CN114151722A - 一种车载用金属氢化物复合储氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车载用金属氢化物复合储氢装置，包括储氢瓶单元模块和半导体单元模块，其中，所述储氢瓶单元模块包括储氢瓶，所述储氢瓶内装填储氢材料；所述半导体单元模块包括半导体芯片，所述半导体芯片与所述储氢瓶接触，所述半导体芯片连接有电源线，所述半导体芯片能够加热或冷却所述储氢瓶。该装置具有吸放氢快速动态响应、能量有效利用、对管道无腐蚀等显著特点。该装置具有冷热转换容易、操作简单、便于车载系统应用和推广。

Description

一种车载用金属氢化物复合储氢装置
技术领域
本发明涉及储氢技术领域，特别涉及一种车载用金属氢化物复合储氢装置。
背景技术
我国氢能源产业链当中，储氢作为关键环节制约着氢能的产业化，特别是以氢能源汽车为代表以高压储氢作为氢源，由于其重量储氢密度高，在续驶里程、加注时间等方面具有优势，适合于大功率燃料电池供氢系统如公交车、重卡等。目前已商业化的高压储氢气瓶分为四种，I型、II型、III型及IV型。I型瓶由金属钢组成，而II型瓶采用金属材质为主，但是外层已经缠绕玻璃纤维复合材料；III型、IV型瓶则主要是基于碳纤维增强塑料材料，前者内胆为金属，后者内胆为塑料，外部通过碳纤维增强塑料缠绕加工而成。但存在高压储氢罐、加氢站的核心设备主要包括氢气储罐、氢压缩机、加氢机及控制系统等技术障碍，投资大、公辅设施的建设也滞后于氢能的发展。液态氢储存技术缺点是液体储存箱非常庞大，需要很好的绝热装置来隔热，而且容易渗漏，能耗高。主要的应用场景是航空、航天、水下潜艇等特殊的领域。
相比高压和液态储氢，采用以储氢材料为存储介质的固态储氢方式，体积存储密度大，可方便地为各种场合使用的燃料电池提供氢源，金属氢化物储氢罐就是将储氢合金以一定的方式置于储氢罐内，利用储氢合金的可逆吸放氢能力，不发电时储氢合金吸收氢气形成金属氢化物，储氢密度大，储氢气压低；发电时金属氢化物放出氢气，供给燃料电池。在固态储氢应用上也取得了较大进展。TiMn系固态储氢系统已成功应用于燃料电池大巴，不需高压加氢站，在5兆帕氢压下15分钟左右即可充满氢，已累计运行1.5万公里。
高压复合储氢装置具有储氢量高，动力学性能好，适用温度低等优点，为燃料电池汽车储氢技术提供了有效的解决方案。高压-金属氢化物复合装置方案设计，满足复合高压碳纤维缠绕储氢罐既是反应器又是热交换器的要求。由于金属氢化物储氢合金吸氢放热，放氢吸热的特征，内部结构设计要保障氢高效快捷吸放氢。储氢瓶的内部设置有流动热介质流路(热介质主要指水、油、发动机冷却液等)，在热介质流路中流动的热介质能与罐主体的外周面接触。但高压复合储氢装置放氢完毕，再次充氢要放热，散热不及时严重影响吸氢速率，延长充氢时间，
鉴于上述原因，需要一种车载金属氢化物复合储氢装置，来满足金属氢化物复合储氢装置吸氢放热需要低温冷却，放氢吸热需要热源供给的实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载用金属氢化物复合储氢装置，该装置利用半导体芯片的制冷和制热功能，并对燃料电池单元模块的能量进行回收废热的方式，对储氢瓶内的金属氢化物材料在吸/放氢过程中所需的热源和冷源能量进行供给，有效解决技术瓶颈。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种车载用金属氢化物复合储氢装置，包括储氢瓶单元模块和半导体单元模块，其中，所述储氢瓶单元模块包括储氢瓶，所述储氢瓶内装填储氢材料；所述半导体单元模块包括半导体芯片，所述半导体芯片与所述储氢瓶接触，所述半导体芯片连接有电源线，所述半导体芯片能够加热或冷却所述储氢瓶。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述储氢瓶单元模块还包括氢气管路，所述氢气管路与所述储氢瓶连通；所述氢气管路上设置有氢气截止阀。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，还包括燃料电池单元模块，所述燃料电池单元模块包括燃料电池单元和水循环管路，所述水循环管路内设置有循环水，所述循环水能够在所述循环水管路内流动；利用所述燃料电池单元在运行过程中释放的废热能够加热所述循环水，所述循环水能够通过所述水循环管路进入所述储氢瓶内。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述水循环管路由所述储氢瓶的一端进入所述储氢瓶内，在所述储氢瓶内，所述水循环管路沿所述储氢瓶长度方向延伸至所述储氢瓶的另一端后返回所述储氢瓶的一端外，所述水循环管路的两端均位于所述储氢瓶的外部并分别与所述燃料电池单元模块连通；优选地，位于所述储氢瓶外部的所述水循环管路的两端处均设置有循环水截止阀。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述半导体芯片连接有第一组电源线和第二组电源线，当所述第一组电源线接外电源正极、所述第二组电源线接外电源负极时，所述半导体芯片能够对所述储氢瓶进行制冷；当所述第一组电源线接外电源负极、所述第二组电源线接外电源正极时，所述半导体芯片能够对所述储氢瓶进行制热。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述半导体芯片设置有二个，二个所述半导体芯片均与所述储氢瓶的外表面接触。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，二个所述半导体芯片在所述储氢瓶的外表面上相对设置，二个所述半导体芯片均紧密结合附着在储氢瓶外表面上。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述储氢材料为金属氢化物；所述金属氢化物为稀土系AB5型储氢合金、钛铁系AB型储氢合金、钛锰系AB2型储氢合金中的一种。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述燃料电池单元的工作温度为65℃-70℃，加热所述循环水能够利用所述燃料电池单元在运行过程中释放废热的95％以上，所述循环水带走的所述废热能够保证所述燃料电池单元在合适的温度下工作。
进一步地，在上述的车载用金属氢化物复合储氢装置中，所述复合储氢装置作为高纯氢的氢源供给装置；所述燃料电池单元模块还能够用于为摩托车、叉车、观光车、物流车或者汽车供电。
分析可知，本发明公开一种车载用金属氢化物复合储氢装置，该装置能够进行车载，利用该装置能够为摩托车、叉车、观光车、物流车或者汽车等提供高纯氢的氢源供给，该装置利用半导体芯片的制冷和制热功能，并对燃料电池单元模块的能量进行回收废热的方式，对储氢瓶内的金属氢化物材料在吸/放氢过程中所需的热源和冷源能量进行供给，有效解决技术瓶颈。该装置具有吸放氢快速动态响应、能量有效利用、对管道无腐蚀等显著特点。该装置具有冷热转换容易、操作简单、便于车载系统应用和推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1本发明一实施例的结构示意图。
附图标记说明：1储氢瓶；2氢气管路；3水循环管路；4水循环管路；5燃料电池单元模块；6半导体芯片；7半导体芯片；8第一组电源线；9第二组电源线；10第一组电源线；11第二组电源线；S1氢气截止阀；S2循环水截止阀；S3循环水截止阀。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种车载用金属氢化物复合储氢装置，包括储氢瓶单元模块和半导体单元模块，其中，储氢瓶单元模块包括储氢瓶1，储氢瓶1的材质为不锈钢，储氢瓶1内装填储氢材料；半导体单元模块包括半导体芯片，半导体芯片与储氢瓶1接触，半导体芯片连接有电源线，通过对电源线的正负极进行转换，能够使半导体芯片具有制冷和制热间转换的功能，进而使半导体芯片能够加热或冷却储氢瓶1，保障储氢瓶1得到冷源或热源，满足该装置吸氢放热需要低温冷却、放氢吸热需要热源供给的实际应用需求，该装置具有吸放氢快速动态响应、能量有效利用、对管道无腐蚀等显著特点。
进一步地，储氢瓶单元模块还包括氢气管路2，氢气管路2与储氢瓶1的另一端连通，氢气管路2上设置有氢气截止阀S1，氢气截止阀S1控制氢气管路2的通断和吸放氢，打开氢气截止阀S1，氢气能够通过氢气管路2进入储氢瓶1，当关闭氢气截止阀S1，可阻止储氢瓶1中的放氢。
进一步地，该装置还包括燃料电池单元模块5，燃料电池单元模块5包括燃料电池单元和水循环管路3，水循环管路3内设置有循环水，循环水能够在水循环管路3内流动，利用燃料电池单元在运行过程中释放的废热能够加热循环水，循环水能够通过水循环管路3进入储氢瓶1内，加热后的循环水进入储氢瓶1能够为储氢瓶1内的储氢材料提供热量，用以进一步保障储氢瓶1内的储氢材料放氢所需的热源供给。采用半导体芯片具有制冷和制热功能以及利用循环水对燃料电池单元模块5的能量进行回收废热的方式有效解决技术瓶颈。
进一步地，水循环管路3由储氢瓶1的一端进入储氢瓶1内，水循环管路3伸入至储氢瓶1的另一端内后再返回储氢瓶1的一端外，水循环管路3的两端均位于储氢瓶1的外部并分别与燃料电池单元模块5连通；优选地，位于储氢瓶1外部的水循环管路3的两端处均设置有循环水截止阀(S2和S3)，当储氢瓶1内的储氢材料吸氢时，关闭循环水截止阀S2和循环水截止阀S3，阻止循环水进入储氢瓶1，保障该装置对储氢瓶1的制冷作用。
进一步地，半导体芯片连接有第一组电源线和第二组电源线，第一组电源线和第二组电源中正负接线发生转换时，半导体芯片制热和制冷发生互换，当第一组电源线接外电源正极、第二组电源线接外电源负极时，半导体芯片6能够对储氢瓶1进行制冷；当第一组电源线接外电源负极、第二组电源线接外电源正极时，半导体芯片能够对储氢瓶1进行制热。使半导体芯片具有制冷和制热间转换的功能，进而使半导体芯片能够加热或冷却储氢瓶1。
进一步地，半导体芯片设置有二个，二个半导体芯片分别为半导体芯片6和半导体芯片7，与半导体芯片6连接有第一组电源线8和第二组电源线9，与半导体芯片7连接有第一组电源线10和第二组电源线11。半导体芯片6和半导体芯片7均与储氢瓶1的外表面接触。如此设置能够使半导体芯片(6和7)对储氢瓶1内的储氢材料进行均匀的制冷或制热。
进一步地，二个半导体芯片(6和7)在储氢瓶1的外表面上相对设置，二个半导体芯片(6和7)均紧密结合附着在储氢瓶1外表面上。半导体芯片(6和7)和储氢瓶1的外壁可贴合接触，为保障接触效果，增加导热胶。导热胶是单组份、导热型、室温固化有机硅粘接密封胶。机硅粘接密封胶具有卓越的抗冷热交变性能、耐老化性能和电绝缘性能，并具有优异的防潮、抗震、耐电晕、抗漏电性能和耐化学介质性能。机硅粘接密封胶可持续使用在-60～280℃且保持性能，不溶胀并且对大多数金属和非金属材料具有良好的粘接性。如此设置能够保证半导体芯片(6和7)对储氢瓶1内的储氢材料的制冷或制热的效果。
进一步地，储氢材料为金属氢化物；金属氢化物为稀土系AB5型储氢合金、钛铁系AB型储氢合金、钛锰系AB2型储氢合金中的一种。
进一步地，燃料电池单元的工作温度为65℃-70℃，燃料电池单元工作时会产生大量的废热，加热循环水能够利用燃料电池单元在运行过程中释放废热的95％以上，循环水带走的废热能够保证燃料电池单元在合适的温度下工作，保证该装置的正常运行。
进一步地，复合储氢装置作为高纯氢的氢源供给装置，该复合储氢装置可以为摩托车、叉车、观光车、物流车或者汽车等提供高纯氢的氢源供给；复合储氢装置的燃料电池单元模块5还可以用于为摩托车、叉车、观光车、物流车或者汽车等供电。
该车载用金属氢化物复合储氢装置的工作原理为：
1、储氢瓶1充氢：
第一组电源线8和第一组电源线10接外电源正极，第二组电源线9和第二组电源线11接外电源负极，使半导体芯片(6和7)具有制冷功能，通过热传导对储氢瓶1具有制冷作用，储氢瓶1内部的金属氢化物的合金迅速吸氢，大大节省充氢时间。若无半导体芯片制冷，金属氢化物在充氢过程中，产生和聚集大量的热量，导致吸氢极其缓慢，耗费时间。
2、储氢瓶1放氢：
第一组电源线8和第一组电源线10接外电源负极，第二组电源线9和第二组电源线11接外电源正极，半导体芯片(6和7)具有制热功能，通过热传导对储氢瓶1具有制热作用。同时打开循环水截止阀门S2和水截止阀门S3，使循环水进入储氢瓶1，利用循环水对金属氢化物提供热量，有效利用氢燃料电池的废热。内部(水循环管路3内的循环水提供热量)和外部(半导体芯片(6和7)提供热量)有效的双重热量供给，打开氢气管路2的氢气截止阀S1，为储氢瓶1内的金属氢化物快速动态响应供氢。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
一种车载用金属氢化物复合储氢装置，该装置能够进行车载，利用该装置能够为摩托车、叉车、观光车、物流车或者汽车等提供高纯氢的氢源供给，该装置利用半导体芯片(6和7)的制冷和制热功能，并对燃料电池单元模块5的能量进行回收废热的方式，对储氢瓶1内的金属氢化物材料在吸/放氢过程中所需的热源和冷源能量进行供给，有效解决技术瓶颈。该装置具有吸放氢快速动态响应、能量有效利用、对管道无腐蚀等显著特点。该装置具有冷热转换容易、操作简单、便于车载系统应用和推广。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，包括储氢瓶单元模块和半导体单元模块，其中，
所述储氢瓶单元模块包括储氢瓶，所述储氢瓶内装填储氢材料；
所述半导体单元模块包括半导体芯片，所述半导体芯片与所述储氢瓶接触，所述半导体芯片连接有电源线，所述半导体芯片能够加热或冷却所述储氢瓶。
2.根据权利要求1所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述储氢瓶单元模块还包括氢气管路，所述氢气管路与所述储氢瓶连通；
所述氢气管路上设置有氢气截止阀。
3.根据权利要求1所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
还包括燃料电池单元模块，所述燃料电池单元模块包括燃料电池单元和水循环管路，所述水循环管路内设置有循环水，所述循环水能够在所述循环水管路内流动；
利用所述燃料电池单元在运行过程中释放的废热能够加热所述循环水，所述循环水能够通过所述水循环管路进入所述储氢瓶内。
4.根据权利要求3所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述水循环管路由所述储氢瓶的一端进入所述储氢瓶内，在所述储氢瓶内，所述水循环管路沿所述储氢瓶长度方向延伸至所述储氢瓶的另一端后返回所述储氢瓶的一端外，所述水循环管路的两端均位于所述储氢瓶的外部并分别与所述燃料电池单元模块连通；
优选地，位于所述储氢瓶外部的所述水循环管路的两端处均设置有循环水截止阀。
5.根据权利要求1所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述半导体芯片连接有第一组电源线和第二组电源线，当所述第一组电源线接外电源正极、所述第二组电源线接外电源负极时，所述半导体芯片能够对所述储氢瓶进行制冷；
当所述第一组电源线接外电源负极、所述第二组电源线接外电源正极时，所述半导体芯片能够对所述储氢瓶进行制热。
6.根据权利要求1所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述半导体芯片设置有二个，
二个所述半导体芯片均与所述储氢瓶的外表面接触。
7.根据权利要求1所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
二个所述半导体芯片在所述储氢瓶的外表面上相对设置，
二个所述半导体芯片均紧密结合附着在储氢瓶外表面上。
8.根据权利要求1所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述储氢材料为金属氢化物；
所述金属氢化物为稀土系AB5型储氢合金、钛铁系AB型储氢合金、钛锰系AB2型储氢合金中的一种。
9.根据权利要求3所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述燃料电池单元的工作温度为65℃-70℃，加热所述循环水能够利用所述燃料电池单元在运行过程中释放废热的95％以上，
所述循环水带走的所述废热能够保证所述燃料电池单元在合适的温度下工作。
10.根据权利要求3所述的车载用金属氢化物复合储氢装置，其特征在于，
所述复合储氢装置作为高纯氢的氢源供给装置；
所述燃料电池单元模块还能够用于为摩托车、叉车、观光车、物流车或者汽车供电。
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