固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法与流程

1.本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是涉及一种固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法。


背景技术：

2.随着社会各界对于清洁能源的需求增长，使用氢气的燃料电池逐渐走向市场。其中配置固态储氢装置的燃料电池系统以其高安全性、高体积储氢密度和快速充氢特性，受到人们的广泛关注。
3.在储氢材料方面，除了室温吸氢的材料之外，也有一些高温储氢材料(吸放氢温度均大于150℃)，如镁基储氢材料，其氢化物本身质量轻(密度约为1.45g/ml)、质量储氢密度高(质量储氢密度约为7wt％)，且资源丰富、成本低廉，被认为是最具应用前景的储氢材料之一。作为氢的可逆“存储”介质，高温固态储氢材料具有优良的吸放氢性能以及长期循环无动力学衰减和容量损失的优点，不但可以降低氢气的储运成本和能耗，而且安全便捷，可实现大容量固态储氢及常温常压长距离运输，有望成为氢储运领域的重要关键材料，从而推动氢能行业的发展。然而，目前阻碍高温储氢材料应用的主要难点在于其放氢温度高，如镁基储氢材料的放氢温度为300℃，很难由燃料电池废热供热，而使用燃料电池的电能加热则会造成相当程度的能源浪费。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统及其使用方法，能够为固态储氢装置内固态储氢材料尤其是高温储氢材料的放氢过程提供持续、稳定、足够的热能，实现基于高温储氢材料的固态储氢装置向燃料电池的持续、稳定、高效供氢，提高能源利用率，减轻储氢装置的重量，且实现暂时停机后仍具有再次启动并自加热令高温储氢合金充分放氢的能力，提高氢燃料电池一体化电源系统运行的安全性与灵活性。
5.本发明的技术方案为：
6.一种固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统，其特征在于，包括燃料电池装置(1)、氢气反应加热器(2)、固态储氢装置(3)、自动控温装置(4)；所述固态储氢装置(3)包括换热槽(3.2)、设置在换热槽(3.2)内部的储氢罐(3.1)，所述储氢罐(3.1)内装填有储氢材料；所述氢气反应加热器(2)包括仓体、设置在所述仓体内部的氢气反应炉，所述仓体上开设有出液口、进液口、进气口，所述氢气反应炉的进气口与所述仓体的进气口连通；所述储氢罐(3.1)的外侧壁设置有温度监控器(3.3)，所述储氢罐(3.1)的出口(3.4)通过供氢管路(3.8)与所述燃料电池装置(1)的进气口、所述仓体的进气口连通，所述仓体的进气口上设置有气体流量控制阀，所述供氢管路(3.8)上设置有压力监控器(3.7)，所述换热槽(3.2)的出液口通过冷导热油管道(3.5)与所述仓体的进液口连通，所述仓体的出液口通过热导热油管道(3.6)与所述换热槽(3.2)的进液口连通，所述热导热油管道(3.6)上设置有循环油
泵；所述气体流量控制阀、温度监控器(3.3)、压力监控器(3.7)、循环油泵均与所述自动控温装置(4)连接。
7.进一步的，所述储氢材料为高温储氢材料。
8.进一步的，所述储氢材料为镁基储氢材料。
9.一种所述固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统的使用方法，其特征在于，包括下述步骤：
10.步骤1：向储氢罐(3.1)内充氢，充氢量大于储氢材料的饱和吸氢量，向换热槽(3.2)与氢气反应加热器(2)的仓体之间形成的导热油循环系统内通入导热油；
11.步骤2：开启所述固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统，储氢罐(3.1)向燃料电池装置(1)、氢气反应加热器(2)同时供氢；
12.步骤3：氢气反应加热器(2)开始工作，对仓体内的导热油进行加热，循环油泵将导热油泵入换热槽(3.2)，由换热槽(3.2)向储氢罐(3.1)供热，所述温度监控器(3.3)、压力监控器(3.7)分别监控所述储氢罐(3.1)的温度与压力并将测得的温度与压力数据传输给所述自动控温装置(4)，所述自动控温装置(4)根据接收到的温度与压力数据对气体流量控制阀进行控制，从而控制通入氢气反应炉内氢气的流量来调节换热槽(3.2)内的油温，令储氢罐(3.1)升温至储氢材料的放氢温度。
13.进一步的，所述步骤1中，所述储氢罐(3.1)的储氢量与所述燃料电池装置(1)在额定功率下工作设定时间所需氢气总量之比为1.2～1.3：1。
14.本发明的有益效果为：
15.(1)本发明的系统通过在换热槽内设置储氢罐、将储氢罐同时与氢气反应加热器和燃料电池装置连接、在换热槽与氢气反应加热器之间形成导热油循环系统、设置温度与压力监控器来监控储氢罐的温度与压力、设置自动控温装置来控制储氢罐向氢气反应加热器的供氢流量，能够利用储氢罐内的氢气反应生热，并根据对储氢罐内温度与压力的实时监控来自动控制氢气反应加热器的功率，从而调节氢气反应加热器与换热槽之间导热油循环系统的温度，利用换热槽为储氢罐内固态储氢材料尤其是高温储氢材料的放氢过程提供持续、稳定、足够的热能，使得能够充分利用高温储氢材料重量储氢率高的优点，实现基于高温储氢材料的固态储氢装置向燃料电池的持续、稳定、高效供氢，满足燃料电池连续工作的供氢流量、压力要求，提高了能源利用率，解决了现有技术中高温储氢材料因放氢温度高且难以供热而难以应用到储氢装置中的技术问题，减轻了储氢装置的重量。
16.(2)本发明的方法先向储氢罐内充氢，再启动系统，能够利用储氢罐内预装的氢气反应生热，为储氢罐内高温储氢材料的放氢过程提供足够的热能，使得单次工作一定时间后储氢罐内压力恢复，实现暂时停机后仍然具有再次启动并自加热令高温储氢合金充分放氢的能力，提高了氢燃料电池一体化电源系统运行的安全性与灵活性。
附图说明
17.图1为本发明的固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统的结构示意图。
18.图2为本发明的固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统启动后储氢罐内温度与压力的变化曲线示意图。
19.图中，1—燃料电池装置，2—氢气反应加热器，3—固态储氢装置，3.1—储氢罐，
3.2—换热槽，3.3—温度监控器，3.4—出口，3.5—冷导热油管道，3.6—热导热油管道，3.7—压力监控器，3.8—供氢管路，4—自动控温装置。
具体实施方式
20.下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。
21.如图1所示，本发明的固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统包括燃料电池装置1、氢气反应加热器2、固态储氢装置3、自动控温装置4。所述固态储氢装置3包括换热槽3.2、设置在换热槽3.2内部的储氢罐3.1，所述储氢罐3.1内装填有储氢材料。所述氢气反应加热器2包括仓体(图中未示出)、设置在所述仓体内部的氢气反应炉(图中未示出)，所述仓体上开设有出液口、进液口、进气口，所述氢气反应炉的进气口与所述仓体的进气口连通。所述氢气反应炉用于利用氢气的化学反应生热，来加热仓体内的导热油，所述的化学反应可以是氢氧化学反应，此时需要向氢气反应炉内通入空气，可以通过控制氢气与空气通入的流量，来控制反应炉的功率，从而调节导热油的温度。
22.所述储氢罐3.1的外侧壁设置有温度监控器3.3，所述储氢罐3.1的出口3.4通过供氢管路3.8与所述燃料电池装置1的进气口、所述仓体的进气口连通，所述仓体的进气口上设置有气体流量控制阀(图中未示出)，所述供氢管路3.8上设置有压力监控器3.7。具体的，出口3.4连接第一供氢管路，第一供氢管路的另一端分别通过第二供氢管路、第三供氢管路与燃料电池装置1的进气口、仓体的进气口连通，压力监控器3.7设置在第一供氢管路上。
23.所述换热槽3.2的出液口通过冷导热油管道3.5与所述仓体的进液口连通，所述仓体的出液口通过热导热油管道3.6与所述换热槽3.2的进液口连通，所述热导热油管道3.6上设置有循环油泵(图中未示出)，换热槽3.2与仓体之间形成导热油循环系统。
24.所述气体流量控制阀、温度监控器3.3、压力监控器3.7、循环油泵均与所述自动控温装置4连接，此处连接方式可以是电连接也可以是无线连接。
25.本发明的固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统的使用方法包括下述步骤：
26.步骤1：向储氢罐3.1内充氢，充氢量大于储氢材料的饱和吸氢量，向换热槽3.2与氢气反应加热器2的仓体之间形成的导热油循环系统内通入导热油。其中，所述储氢罐3.1的储氢量与所述燃料电池装置1在额定功率下工作设定时间所需氢气总量之比为1.2～1.3：1；储氢罐3.1的储氢量为储氢罐3.1内储氢材料饱和吸氢量与气态氢气量之和。
27.步骤2：开启所述固态储氢装置与燃料电池一体化电源系统，储氢罐3.1向燃料电池装置1、氢气反应加热器2同时供氢。
28.步骤3：氢气反应加热器2开始工作，对仓体内的导热油进行加热，循环油泵将导热油泵入换热槽3.2，由换热槽3.2向储氢罐3.1供热，所述温度监控器3.3、压力监控器3.7分别监控所述储氢罐3.1的温度与压力并将测得的温度与压力数据传输给所述自动控温装置4，所述自动控温装置4根据接收到的温度与压力数据对气体流量控制阀进行控制，从而控制通入氢气反应炉内氢气的流量来调节换热槽3.2内的油温，令储氢罐3.1升温至储氢材料的放氢温度。
29.本实施例中，固态储氢装置3的储氢罐3.1内填装的储氢材料为高温储氢材料中的镁基储氢材料mgh2。首先，向储氢罐3.1内充氢至压力达到2mpa，并在换热槽3.2与氢气反应加热器2的导热油循环系统内通满导热油。随后开启电源系统，令储氢罐3.1开始放氢，储氢
罐3.1内温度与压力的变化如图2中曲线所示。由图2可以看出，储氢罐3.1内的压力在1分钟后降低至1.892mpa、温度上升至70℃，在5分钟后压力降低至0.236mpa、温度上升至297℃，随后温度稳定、压力开始缓慢上升，14分钟后压力稳定在2.132mpa。
30.结果显示，本发明的电源系统可以利用储氢罐3.1提供的氢气反应生热，为储氢罐3.1自身的高温储氢材料放氢过程提供充足的热能。当储氢罐3.1的压力达到2mpa时，可以利用预装的气态氢气对氢气反应加热器2供氢，令氢气反应加热器2通过导热油对固态储氢装置3供热至温度达到高温储氢材料的放氢温度，并持续稳定供热，使高温储氢材料充分放氢；当单次工作时间超过14分钟后，储氢罐3.1内的氢气压力恢复至2mpa以上，此时系统如果暂时停机，仍然具有再次启动并自加热令高温储氢合金充分放氢的能力，此设计可以解决高温储氢材料因放氢温度高难以应用到储氢装置中的技术问题，减轻储氢装置的质量，提高氢燃料电池一体化电源系统运行的安全性与灵活性。
31.显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本技术的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。