集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，它主要由太陽(yáng)能發(fā)電電源、電解水制氫裝置、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐、氫燃料電池裝置等通過(guò)多通道控制閥和相關(guān)管路連接而成，并配置有熱介質(zhì)循環(huán)管系。該熱介質(zhì)循環(huán)管系具有串聯(lián)組成循環(huán)回路的第一熱交換器、第二熱交換器和第三熱交換器，第一熱交換器設(shè)置在太陽(yáng)能發(fā)電電源的內(nèi)部，第二熱交換器設(shè)置在金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的內(nèi)部，第三熱交換器設(shè)置在氫燃料電池裝置的內(nèi)部，熱介質(zhì)循環(huán)管系的循環(huán)回路上分別設(shè)置有介質(zhì)循環(huán)泵和介質(zhì)電熱器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、儲(chǔ)氫和放氫效果好、氫能循環(huán)利用率高、運(yùn)行穩(wěn)定安全，特別適于氫燃料節(jié)能汽車和各種使用氫燃料電源的便攜式移動(dòng)裝備。
【專利說(shuō)明】集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及可再生能源利用技術(shù)，具體地指一種適用于氫燃料電池系統(tǒng)的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，導(dǎo)致作為主要能源的傳統(tǒng)礦物化石燃料在迅速消耗減少，我國(guó)乃至世界都存在長(zhǎng)期而巨大的能源需求和供應(yīng)壓力，由此產(chǎn)生的世界性能源危機(jī)不斷向人類敲響警鐘，越來(lái)越多的科研人員不得不努力發(fā)掘可再生利用的新能源。
[0003]另外，傳統(tǒng)礦物化石燃料帶給人類生存環(huán)境的顯性和隱性威脅也不容小覷，其中大氣溫室效應(yīng)是人類所面臨的最主要的環(huán)境污染問(wèn)題，也一直是近十幾年來(lái)世界各國(guó)科研人員需要共同克服的難題。一方面，大型工業(yè)中如燃煤電站、冶金、鋼鐵、水泥等行業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳是主要的溫室氣體，解決大氣溫室效應(yīng)的有效途徑便是減少這些工業(yè)二氧化碳的排放。另一方面，隨著城市的快速發(fā)展，汽車數(shù)量在不斷增加，特別是在中國(guó)等快速發(fā)展的國(guó)家，汽油、柴油燃燒所產(chǎn)生的汽車尾氣排放量也呈指數(shù)上升趨勢(shì)，其排放物主要有一氧化碳、烴類化合物、硫氧化合物和氮氧化合物，這些化合物對(duì)環(huán)境與人類的危害極大。
[0004]為了解決上述難題，科研人員想到了采用氫能源作為燃料電池裝置。氫燃料電池裝置由于具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，已受到許多發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛重視:第一，該電池裝置的燃料是氫氣和氧氣，其生成物是清潔的水，它本身工作時(shí)不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和其他有害微粒排出；第二，與傳統(tǒng)燃用汽油或柴油的汽車相比，采用氫燃料電池裝置的汽車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60?80%，為普通汽油或柴油內(nèi)燃機(jī)的2?3倍；第三，該電池裝置污染少，噪音小，電池組裝可大可小，使用靈活方便。但其劣勢(shì)也是顯而易見(jiàn)的，成本問(wèn)題仍然是制約氫燃料電池裝置發(fā)展的關(guān)鍵所在，除了氫能制取本身的電量消耗很高外，更受限制的是氫能存儲(chǔ)和釋放條件較為苛刻，同時(shí)氫能在轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中還存在較多的安全隱患，以上所述缺陷始終是氫燃料電池裝置實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的桎梏。
[0005]目前，氫能儲(chǔ)存的方式大致分為物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫兩類。物理儲(chǔ)氫主要有高壓罐儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、物理吸附儲(chǔ)氫等。高壓罐儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、能夠耐高壓，缺點(diǎn)是存在易燃易爆的潛在危險(xiǎn)。液化儲(chǔ)氫采用低溫真空貯罐，其儲(chǔ)存量達(dá)高壓罐儲(chǔ)氫量5倍以上，能量密度極高，但由于氫氣液化的成本十分高昂，使用條件極為苛刻，故僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。物理吸附儲(chǔ)氫主要是利用活性碳、氟石、海泡石等超高比表面積材料吸附氫分子，雖然其具有安全可靠、儲(chǔ)存容器自重低、儲(chǔ)氫效率高的特點(diǎn)，但大都還處于試驗(yàn)階段，短期內(nèi)難有實(shí)質(zhì)性的突破。
[0006]化學(xué)儲(chǔ)氫主要有金屬氫化物儲(chǔ)氫、配位氫化物儲(chǔ)氫、金屬或化合物與水反應(yīng)儲(chǔ)氫、以及有機(jī)物儲(chǔ)氫等。金屬氫化物儲(chǔ)氫是指某些過(guò)渡金屬、合金、金屬間化合物由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)等原因，在一定條件下氫原子比較容易進(jìn)入金屬晶格的四面體或者八面體間隙中，形成金屬氫化物，其儲(chǔ)氫體積密度大，可達(dá)100kg/m3，但其質(zhì)量比較大，并且在放氫時(shí)的條件苛刻，因而其成本較高，利用率較低，這也限制了它在氫燃料電池系統(tǒng)中的利用。配位氫化物儲(chǔ)氫是指兩個(gè)或者三個(gè)輕金屬如Mg、Al、B或Li等與氫形成的化合物，其儲(chǔ)氫量很高，并且有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段仍處于研發(fā)過(guò)程中，進(jìn)一步提高其吸收和釋放氫氣的循環(huán)次數(shù)是目前研究的核心。金屬或化合物與水反應(yīng)儲(chǔ)氫，例如較活潑金屬與水反應(yīng)可放出氫氣，這樣在需要?dú)錃鈺r(shí)可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)不斷供給氫氣，在不需要?dú)錃鈺r(shí)停止反應(yīng)，但其反應(yīng)速率控制極為不易。而不活潑金屬與水反應(yīng)的局限性較大，放出氫氣量偏小，反應(yīng)效率太低，不足以實(shí)際應(yīng)用。有機(jī)儲(chǔ)氫是借助不飽和液態(tài)有機(jī)物催化加氫脫氫的可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。此方法雖然儲(chǔ)氫量較高，也便于運(yùn)輸，但其脫氫吸氫的條件較為苛刻，并且催化劑極易中毒失活。
[0007]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員一直試圖為氫燃料電池系統(tǒng)尋找一種對(duì)氫能的存儲(chǔ)和釋放限制性條件少、且氫能利用快捷高效安全的輔助設(shè)備，但至今為止尚未獲得理想的結(jié)果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的目的就是要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、儲(chǔ)氫和放氫效果好、氫能循環(huán)利用率高、運(yùn)行穩(wěn)定安全、且特別適用于氫燃料電池系統(tǒng)的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，包括太陽(yáng)能發(fā)電電源、電解水制氫裝置、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐、氫燃料電池裝置和熱介質(zhì)循環(huán)管系，其特殊之處在于:
[0010]所述太陽(yáng)能發(fā)電電源的輸出端與電解水制氫裝置的電源接口相連，所述電解水制氫裝置的氫氣輸出端通過(guò)氫氣壓縮機(jī)與多通道控制閥的總進(jìn)氣端相連；
[0011]所述多通道控制閥的第一出氣端與高壓儲(chǔ)氫緩沖罐的輸入接口相連，所述多通道控制閥的第二出氣端與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的進(jìn)氣接口相連；
[0012]所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐的輸出接口后面設(shè)置有兩條支路，一條支路與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的進(jìn)氣接口相連，另一條支路與氫燃料電池裝置的氫氣輸入端相連；
[0013]所述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的出氣接口與氫燃料電池裝置的氫氣輸入端相連，所述氫燃料電池裝置的空氣輸入端通過(guò)空氣壓縮機(jī)與空氣過(guò)濾器相連；
[0014]所述熱介質(zhì)循環(huán)管系具有串聯(lián)組成循環(huán)回路的第一熱交換器、第二熱交換器和第三熱交換器，所述第一熱交換器設(shè)置在太陽(yáng)能發(fā)電電源的內(nèi)部，所述第二熱交換器設(shè)置在金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的內(nèi)部，所述第三熱交換器設(shè)置在氫燃料電池裝置的內(nèi)部；
[0015]所述熱介質(zhì)循環(huán)管系的循環(huán)回路上分別設(shè)置有介質(zhì)循環(huán)泵和介質(zhì)電熱器，所述介質(zhì)電熱器的電源接口與太陽(yáng)能發(fā)電電源的輸出端相連。
[0016]本實(shí)用新型的基本工作原理如下:太陽(yáng)能發(fā)電電源為電解水制氫裝置和介質(zhì)電熱器提供電能，電解水制氫裝置制得氫氣和氧氣，所產(chǎn)生的氧氣可以儲(chǔ)存到氧氣瓶中作為他用，所產(chǎn)生的氫氣經(jīng)由氫氣壓縮機(jī)壓縮后，通過(guò)多通道控制閥分配，分別充入高壓儲(chǔ)氫緩沖罐和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐中存儲(chǔ)。充入高壓儲(chǔ)氫緩沖罐的氫氣在工作時(shí)可分別提供給金屬氫化物儲(chǔ)氫罐和氫燃料電池裝置，充入金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的氫氣被吸收轉(zhuǎn)化，并在工作時(shí)釋放提供給氫燃料電池裝置。
[0017]在氫燃料電池裝置啟動(dòng)初期，需要70°C左右的預(yù)熱溫度，先由高壓儲(chǔ)氫緩沖罐對(duì)其供氫，并開(kāi)啟介質(zhì)電熱器，通過(guò)熱介質(zhì)循環(huán)管系上的第三熱交換器給氫燃料電池裝置加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后再關(guān)閉介質(zhì)電熱器。此后，主要由金屬氫化物儲(chǔ)氫罐對(duì)其供氫，金屬氫化物儲(chǔ)氫罐釋放氫氣是吸熱反應(yīng)，需要較高的溫度環(huán)境，而氫燃料電池裝置工作一段時(shí)間后，會(huì)放出大量熱量，溫度過(guò)高會(huì)影響其正常工作，此時(shí)通過(guò)熱介質(zhì)循環(huán)管系上的第一熱交換器和第二熱交換器將該熱量分別傳輸給電解水制氫裝置和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐，電解水制氫裝置獲得該熱量后可以加快氫氣的產(chǎn)出，金屬氫化物儲(chǔ)氫罐吸收該熱量后可以促使氫氣快速釋放，從而確保氫燃料電池裝置穩(wěn)定安全運(yùn)行。
[0018]另外，金屬氫化物儲(chǔ)氫罐吸收氫氣是放熱反應(yīng)，吸氫過(guò)程中會(huì)不斷放出熱量，通過(guò)熱介質(zhì)循環(huán)管系的第一熱交換器可以將該熱量傳輸給電解水制氫裝置，使電解液達(dá)到最優(yōu)反應(yīng)溫度，從而制取更多的氫氣。若設(shè)備中需要更多的熱量，可以從太陽(yáng)能發(fā)電電源獲取，由此形成一個(gè)優(yōu)化的熱能循環(huán)利用系統(tǒng)。
[0019]作為優(yōu)選方案之一，所述多通道控制閥還具有第三出氣端，所述第三出氣端與氫燃料電池裝置的氫氣輸入端相連。這樣，在氫燃料電池裝置所供氫氣不足時(shí)，可以直接將電解水制氫裝置產(chǎn)生的氫氣補(bǔ)充其內(nèi)，進(jìn)一步確保氫燃料電池裝置穩(wěn)定運(yùn)行。
[0020]作為優(yōu)選方案之二，所述多通道控制閥的第二出氣端與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的進(jìn)氣接口之間的氫氣輸送管路與熱介質(zhì)循環(huán)管系的循環(huán)回路共用介質(zhì)電熱器。之所以這樣設(shè)計(jì)，是因?yàn)殡m然金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的吸氫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，但其初始反應(yīng)溫度還是需要達(dá)到常溫以上的，故需要對(duì)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行短暫加熱，使其達(dá)到設(shè)定的吸氫溫度后，再停止加熱。而選擇與熱介質(zhì)循環(huán)管系共用介質(zhì)電熱器，則是為了簡(jiǎn)化部件組合，節(jié)約設(shè)備成本。
[0021]進(jìn)一步地，所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐上設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。這樣，通過(guò)對(duì)溫度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)控制熱介質(zhì)的熱量傳導(dǎo)，或者通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電電源加熱需要升溫的裝置。
[0022]再進(jìn)一步地，所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的較佳體積比為1: 2?6，最佳體積比為1: 3?4。之所以這樣設(shè)計(jì)，是因?yàn)榻饘贇浠飪?chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度很高，可以存儲(chǔ)和釋放滿足氫燃料電池裝置穩(wěn)定運(yùn)行的絕大部分氫氣，而高壓儲(chǔ)氫緩沖罐主要是為氫燃料電池裝置提供一小部分初期啟動(dòng)氫氣，故高壓儲(chǔ)氫緩沖罐的體積可以設(shè)計(jì)得較小、承壓也較輕，從而大幅降低燃爆隱患，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。
[0023]更進(jìn)一步地，所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐的輸出接口后面的兩條支路上、以及金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的進(jìn)氣接口和出氣接口處分別設(shè)置有流量調(diào)節(jié)控制閥。這樣，通過(guò)操作流量調(diào)節(jié)控制閥，可有效控制氫氣的輸入與輸出，使氫氣的使用方便、安全、高效。
[0024]作為優(yōu)選方案之三，所述氫燃料電池裝置的空氣輸入端還依次通過(guò)空氣壓縮機(jī)和空氣過(guò)濾器與電解水制氫裝置的氧氣輸出端相連。這樣，可以充分利用電解水制氫裝置所生產(chǎn)出的副產(chǎn)品氧氣，為氫燃料電池裝置提供更適于化學(xué)反應(yīng)的富氧空氣，進(jìn)而大幅提高氫燃料電池裝置的輸出功率。
[0025]進(jìn)一步地，所述氫氣壓縮機(jī)與多通道控制閥的總進(jìn)氣端之間設(shè)置有伸縮調(diào)節(jié)式充氣接管。這樣，可以根據(jù)實(shí)際空間狀況靈活布置相互關(guān)聯(lián)的部件，使設(shè)備布局更加緊湊合理，氫氣輸入過(guò)程更加快捷、高效、安全。
[0026]再進(jìn)一步地，所述氫燃料電池裝置的外部配置有電控自動(dòng)散熱器，所述電控自動(dòng)散熱器的電源接口與氫燃料電池裝置的輸出端相連。這樣，當(dāng)氫燃料電池裝置的工作溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，可以通過(guò)相關(guān)的控制裝置啟動(dòng)電控自動(dòng)散熱器，確保氫燃料電池裝置始終安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
[0027]再進(jìn)一步地，所述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的外部配置有冷卻風(fēng)扇，所述冷卻風(fēng)扇的電源接口與太陽(yáng)能發(fā)電電源的輸出端相連。這樣，當(dāng)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行吸氫反應(yīng)所放出的熱量達(dá)到上限時(shí)，可以通過(guò)相關(guān)的控制裝置啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇，使金屬氫化物儲(chǔ)氫罐及時(shí)冷卻降溫，從而確保吸氫反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，冷卻風(fēng)扇的電力來(lái)自太陽(yáng)能發(fā)電電源，無(wú)需其他外部電源，可使設(shè)備組合更加簡(jiǎn)單。
[0028]作為優(yōu)選方案之四，所述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐具有儲(chǔ)罐體，所述儲(chǔ)罐體的下部設(shè)置有進(jìn)氣接口，所述儲(chǔ)罐體的上部設(shè)置有出氣接口，所述儲(chǔ)罐體的內(nèi)腔中自上而下間隔設(shè)置有多塊橫隔板，所述橫隔板上設(shè)置有透氣孔，所述橫隔板之間填充有金屬儲(chǔ)氫粉末層。這樣，在氫氣從儲(chǔ)罐體下部進(jìn)氣接口至上部出氣接口的流動(dòng)過(guò)程中，可以有效增加氫氣與金屬儲(chǔ)氫粉末層的接觸面積、大幅延長(zhǎng)氫氣與金屬儲(chǔ)氫粉末層的反應(yīng)時(shí)間，從而盡最大可能地提高金屬氫化物儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫體積密度。
[0029]進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣接口和出氣接口處分別設(shè)置有粉末過(guò)濾片。這樣，可以有效避免金屬儲(chǔ)氫粉末流出，確保金屬儲(chǔ)氫粉末層吸氫和放氫效果良好。
[0030]再進(jìn)一步地，所述透氣孔設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)透氣孔對(duì)稱布置在橫隔板的邊緣處，相鄰橫隔板上的透氣孔之間錯(cuò)位布置。并且，最好是錯(cuò)位90°布置。這樣，相鄰橫隔板上的兩個(gè)透氣孔在氫氣流動(dòng)方向上并不重疊，且距離最遠(yuǎn)，從而可以使氫氣與金屬儲(chǔ)氫粉末均勻且充分接觸，確保獲得良好的吸氫和放氫效果。
[0031]更進(jìn)一步地，所述金屬儲(chǔ)氫粉末層采用鎂系、鈦系、稀土系或Laves相系金屬儲(chǔ)氫粉末中的一種或一種以上的任意組合。并且，所述金屬儲(chǔ)氫粉末層的厚度為200?1000 μ m,粉末粒徑為8?200nm。將金屬儲(chǔ)氫粉末的粒徑控制在納米級(jí)范圍，并將其層厚設(shè)計(jì)在微米級(jí)范圍，這樣可以用最少量的金屬儲(chǔ)氫粉末獲得最大的比表面積，促使吸氫和放氫反應(yīng)快速、高效、完全，獲得最好的吸氫和放氫效果。
[0032]本實(shí)用新型的核心設(shè)計(jì)思想是結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中各種儲(chǔ)氫方式的優(yōu)勢(shì)，將其中的優(yōu)點(diǎn)更好地應(yīng)用到實(shí)際中，并由一種方式的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)另一種方法的不足，從而構(gòu)建一種新的復(fù)合儲(chǔ)氫放氫設(shè)備。具體地說(shuō)，是將太陽(yáng)能發(fā)電電源、電解水制氫裝置、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐、氫燃料電池裝置和熱介質(zhì)循環(huán)管系有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)完整的氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用系統(tǒng)。
[0033]一方面，高壓儲(chǔ)氫緩沖罐與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既有效解決了高壓儲(chǔ)氫緩沖罐的燃爆等安全性問(wèn)題以及材料成本問(wèn)題，又很好地克服了金屬氫化物儲(chǔ)氫罐實(shí)際工作效率低且吸放氫條件苛刻而帶來(lái)的成本問(wèn)題。
[0034]另一方面，電解水制氫裝置、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐和氫燃料電池裝置之間的氫氣流道是互通的，熱介質(zhì)循環(huán)管系可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)各裝置之間的加熱或散熱，從而使氫氣的制取、儲(chǔ)存和利用能夠在可控情況下進(jìn)行。當(dāng)氫燃料電池裝置在工作中放出大量熱量時(shí)，可以利用該熱量來(lái)給放氫過(guò)程中的金屬氫化物儲(chǔ)氫罐加熱，以使其放氫過(guò)程更加高效。當(dāng)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐在吸氫過(guò)程中放出大量熱量時(shí)，可以利用該熱量來(lái)給電解水制氫裝置加熱，既可及時(shí)轉(zhuǎn)移金屬氫化物儲(chǔ)氫罐中所放的熱量，又可提高電解水制氫裝置制取氫氣的效率。
[0035]本實(shí)用新型的有益效果在于:所設(shè)計(jì)的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備中，其太陽(yáng)能發(fā)電電源、電解水制氫裝置、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐、氫燃料電池裝置和熱介質(zhì)循環(huán)管系有機(jī)地組合為一體，既可以大幅提高制氫、儲(chǔ)氫和放氫的效率，又可以合理利用制氫、儲(chǔ)氫和放氫過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量。通過(guò)對(duì)高壓儲(chǔ)氫緩沖罐和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐溫度和壓力的監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)控制熱介質(zhì)的流動(dòng)狀況，或者通過(guò)太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能加熱需要高溫的裝置，最終使金屬氫化物儲(chǔ)氫罐達(dá)到即用即有的效果。同時(shí)，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，氫能循環(huán)利用率高，運(yùn)行穩(wěn)定安全，維護(hù)維修方便，運(yùn)行成本低廉，有效解除了儲(chǔ)氫材料對(duì)于氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的桎梏，特別適于氫燃料節(jié)能汽車和各種使用氫燃料電源的便攜式移動(dòng)裝備。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為一種集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2為圖1中金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的剖視放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖3為圖2中的A— A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖4為圖2中的B— B剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖中:太陽(yáng)能發(fā)電電源I ;電解水制氫裝置2 ;氫氣壓縮機(jī)3 ;介質(zhì)電熱器4 ;伸縮調(diào)節(jié)式充氣接管5 ;電控自動(dòng)散熱器6 ;熱介質(zhì)循環(huán)管系7 (其中:第一熱交換器71、第二熱交換器72、第三熱交換器73);介質(zhì)循環(huán)泵8 ;高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9 ;金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10 (其中:儲(chǔ)罐體101、橫隔板102、透氣孔103、進(jìn)氣接口 104、出氣接口 105、金屬儲(chǔ)氫粉末層106、粉末過(guò)濾片107);多通道控制閥11 ;氫燃料電池裝置12 ;空氣過(guò)濾器13 ;空氣壓縮機(jī)14 ;溫度傳感器15 ;壓力傳感器16 ;流量調(diào)節(jié)控制閥17 ;冷卻風(fēng)扇18。

【具體實(shí)施方式】
[0041]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0042]圖中所示的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，主要由包括太陽(yáng)能發(fā)電電源1、電解水制氫裝置2、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10、氫燃料電池裝置12和熱介質(zhì)循環(huán)管系7組合而成。太陽(yáng)能發(fā)電電源I采用成熟的現(xiàn)有技術(shù)，其電源輸出端與現(xiàn)有的電解水制氫裝置2的電源接口相連，用以制取氫氣和氧氣。
[0043]電解水制氫裝置2的氫氣輸出端與氫氣壓縮機(jī)3的進(jìn)口相連,氫氣壓縮機(jī)3的進(jìn)口通過(guò)伸縮調(diào)節(jié)式充氣接管5與多通道控制閥11的總進(jìn)氣端相連。多通道控制閥11可以選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、易于操作的球閥。本實(shí)施例中，多通道控制閥11具有三個(gè)出氣端，其第一出氣端與高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9的輸入接口相連，其第二出氣端與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的進(jìn)氣接口相連，其第三出氣端與氫燃料電池裝置12的氫氣輸入端相連。
[0044]高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9的輸出接口后面設(shè)置有兩條支路，一條支路與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的進(jìn)氣接口相連，另一條支路與氫燃料電池裝置12的氫氣輸入端相連。金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的出氣接口直接與氫燃料電池裝置12的氫氣輸入端相連，氫燃料電池裝置12的空氣輸入端則通過(guò)空氣壓縮機(jī)14與空氣過(guò)濾器13相連?？諝膺^(guò)濾器13的輸入端不僅與大氣相連，還與電解水制氫裝置2的氧氣輸出端相連,這樣可向氫燃料電池裝置12輸送富氧空氣，用以提高氫燃料電池裝置12的工作效率。
[0045]熱介質(zhì)循環(huán)管系7主要由串聯(lián)組成循環(huán)回路的第一熱交換器71、第二熱交換器72和第三熱交換器73構(gòu)成。所述第一熱交換器71安裝在太陽(yáng)能發(fā)電電源I的內(nèi)部，第二熱交換器72安裝在金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的內(nèi)部，第三熱交換器73安裝在氫燃料電池裝置12的內(nèi)部。為了提高換熱效率，可以在第一熱交換器71、第二熱交換器72和第三熱交換器73的換熱管路上均勻設(shè)置散熱翅片。在熱介質(zhì)循環(huán)管系7的循環(huán)回路上還分別設(shè)置有介質(zhì)循環(huán)泵8和介質(zhì)電熱器4，介質(zhì)電熱器4的電源接口與太陽(yáng)能發(fā)電電源I的輸出端相連。調(diào)節(jié)介質(zhì)循環(huán)泵8的運(yùn)轉(zhuǎn)速率可以控制熱介質(zhì)的流量大小，調(diào)節(jié)介質(zhì)電熱器4的加熱功率可以控制熱介質(zhì)的溫度高低。本實(shí)施例中，多通道控制閥11的第二出氣端與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的進(jìn)氣接口之間的氫氣輸送管路還與熱介質(zhì)循環(huán)管系7的循環(huán)回路共用介質(zhì)電熱器4，以便在金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10進(jìn)行吸氫反應(yīng)的初期對(duì)其預(yù)熱。
[0046]由于高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9主要在氫燃料電池裝置12啟動(dòng)初期為其提供氫氣，因此其容積可以設(shè)計(jì)得較小。本實(shí)施例中，高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的體積比為I: 5。同時(shí)，在高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10上安裝有溫度傳感器15和壓力傳感器16，在高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9的輸出接口后面的兩條支路上、以及金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的進(jìn)氣接口和出氣接口處分別設(shè)置有流量調(diào)節(jié)控制閥17，以便及時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣的狀況，調(diào)節(jié)氫氣的進(jìn)出速率，并且通過(guò)溫度控制熱介質(zhì)循環(huán)管系7中的熱介質(zhì)循環(huán)工作。
[0047]上述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10也是本實(shí)用新型的關(guān)鍵部件之一，它具有儲(chǔ)罐體101，儲(chǔ)罐體101的下部設(shè)置有進(jìn)氣接口 104，儲(chǔ)罐體101的上部設(shè)置有出氣接口 105。儲(chǔ)罐體101的內(nèi)腔中自上而下間隔設(shè)置有多塊橫隔板102，每塊橫隔板102上設(shè)置有兩個(gè)透氣孔103，兩個(gè)透氣孔103對(duì)稱布置在橫隔板102的邊緣處，且相鄰橫隔板102上的透氣孔103之間錯(cuò)位90°布置，以盡量增加氫氣的流動(dòng)路徑。在相鄰橫隔板102之間填充有金屬儲(chǔ)氫粉末層106,金屬儲(chǔ)氫粉末層106米用鎂系、鈦系、稀土系或Laves相系金屬儲(chǔ)氫粉末中的一種或一種以上的任意組合，金屬儲(chǔ)氫粉末層106的厚度宜在150?1000 μ m,粉末粒徑最好為I?200nm，以增大其比表面積。為了防止粉末泄漏，在上述進(jìn)氣接口 104和出氣接口 105處分別設(shè)置有微米級(jí)的粉末過(guò)濾片107，可以根據(jù)金屬儲(chǔ)氫粉末層106的實(shí)際參數(shù)決定粉末過(guò)濾片107的孔徑尺寸。
[0048]本實(shí)施例中，在氫燃料電池裝置12的外部配置有電控自動(dòng)散熱器6，電控自動(dòng)散熱器6的電源接口與氫燃料電池裝置12的輸出端相連。在金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的外部配置有冷卻風(fēng)扇18，冷卻風(fēng)扇18的電源接口與太陽(yáng)能發(fā)電電源I的輸出端相連。若在工作過(guò)程中通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到氫燃料電池裝置12或金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10超過(guò)了規(guī)定溫度，電控自動(dòng)散熱器6或冷卻風(fēng)扇18會(huì)自行啟動(dòng)，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0049]上述集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備的工作過(guò)程分兩種狀況描述:
[0050]狀態(tài)一:氫燃料電池裝置12處于關(guān)閉狀況
[0051]太陽(yáng)能發(fā)電電源I將光能轉(zhuǎn)化為電能，并將大部分電能傳輸給電解水制氫裝置2、小部分傳輸給介質(zhì)電熱器4。電解水制氫裝置2獲得電能電解水制氫,氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)3增壓后，經(jīng)由多通道控制閥11分配，輸入高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10。通過(guò)溫度傳感器15和壓力傳感器16監(jiān)測(cè)，可以調(diào)節(jié)氫氣的進(jìn)氣速率。然后，金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10內(nèi)部開(kāi)始吸氫反應(yīng)，吸氫反應(yīng)初期需要一定溫度，故開(kāi)啟介質(zhì)電熱器4，通過(guò)第二熱交換器72給金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10進(jìn)行短暫加熱，使其達(dá)到吸氫反應(yīng)需要的溫度。隨著吸氫反應(yīng)進(jìn)程的深入，金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10內(nèi)部不斷放出熱量、溫度不斷升高，此時(shí)啟動(dòng)介質(zhì)循環(huán)泵8，通過(guò)第二熱交換器72將多余的熱量隨著熱介質(zhì)循環(huán)管系7的循環(huán)回路輸送到電解水制氫裝置2中，給正在反應(yīng)的電解液加熱，使電解液電解水制氫溫度穩(wěn)定在最佳的范圍，如此形成良性循環(huán)，直至金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10達(dá)到飽和狀態(tài)。
[0052]狀態(tài)二:氫燃料電池裝置12處于工作狀況
[0053]太陽(yáng)能發(fā)電電源I和電解水制氫裝置2持續(xù)工作，將所產(chǎn)生的氫氣輸送到高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10中。在氫燃料電池裝置12啟動(dòng)初期，由高壓儲(chǔ)氫緩沖罐9對(duì)其供氫，開(kāi)啟介質(zhì)電熱器4，通過(guò)第三熱交換器73給氫燃料電池裝置12預(yù)熱，使其達(dá)到70°C左右的初始溫度。此后，主要由金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10對(duì)其供氫，隨著氫燃料電池裝置12連續(xù)工作放熱，其內(nèi)溫度不斷升高，此時(shí)通過(guò)第三熱交換器73將多余的熱量隨熱介質(zhì)循環(huán)管系7的循環(huán)回路輸送到金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10中，使金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10吸收熱量，釋放出更多的氫氣，以保障氫燃料電池裝置12穩(wěn)定安全運(yùn)行。當(dāng)氫燃料電池裝置12或金屬氫化物儲(chǔ)氫罐10的溫度過(guò)高時(shí)，通過(guò)控制裝置啟動(dòng)電控自動(dòng)散熱器6或冷卻風(fēng)扇18，為整個(gè)系統(tǒng)散熱降溫。
[0054]由此可見(jiàn)，本實(shí)用新型的設(shè)備可以方便地實(shí)現(xiàn)氫氣集中制取、存儲(chǔ)和循環(huán)利用，其儲(chǔ)氫和放氫效果好，氫能循環(huán)利用率高，運(yùn)行穩(wěn)定安全，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行成本低廉，便于攜帶移動(dòng)，特別適于氫燃料節(jié)能汽車和各種使用氫燃料電源的便攜式移動(dòng)裝備。
【權(quán)利要求】
1.一種集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，包括太陽(yáng)能發(fā)電電源(I)、電解水制氫裝置(2)、高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)、氫燃料電池裝置(12)和熱介質(zhì)循環(huán)管系(7)，其特征在于: 所述太陽(yáng)能發(fā)電電源(I)的輸出端與電解水制氫裝置(2)的電源接口相連，所述電解水制氫裝置(2)的氫氣輸出端通過(guò)氫氣壓縮機(jī)(3)與多通道控制閥(11)的總進(jìn)氣端相連； 所述多通道控制閥(11)的第一出氣端與高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)的輸入接口相連，所述多通道控制閥(11)的第二出氣端與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的進(jìn)氣接口相連； 所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)的輸出接口后面設(shè)置有兩條支路，一條支路與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的進(jìn)氣接口相連,另一條支路與氫燃料電池裝置(12)的氫氣輸入端相連； 所述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的出氣接口與氫燃料電池裝置(12)的氫氣輸入端相連，所述氫燃料電池裝置(12)的空氣輸入端通過(guò)空氣壓縮機(jī)(14)與空氣過(guò)濾器(13)相連； 所述熱介質(zhì)循環(huán)管系(7)具有串聯(lián)組成循環(huán)回路的第一熱交換器(71)、第二熱交換器(72)和第三熱交換器(73)，所述第一熱交換器(71)設(shè)置在太陽(yáng)能發(fā)電電源(I)的內(nèi)部，所述第二熱交換器(72)設(shè)置在金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的內(nèi)部，所述第三熱交換器(73)設(shè)置在氫燃料電池裝置(12)的內(nèi)部； 所述熱介質(zhì)循環(huán)管系(7)的循環(huán)回路上分別設(shè)置有介質(zhì)循環(huán)泵(8)和介質(zhì)電熱器(4)，所述介質(zhì)電熱器(4)的電源接口與太陽(yáng)能發(fā)電電源(I)的輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述多通道控制閥(11)的第三出氣端與氫燃料電池裝置(12)的氫氣輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述多通道控制閥(11)的第二出氣端與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的進(jìn)氣接口之間的氫氣輸送管路與熱介質(zhì)循環(huán)管系(7)的循環(huán)回路共用介質(zhì)電熱器(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)上設(shè)置有溫度傳感器(15)和壓力傳感器(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的體積比為1: 2?6。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的體積比為1: 3?4。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述高壓儲(chǔ)氫緩沖罐(9)的輸出接口后面的兩條支路上、以及金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的進(jìn)氣接口和出氣接口處分別設(shè)置有流量調(diào)節(jié)控制閥(17)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述氫燃料電池裝置(12)的空氣輸入端還依次通過(guò)空氣壓縮機(jī)(14)和空氣過(guò)濾器(13)與電解水制氫裝置(2)的氧氣輸出端相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述氫氣壓縮機(jī)(3)與多通道控制閥(11)的總進(jìn)氣端之間設(shè)置有伸縮調(diào)節(jié)式充氣接管(5)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述氫燃料電池裝置(12)的外部配置有電控自動(dòng)散熱器￠)，所述電控自動(dòng)散熱器￠)的電源接口與氫燃料電池裝置(12)的輸出端相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)的外部配置有冷卻風(fēng)扇(18)，所述冷卻風(fēng)扇(18)的電源接口與太陽(yáng)能發(fā)電電源(I)的輸出端相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求1?11中任意一項(xiàng)所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述金屬氫化物儲(chǔ)氫罐(10)具有儲(chǔ)罐體(101)，所述儲(chǔ)罐體(101)的下部設(shè)置有進(jìn)氣接口(104)，所述儲(chǔ)罐體(101)的上部設(shè)置有出氣接口(105)，所述儲(chǔ)罐體(101)的內(nèi)腔中自上而下間隔設(shè)置有多塊橫隔板(102)，所述橫隔板(102)上設(shè)置有透氣孔(103)，所述橫隔板(102)之間填充有金屬儲(chǔ)氫粉末層(106)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述進(jìn)氣接口(104)和出氣接口(105)處分別設(shè)置有粉末過(guò)濾片(107)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述透氣孔(103)設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)透氣孔(103)對(duì)稱布置在橫隔板(102)的邊緣處，相鄰橫隔板(102)上的透氣孔(103)之間錯(cuò)位布置。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述相鄰橫隔板(102)上的透氣孔(103)之間錯(cuò)位90°布置。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成式氫能制取存儲(chǔ)和循環(huán)利用設(shè)備，其特征在于:所述金屬儲(chǔ)氫粉末層(106)的厚度為200?1000 μ m，粉末粒徑為8?200nm。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK204118188SQ201420289484
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】程宇婷, 鄭興才, 方章建 申請(qǐng)人:中盈長(zhǎng)江國(guó)際新能源投資有限公司