一种氢能载具固态储氢系统及其方法与流程

本发明涉及氢能装备，具体涉及一种氢能载具固态储氢系统及其方法。

背景技术：

1、氢能作为一种绿色、高效的二次能源，被视为21世纪终极能源。将氢燃料代替传统燃油并应用于航空、航海、陆运等多型载具，可大幅降低碳排放量，推动氢能产业发展进入新的阶段。

2、氢能载具使用的动力系统主要有氢燃料电池和氢燃料发动机两种，相较而言，氢燃料电池的优势在于转化效率高，污染排放少，商业化应用程度高，尤其是在转化效率方面，氢燃料电池的转化效率已经可以达到60％以上，而氢燃料发动机的热效率则很难超过45％。氢燃料发动机的优势则在于成本低(是燃料电池的10％左右)、对氢气的纯度要求不高、可通过现有燃油发动机改造而来，同时氢燃料发动机不需要热机、不存在冷起动问题、具有较好的燃料经济性。

3、固态储氢是指通过物理或者化学吸附的方式将氢气存储于固态储氢材料介质中，具有体积储氢密度高、储运方便、安全性能好等优点，其中，mgh2/mg体系的理论储氢量可达7.6wt％，而体积储氢密度可达110kg/m3 h2，因此在氢能载具领域具有较强的应用潜力。然而，固态储氢在氢气释放过程中需要外部输入热量，因此需对整体结构进行针对性设计。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种氢能载具固态储氢系统，将固态储氢装置与氢能载具深度耦合，在供氢时，利用氢燃料发动机的热量加热固态储氢装置，以提供氢气，在充氢时，利用氢燃料发动机的产物水冷却固态储氢装置，提升氢气充注量，同时设计整体运行流程，实现固态储氢装置输入热量的精确调节，大幅提升固态储氢装置在氢能载具上的适用性。

2、本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：

3、第一方面，本发明提供了一种氢能载具固态储氢系统，其包括固态储氢瓶、热循环管路、水管路、空气管路和露点间接蒸发冷却器；

4、固态储氢瓶内部填充有用于存储氢介质的储氢合金，安装有氢气阀的氢管路从固态储氢瓶外部穿入固态储氢瓶内部，用于向中充注和排出氢气；储氢合金内部埋设有用于调控储氢合金温度的热循环管路；

5、露点间接蒸发冷却器内部具有干通道和湿通道，湿通道内通过水蒸发产生冷量进而传递给干通道；

6、热循环管路依次连接储氢合金、热循环控制阀、氢发动机的冷却通道、热循环泵、第一调节阀并构成循环回路，管内流通的热循环工质在经过储氢合金时与储氢合金构成换热接触但不存在物质交换；热循环管路上设置带有旁通阀的旁通支路以及带有第二调节阀的冷却支路；旁通支路并联连接在热循环控制阀的入口端和热循环泵的入口端之间，用于在旁通阀开启时控制热循环管路中的热循环工质不经过氢发动机的冷却通道；冷却支路并联连接在第一调节阀的入口端和出口端之间，冷却支路经过露点间接蒸发冷却器的干通道，使热循环工质能够吸收湿通道内的冷量实现冷却；

7、水管路依次连接氢发动机的产物出口、强制风冷器、集水罐、水阀和露点间接蒸发冷却器的湿通道，用于将氢发动机的产物水回收于集水罐中并在水阀开启时将收集的水输送至湿通道中用于产生冷量；

8、空气管路依次连接空气阀、风机和露点间接蒸发冷却器的湿通道，用于将外部空气输送至湿通道促进内部水蒸发。

9、作为上述第一方面的优选，所述热循环管路内部填充惰性气体作为热循环工质。

10、作为上述第一方面的优选，所述固态储氢瓶外部包覆有绝热材料。

11、作为上述第一方面的优选，，所述储氢合金选用为镁基储氢合金。

12、作为上述第一方面的优选，所述热循环管路在储氢合金内部采用换热盘管形式强化换热。

13、作为上述第一方面的优选，所述强制风冷器安装于处于氢能载具固态储氢系统所搭载的氢能载具外部，在氢能载具行驶时通过外部气流对其进行冷却。

14、作为上述第一方面的优选，所述第一调节阀和第二调节阀可采用电控阀。

15、第二方面，本发明提供了一种利用如上述第一方面任一方案所述系统的氢能载具固态储氢供氢方法，其包括交替运行的氢气充注阶段和氢气释放阶段；

16、所述氢气充注阶段的运行方式如下：

17、打开水阀、空气阀，启动风机，集水罐中预先存储的液态水首先通过水管路进入湿通道，同时外部空气在风机的作用下通过空气管路也进入湿通道，液态水通过汽化产生冷量而产生的水汽则被空气带走并直接排出；同时打开氢气阀、打开旁通阀、第二调节阀，启动热循环泵，外部氢气通过氢管路进入储氢合金，以化合物的形式进行氢气存储同时释放反应热；而热循环工质依次经过旁通阀、热循环泵、第二调节阀进入干通道，吸收湿通道产生的冷量后降温，随后对储氢合金进行冷却，吸收其氢气充注时产生的反应热；待储氢合金完成充氢后关闭所有阀门以及热循环泵和风机，并进入氢气释放阶段；

18、所述氢气释放阶段的运行方式如下：

19、打开氢气阀、热循环控制阀、第一调节阀，启动氢发动机、热循环泵，热循环管路中的热循环工质首先通过控制阀进入氢发动机的冷却通道吸收热量升温，随后依次通过热循环泵、第一调节阀对储氢合金进行加热，储氢合金吸收热量后开始升温并释放氢气供应氢发动机；氢发动机运行的水汽经过水管路进入强制风冷器冷却后，水汽开始液化并存储至集水罐；运行过程中，若需要加大氢气供应量，则通过热循环泵增加热循环管路内部的热循环工质的流量和输送至储氢合金的热量，从而最终增加储氢合金的释氢量；若需要减小氢气供应量，则打开水阀、空气阀，启动风机，将集水罐中的液态水以及外部空气均输入湿通道通过汽化液态水产生冷量，打开第二调节阀将部分热循环工质通过第二调节阀进入干通道，吸收湿通道产生的冷量后降温，随后再次进入热循环管路，与原有的热循环工质进行混合降低输入储氢合金的工质温度和热量，从而最终降低储氢合金的释氢量。

20、作为上述第二方面的优选，所述第二调节阀的开度可调，从而通过改变热循环工质进入冷却支路的比例来调节热循环工质最终进入储氢合金时的温度。

21、作为上述第二方面的优选，所述储氢合金初始启动时通过外部的蓄热模块或蓄电池向其中输入热量。

22、本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：设计了一种固态储氢装置与氢燃料发动机深度耦合的氢储供系统，具有储氢密度大、供氢精度高、热效率高、操作简单等优点，提升了大幅提升固态储氢装置在氢能载具上的适用性；在系统充氢阶段，设计符合氢能载具特征的强制风冷器，在氢能载具运行时利用其将氢燃料发动机的产物水液化存储，并可在氢能载具静止时冷却固态储氢装置，大幅增加氢气充注量，在系统释氢阶段，利用氢燃料发动机的热量加热固态储氢装置，在顺利供氢的同时，提升氢燃料发动机的运行效率并减少额外能量输入；基于系统结构特征，设计了特定的运行流程，实现固态储氢装置输入热量的高效可控，进而提升固态储氢装置向氢燃料发动机的供氢精度，降低氢损耗率。

23、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种氢能载具固态储氢系统，其特征在于，包括固态储氢瓶(1)、热循环管路(5)、水管路(17)、空气管路(21)和露点间接蒸发冷却器(14)；

2.如权利要求1所述的氢能载具固态储氢系统，其特征在于，所述热循环管路内部填充惰性气体作为热循环工质。

3.如权利要求1所述的氢能载具固态储氢系统，其特征在于，所述固态储氢瓶(1)外部包覆有绝热材料。

4.如权利要求1所述的氢能载具固态储氢系统，其特征在于，所述储氢合金(2)选用为镁基储氢合金。

5.如权利要求1所述的氢能载具固态储氢系统，其特征在于，所述热循环管路(5)在储氢合金(2)内部采用换热盘管形式强化换热。

6.如权利要求1所述的氢能载具固态储氢系统，其特征在于，所述强制风冷器(18)安装于处于氢能载具固态储氢系统所搭载的氢能载具外部，在氢能载具行驶时通过外部气流对其进行冷却。

7.如权利要求1所述的氢能载具固态储氢系统，其特征在于，所述第一调节阀(9)和第二调节阀(13)可采用电控阀。

8.一种利用如权利要求1～7任一所述系统的氢能载具固态储氢供氢方法，其特征在于，包括交替运行的氢气充注阶段和氢气释放阶段；

9.如权利要求8所述的氢能载具固态储氢供氢方法，其特征在于，所述第二调节阀(13)的开度可调，从而通过改变热循环工质进入冷却支路(12)的比例来调节热循环工质最终进入储氢合金(2)时的温度。

10.如权利要求8所述的氢能载具固态储氢供氢方法，其特征在于，所述储氢合金(2)初始启动时通过外部的蓄热模块或蓄电池向其中输入热量。

技术总结
本发明公开了一种氢能载具固态储氢系统及其方法。本发明将固态储氢装置与氢能载具深度耦合，在供氢时利用氢燃料发动机的热量加热固态储氢装置，以提供氢气，在充氢时利用氢燃料发动机的产物水冷却固态储氢装置，提升氢气充注量。同时本发明设计该系统的整体运行流程，实现固态储氢装置输入热量的精确调节，大幅提升固态储氢装置在氢能载具上的适用性。

技术研发人员：张春伟,于兰,杨晓阳,申娟,张钰莹,阎玮,张平,杨括,陈永,陈静,李山峰,瞿骞
受保护的技术使用者：北京航天试验技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15