CN117039051A - 一种船用固态储氢燃料电池动力系统及充放氢方法 - Google Patents

Abstract

一种船用固态储氢燃料电池动力系统及充放氢方法，属于氢能设备技术领域。系统充氢时，关闭集成压力阀的出气口，将氢源连接至进气口，打开氢源开关调节氢压至2MPa，氢气开始进入固态储氢装置，待关闭进气口后，传感器显示瓶内压力不再变化时，固态储氢装置内固态储氢材料吸氢已饱和，充氢结束，系统放氢工作时，先打开控制系统的总开关，此时气路模块和循环泵同时开启，氢气从固态储氢材料中释放，经集成压力阀减压和控制系统的气路模块控制后按需进入氢燃料电池内，在膜电极上发生电化学反应，生成水和电能，循环介质也开始在泵的推动下在固态储氢装置和氢燃料电池之间循环，把氢燃料电池内的热量送入固态储氢装置，同时给氢燃料电池降温。

Description

一种船用固态储氢燃料电池动力系统及充放氢方法

技术领域

本发明涉及一种船用固态储氢燃料电池动力系统及充放氢方法，属于氢能设备技术领域。

背景技术

氢作为能量密度最高的清洁能源，是零碳社会最理想的能源载体。随着氢能技术发展，越来越多的氢能动力装备不断涌现，但在实践中也伴随着大量新的问题亟待解决。一方面，现有氢能动力系统往往采用高压储氢作为氢源，体积大、压力高，不利于提高设备的集成度和可靠性；另一方面，水上载具的氢能动力系统发展尚不成熟，仍需探索一条更为高效、廉价的可靠技术路线。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种船用固态储氢燃料电池动力系统及充放氢方法。

一种船用固态储氢燃料电池动力系统，氢燃料电池有空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、循环介质进口及循环介质出口，控制系统的气路模块、稳压模块、储能模块及控制模块安装在箱体内，固态储氢装置通过管道与集成压力阀连接，集成压力阀的另一端与控制系统连接，循环泵分别与固态储氢装置、氢燃料电池连接，氢气进口及氢气出口分别通过管道与气路模块连接，循环介质进口通过管道与固态储氢装置连接，循环介质出口通过管道与循环泵连接，集成压力阀有进气口、泄压阀、出气口、传感器、开关及气路入口，集成压力阀的出气口接软管至控制系统的气路模块，通过控制阀后再进入氢燃料电池的氢气进口，氢燃料电池的氢气出口，再通过软管接至控制系统的气路模块，经另一个控制阀后排出至大气。

固态储氢装置为双瓶组，单瓶外径110mm，高度450mm，氢源连接至进气口，装置内装填稀土固态储氢材料，两瓶出口处通过阀体和管路相连，管路的另一端通过螺纹连接至集成压力阀的气路入口。

循环泵的进口与氢燃料电池的循环介质出口相连，循环泵的出口与固态储氢装置的内循环管路进口相连，内循环管路进口与氢燃料电池的循环介质进口相连。

船用固态储氢燃料电池动力系统安装在船体的防水舱室内，船体的后部连接防水舱室，船体的后底部连接推进器，防水舱室靠近船舱内的侧面布置有通风口，船用固态储氢燃料电池动力系统的电路透过防水舱室下部与推进器的电机相连。

一种船用固态储氢燃料电池动力的系统充放氢方法,含有以下步骤:

系统充氢时，首先关闭集成压力阀的出气口，接着将氢源连接至进气口，打开氢源开关调节氢压至2MPa，氢气开始进入固态储氢装置，待关闭进气口后，传感器显示瓶内压力不再变化时，固态储氢装置内固态储氢材料吸氢已饱和，充氢结束。

系统放氢工作时，先打开控制系统的总开关，此时气路模块和循环泵同时开启。

氢气从固态储氢材料中释放，经集成压力阀减压和控制系统的气路模块控制后按需进入氢燃料电池内，在膜电极上发生电化学反应，生成水和电能。

水通过排气与未反应完全的氢气一起经氢气出口进入控制系统，再通过气路模块按所需频率排出。

在氢气流动的同时，循环介质也开始在泵的推动下在固态储氢装置和氢燃料电池之间循环，把氢燃料电池内的热量送入固态储氢装置，同时给氢燃料电池降温。

本发明的优点是:采用固态储氢作为氢源，相比于电动和高压储氢，作为船用动力系统体积小、储能密度高、更安全。

采用特殊集成压力阀，在保证用氢安全的同时，简化了操作流程、缩小了系统体积。与之配套的控制阀和控制系统使系统总体积和管路数量进一步减少，并提高集成度和智能化程度。

控制系统开启总开关后可以自动控制氢气进出氢燃料电池量、排水量、循环系统功率等参数，还能实现意外保护、紧急停机等功能，极大提高了系统可靠性、安全性和智能化程度，降低了系统操作门槛，增强了系统通用性，更为成熟。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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，如图其中：

图1为本发明的装配示意图。

图2为本发明的氢燃料电池结构示意图。

图3为本发明的控制系统结构示意图。

图4为本发明的一种船用固态储氢燃料电池动力系统示意图。

图5为本发明的集成压力阀结构示意图。

图6为本发明的集成压力阀背面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。

实施例1：一种船用固态储氢燃料电池动力系统，如图1所示，船体6的后部连接防水舱室61，船体6的后底部连接推进器62，防水舱室61内安装船用固态储氢燃料电池动力系统7。

船体6后半部推进器62上方设置有防水舱室61，防水舱室61靠近船舱内的侧面布置有通风口，可在保证舱室不透水的情况下实现换气和散热。船用固态储氢燃料电池动力系统7布置于防水舱室61中，电路透过防水舱室61下部与推进器62的电机相连，从而实现氢能驱动船舶行驶。

如图2所示，氢燃料电池4有空气进口41、空气出口42、氢气进口43、氢气出口44、循环介质进口45及循环介质出口46。

如图3所示，控制系统3有气路模块31、稳压模块32、储能模块33及控制模块34，气路模块31、稳压模块32、储能模块33及控制模块34安装在箱体内。

如图4所示，一种船用固态储氢燃料电池动力系统，固态储氢装置1通过管道与集成压力阀2连接，集成压力阀2的另一端与控制系统3连接，循环泵5分别与固态储氢装置1、氢燃料电池4连接。

氢气进口43及氢气出口44分别通过管道与气路模块31连接，循环介质进口45通过管道与固态储氢装置1连接，循环介质出口46通过管道与循环泵5连接。

如图5、图6所示，集成压力阀2有进气口21、泄压阀22、出气口23、传感器24、开关25及气路入口26。

固态储氢装置1为双瓶组，单瓶外径110mm，高度450mm，氢源连接至进气口21，装置内装填稀土固态储氢材料，两瓶出口处通过阀体和管路相连，管路的另一端通过螺纹连接至集成压力阀2的气路入口26。

集成压力阀2的出气口23接软管至控制系统3的气路模块31，通过控制阀后再进入氢燃料电池4的氢气进口43。

氢燃料电池4的氢气出口44，再通过软管接至控制系统3的气路模块31，经另一个控制阀后排出至大气。

对于液路连接，循环泵进口5与氢燃料电池4的循环介质出口46相连，循环泵出口5与固态储氢装置1的内循环管路进口相连，内循环管路进口与氢燃料电池4的循环介质进口45相连。

实施例2：如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种船用固态储氢燃料电池动力系统，主要由五部分功能模块组成，分别为固态储氢装置、集成压力阀、控制系统、氢燃料电池、循环泵。也可在此基础上增减其他功能模块。

固态储氢装置采用合金固态储氢材料，通过氢气与材料反应生产金属氢化物来实现固态储氢，装置可采用各种形状或结构，根据其他设备可配有热循环部件，也可包含支撑与固定配件。

集成压力阀集成了但不限于集成单向、减压、开关、紧急泄压、压力信号检测及传输等功能，可采用单级、双级、分体等各种结构设计。

控制系统从功能上包含气路模块、稳压模块、储能模块、控制模块，也可增加其他功能。具体包含了多种组合控制电路和元件以及压力、温度等数据采集部件，可为整个系统提供但不限于提供控制、监测、数据记录、计算等功能。

一种船用固态储氢燃料电池动力系统，包括固态储氢装置1、集成压力阀2、控制系统3、氢燃料电池4及循环泵5。

集成压力阀2包括进气口21、泄压阀22、出气口23及传感器24。

控制系统3包括31气路模块、稳压模块32、储能模块33及控制模块34。

氢燃料电池4包括空气进口41、空气出口42、氢气进口43、氢气出口44、循环介质进口45及循环介质出口46。

一种船用固态储氢燃料电池动力系统与配套船舶进行装配，船体6上布置有防水舱室61、推进器62，船用固态储氢燃料电池动力系统7置于防水舱室61内。

实施例3：如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其中部件间连接主要可分为气路连接和液路连接。对于气路连接，其中固态储氢装置1为双瓶组，单瓶外径110mm，高度450mm，装置内装填稀土固态储氢材料，两瓶出口处通过阀体和管路相连，并通过螺纹连接至集成压力阀2底部中心的开关25。

集成压力阀2的出气口23接软管至控制系统3的气路模块31，通过控制阀后再进入氢燃料电池4的氢气进口43。氢燃料电池4的氢气出口44，再通过软管接至控制系统3的气路模块31，经另一个控制阀后排出至大气。

液路连接：循环泵进口5与氢燃料电池4循环介质出口相连，循环泵出口5与固态储氢装置内循环管路1进口相连，循环管路出口与氢燃料电池4循环介质进口相连。

实施例4：如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种船用固态储氢燃料电池动力充放氢方法,含有以下步骤:

船体6后半部推进器62上方设置有防水舱室61，防水舱室61靠近船舱内的侧面布置有通风口，可在保证舱室不透水的情况下实现换气和散热。

船用固态储氢燃料电池动力系统7布置于防水舱室61中，电路透过防水舱室61下部与推进器62的电机相连，从而实现氢能驱动船舶行驶。

系统充氢时，首先关闭集成压力阀2的出气口23，接着将氢源连接至进气口21，打开氢源开关调节氢压至2MPa，氢气开始进入固态储氢装置1，待关闭进气口21后，传感器24显示瓶内压力不再变化时，固态储氢装置1内固态储氢材料吸氢已饱和，充氢结束。

系统放氢工作时，先打开控制系统3的总开关，此时气路模块31和循环泵5同时开启。

氢气从固态储氢材料中释放，经集成压力阀2减压和控制系统3的气路模块31控制后按需进入氢燃料电池4内，在膜电极上发生电化学反应，生成水和电能。

水通过排气与未反应完全的氢气一起经氢气出口44进入控制系统3，再通过气路模块31按所需频率排出。

在氢气流动的同时，循环介质也开始在泵的推动下在固态储氢装置1和氢燃料电池4之间循环，把氢燃料电池4内的热量送入固态储氢装置1，同时给氢燃料电池4降温。

实施例4：如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种船用固态储氢燃料电池动力系统，采用装有低压高密度合金固态储氢材料的小型储罐作为氢能动力系统的氢源，通过燃料电池液冷堆实现热量管理和氢能利用，可较明显地缩减系统体积、提高可靠性，主要由五部分功能模块组成，分别为固态储氢装置、集成压力阀、控制系统、氢燃料电池、循环泵。

固态储氢装置由若干固态储氢瓶组成，也可包含相应的固定支撑结构部件及连接件。固态储氢装置内部装盛有合金固态储氢材料，能够与氢气反应生成金属氢化物从而将氢气存储于容器内部。固态储氢装置内部布置有循环管路，管路内可通循环介质，起到换热作用。

集成压力阀位于固态储氢装置外，通过气路与固态储氢装置出口相连。集成压力阀集成了单向、减压、开关、紧急泄压、压力信号检测及传输等功能，可以检测和控制固态储氢装置内氢气的排出，并使氢气压力匹配下游氢燃料电池进气需要。

控制系统包含气路模块、稳压模块、储能模块及控制模块。

气路模块包含若干控制阀，分别与集成压力阀出口、氢燃料电池进口和氢燃料电池排气口相连，能够控制氢气进出氢燃料电池的时间和量。

稳压模块与氢燃料电池电力输出端口相连，能够调节氢燃料电池输出电压，并在电压意外突变时提供保护。

储能模块包含小型电池，可在负载功率突变时提供短时高功率快速响应，待氢燃料电池响应完成即接替小型电池提供电力输出，并补充小型电池；小型电池还可在负载突然下降时回收氢燃料电池短时的多余功率，起到能量回收和保护系统的作用。

控制模块包含多种组合控制电路和元件以及压力、温度等数据采集部件，为整个系统提供控制、监测、数据记录、计算等功能。

氢燃料电池采用液冷技术，表面布有氢气进口、氢气出口、空气进口、空气出口、循环介质进口、循环介质出口、电能输出端口。

工作时，氢气从固态储氢装置经集成压力阀和控制阀，通过气路进入氢气进口，在氢燃料电池的膜电极内与通过空气进口进入的氧气发生反应，生成水并产生电能。产生的电能经电能输出端口连接至动力机或用电器以及控制系统，水经氢气出口排出。

循环泵为循环介质提供动力，使循环介质能在固态储氢装置和氢燃料电池间循环换热，给氢燃料电池降温并使燃料电池产生的废热进入固态储氢装置利用。

循环泵进口与氢燃料电池循环介质出口相连，循环泵出口与固态储氢装置内循环管路进口相连，循环管路出口与氢燃料电池循环介质进口相连。

一种船用固态储氢燃料电池动力系统，各部件表面均采用防水材料。系统整体布置于船体的防水舱室内，舱室侧面布置有阻水通风口，能保证氧气供给、温度稳定和系统的安全运行。如应用于小型船艇，氢燃料电池也可采用风冷系统，则不再需要循环泵及循环管路。

如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，氢燃料电池有空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、循环介质进口及循环介质出口，

控制系统的气路模块、稳压模块、储能模块及控制模块安装在箱体内，

固态储氢装置通过管道与集成压力阀连接，集成压力阀的另一端与控制系统连接，循环泵分别与固态储氢装置、氢燃料电池连接，

氢气进口及氢气出口分别通过管道与气路模块连接，循环介质进口通过管道与固态储氢装置连接，循环介质出口通过管道与循环泵连接，

集成压力阀有进气口、泄压阀、出气口、传感器、开关及气路入口，

集成压力阀的出气口接软管至控制系统的气路模块，通过控制阀后再进入氢燃料电池的氢气进口，

氢燃料电池的氢气出口，再通过软管接至控制系统的气路模块，经另一个控制阀后排出至大气。

2.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，固态储氢装置为双瓶组，单瓶外径110mm，高度450mm，氢源连接至进气口，装置内装填稀土固态储氢材料，两瓶出口处通过阀体和管路相连，管路的另一端通过螺纹连接至集成压力阀的气路入口。

3.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，循环泵的进口与氢燃料电池的循环介质出口相连，循环泵的出口与固态储氢装置的内循环管路进口相连，内循环管路进口与氢燃料电池的循环介质进口相连。

4.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，船用固态储氢燃料电池动力系统安装在船体的防水舱室内，船体的后部连接防水舱室，船体的后底部连接推进器，防水舱室靠近船舱内的侧面布置有通风口，船用固态储氢燃料电池动力系统的电路透过防水舱室下部与推进器的电机相连。

5.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，固态储氢装置内部装盛有合金固态储氢材料，固态储氢装置内部布置有循环管路。

6.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，集成压力阀位于固态储氢装置外，通过气路与固态储氢装置出口相连。

7.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，气路模块包含若干控制阀，分别与集成压力阀出口、氢燃料电池进口和氢燃料电池排气口相连。

8.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，稳压模块与氢燃料电池电力输出端口相连。

9.根据权利要求1所述的一种船用固态储氢燃料电池动力系统，其特征在于，储能模块包含小型电池，控制模块包含多种组合控制电路和元件以及压力、温度数据采集部件。

10.一种船用固态储氢燃料电池动力系统的充放氢方法，含有以下步骤:

系统充氢时，首先关闭集成压力阀的出气口，接着将氢源连接至进气口，打开氢源开关调节氢压至2MPa，氢气开始进入固态储氢装置，待关闭进气口后，传感器显示瓶内压力不再变化时，固态储氢装置内固态储氢材料吸氢已饱和，充氢结束，

系统放氢工作时，先打开控制系统的总开关，此时气路模块和循环泵同时开启，

氢气从固态储氢材料中释放，经集成压力阀减压和控制系统的气路模块控制后按需进入氢燃料电池内，在膜电极上发生电化学反应，生成水和电能，

水通过排气与未反应完全的氢气一起经氢气出口进入控制系统，再通过气路模块按所需频率排出，

在氢气流动的同时，循环介质也开始在泵的推动下在固态储氢装置和氢燃料电池之间循环，把氢燃料电池内的热量送入固态储氢装置，同时给氢燃料电池降温。