瓶手动阀120、燃料电池模块200、燃料电池电堆210、膨胀水箱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、第二电动调节阀412、第二手动阀413、温控阀414、第一温度传感器415、流量传感器416、第三压力传感器417、第一电导率传感器418、第二温度传感器419、循环水泵420、进液支管430、出液支管440、第一电动调节阀441、去离子管路450、第三电动调节阀451、去离子水设备452、第二电导率传感器453、换热器460、输液管路470、第三手动阀471。
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内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，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。且采用内嵌式合金储氢罐结构，可直接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；可独立控制每个合金储氢罐的加热水流通，进而控制其供氢通断，提高可靠性。并且采用多组合金储氢罐组100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100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100交替使用可最大程度降低残余氢气量，其具体方案如下。
该船用燃料电池供氢系统包括至少两组合金储氢罐组100、燃料电池模块200及至少两组氢气管路300。其中，每组合金储氢罐组100至少具有一个合金储氢罐，每个合金储氢罐内形成有用于储存氢气的储气腔（未在图中示出）和用于储存液体的储液腔（未在图中示出），储液腔内的液体通过热传导以调节储气腔内氢气的温度。其中储液腔可以是环设于储气腔的外周以对储气腔导热，储液腔还可以是位于储气腔内且呈螺旋管状以对储气腔导热，储液腔可优选为呈螺旋管状设于储气腔内，使得储液腔与储气腔内之间接触面积更大，导热效果更明显。
燃料电池模块200包括相连接且均可对液体加热的燃料电池电堆210和膨胀水箱220。其中燃料电池电堆210既可以充分燃烧氢气，还可以由内部的换热组件以对管道内的液体进行换热，以将燃料电池部分的余热通过换热组件使得管道内的液体得以吸收，另外，膨胀水箱220具有定压作用和补水作用。
每组氢气管路300包括均与每组合金储氢罐组100的各个储气腔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，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，且每组第二出氢管路330的另一端均与燃料电池电堆210相连接。且储气腔与氢气管路300连通处设有合金储氢瓶阀110，通过合金储氢瓶阀110可开合储气腔释放或充入氢气。
其中，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并联式接入第一出氢管路320上。安全阀321作为手动控制，安全阀321根据内嵌式合金储氢罐内储气腔设计压力可设为5MPa，且安全阀321一般处于常闭状态，第一针阀322作为电动控制阀，当第一针阀322处于故障状态时，启用安全阀321通过阻火器323进行泄压。
第二氢气调节阀组包括由储气腔至燃料电池电堆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或出氢时的压力值，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，以对燃料电池电堆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实现多组内嵌式合金储氢罐组进行切换，以保证单组合金储氢罐100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包括为循环回路的主液管路410、至少两个进液支管430和至少两个出液支管440，每组合金储氢罐组100的每个储液腔的进液端和出液端分别与对应的一个进液支管430和一个出液支管440相连通以形成支路循环液管路，每个支路循环液管路均与主液管路410并联，进液支管430和出液支管440上均设有第一电动调节阀441，主液管路410上设有液体调节阀组以控制液体流动循环，燃料电池模块200接入主液管路410以用于液体换热。储液腔上分别与进液支管430和出液支管440的连通处设有合金储氢瓶手动阀120。
液体调节阀组包括主液管路410上沿膨胀水箱220的出液端至进液端方向依次设置的循环水泵420、第一手动阀411、第二电动调节阀412、第二手动阀413、温控阀414、第一温度传感器415、流量传感器416、第三压力传感器417、第一电导率传感器418及第二温度传感器419。其中，支路循环液管路的进液端并联于主液管路410上的第一手动阀411和第二电动调节阀412之间，每个支路循环液管路的出液端并联于主液管路410上的第二电动调节阀412和第二手动阀413之间，通过支路循环液管路得以对合金储氢罐的储液腔进行液体循环，进而对储气腔换热。且燃料电池电堆210接入主液管路410上且位于第一电导率传感器418和第二温度传感器419之间，使得燃料电池电堆210所释放的余热被主液管路410所吸收。
循环液管路400还包括输液管路470，输液管路470接入支路循环液管路上且接入点位于支路循环液管路和每个主液管路410的连通处，输液管路470上设有第三手动阀471。通过开合第三手动阀471使得输液管路470可对内嵌式合金储氢罐的储液腔进液或出液。
主液管路410还包括换热器460，并联于温控阀414和第一温度传感器415之间的管路上以供温控阀414调节主液管路410内液体温度。循环水通过温控阀414将温度控制在60℃~70℃，满足一般燃料电池电堆210的需要，多余的热量通过换热器460释放到外围。
合金储氢罐组100位于燃料电池电堆210循环水管道下游，利用燃料电池电堆210出口60~80℃的高温循环水供内嵌式合金储氢罐吸热放氢。
由于循环水通过燃料电池电堆210加热后返回膨胀水箱220，由于循环水流经多个内嵌式合金储氢罐和燃料电池电堆210，容易因金属离子脱落导致其电导率上升。由此需要对循环水中的金属离子进行去除处理。根据一些实施例，该循环液管路400还包括去离子管路450，去离子管路450并联于主液管路410上，去离子管路450的进液端位于温控阀414和第一温度传感器415之间的管路上，去离子管路450的出液端接入膨胀水箱220，去离子管路450上设有去离子组件以降低循环液体的导电率。
其中，去离子组件包括由去离子管路450的进液端至出液端依次设有的第三电动调节阀451、去离子水设备452及第二电导率传感器453。通过第一电导率传感器418实时检测循环水电导率，一般要求不超过10μs/cm2，如超过则开启第三电动调节阀451，利用去离子水设备452降低循环水电导率。
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内嵌式合金储氢罐组，每组含两个40kg级内嵌式合金储氢罐。
该型船用燃料电池系统充氢时，首先通过第三手动阀471将外部冷冻水引入每个储液腔，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将氢气充至每个内嵌式合金储氢罐的储气腔内，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，必要时，可通过打开第一出氢管路320上的第一针阀322通过阻火器323泄压。
该型船用燃料电池系统启动前，如果内嵌式合金储氢罐的储气腔压力低于0.5MPa，则启动膨胀水箱220的电加热器功能，待膨胀水箱220内水温超过65℃后启动系统。
该型船用燃料电池系统运行时，循环水由膨胀水箱220通过循环水泵420增压后依次流过第一手动阀411，分两条支路用于两组内嵌式合金储氢罐组100吸热放氢。其中通过第一电动调节阀441可调节流经内嵌式合金储氢罐组100的储液腔内的循环水流量，以满足其放氢吸热的需求，每个内嵌式合金储氢罐的储液腔内循环水流量约3m3/h。通过关闭内嵌式合金储氢罐组100循环水进出口手动阀断绝热量传输，进而停止氢气释放，使得内嵌式合金储氢罐安全可靠。两组内嵌式合金储氢罐组100的其中一组处于供氢状态。储气腔内供氢压力正常时不超过4MPa，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，满足一般燃料电池电堆210工作要求。待该组内嵌式合金储氢罐组100储氢压力低于0.3MPa时，关闭电磁阀333，开启电磁阀333，启用另外一组内嵌式合金储氢罐组100。待另外一组内嵌式合金储氢罐组100运行一段时间后，第一组内嵌式合金储氢罐组100因热平衡和物料平衡等原因，供氢压力有一定程度回升，可以继续切换回来吸热释放氢气。
由此，该型船用燃料电池系统采用内嵌式合金储氢罐结构，可直接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。可独立控制每个合金储氢罐的加热水流通，进而控制其供氢通断，提高可靠性。并且采用多组合金储氢罐组100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100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100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 (5)

1.一种基于内嵌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：
至少两组合金储氢罐组，每组合金储氢罐组至少具有一个合金储氢罐，每个所述合金储氢罐内形成有用于储存氢气的储气腔和用于储存液体的储液腔，所述储液腔内的液体通过热传导以调节所述储气腔内氢气的温度；
燃料电池模块，包括相连接且均可对液体加热的燃料电池电堆和膨胀水箱；
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的各个所述储气腔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电堆相连接，所述第二氢气调节阀组包括由所述储气腔至所述燃料电池电堆方向依次设有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接通于所述电磁阀和所述减压阀之间的管路上，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，包括为循环回路的主液管路、至少两个进液支管和至少两个出液支管，每组所述合金储氢罐组的每个储液腔的进液端和出液端分别与对应的一个所述进液支管和一个所述出液支管相连通以形成支路循环液管路，每个所述支路循环液管路均与所述主液管路并联，所述进液支管和所述出液支管上均设有第一电动调节阀，所述主液管路上设有液体调节阀组以控制液体流动循环，所述燃料电池模块接入所述主液管路以用于液体换热，所述液体调节阀组包括主液管路上沿所述膨胀水箱的出液端至进液端方向依次设置的循环水泵、第一手动阀、第二电动调节阀、第二手动阀、温控阀、第一温度传感器、流量传感器、第三压力传感器、第一电导率传感器及第二温度传感器；每个所述支路循环液管路的进液端并联于主液管路上的所述第一手动阀和所述第二电动调节阀之间，每个所述支路循环液管路的出液端并联于主液管路上的所述第二电动调节阀和所述第二手动阀之间；所述燃料电池电堆接入主液管路上且位于所述第一电导率传感器和第二温度传感器之间；所述循环液管路还包括输液管路，所述输液管路接入所述支路循环液管路上且接入点位于所述支路循环液管路和每个所述主液管路的连通处，所述输液管路上设有第三手动阀；还包括换热器，并联于所述温控阀和所述第一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所述的一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，
所述储气腔与所述氢气管路连通处设有合金储氢瓶阀；
所述储液腔上分别与所述进液支管和所述出液支管的连通处设有合金储氢瓶手动阀。
3.根据权利要求2所述的一种基于内嵌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。
4.根据权利要求3所述的一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，
还包括去离子管路，所述去离子管路并联于所述主液管路上，所述去离子管路的进液端位于所述温控阀和所述第一温度传感器之间的管路上，所述去离子管路的出液端接入所述膨胀水箱，所述去离子管路上设有去离子组件以降低循环液体的导电率。
5.根据权利要求4所述的一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，其特征在于，
所述去离子组件包括由所述去离子管路的进液端至出液端依次设有的第三电动调节阀、去离子水设备及第二电导率传感器。
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