一种固态储氢试验系统及其试验方法与流程

本发明属于氢能源利用，具体涉及一种固态储氢试验系统及其试验方法。

背景技术：

1、氢能是一种零碳排、应用形式多样的清洁能源，是实现可再生能源储能调峰的理想储能介质，可加速电力、工业、交通、建筑等领域的深度脱碳，有望成为推动能源转型的重要力量。目前，大容量、低成本、高安全的储氢技术是氢能产业发展需要攻克的难点之一。

2、固态储氢，包括固态储氢罐和固态储氢材料，是利用物理或化学吸附将氢气储存在固体材料之中，固态储氢技术解决了高压气态储氢和低温液态储氢面临的高压、低温等问题，同时，固态储氢的体积储氢密度更高、安全性更好，是一种很有前景的储氢方式。然而，目前针对固态储氢技术的研究多处于理论模拟、仿真阶段，缺乏实际的数据测试和试验应用研究。

3、为了固态储氢技术的推广和应用，需深入研究在不同环境下，包括温度、压力、流量等工况，固态储氢材料的储/放氢行为的性能、机理和规律、储氢罐的结构和型式的对储/放氢效率的影响、储氢罐换热形式和换热效率等问题。因此，亟需建立一套针对固态储氢技术的试验控制系统和方法，形成一套稳定高效、测试范围广、自动化程度高的固态储氢测试和控制的试验方法、流程和体系，确保对固态储氢试验装置的全流程信息感知和协同控制。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种固态储氢试验系统。

2、本发明采用了以下技术方案：

3、一种固态储氢试验系统，包括：

4、执行端系统：包含储氢罐单元、热管理单元和氢气循环单元，所述储氢罐单元包括储氢罐，热管理单元包括低温载冷剂储罐和高温载冷剂储罐，所述低温载冷剂储罐和高温载冷剂储罐与所述储氢罐连接，用于对储氢罐进行预热或预冷；氢气循环单元包括用于向储氢罐供气的氢气源瓶组，以及所述储氢罐排放氢气的使用末端；

5、数据收集系统：包括设置在储氢罐单元、热管理单元和氢气循环单元内部节点上的温度传感器、压力传感器、流量计和液位传感器；

6、数据分析系统：包括与所述数据收集系统连接的上位机模块和数字控制模块，所述数据分析系统用于控制所述执行端系统执行储氢和放氢工况。

7、优选的，所述储氢罐内部设置温度传感器，所述低温载冷剂储罐和高温载冷剂储罐内部设置液位计，并共同分别通过进液阀、回液阀与所述储氢罐连接，所述进液阀还连接供液泵；

8、优选的，所述低温载冷剂储罐连接风冷装置用于低温载冷剂预冷，所述高温载冷剂储罐连接电加热装置用于高温载冷剂预热。

9、优选的，所述氢气源瓶组与储氢罐间的连接管路上设置有储氢开关阀、储氢流量调节阀、储氢流量计和储氢压力计；所述使用末端与储氢罐间的连接管路上，自储氢罐一端依次设置有放氢开关阀、放氢流量调节阀、放氢压力计和放氢流量计；所述放氢开关阀、放氢流量调节阀之间还设置有缓冲罐及缓冲罐压力调节阀，所述缓冲罐用于降低放氢过程中试验系统的压力波动。

10、优选的，所述氢气循环单元还包括真空泵及氮气源瓶组，所述真空泵设置在放氢流量调节阀和放氢压力计之间，用于对储氢罐单元及氢气循环单元抽真空；所述氮气源瓶组通过氮气置换开关阀连接在所述储氢流量计和储氢压力计之间，用于试验结束后置换所述储氢罐单元及氢气循环单元内剩余氢气。

11、优选的，所述数据分析系统中，数字控制模块包括主控制器模块和功率调节模块，所述主控制器模块以采集数据为输入，计算输出信号至执行端系统；所述功率调节模块用于实现执行端系统内工况的调节和运行。

12、优选的，所述执行端系统还包括预警处理模块，预警处理模块包括设置在试验系统所在空间内的氢气泄露检测仪、声光报警器和排风扇，所述预警处理模块连接数字控制模块，当所述氢气泄露检测仪检测到氢气浓度达到或超过设定阈值时，输出信号至声光报警器和排风扇，发出声光报警并将室内氢气排出试验系统所在空间之外，同时输出急停信号至数字控制模块，停止试验系统所有设备的运行。

13、本发明还提供一种如上所述的固态储氢试验系统的试验方法，包括以下步骤：

14、s1. 通过上位机模块获取系统中储氢工况下储氢罐目标储氢量、目标储氢时间和储氢罐目标温度区间，放氢工况下储氢罐目标放氢量、目标放氢时间和储氢罐目标温度区间，传输至数据分析系统的主控制器模块；

15、s2. 通过真空泵对氢气循环单元内部管路抽真空，确保氢气循环管路内无空气；

16、s3.高温载冷剂储罐预热，低温载冷剂储罐预冷，备用；

17、s4.储氢试验：利用低温载冷剂储罐预冷对储氢罐进行预冷，打开进液阀将低温载冷剂储罐内低温载冷剂输入至储氢罐单元，使储氢罐温度稳定在储氢目标温度区间之内；

18、温度稳定后，打开储氢开关阀和储氢流量调节阀，将氢气源瓶组的氢气储入所述储氢罐，通过调节储氢流量调节阀的开度实现对储氢压力的控制，同时，储氢流量计累计储氢量，储氢流量计和储氢压力计将采集的数据输入上位机模块，由数据分析系统对收集到的数据进行分析；

19、s5. 放氢试验：利用高温载冷剂储罐对储氢罐进行预热，打开进液阀将高温载冷剂储罐内高温载冷剂输入至储氢罐单元，使储氢罐温度稳定在储氢目标温度区间之内；

20、温度稳定后，打开放氢开关阀、缓冲罐压力调节阀和放氢流量调节阀，储氢罐内氢气放至使用末端，通过调节缓冲罐压力调节阀的开度来稳定缓冲罐压力，通过调节放氢流量调节阀的开度来调节缓冲罐至使用末端的压力，放氢流量计累计放氢量，放氢压力计和放氢流量计将采集的数据输入上位机模块，由数据分析系统对收集到的数据进行分析；

21、s6. 试验完成后，打开氮气置换开关阀，利用氮气置换氢气循环单元内的氢气，并通过置换出口排出试验系统所在空间之外，确保试验系统的安全。

22、优选的，试验开始前，还需要对试验系统进行自检，自检程序包括启动系统，完成系统的上电初始化，检查系统内测点、通信、供电无异常现象。

23、本发明的有益效果在于：

24、1）本发明通过提供的固态储氢试验系统及其试验方法，建立了一套稳定高效、测试范围广、自动化程度高的固态储氢测试和控制的试验方法、流程和体系，可实现对固态储氢试验系统中氢气循环单元、热管理单元和储氢罐单元的全流程的信息感知和协同控制。

25、2）本发明通过对储/放氢氢气流量的控制、储氢罐供液载冷剂的温度、流量、压力进行连续、不间断、大范围的调节，可实现在不同工况下，研究储氢材料和储氢罐的储/放氢行为的性能、机理和规律、储氢罐的结构和型式的对储/放氢效率的影响、储氢罐换热形式和换热效率。

26、3）本发明考虑到不同类型储氢材料和储氢罐储/放氢行为下的性能特性的差异性，可针对性的设定储/放氢氢气流量和载冷剂温度、流量、压力等参数的目标值或目标区间，实现不同储氢材料和储氢罐能在最优工况条件下完成储/放氢行为，提高试验效率、降低能源消耗；并不断通过试验数据积累，形成固态储氢性能试验数据专家库，为固态储氢技术的推广和应用提供了试验和数据支撑。