CN117012999A - 低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢燃料电池技术领域，提供一种低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法。该系统包括固态储氢装置、氢催化无焰燃烧换热微反应器、燃料电池装置、自动控温装置；固态储氢装置包括换热槽、储氢罐，储氢罐内装填低温固态储氢材料；换热微反应器包括换热器、氢催化无焰燃烧微反应器；储氢罐与燃料电池装置、换热器进气口连通，换热槽与换热器介质入出口连通；储氢罐、换热器上设温度监控器，供氢管道上设气体流量控制阀，储氢罐、燃料电池连氢压监控器，微反应器、燃料电池及监控器、阀连自动控温装置。本发明能够实现固态储氢装置向燃料电池装置持续、稳定、高效供氢，实现低温储供氢装置与燃料电池装置快响应与低温自启动。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是涉及一种低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法。
背景技术
随着社会各界对清洁能源的需求增长，使用氢气的燃料电池逐渐走向市场。其中，配置固态储氢装置的燃料电池系统以高安全性、高体积储氢密度和快速充氢特性受到人们的广泛关注。作为氢的可逆“存储”介质，固态储氢材料具有优良的吸放氢性能以及长期循环无动力学衰减和容量损失的优点，可实现大容量储氢、常温常压长距离运输，不但能够降低氢气的储运成本和能耗，而且安全便捷，有望成为氢储运领域的重要关键材料，从而推动氢能行业的发展。
在储氢材料方面，低温储氢材料如AB系（钛铁系等）、AB2系（钛猛系等）、AB5系（镧镍系等）等可在温和条件下实现吸放氢，在车载、移动式储氢装置、发电储电等热源供给受限的场景中颇具优势且应用广泛。低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统的研究热度居高不下。然而，一方面，氢燃料电池在启动时普遍需要>1Mpa的氢压和>12L/(Min KW)的氢量，这对上述一体化电源系统的快响应自启动提出了极高要求，目前，当环境温度较低时，储氢装置的余氢难以达到燃料电池启动对氢压和氢量的需求，且在燃料电池启动期间的余热难以加热储氢装置至放氢温度，同时，使用燃料电池的电能加热会造成相当程度的能源浪费；另一方面，现有固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统大都针对使用高温储氢材料的场景，其无法应用到使用低温储氢材料的场景中。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法，能够利用燃料电池装置的尾氢或固态储氢装置的余氢向氢催化无焰燃烧微反应器供氢加热换热介质循环系统并自动调节换热介质温度，使储氢罐升温至低温固态储氢材料的放氢温度，且实现固态储氢装置向燃料电池装置持续、稳定、高效供应一定压力（>1Mpa）和流量（>12L/(Min KW)）的氢气，实现低温储供氢装置与燃料电池装置的快响应与低温自启动，同时具备系统暂时停机仍然能够再次启动并自加热令低温固态储氢材料释放具有一定压力和流量的稳定氢气的能力。
本发明的技术方案为：
一种低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，包括固态储氢装置1、氢催化无焰燃烧换热微反应器2、燃料电池装置3、自动控温装置4；所述固态储氢装置1包括换热槽、设置在换热槽内的储氢罐，所述储氢罐内装填有低温固态储氢材料；所述氢催化无焰燃烧换热微反应器2包括换热器22、设置在换热器22内的氢催化无焰燃烧微反应器21，所述换热器22上设置有进气口与所述氢催化无焰燃烧微反应器21的进气口连通；所述储氢罐的出气口通过供氢管道15与所述燃料电池装置3的进气口、所述换热器22的进气口连通，所述换热槽的介质出口、介质入口分别通过冷换热介质管道11、热换热介质管道12与所述换热器22的介质入口、介质出口连通；所述储氢罐、换热器22上分别设置有第一温度监控器13、第二温度监控器23，所述供氢管道15上设置有分别控制储氢罐供氢量、燃料电池装置3进氢量、氢催化无焰燃烧微反应器21进氢量的三个气体流量控制阀，所述储氢罐的出气口、所述燃料电池装置3的进气口分别连接有第一氢压监控器14、第二氢压监控器31，所述氢催化无焰燃烧微反应器21、燃料电池装置3及所有的监控器、阀均与所述自动控温装置4电连接。
其中，氢催化燃烧，即氢气在催化剂作用下的无火焰燃烧，与火焰燃烧相比，具有起燃温度低、燃烧效率高、燃烧稳定且不产生NOx气体排放等优点，在实验室及工厂中往往依托添加了钯、铂和钌等贵金属催化剂的氢催化燃烧反应器来实现。实际上，一摩尔氢气通过氢催化燃烧反应器所产生的可用热量是低温储供氢装置释放一摩尔氢气所需热量的近十倍。为此，本发明将燃料电池装置3的尾氢及固态储氢装置1的余氢通入氢催化无焰燃烧微反应器21中，产生的热量用于加热固态储氢装置1至放氢温度，最终释放满足燃料电池装置3启动要求的氢气，实现系统的快响应自启动。
可选地，所述低温固态储氢材料为AB系、AB2系、AB5系低温储氢材料中的一种或几种。
可选地，所述换热介质为水、水和乙二醇混合液、空气中的一种。
可选地，所述供氢管道15包括第一供氢管道、第二供氢管道、第三供氢管道，所述第一供氢管道的进气口与所述储氢罐的出气口连通、出气口与所述第二供氢管道的进气口及第三供氢管道的进气口连通，所述第二供氢管道的出气口、第三供氢管道的出气口分别与所述燃料电池装置3的进气口、所述换热器22的进气口连通，三个所述气体流量控制阀分别设置在所述第一供氢管道、第二供氢管道、第三供氢管道上，所述第一氢压监控器14、第二氢压监控器31分别设置在所述第一供氢管道上气体流量控制阀靠近储氢罐的一侧、所述第二供氢管道上气体流量控制阀靠近燃料电池装置3的一侧。
一种所述低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统的使用方法，包括下述步骤：
步骤4.1：向储氢罐内充氢，充氢量大于所述低温固态储氢材料的饱和吸氢量，向换热槽与氢催化无焰燃烧换热微反应器2之间形成的换热介质循环系统内通入换热介质；
步骤4.2：开启所述低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，打开储氢罐、氢催化无焰燃烧换热微反应器2对应的气体流量控制阀，关闭燃料电池装置3对应的气体流量控制阀，固态储氢装置1向氢催化无焰燃烧换热微反应器2供氢；
步骤4.3：氢催化无焰燃烧微反应器21开始工作，对换热器22内的换热介质进行加热，加热后的换热介质进入换热槽，由换热槽向储氢罐供热，第一氢压监控器14、第一温度监控器13分别监控储氢罐的供氢压力与温度并传输给自动控温装置4，储氢罐逐渐升温至低温固态储氢材料的放氢温度；
步骤4.4：当供氢压力保持稳定状态T时间后，自动控温装置4控制燃料电池装置3启动、燃料电池装置3对应的气体流量控制阀打开、氢催化无焰燃烧换热微反应器2对应的气体流量控制阀关闭，固态储氢装置1向燃料电池装置3供氢，燃料电池装置3实现低温自启动。
可选地，所述自动控温装置4根据接收到的温度与供氢压力数据对氢催化无焰燃烧微反应器21对应的气体流量控制阀进行控制以控制通入氢催化无焰燃烧微反应器21内氢气的流量或对氢催化无焰燃烧微反应器21的功率进行控制，从而控制换热槽内换热介质的温度。
可选地，所述固态储氢装置1的储氢量与所述燃料电池装置3在额定功率下工作设定时间所需氢气总量之比为1.0~1.5：1。
可选地，T≥3分钟。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的系统通过在固态储氢装置中换热槽内设储氢罐、在储氢罐内装填低温固态储氢材料、将储氢罐同时与氢催化无焰燃烧换热微反应器和燃料电池装置连接、在换热槽与氢催化无焰燃烧换热微反应器间形成换热介质循环系统、设置温度与氢压监控器来监控储氢罐的温度与供氢压力、在供氢管道上设置分别控制储氢罐供氢量、燃料电池装置进氢量、氢催化无焰燃烧微反应器进氢量的三个气体流量控制阀、设置自动控温装置与氢催化无焰燃烧微反应器、燃料电池装置及所有的监控器、阀电连接，能够利用燃料电池装置的尾氢或固态储氢装置储氢罐的余氢向氢催化无焰燃烧微反应器供氢，利用氢催化无焰燃烧微反应器内氢气反应生热向换热器供热以加热循环换热介质，并根据对储氢罐温度与供氢压力的实时监控来自动控制氢催化无焰燃烧微反应器的功率，从而调节氢催化无焰燃烧微反应器与换热槽间换热介质循环系统的温度，使储氢罐升温至低温固态储氢材料的放氢温度，且利用低温固态储氢材料重量储氢率高的优点，实现基于低温固态储氢材料的固态储氢装置向燃料电池装置持续、稳定、高效供应一定压力（>1Mpa）和流量（>12L/(MinKW)）的氢气，满足燃料电池装置启动过程中对氢压氢量的要求，实现了低温储供氢装置与燃料电池装置的快响应与低温自启动，解决了现有技术中储氢装置余氢难以达到燃料电池启动对氢压和氢量的需求、燃料电池启动期间余热难以加热储氢装置至放氢温度的技术问题。
（2）本发明的方法通过先向储氢罐内充氢再开启系统、固态储氢装置向氢催化无焰燃烧换热微反应器供氢，在供氢压力保持稳定状态一定时间后控制燃料电池装置启动、固态储氢装置停止向氢催化无焰燃烧换热微反应器供氢、开始向燃料电池装置供氢，能够使得单次工作一定时间后储氢罐内氢气压力恢复，实现系统暂时停机仍然能够再次启动并自加热令低温固态储氢材料释放具有一定压力和流量的稳定氢气，以满足燃料电池运行的需求，提高了低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统运行的安全性和灵活性。
附图说明
图1为具体实施方式中本发明的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统的结构示意图。
图2为具体实施方式中本发明的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统启动后储氢罐温度、供氢压力的变化曲线示意图。
图3为具体实施方式中本发明的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统中燃料电池装置氢气入口氢压的变化曲线示意图。
图中，1—固态储氢装置，2—氢催化无焰燃烧换热微反应器，3—燃料电池装置，4—自动控温装置，11—冷换热介质管道，12—热换热介质管道，13—第一温度监控器，14—第一氢压监控器，15—供氢管道，21—氢催化无焰燃烧微反应器，22—换热器，23—第二温度监控器，31—第二氢压监控器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统包括固态储氢装置1、氢催化无焰燃烧换热微反应器2、燃料电池装置3、自动控温装置4；所述固态储氢装置1包括换热槽、设置在换热槽内的储氢罐，所述储氢罐内装填有低温固态储氢材料；所述氢催化无焰燃烧换热微反应器2包括换热器22、设置在换热器22内的氢催化无焰燃烧微反应器21，所述换热器22上设置有进气口与所述氢催化无焰燃烧微反应器21的进气口连通；所述储氢罐的出气口通过供氢管道15与所述燃料电池装置3的进气口、所述换热器22的进气口连通，所述换热槽的介质出口、介质入口分别通过冷换热介质管道11、热换热介质管道12与所述换热器22的介质入口、介质出口连通；所述储氢罐、换热器22上分别设置有第一温度监控器13、第二温度监控器23，所述供氢管道15上设置有分别控制储氢罐供氢量、燃料电池装置3进氢量、氢催化无焰燃烧微反应器21进氢量的三个气体流量控制阀，所述储氢罐的出气口、所述燃料电池装置3的进气口分别连接有第一氢压监控器14、第二氢压监控器31，所述氢催化无焰燃烧微反应器21、燃料电池装置3及所有的监控器、阀均与所述自动控温装置4电连接。
其中，所述低温固态储氢材料可以为AB系、AB2系、AB5系低温储氢材料中的一种或几种；所述换热介质可以为水、水和乙二醇混合液、空气中的一种。
本实施例中，所述供氢管道15包括第一供氢管道、第二供氢管道、第三供氢管道，所述第一供氢管道的进气口与所述储氢罐的出气口连通、出气口与所述第二供氢管道的进气口及第三供氢管道的进气口连通，所述第二供氢管道的出气口、第三供氢管道的出气口分别与所述燃料电池装置3的进气口、所述换热器22的进气口连通，三个所述气体流量控制阀分别设置在所述第一供氢管道、第二供氢管道、第三供氢管道上，所述第一氢压监控器14、第二氢压监控器31分别设置在所述第一供氢管道上气体流量控制阀靠近储氢罐的一侧、所述第二供氢管道上气体流量控制阀靠近燃料电池装置3的一侧。
本发明的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统的使用方法包括下述步骤：
步骤4.1：向储氢罐内充氢，充氢量大于所述低温固态储氢材料的饱和吸氢量，向换热槽与氢催化无焰燃烧换热微反应器2之间形成的换热介质循环系统内通入换热介质；
步骤4.2：开启所述低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，打开储氢罐、氢催化无焰燃烧换热微反应器2对应的气体流量控制阀，关闭燃料电池装置3对应的气体流量控制阀，固态储氢装置1向氢催化无焰燃烧换热微反应器2供氢；
步骤4.3：氢催化无焰燃烧微反应器21开始工作，对换热器22内的换热介质进行加热，加热后的换热介质进入换热槽，由换热槽向储氢罐供热，第一氢压监控器14、第一温度监控器13分别监控储氢罐的供氢压力与温度并传输给自动控温装置4，储氢罐逐渐升温至低温固态储氢材料的放氢温度；
步骤4.4：当供氢压力保持稳定状态T时间后，自动控温装置4控制燃料电池装置3启动、燃料电池装置3对应的气体流量控制阀打开、氢催化无焰燃烧换热微反应器2对应的气体流量控制阀关闭，固态储氢装置1向燃料电池装置3供氢，燃料电池装置3实现低温自启动。
本实施例中，所述自动控温装置4根据接收到的温度与供氢压力数据对氢催化无焰燃烧微反应器21对应的气体流量控制阀进行控制以控制通入氢催化无焰燃烧微反应器21内氢气的流量或对氢催化无焰燃烧微反应器21的功率进行控制，从而控制换热槽内换热介质的温度。
其中，所述固态储氢装置1的储氢量与所述燃料电池装置3在额定功率下工作设定时间所需氢气总量之比可以为1.0~1.5：1；T≥3分钟。
本实施例中，在固态储氢装置1的储氢罐内填装钛铁系储氢材料，并充氢至储氢罐内压力达到2.2MPa，在固态储氢装置1及氢催化无焰燃烧换热微反应器2的换热介质循环系统内充满水，随后开启系统，打开储氢罐、氢催化无焰燃烧换热微反应器2对应的气体流量控制阀，关闭燃料电池装置3对应的气体流量控制阀，固态储氢装置1向氢催化无焰燃烧换热微反应器2供氢。固态储氢装置1中储氢罐内温度、压力的变化如图2中曲线所示，储氢罐内压力在3分钟内降低至0.3MPa，温度上升至80℃；随后温度稳定，压力开始缓慢上升，7分钟后稳定在2.21MPa。供氢压力保持稳定状态3分钟后，启动燃料电池装置3，打开燃料电池装置3对应的气体流量控制阀、关闭氢催化无焰燃烧换热微反应器2对应的气体流量控制阀，令固态储氢装置1向燃料电池装置3供氢。如图2和图3所示，打开燃料电池装置3对应的气体流量控制阀10分钟时，固态储氢装置1与燃料电池装置3的氢压立刻达到平衡，即固态储氢装置1的氢压降低至1.10MPa；随后，固态储氢装置1快速持续放氢，氢压逐渐升高至1.92MPa；之后，随着燃料电池装置3消耗氢气，氢压逐渐趋于稳定，保持在1.51MPa，实现系统低温自启动。
结果显示，本发明的固态储氢装置1可以利用燃料电池装置3的尾氢及储氢罐的余氢进行氢催化无焰燃烧生热，为自身的低温储氢材料放氢过程提供充足的热能，并为燃料电池启动提供一定压力和流量的稳定氢气。当固态储氢装置1内储氢罐压力高于0.3MPa时，可以利用已有气态氢气（储氢罐余氢或燃料电池尾氢）对氢催化无焰燃烧微反应器21供氢，后者将循环换热介质加热至额定温度，最终将固态储氢装置1供热至低温储氢材料放氢温度，并持续稳定供热，使低温储氢材料稳定释放具有一定压力（>1Mpa）和流量（>12L/(MinKW)）的氢气以供燃料电池启动使用；当单次工作时间超过15分钟后，储氢罐内的氢气压力恢复至1.5MPa以上，此时系统如果暂时停机，系统仍然能够再次启动并自加热令低温储氢合金释放具有一定压力和流量的稳定氢气，以满足燃料电池的需求。本发明解决了低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统的实际应用问题，保证正常工况与极端条件下燃料电池启动所需的氢压与氢量，提高系统安全性和灵活性。
显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，其特征在于，包括固态储氢装置（1）、氢催化无焰燃烧换热微反应器（2）、燃料电池装置（3）、自动控温装置（4）；所述固态储氢装置（1）包括换热槽、设置在换热槽内的储氢罐，所述储氢罐内装填有低温固态储氢材料；所述氢催化无焰燃烧换热微反应器（2）包括换热器（22）、设置在换热器（22）内的氢催化无焰燃烧微反应器（21），所述换热器（22）上设置有进气口与所述氢催化无焰燃烧微反应器（21）的进气口连通；所述储氢罐的出气口通过供氢管道（15）与所述燃料电池装置（3）的进气口、所述换热器（22）的进气口连通，所述换热槽的介质出口、介质入口分别通过冷换热介质管道（11）、热换热介质管道（12）与所述换热器（22）的介质入口、介质出口连通；所述储氢罐、换热器（22）上分别设置有第一温度监控器（13）、第二温度监控器（23），所述供氢管道（15）上设置有分别控制储氢罐供氢量、燃料电池装置（3）进氢量、氢催化无焰燃烧微反应器（21）进氢量的三个气体流量控制阀，所述储氢罐的出气口、所述燃料电池装置（3）的进气口分别连接有第一氢压监控器（14）、第二氢压监控器（31），所述氢催化无焰燃烧微反应器（21）、燃料电池装置（3）及所有的监控器、阀均与所述自动控温装置（4）电连接。
2.根据权利要求1所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，其特征在于，所述低温固态储氢材料为AB系、AB2系、AB5系低温储氢材料中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，其特征在于，所述换热介质为水、水和乙二醇混合液、空气中的一种。
4.根据权利要求1所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，其特征在于，所述供氢管道（15）包括第一供氢管道、第二供氢管道、第三供氢管道，所述第一供氢管道的进气口与所述储氢罐的出气口连通、出气口与所述第二供氢管道的进气口及第三供氢管道的进气口连通，所述第二供氢管道的出气口、第三供氢管道的出气口分别与所述燃料电池装置（3）的进气口、所述换热器（22）的进气口连通，三个所述气体流量控制阀分别设置在所述第一供氢管道、第二供氢管道、第三供氢管道上，所述第一氢压监控器（14）、第二氢压监控器（31）分别设置在所述第一供氢管道上气体流量控制阀靠近储氢罐的一侧、所述第二供氢管道上气体流量控制阀靠近燃料电池装置（3）的一侧。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统的使用方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤4.1：向储氢罐内充氢，充氢量大于所述低温固态储氢材料的饱和吸氢量，向换热槽与氢催化无焰燃烧换热微反应器（2）之间形成的换热介质循环系统内通入换热介质；
步骤4.2：开启所述低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统，打开储氢罐、氢催化无焰燃烧换热微反应器（2）对应的气体流量控制阀，关闭燃料电池装置（3）对应的气体流量控制阀，固态储氢装置（1）向氢催化无焰燃烧换热微反应器（2）供氢；
步骤4.3：氢催化无焰燃烧微反应器（21）开始工作，对换热器（22）内的换热介质进行加热，加热后的换热介质进入换热槽，由换热槽向储氢罐供热，第一氢压监控器（14）、第一温度监控器（13）分别监控储氢罐的供氢压力与温度并传输给自动控温装置（4），储氢罐逐渐升温至低温固态储氢材料的放氢温度；
步骤4.4：当供氢压力保持稳定状态T时间后，自动控温装置（4）控制燃料电池装置（3）启动、燃料电池装置（3）对应的气体流量控制阀打开、氢催化无焰燃烧换热微反应器（2）对应的气体流量控制阀关闭，固态储氢装置（1）向燃料电池装置（3）供氢，燃料电池装置（3）实现低温自启动。
6.根据权利要求5所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统使用方法，其特征在于，所述自动控温装置（4）根据接收到的温度与供氢压力数据对氢催化无焰燃烧微反应器（21）对应的气体流量控制阀进行控制以控制通入氢催化无焰燃烧微反应器（21）内氢气的流量或对氢催化无焰燃烧微反应器（21）的功率进行控制，从而控制换热槽内换热介质的温度。
7.根据权利要求5所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统使用方法，其特征在于，所述固态储氢装置（1）的储氢量与所述燃料电池装置（3）在额定功率下工作设定时间所需氢气总量之比为1.0~1.5：1。
8.根据权利要求5所述的低温储供氢装置与燃料电池一体化电源系统使用方法，其特征在于，T≥3分钟。
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| CN113154252A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-07-23 | 罗洪连 | 一种具有高换热特性的站用加氢及固态储氢装置 |
| CN114843549A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-08-02 | 有研工程技术研究院有限公司 | 固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法 |
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2023
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