CN114234036B - 一种氢能轨道车辆用固态储氢罐及储氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢能轨道车辆用固态储氢罐及储氢系统。所述储氢罐包括采用树脂材料制成的罐体(51)和填充在所述罐体内的储氢合金(53)，所述罐体上设置加氢口(54)和放氢口(55)；所述储氢合金内均匀布置若干根毛细换热管(52)，所述若干根毛细换热管平行于所述罐体的轴线设置，且所述若干根毛细换热管的一端相互连通后伸出所述罐体作为介质入口，另一端相互连通后伸出所述罐体作为介质出口。所述储氢系统在氢堆的冷却液入口处设置第一加热板，在储氢罐的介质入口设置第二加热板。本发明降低了储氢系统重量，提高系统重量储氢密度，且加快了加氢/放氢速率，增大了吸/放氢量，缩短了充氢时间。

Description

一种氢能轨道车辆用固态储氢罐及储氢系统

技术领域

本发明涉及氢能轨道车辆，特别是一种氢能轨道车辆用固态储氢罐及储氢系统。

背景技术

目前轨道交通车辆车载储氢方式多为高压储氢。相比高压储氢，固态储氢降低了加氢压力和存储压力，使氢气的车载存储和加氢过程更安全，同时固态储氢方式具有高体积比能量密度优势，是未来车载储供氢的重要方式之一。将固态储氢应用于氢能轨道交通车辆，可提高车辆的储氢量，增加续航里程，提升氢能使用安全性。

固态储氢的体积能量密度高，但重量能量密度只有高压储氢的三分之一。目前常用固态储氢罐材料为铝合金，由于铝合金密度为2.7-2.9g/cm³，这使得现有固态储氢罐重量与其内部容置的储氢合金的重量比约为1:1，如此大的重量，使得固态储氢的重量储氢密度低。

另外，尽管储氢合金本身的体积储氢密度很高，但组成储氢系统后其体积储氢密度只有储氢合金的体积储氢密度的1/3-1/2,重量储氢密度也只有储氢合金的1/3-1/5，甚至更低。这中间的损失，是因为组成储氢系统后的加热和冷却都是通过在储氢罐内部设置换热管道实现，这些换热管道首尾相接而形成S状的一个流道，这使得换热管道中的介质需要以S型的曲线流经整个储氢罐内的储氢合金，但介质在流经前段储氢合金后温度已经上升或下降，继续流过剩余的储氢合金，其提供的热量或吸收的热量将远远无法达到后段储氢合金的反应速率需要，因而限制了储氢合金的充放氢速率。如果不顾储氢罐内温度的升高而继续让储氢合金反应，会超过储氢罐和系统部件的承受温度，使得系统报警，存在安全风险，从而导致系统无法正常工作。

中国专利CN113375039A公开了一种储氢罐，其在储氢罐的内部布置了循环换热系统，所述循环换热系统包括进水管、顶部分散水管、出水管、底部分散水管和多根平行于储氢罐轴线设置的纵向连接水管；所述进水管经所述顶板分散水管连接所述纵向连接水管的一端，所述出水管经所述底部分散水管连接所述纵向连接水管的另一端，所述纵向连接水管设置在滚筒侧面壁且位于换热片的两端，以通过纵向连接水管吸收换热片及储氢合金的能量实现吸、放氢时的换热。显然，由于纵向连接水管未在储氢合金内均匀分布，且顶部分散水管、底部分散水管位于储氢合金外部，将会使得储氢合金产生的热量无法及时带走，储氢合金需要的热量也无法及时得到供给，从而使得储氢合金的充放氢速率受到了限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有储氢系统储氢合金充放氢速率低的不足，本发明提供一种能提高重量储氢密度，且能提高储氢合金的充放氢速率的氢能轨道车辆储氢罐及储氢系统。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种氢能轨道车辆储氢罐，包括罐体和填充在所述罐体内的储氢合金，所述罐体上设置加氢口和放氢口，其结构特点在于，所述罐体采用树脂材料制成；所述储氢合金内均匀布置若干根毛细换热管，所述若干根毛细换热管平行于所述罐体的轴线设置，且所述若干根毛细换热管的一端相互连通后伸出所述罐体作为介质入口，另一端相互连通后伸出所述罐体作为介质出口。

本发明通过将储氢罐的罐体采用树脂材料制成，由于铝合金密度(2.7-2.9g/cm³)是树脂密度(1.1g/cm³)的2.5倍左右，且树脂材料制成的储氢罐比强度高，故使用树脂材料制成的本发明储氢罐在满足储氢压力(常温常压)和温度要求的前提下，可以将储氢系统重量减少30％，从而提高重量储氢密度。

此外，树脂具有耐腐蚀、耐冲击、抗疲劳性能好等优点，因而可以减少车辆运行过程中振动和冲击导致的储氢合金振动和冲击，从而提高了储氢系统安全可靠性，延长其使用寿命。

本发明在储氢罐内的储氢合金内放置若干根毛细换热管，且各毛细换热管采用总分总的结构形式(各毛细换热管的一端相互连通形成介质入口，另一端相互连通形成介质出口)，这样使得经介质入口流入的换热介质能在温度上升或下降了之后及时经介质出口流出，从而能够保证储氢合金充分的加热和冷却，进而提高了储氢合金的加氢/放氢速率和吸放氢量，而且使储氢合金的加热和冷却更加均匀，缩短加氢/放氢时间。

优选地，所述加氢口安装第一压力传感器，所述放氢口安装第二压力传感器，以通过第一压力传感器监测加氢过程中储氢罐内的气体压力，通过第二压力传感器监测放氢过程中储氢罐内的气体压力。

优选地，所述毛细换热管的管径为5-10mm，壁厚为45-50微米，且相邻所述毛细换热管的距离为0.8-1.2厘米，以保证储氢合金的散热冷却足够充分，另外由于毛细换热管的管径和壁厚很小，所以很轻，在保证冷却和加热的情况下，不会增加储氢系统重量。

基于同一发明构思，本发明提供一种氢能轨道车辆合金储氢系统，其包括储氢罐、为所述储氢罐加氢的地面设备和为所述储氢罐放氢的车载设备，其结构特点在于：所述储氢罐为前述的储氢罐，所述地面设备在轨道沿线布置，所述车载设备布置在轨道车辆上。

所述地面设备包括地面冷却液装置，所述地面冷却液装置的冷却液入口依次连接第一散热器、地面冷却循环泵及地面冷却液出口阀门，所述地面冷却液装置的冷却液出口经管道连接地面冷却液入口阀门，加氢时，所述储氢罐的介质入口可拆卸连接所述地面冷却液入口阀门，所述储氢罐的介质出口可拆卸连接所述地面冷却液出口阀门，地面加氢站通过加氢枪连接所述储氢罐的加氢口，所述储氢罐的放氢口关闭。

所述车载设备包括车载冷却液装置和氢堆，所述车载冷却液装置的冷却液入口依次安装第二散热器、车载冷却液循环泵、车载冷却液出口阀门，所述车载冷却液装置的冷却液出口连接第一加热板连接所述氢堆的冷却液入口，所述氢堆的冷却液出口经车载冷却液入口阀门连接第二加热板，放氢时，所述储氢罐的介质入口可拆卸连接所述第二加热板的冷却液出口，所述储氢罐的介质出口可拆卸连接所述车载冷却液出口阀门，所述氢堆的进气口连接所述储氢罐的放氢口。

所述储氢罐的介质入口安装入口温度传感器，介质出口安装出口温度传感器，且所述入口温度传感器接入所述第二加热板的控制回路中，所述出口温度传感器接入所述第一加热板的控制回路中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)、本发明储氢罐采用相对铝合金密度较小的树脂材料制成罐体，既能保证固态储氢常温低压反应的需求，又能提高整个系统的重量储氢密度，同时可以减少车辆运行过程中储氢系统的振动和冲击。

(2)、本发明在储金合金内布置若干并列设置的毛细换热管通道，能够使得加氢和放氢过程中储氢合金充分与冷却液接触。当加氢时，快速将吸氢反应产生的热量带走，防止储氢罐内温度升高，最大程度的加快加氢速率，缩短加氢的时间。当放氢时，快速将储氢合金加热使之脱氢，加快脱氢速率，满足氢堆对流量的需求。

(3)、本发明在车载设备内设置第一加热板和第二加热板：当环境温度较低，刚开机时，同时开启第一、二加热板，既可以给氢堆供热，减少了低温下氢堆启动时间，又可给储氢罐提供热量，加速放氢反应。随着氢堆反应的进行，氢堆开始产生热量供给储氢罐放氢所需，此时可以根据入口温度传感器及出口温度传感器的温度变化调整第一、二加热板的热量供给模式，比如采用降功率或者部分开启的模式进行供热即可。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明储氢罐的横截面结构示意图。

图2为本发明储氢合金内毛细换热管的分布结构示意图。

图3为本发明储氢系统的原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

如图1、图2所示，本发明氢能轨道车辆储氢罐5一实施例包括树脂材料制成的罐体51、毛细换热管52和储氢合金53，且储氢合金53填充在罐体51内，在储氢合金53内平行于所述罐体51的轴线均匀布置若干根毛细换热管52。罐体51上设置加氢口54和放氢口55。若干根毛细换热管52的一端相互连通形成介质出口，另一端相互连通形成介质入口，且介质出口和介质入口分别伸出罐体51。

各毛细换热管52的管径为5-10毫米，壁厚为45-50微米，且相邻所述毛细换热管52的距离约为0.8-1.2厘米，以保证储氢合金53的散热、冷却足够充分。当加氢过程放热时，各毛细换热管52分别同时通入冷却水；当放氢过程吸热时，各毛细换热管52分别通入热水，从而加快加氢/放氢速率，增大吸/放氢量，缩短充氢时间。显然，储氢合金53内布置毛细换热管52的根数越多，水流对储氢合金53的加热/冷却速度越快也越均匀。

如图3所示，本发明氢能轨道车辆合金储氢系统包括储氢罐5、为储氢罐5加氢的地面设备和为储氢罐5放氢的车载设备，且所述地面设备在轨道沿线布置，所述车载设备布置在轨道车辆上。

地面设备主要由第一压力传感器2、地面冷却液装置3、地面冷却液入口阀门4、储氢罐5、地面冷却液出口阀门6、地面冷却循环泵7、第一散热器8、入口温度传感器9、出口温度传感器10组成，其中第一压力传感器3安装在储氢罐5的加氢口54，用于检测罐体51的内腔气体压力；从储氢罐5的介质出口到介质入口依次安装出口温度传感器10、地面冷却液出口阀门6、地面冷却循环泵7、第一散热器8、地面冷却液装置3、地面冷却液入口阀门4及入口温度传感器9。

车载设备主要由车载冷却液装置11、第一加热板12、氢堆13、车载冷却液入口阀门14、第二加热板15、车载冷却液出口阀门16、车载冷却液循环泵17、第二散热器18和第二压力传感器1组成。第二压力传感器1安装在储氢罐5的放氢口55，用于检测罐体51的内腔气体压力。从储氢罐5的介质出口到介质入口之间经管道依次安装车载冷却液出口阀门16、车载冷却液循环泵17、第二散热器18、车载冷却液装置11、第一加热板12、氢堆13、车载冷却液入口阀门14、第二加热板15。

地面加氢过程：该加氢过程是从地面加氢站通过加氢枪连接储氢罐5的加氢口54进行加氢，加氢过程为放热反应。当加氢枪快速接口接入到储氢罐5的加氢口54，加氢口54处的第一压力传感器2显示储氢罐5内的压力值变化，地面冷却液入口阀门4和地面冷却液出口阀门6立即打开，地面冷却液装置3内的冷却液迅速流经储氢罐5内的毛细换热管52并被加热，储氢罐5的毛细换热管52的介质出口流出热冷却液经过地面冷却循环泵7和第一散热器8后被降温，并回到地面冷却液装置3内，如此循环；在此过程中，入口温度传感器9和出口温度传感器10监测储氢罐5内毛细换热管52的介质入口和进水口水温，并根据温度变化，调节第一散热器8的功率保证充氢反应顺利进行。当第一压力传感器2监测到储氢罐5内充满氢气，加氢口54自动关闭，地面冷却液入口阀门4和地面冷却液出口阀门6同时关闭，完成加氢过程。

车载放氢过程：该放氢过程是将储氢罐5内的氢气经过放氢口55放氢，接入到氢堆13进行发电的过程。放氢过程为吸热反应。当氢堆13向储氢系统发送放氢启动指令，放氢开始，第二压力传感器1监测储氢罐5内的压力变化，车载冷却液入口阀门14和车载冷却液出口阀门16迅速开启，车载冷却液装置11内的冷却液经过第一加热板12加热后进入氢堆13，将氢堆13加热而加速氢13堆启动，从氢堆13的冷却液出口流出的冷却液经车载冷却液入口阀门14、第二加热板15流入储氢罐5内的毛细换热管52，加热后的冷却液流经储氢罐5内的若干毛细换热管52，促进了储氢合金53内的氢气释出，从而加快了放氢速率，最大程度满足了氢堆13的用氢需求。从储氢罐5流出的冷却液经车载冷却循环泵17和第二散热器18重新回到车载冷却液装置11，如此循环；同时，入口温度传感器9和出口温度传感器10从放氢开始就开始监测毛细换热管52的进出口水温，当氢堆13开始工作阶段，由于放氢所需热量不足，可以开启第一加热板12和第二加热板15同时工作，随着反应进行，氢堆13发电产热，可以根据入口温度传感器9和出口温度传感器10监测到的温度变化，调节第一加热板12和第二加热板15功率，根据散热需求决定选择降功率运行或者部分开启模式，保证最大程度放氢。

散热冷却过程：无论是加氢过程还是放氢过程，冷却液都是通过储氢罐5内置的若干细小毛细换热管52充分与储氢合金53接触，入口温度传感器9和出口温度传感器10迅速响应，第一加热板12和第二加热板15及时调节功率大小，加快吸氢/放氢速率，从而增大吸氢/放氢量和缩短充氢时间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种氢能轨道车辆用固态储氢系统，包括储氢罐（5）、为所述储氢罐加氢的地面设备和为所述储氢罐放氢的车载设备，其特征在于，

所述储氢罐包括采用树脂材料制成的罐体（51）和填充在所述罐体内的储氢合金（53），所述罐体上设置加氢口（54）和放氢口（55），所述储氢合金内均匀布置若干根毛细换热管（52），所述若干根毛细换热管平行于所述罐体的轴线设置，且所述若干根毛细换热管的一端相互连通后伸出所述罐体的一端作为介质入口，另一端相互连通后伸出所述罐体的另一端作为介质出口；

所述地面设备在轨道沿线布置，且所述地面设备包括地面冷却液装置（3），所述地面冷却液装置的冷却液入口依次连接第一散热器（8）、地面冷却循环泵（7）及地面冷却液出口阀门（6），所述地面冷却液装置的冷却液出口经管道连接地面冷却液入口阀门（4），加氢时，所述储氢罐的介质入口可拆卸连接所述地面冷却液入口阀门，所述储氢罐的介质出口可拆卸连接所述地面冷却液出口阀门，地面加氢站通过加氢枪连接所述储氢罐的加氢口，所述储氢罐的放氢口关闭；

所述车载设备布置在轨道车辆上，且所述车载设备包括车载冷却液装置（11）和氢堆（13），所述车载冷却液装置的冷却液入口依次安装第二散热器（18）、车载冷却液循环泵（17）、车载冷却液出口阀门（16），所述车载冷却液装置的冷却液出口依次连接第一加热板（12）和所述氢堆（13）的冷却液入口，所述氢堆的冷却液出口经车载冷却液入口阀门（14）连接第二加热板（15），放氢时，所述储氢罐的介质入口可拆卸连接所述第二加热板的冷却液出口，所述储氢罐的介质出口可拆卸连接所述车载冷却液出口阀门，所述氢堆的进气口连接所述储氢罐的放氢口。

2.根据权利要求1所述的氢能轨道车辆用固态储氢系统，其特征在于，所述加氢口安装第一压力传感器（2），所述放氢口安装第二压力传感器（1）。

3.根据权利要求1所述的氢能轨道车辆用固态储氢系统，其特征在于，所述毛细换热管的管径为5-10毫米，壁厚为45-50微米，且相邻所述毛细换热管的距离为0.8-1.2厘米。

4.根据权利要求1所述的氢能轨道车辆用固态储氢系统，其特征在于，所述储氢罐的介质入口安装入口温度传感器（9），介质出口安装出口温度传感器（10），且所述入口温度传感器接入所述第二加热板的控制回路中，所述出口温度传感器接入所述第一加热板的控制回路中。

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