CN117662982A - 固态储氢系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，提供一种固态储氢系统和车辆，该固态储氢系统包括固态储氢装置，包括加热单元、第一储氢罐组和第二储氢罐组，加热单元设置在第一储氢罐组中；充放气装置，氢气管线的一端与第一储氢罐组和第二储氢罐组连接，氢气管线的另一端设有充氢口并与燃料电池的进气口连通；冷却装置，与固态储氢装置连接；换热装置，一端设置在燃料电池的供热端，另一端与固态储氢装置连接。本发明提供的固态储氢系统，能够进行加氢和快速响应氢气的排放，针对轻轨车工作环境及技术指标要求，充分考虑其工作状态进行工艺系统的整体设计，实现整套系统的一体化、接续化工作，整个储供氢系统囊括了完整的储氢和供氢过程，能够专用于车载。

Description

固态储氢系统和车辆

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种固态储氢系统和车辆。

背景技术

在化石能源危机的背景下，氢能作为优秀的清洁能源，具备广阔的应用前景。目前氢能行业发展受限于其储运与供给技术，如何高效、安全的进行氢气的存储与运输，是目前急需解决的难题。相较于气态及液态储氢，固态储氢技术具备高密度、低压力、无泄漏、安全性高的特点，被视为最佳氢气储运形式，广泛应用于车载储氢、供电站等领域。

对轨道交通而言，采用“固态储氢系统-燃料电池”系统对车辆进行供电，既可以极大地提高储氢量增加续航里程，还可以保证车辆运行过程中的稳定与安全。但在车载环境下，由于空间位置、工作条件的限制，固态储氢技术的应用需要充分考虑储氢容器、储氢材料、换热特性等诸多因素，否则会导致吸、放氢速率缓慢、储氢密度低、响应困难等情况，无法达到预期的技术指标，导致能源浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种固态储氢系统和车辆，解决目前车载储氢无法达到预期的技术指标，导致能源浪费，所面临的困境。

本发明实施例提供一种固态储氢系统，包括：

固态储氢装置，包括加热单元、第一储氢罐组和第二储氢罐组，所述加热单元设置在所述第一储氢罐组中，用于对所述第一储氢罐组进行加热；

充放气装置，包括氢气管线和燃料电池，所述氢气管线的一端与所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组连接，所述氢气管线的另一端设有充氢口并与所述燃料电池的进气口连通；

冷却装置，与所述固态储氢装置连接，用于对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行冷却；

换热装置，一端设置在所述燃料电池的供热端，另一端与所述固态储氢装置连接，用于对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行加热；

所述固态储氢系统具有加氢过程、初始放氢过程和正常放氢过程；

在所述加氢过程，所述冷却装置对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行冷却，通过所述氢气管线对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行注氢；

在所述初始放氢过程，所述加热单元对所述第一储氢罐组进行加热，通过所述第一储氢罐组快速响应进行放氢；

在所述正常放氢过程，所述换热装置利用所述燃料电池的余热，对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行加热，通过所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行正常放氢。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述固态储氢装置还包括：水箱；

所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组均设置在所述水箱中，所述水箱与所述冷却装置以及所述换热装置连通，以通过所述冷却装置和所述换热装置调节所述水箱的温度。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述水箱包括外水套、框架结构、第一盖板和第二盖板；

所述框架结构形成有安置槽，所述外水套、所述第一盖板和所述第二盖板均设置在所述安置槽中，所述外水套、所述第一盖板和所述第二盖板相互配合形成有用于填充冷却水的容纳腔，所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组均设置在所述容纳腔中，所述容纳腔与所述冷却装置以及所述换热装置连通。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述第一盖板和/或所述第二盖板上设有与外界连通的多个第一通孔，多个所述第一通孔分别为所述换热装置的进出水孔、所述冷却装置的进出水孔以及用于安置所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组的安装孔；

所述固态储氢装置还包括：第一压力传感器，所述第一压力传感器设置在其中一所述第一通孔中，用于检测所述容纳腔中的压力。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述外水套设有多个，多个所述外水套、所述第一盖板和所述第二盖板相互配合形成有多个所述容纳腔，所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组分别设置在不同所述容纳腔中。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述水箱还包括：折流板；

所述折流板上设有多个第二通孔，多个所述第二通孔分别为用于安置管道、所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组的支撑孔以及流体的流动通孔。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述第一储氢罐组和第二储氢罐组均包括多个相互并联的储氢罐；

各所述储氢罐中均设有储氢材料以及所述储氢罐的瓶口连通的导气管，各所述导气管在所述储氢罐的瓶口上均设有用于调节所述导气管流量的阀门；

其中，所述第一储氢罐组的所述储氢罐中设有所述加热单元。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述充放气装置还包括：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、减压阀、排气阀、第一截止阀、安全阀、自闭式快插接头、第二压力传感器、第三压力传感器和控制器；

所述氢气管线包括连接管线、充氢管线和排氢管线，所述连接管线第一端通过所述第一电磁阀与所述第二储氢罐组连通，所述连接管线的第一端通过所述第二电磁阀与所述第一储氢罐组连通，所述连接管线的第二端与所述充氢管线和所述排氢管线连通，所述连接管线上设有所述排气阀、所述安全阀和所述第二压力传感器；所述充氢管线上设有所述自闭式快插接头，以与外部注氢装置连通；所述排氢管线上设有所述第一截止阀、所述减压阀、所述第三电磁阀和所述第三压力传感器，以与所述燃料电池连通。

根据本发明一个实施例提供的固态储氢系统，所述冷却装置包括：冷水机，所述冷水机设有进水口和回水口，所述冷水机的进水口和回水口均与所述固态储氢装置连通；

所述换热装置包括：循环管线；所述循环管线设有进水口和回水口，所述循环管线部分设置在所述燃料电池的供热端，所述循环管线的进水口和回水口均与所述固态储氢装置连通。

本发明还提供一种车辆，该车辆可为轨道车辆或者氢燃料电池汽车，该车辆包括上述的固态储氢系统。

本发明提供的固态储氢系统，设有固态储氢装置、充放气装置、冷却装置和换热装置，固态储氢装置包括加热单元、第一储氢罐组和第二储氢罐组，所述加热单元设置在所述第一储氢罐组中，用于对所述第一储氢罐组进行加热；充放气装置包括氢气管线和燃料电池，所述氢气管线的一端与所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组连接，所述氢气管线的另一端设有充氢口并与所述燃料电池的进气口连通；冷却装置与所述固态储氢装置连接，用于对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行冷却；换热装置一端设置在所述燃料电池的供热端，另一端与所述固态储氢装置连接，用于对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行加热。该固态储氢系统具有加氢过程、初始放氢过程和正常放氢过程，能够进行加氢和快速响应氢气的排放，针对轻轨车工作环境及技术指标要求，充分考虑其工作状态进行工艺系统的整体设计，实现整套系统的一体化、接续化工作，整个储供氢系统囊括了完整的储氢和供氢过程，能够专用于车载，并适用于以固态储氢方式的氢燃料电池汽车。

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一简单地介绍，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是本发明一实施例提供的固态储氢系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的固态储氢装置的示意图之一；

图3是本发明一实施例提供的固态储氢装置的示意图之二；

图4是本发明一实施例提供的外水套的示意图；

图5是本发明一实施例提供的框架结构的示意图；

图6是本发明一实施例提供的第一盖板的示意图；

图7是本发明一实施例提供的第二盖板的示意图；

图8是本发明一实施例提供的矩形法兰的示意图；

图9是本发明一实施例提供的折流板的示意图之一；

图10是本发明一实施例提供的折流板的示意图之二；

图11是本发明一实施例提供的储氢罐组的示意图；

图12是本发明一实施例提供的储氢罐的示意图之一；

图13是本发明一实施例提供的储氢罐的示意图之二；

图14是本发明一实施例提供的氢气管线的示意图；

图15是本发明一实施例提供的前端保护支架的示意图；

附图标记：

1、固态储氢装置；11、第一储氢罐组；110、储氢罐；1101、储氢材料；1102、导气管；1103、阀门；1104、过滤片；1105、过滤片支撑板；1106、导气管支撑板；12、第二储氢罐组；13、加热单元；14、水箱；141、外水套；142、框架结构；143、第一盖板；144、第二盖板；1440、第一通孔；145、矩形法兰；146、折流板；1460、第二通孔；147、前端保护支架；2、充放气装置；21、氢气管线；22、燃料电池；23、第一电磁阀；24、第二电磁阀；25、第三电磁阀；26、减压阀；27、排气阀；28、第一截止阀；29、安全阀；30、自闭式快插接头；31、第二压力传感器；32、第三压力传感器；3、冷却装置；33、冷水机；4、换热装置；41、循环管线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

现有技术中，示例1，固态储氢装置包括储氢瓶组、散热支架、气管、气体汇流排、固定连接件、箱体、快插接头。其设计要点在于：①改变传统单一储氢罐供氢模式，采用多瓶组(三瓶组)并联提高储氢量，同时增加了整体换热接触面积、缩短换热距离，增强换热特性；②采计散热支架(包括36片散热片)，用热风吹扫模式进行换热，提升储氢瓶组放。

然而，示例1中的固态储氢装置存在以下问题：(1)采用燃料电池热风吹扫进行换热，换热效率低；(2)散热片作为换热元件，数量多、成本高、结构冗余、体积利用率低；(3)没有考虑装置吸氢过程的散热情况，吸氢效率无法得到保证；(4)没有考虑装置初始启动的无热源供应，初始放氢速率无法得到保证；(5)缺乏“固态储氢装置-燃料电池系统”的整体工艺系统设计，实际配套应用无法保障。

示例2，车载固态储供氢系统，其具体结构包括储氢容器、充氢系统、供氢系统、冷却系统、加热系统；储氢容器内设置有具有吸氢能力的固态材料。装置工作流程为：充氢系统向储氢容器内部充入氢气，充氢过程中，氢气与储氢容器中的固态材料发生反应形成氢化物释放热量，此时使用冷却系统冷却储氢容器中固态材料以使反应持续，充氢结束后，需要供氢时，使用加热系统加热储氢容器，使得储氢容器中的固态材料释放氢气，并通过供氢系统供给汽车燃料电池系统。整个储供氢系统囊括了完整的储氢和供氢过程，能够专用于车载。

然而，示例2中的固态储氢装置存在以下问题：(1)能量利用率低，装置在整个运行工况下放氢所需热量均由外部加热系统提供，燃料电池产热无法得到循环回收利用。(2)该系统设计考虑储氢材料换热需求，并未考虑储氢装置的吸/放氢特性要求，工作效率无法保证。(3)该技术处于系统理论设计阶段，无设计实例产出。

为解决上述问题，本发明提供一种固态储氢系统，如图1所示，该固态储氢系统包括：固态储氢装置1、充放气装置2、冷却装置3和换热装置4。

本实施例中，固态储氢装置1包括加热单元13、第一储氢罐组11和第二储氢罐组12，加热单元13设置在第一储氢罐组11上，加热单元13用于对第一储氢罐组11进行加热。充放气装置2包括氢气管线21和燃料电池22，氢气管线21的一端与第一储氢罐组11和第二储氢罐组12连接，氢气管线21的另一端设有充氢口并与燃料电池22的进气口连通。冷却装置3与固态储氢装置1连接，用于对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行冷却；换热装置4一端设置在燃料电池22的供热端，另一端与固态储氢装置1连接，换热装置4用于对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行加热。第一储氢罐组11为快速启动氢罐组，工作储氢罐为工作储氢罐组。

该固态储氢系统工作的过程中，分为加氢过程、初始放氢过程和正常放氢过程三个阶段。

在加氢过程中，利用充放气装置2中的氢气管线21对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行注氢，注入的氢气可通过氢气管线21进入第一储氢罐组11和第二储氢罐组12，同时为增加储氢的效率，冷却装置3对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行冷却，带走第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的热量，加快装置吸氢速率。

在初始放氢过程中，由于燃料电池22还未正常工作，换热装置4还不能利用燃料电池22的余热。此时，利用加热单元13对第一储氢罐组11进行加热。给予第一储氢罐组11初始放氢温度，第一储氢罐组11在加热单元13的加热下，快速响应进行放氢。

在初始放氢进行一定时间后，进入正常放氢过程。在正常放氢过程中，燃料电池22已正常进行工作，换热装置4可利用燃料电池22的余热，进而换热装置4对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行加热，通过换热装置4对燃料电池22余热进行回收再利用。满足正常放氢所需工作热量，第一储氢罐组11和第二储氢罐组12在加热下，进行正常放氢。

本发明实施例提供的固态储氢系统，设有固态储氢装置1、充放气装置2、冷却装置3和换热装置4，固态储氢装置1包括加热单元13、第一储氢罐组11和第二储氢罐组12，加热单元13设置在第一储氢罐组11中，用于对第一储氢罐组11进行加热；充放气装置2包括氢气管线21和燃料电池22，氢气管线21的一端与第一储氢罐组11和第二储氢罐组12连接，氢气管线21的另一端设有充氢口并与燃料电池22的进气口连通；冷却装置3与固态储氢装置1连接，用于对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行冷却；换热装置4一端设置在燃料电池22的供热端，另一端与固态储氢装置1连接，用于对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行加热。该固态储氢系统具有加氢过程、初始放氢过程和正常放氢过程，能够快速响应进行氢气的排放，针对轻轨车工作环境及技术指标要求，充分考虑其工作状态进行工艺系统的整体设计，实现整套系统的一体化、接续化工作，整个储供氢系统囊括了完整的储氢和供氢过程，能够专用于车载，并适用于以固态储氢方式的氢燃料电池汽车。

需要说明的是，固态储氢装置1采用管壳式热交换器换热结构，固态储氢系统总体分为水箱、储氢罐组(第一储氢罐组和第二储氢罐组)及充放气装置。水箱作为盛水组件，为储氢罐组提供良好的工作环境；储氢罐组为工作储氢罐及快速启动储氢罐并联而成。装置活动结构采用螺栓连接，可随时拆卸、更换。整套储氢装置的总体质量为900KG，总体尺寸结构紧凑、空间利用率高，满足车载空间尺寸要求。

在一个实施例中，如图2至图10所示，固态储氢装置1还包括：水箱14。第一储氢罐组11和第二储氢罐组12均设置在水箱14中，水箱14与冷却装置3以及换热装置4连通，以通过冷却装置3和换热装置4调节水箱14的温度。

本实施例中，水箱的参数如下表1所示：

表1水箱设计参数

其中，水箱14作为盛水组件，为储氢罐组提供良好的工作环境。通过将第一储氢罐组11和第二储氢罐组12设置在水箱14中，并将水箱14与冷却装置3以及换热装置4连通，可利用冷却装置3和换热装置4调节水箱14的温度，进而调节第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的温度。

在加氢过程中，利用充放气装置2中的氢气管线21进行注氢，注入的氢气可通过氢气管线21进入第一储氢罐组11和第二储氢罐组12，同时为增加储氢的效率，冷却装置3通过水箱14对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行冷却，带走第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的热量，加快装置吸氢速率。

在初始放氢过程中，由于燃料电池22还未正常工作，换热装置4还不能利用燃料电池22的余热。此时，利用加热单元13对第一储氢罐组11进行加热。给予第一储氢罐组11初始放氢温度，第一储氢罐组11在加热单元13的加热下，快速响应进行放氢。

在初始放氢进行一定时间后，进入正常放氢过程。在正常放氢过程中，燃料电池22已正常进行工作，换热装置4可利用燃料电池22的余热，进而换热装置4通过水箱14对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行加热，通过换热装置4对燃料电池22余热进行回收再利用。满足正常放氢所需工作热量，第一储氢罐组11和第二储氢罐组12在加热下，进行正常放氢。

本实施例中，水箱14包括外水套141、框架结构142、第一盖板143和第二盖板144。框架结构142形成有安置槽，外水套141、第一盖板143和第二盖板144均设置在安置槽中，外水套141、第一盖板143和第二盖板144相互配合形成有用于填充冷却水的容纳腔，第一储氢罐组11和第二储氢罐组12均设置在容纳腔中，容纳腔与冷却装置3以及换热装置4连通。

如图5所示，框架结构142为碳钢方管焊接而成，既起到支撑整个装置的作用，同时又可以缓解水箱14充水带来的膨胀应力，有效保证装置的安全。由于储存介质为氢气，换热流质为水，固态储氢系统材料多为不锈钢材料，但不锈钢材料热变形大，硬度、刚度较低，在内充水压下可能会产生应力集中出现鼓包变形。为了保证装置的安全性及稳定性，对水箱14整体进行外部加强，利用碳钢方形管进行外部骨骼的焊接，提升整套装置的刚度及承载能力。同时，外骨骼加强后，装置的安装更加便捷，与其他部件的连接更加紧凑，整体空间利用率大幅提升。

在一些实施例中，如图6和图7所示，第一盖板143和/或第二盖板144上设有与外界连通的多个第一通孔1440，多个第一通孔1440分别为换热装置4的进出水孔、冷却装置3的进出水孔以及用于安置第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的安装孔。固态储氢装置1还包括：第一压力传感器，第一压力传感器设置在其中一第一通孔中，第一压力传感器用于检测容纳腔中的压力。

同时，水箱14还包括矩形法兰145。外水套141前后均采用矩形法兰145，矩形法兰145与外水套141焊接，其上开有槽用以放置O形圈，对装置进行密封。

具体而言，如图6所示，第一盖板143为前端盖板，其通过螺栓与前端的矩形法兰145连接，其上开有孔用以储氢罐组的支撑、装配。其上开有多个第一通孔1440，多个第一通孔1440分别为换热装置4的进出水孔、冷却装置3的进出水孔以及用于安置第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的安装孔。

如图7所示，第二盖板144为后端盖板，材料为不锈钢，其与后端的矩形法兰145以螺栓连接，对整个装置进行密封。

在一些实施例中，如图4所示，外水套141设有多个，多个外水套141、第一盖板143和第二盖板144相互配合形成有多个容纳腔，也即每个外水套141均与第一盖板143和第二盖板144形成有一个容纳腔。第一储氢罐组11和第二储氢罐组12分别设置在不同容纳腔中。

具体而言，外水套141设有两个，上下对应设置，便于整体构建的装配。外水套141整体采用不锈钢材料，长期浸水工作下耐腐蚀。

在一个示例中，如图9和图10所示，水箱14还包括：折流板146。折流板146上设有多个第二通孔1460，多个第二通孔1460分别为用于安置管道、第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的支撑孔以及流体的流动通孔。

具体而言，装置共有两类折流板146，分别为图9所示的上折流板，以及如图10所示的下折流板。其中，上折流板设有三个、下折流板设有两个，材料为不锈钢，其作用一是用于支撑储氢罐组(第一储氢罐组11和第二储氢罐组12)，二是增加循环水湍动程度以增强换热效果，增强储氢罐组的热循环效果。其上开有多个第二通孔1460，多个第二通孔1460分别为用于安置管道、第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的支撑孔以及流体的流动通孔。

通过增设折流板146加强了循环水湍动程度，增强换热效率。相较于气-固传热模式的结构冗余、传递效率低、调控困难，液-固传热模式的热量传递更加稳定、空间利用率更高，温度调节更加便利。

基于上述实施例，在一个示例中，如图11所示，第一储氢罐组11和第二储氢罐组12均包括多个相互并联的储氢罐110。本实施例采用多罐并联的方式进行总体布局，由第一储氢罐组11的多个储氢罐110以及第二储氢罐组12的多个储氢罐110错空排布，储氢管线汇入管排，不同储氢罐110汇流由电磁阀隔开。空间利用率高、工作灵活便捷。

装配时，储氢罐110按折流板146开孔装填进水箱中，储氢罐110通过锁紧螺母固定在前端盖板上，保持整体储氢罐组的装配稳定性。

本实施例中，第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的工作参数如下表2所示。

表2

如图12和图13所示，各储氢罐110中均设有储氢材料1101以及储氢罐110的瓶口连通的导气管1102，各导气管1102在储氢罐110的瓶口上均设有用于调节导气管1102流量的阀门1103(球阀)。第一储氢罐组11的储氢罐110中设有加热单元13。

具体而言，第一储氢罐组11的储氢罐110主要零件包括储氢材料1101、阀门1103、储氢罐110、过滤片1104、过滤片支撑板1105、导气管1102、导气管支撑板1106和加热棒(加热单元13)。储氢材料1101设置在储氢罐110中，第一储氢罐组11内装加热棒，可从瓶口到尾部为储氢材料供热，加热棒装配后，瓶口焊接挡板，避免加热棒滑落掉出。储氢罐110的瓶口处设有由过滤片支撑板1105固定的过滤片1104，导气管1102由导气管支撑板1106进行固定，导气管1102的一端位于储氢罐110的瓶底，导气管1102的另一端位于瓶口，阀门1103用于调节导气管1102流量。

第一储氢罐组11采用快速储氢罐的设计，实行单罐供热、内部供热，将加热棒置于储氢罐内部，热量传递距离缩短，能量传递效率高，能实现特定单罐快速放氢，整套装置快速响应。通过此设计可解决传统外部供热模式下，装置整体温升反应时间长，热量从储氢罐外壁面向内传输效率低，储氢罐响应缓慢，无法实现快速放氢问题。

对应地，第二储氢罐组12的储氢罐110主要零件包括储氢材料1101、阀门1103、储氢罐110、过滤片1104、过滤片支撑板1105、导气管1102、导气管支撑板1106。储氢罐110的瓶口处设有由过滤片支撑板1105固定的过滤片1104，导气管1102由导气管支撑板1106进行固定，导气管1102的一端位于储氢罐110的瓶底，导气管1102的另一端位于瓶口，阀门1103用于调节导气管1102流量。

本实施例区别于现有储氢罐设计，储氢罐110内部材料装填采用炭纸分割-金属箔包覆装配模式，增强储氢罐110内传热特性；内部装配有多根多孔金属导气管，为吸/放氢过程提供快速路径，能极大提高储氢装置的吸/放氢速率。而且储氢罐110设计采用分段栓接模式，将现有整段筒体分割成若干短节，实际应用可根据实际情况调节储氢长度及容积。同时，栓接处整体结构可实现储氢罐110内部的传热强化。对于分段组合栓接式储氢罐110，分段式储氢罐的连接亦可采用焊接形式，焊缝保证全焊透。

需要说明的是，实际装置应用，如不考虑储氢罐110长度的可调节性，罐体设计可直接采用整段筒体焊接，焊缝保证全焊透。

此外，过滤片1104采用不锈钢烧结金属多孔过滤片，其具备稳定多孔基体、均匀渗透性及永久结构；其可承受储氢罐内高压而不产生介质迁移，具有结构稳定性；其过滤特性双向优秀，无论吸、放氢过程能有效保证过滤气体的纯净。

基于上述实施例，在一个实施例中，如图1所示，充放气装置2为外部结构主要包括管线和仪表等。通过合理的设计排布，使其在最小空间完成装配，减少空间浪费率。

具体地，充放气装置2还包括：第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、减压阀26、排气阀27、第一截止阀28、安全阀29、自闭式快插接头30、第二压力传感器31、第三压力传感器32和控制器；氢气管线21包括连接管线、充氢管线和排氢管线，连接管线第一端通过第一电磁阀23与第二储氢罐组12连通，连接管线的第一端通过第二电磁阀24与第一储氢罐组11连通，连接管线的第二端与充氢管线和排氢管线连通，连接管线上设有排气阀27、安全阀29和第二压力传感器31；充氢管线上设有自闭式快插接头30，以与外部注氢装置连通；排氢管线上设有第一截止阀28、减压阀26、第三电磁阀25和第三压力传感器32，以与燃料电池22连通。

在加氢过程中，利用连接管线和充氢管线进行注氢，打开安全阀29、排气阀27、第一电磁阀23/第二电磁阀24，注入的氢气可通过自闭式快插接头30、安全阀29、排气阀27、第一电磁阀23/第二电磁阀24进入第一储氢罐组11或第二储氢罐组12的储氢罐110。冷却装置3通过水箱14对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行冷却，带走第一储氢罐组11和第二储氢罐组12的热量，加快装置吸氢速率。

在初始放氢过程中，由于燃料电池22还未正常工作，换热装置4还不能利用燃料电池22的余热。此时，利用加热单元13对第一储氢罐组11进行加热。给予第一储氢罐组11初始放氢温度，第一储氢罐组11在加热单元13的加热下，快速响应进行放氢。打开各阀门，排放的氢气可由连接管线和排氢管线进入燃料电池22。

在初始放氢进行一定时间后，进入正常放氢过程。在正常放氢过程中，燃料电池22已正常进行工作，换热装置4可利用燃料电池22的余热，进而换热装置4通过水箱14对第一储氢罐组11和第二储氢罐组12进行加热，通过换热装置4对燃料电池22余热进行回收再利用。满足正常放氢所需工作热量，第一储氢罐组11和第二储氢罐组12在加热下，进行正常放氢。打开各阀门，排放的氢气可由连接管线和排氢管线进入燃料电池22。

在一个实施例中，如图14所示，氢气管线21如图所示，各储氢罐110由氢气管线21相互并联，储氢罐110各瓶口另单独接有阀门，可以针对某一单罐的吸放氢要求。整体材料采用不锈钢，焊接结构要求全焊透。第一储氢罐组11的储氢罐110由第二电磁阀24控制，第二储氢罐组12的储氢罐110由第一电磁阀23控制。整条氢气管线21上设有第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、减压阀26、排气阀27、第一截止阀28、安全阀29、自闭式快插接头30、第二压力传感器31、第三压力传感器32和控制器。通过第二压力传感器31、第三压力传感器32检测压力，可以利用控制器实时监控及调节。

此外，如图15所示，水箱14上还设有前端保护支架147，前端保护支架147由碳钢方管焊接而成，通过螺栓固定与法兰连接，用以支撑水箱14前端，同时给予各管路一定的保护作用。同时，前端保护支架147一侧设计小门，可进行整体管线安检维护。

基于上述实施例，如图1所示，冷却装置3包括：冷水机33，冷水机33设有进水口和回水口，冷水机33的进水口和回水口均与固态储氢装置1连通。

本实施例中，固态储氢系统充氢时会产生大量的热，装置内温度过高会大大降低充氢效率。设计充氢时冷却水管线，与地面冷水机33相连，以带走充氢过程产生的热量，保证充氢过程能顺利实现。冷却水管线采用不锈钢无缝钢管，连接方式为法兰连接。上有温度传感器监测冷水机33送水温度及换热后温度，保证最佳工作环境。

相应地，换热装置4包括：循环管线41；循环管线41设有进水口和回水口，循环管线41部分设置在燃料电池22的供热端，循环管线41的进水口和回水口均与固态储氢装置1连通。

本实施例中，固态储氢系统对外放氢时需要大量的热，需要的热量由燃料电池22燃烧产生的热量提供。为对燃料电池22的余热进行回收，设置循环管线41，以提供装置放氢所需用的热量。循环管线41采用不锈钢无缝钢管，连接方式为法兰连接。上有温度传感器监测循环水温度，保证最佳工作环境；循环管线41上设置有截止阀，以保证在不同运行工况下不同部分可分隔开，以便于调节水箱14温度，避免相互干扰。

综上所述，本发明实施例提供的固态储氢系统具有如下优点：

(1)装置空间利用率高，单位储氢密度高；

(2)可根据工艺系统指导实际制造，简化工艺流程；

(3)自成套组循环换热系统，采用余热回收、折流增强传热等诸多模式，装置整体能量利用率高；

(4)工作储氢罐设计增强吸/放氢速率，快速启动储氢罐设计提供装置初始放氢条件，实现整套储氢装置快动态响应；

(5)储氢罐采用多段栓接结构，实际应用可根据具体情况调节罐体长度与储氢容积，栓接结构亦可强化热量传递。

(6)罐内储氢材料采用炭纸隔开-金属箔包覆模式，焊接保护性、材料传热性能均得以提高。

(7)装置结构简单，多用螺栓连接，焊接件少，装配便利，制造成本降低。

本发明实施例还提供一种车辆，该车辆可为轨道车辆或者氢燃料电池汽车，该车辆包括上述的固态储氢系统。固态储氢系统的具体构造如图1至图15相关的文字描述，在此不再赘述。该固态储氢系统针对轻轨车工作环境及技术指标要求，充分考虑其工作状态进行工艺系统的整体设计，实现整套系统的一体化、接续化工作，整个储供氢系统囊括了完整的储氢和供氢过程，能够专用于车载，并适用于以固态储氢方式的氢燃料电池汽车。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种固态储氢系统，其特征在于，包括：

固态储氢装置，包括加热单元、第一储氢罐组和第二储氢罐组，所述加热单元设置在所述第一储氢罐组中，用于对所述第一储氢罐组进行加热；

充放气装置，包括氢气管线和燃料电池，所述氢气管线的一端与所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组连接，所述氢气管线的另一端设有充氢口并与所述燃料电池的进气口连通；

冷却装置，与所述固态储氢装置连接，用于对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行冷却；

换热装置，一端设置在所述燃料电池的供热端，另一端与所述固态储氢装置连接，用于对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行加热；

所述固态储氢系统具有加氢过程、初始放氢过程和正常放氢过程；

在所述加氢过程，所述冷却装置对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行冷却，通过所述氢气管线对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行注氢；

在所述初始放氢过程，所述加热单元对所述第一储氢罐组进行加热，通过所述第一储氢罐组快速响应进行放氢；

在所述正常放氢过程，所述换热装置利用所述燃料电池的余热，对所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行加热，通过所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组进行正常放氢。

2.根据权利要求1所述的固态储氢系统，其特征在于，所述固态储氢装置还包括：水箱；

所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组均设置在所述水箱中，所述水箱与所述冷却装置以及所述换热装置连通，以通过所述冷却装置和所述换热装置调节所述水箱的温度。

3.根据权利要求2所述的固态储氢系统，其特征在于，所述水箱包括外水套、框架结构、第一盖板和第二盖板；

所述框架结构形成有安置槽，所述外水套、所述第一盖板和所述第二盖板均设置在所述安置槽中，所述外水套、所述第一盖板和所述第二盖板相互配合形成有用于填充冷却水的容纳腔，所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组均设置在所述容纳腔中，所述容纳腔与所述冷却装置以及所述换热装置连通。

4.根据权利要求3所述的固态储氢系统，其特征在于，所述第一盖板和/或所述第二盖板上设有与外界连通的多个第一通孔，多个所述第一通孔分别为所述换热装置的进出水孔、所述冷却装置的进出水孔以及用于安置所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组的安装孔；

所述固态储氢装置还包括：第一压力传感器，所述第一压力传感器设置在其中一所述第一通孔中，用于检测所述容纳腔中的压力。

5.根据权利要求3所述的固态储氢系统，其特征在于，所述外水套设有多个，多个所述外水套、所述第一盖板和所述第二盖板相互配合形成有多个所述容纳腔，所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组分别设置在不同所述容纳腔中。

6.根据权利要求3所述的固态储氢系统，其特征在于，所述水箱还包括：折流板；

所述折流板上设有多个第二通孔，多个所述第二通孔分别为用于安置管道、所述第一储氢罐组和所述第二储氢罐组的支撑孔以及流体的流动通孔。

7.根据权利要求1所述的固态储氢系统，其特征在于，所述第一储氢罐组和第二储氢罐组均包括多个相互并联的储氢罐；

各所述储氢罐中均设有储氢材料以及所述储氢罐的瓶口连通的导气管，各所述导气管在所述储氢罐的瓶口上均设有用于调节所述导气管流量的阀门；

其中，所述第一储氢罐组的所述储氢罐中设有所述加热单元。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的固态储氢系统，其特征在于，所述充放气装置还包括：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、减压阀、排气阀、第一截止阀、安全阀、自闭式快插接头、第二压力传感器、第三压力传感器和控制器；

所述氢气管线包括连接管线、充氢管线和排氢管线，所述连接管线第一端通过所述第一电磁阀与所述第二储氢罐组连通，所述连接管线的第一端通过所述第二电磁阀与所述第一储氢罐组连通，所述连接管线的第二端与所述充氢管线和所述排氢管线连通，所述连接管线上设有所述排气阀、所述安全阀和所述第二压力传感器；所述充氢管线上设有所述自闭式快插接头，以与外部注氢装置连通；所述排氢管线上设有所述第一截止阀、所述减压阀、所述第三电磁阀和所述第三压力传感器，以与所述燃料电池连通。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的固态储氢系统，其特征在于，所述冷却装置包括：冷水机，所述冷水机设有进水口和回水口，所述冷水机的进水口和回水口均与所述固态储氢装置连通；

所述换热装置包括：循环管线；所述循环管线设有进水口和回水口，所述循环管线部分设置在所述燃料电池的供热端，所述循环管线的进水口和回水口均与所述固态储氢装置连通。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1-9中任一项所述的固态储氢系统。