集成式氢能制取存储和循环利用设备制造技术

本发明专利技术公开了一种集成式氢能制取存储和循环利用设备，它主要由太阳能发电电源、电解水制氢装置、高压储氢缓冲罐、金属氢化物储氢罐、氢燃料电池装置等通过多通道控制阀和相关管路连接而成，并配置有热介质循环管系。该热介质循环管系具有串联组成循环回路的第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器，第一热交换器设置在太阳能发电电源的内部，第二热交换器设置在金属氢化物储氢罐的内部，第三热交换器设置在氢燃料电池装置的内部，热介质循环管系的循环回路上分别设置有介质循环泵和介质电热器。其结构简单、成本低廉、储氢和放氢效果好、氢能循环利用率高、运行稳定安全，特别适于氢燃料节能汽车和各种使用氢燃料电源的便携式移动装备。

【技术实现步骤摘要】
集成式氢能制取存储和循环利用设备
本专利技术涉及可再生能源利用技术，具体地指一种适用于氢燃料电池系统的集成式氢能制取存储和循环利用设备。
技术介绍
随着社会经济的持续高速发展，对能源的需求量越来越大，导致作为主要能源的传统矿物化石燃料在迅速消耗减少，我国乃至世界都存在长期而巨大的能源需求和供应压力，由此产生的世界性能源危机不断向人类敲响警钟，越来越多的科研人员不得不努力发掘可再生利用的新能源。另外，传统矿物化石燃料带给人类生存环境的显性和隐性威胁也不容小觑，其中大气温室效应是人类所面临的最主要的环境污染问题，也一直是近十几年来世界各国科研人员需要共同克服的难题。一方面，大型工业中如燃煤电站、冶金、钢铁、水泥等行业产生的二氧化碳是主要的温室气体，解决大气温室效应的有效途径便是减少这些工业二氧化碳的排放。另一方面，随着城市的快速发展，汽车数量在不断增加，特别是在中国等快速发展的国家，汽油、柴油燃烧所产生的汽车尾气排放量也呈指数上升趋势，其排放物主要有一氧化碳、烃类化合物、硫氧化合物和氮氧化合物，这些化合物对环境与人类的危害极大。为了解决上述难题，科研人员想到了采用氢能源作为燃料电池装置。氢燃料电池装置由于具有以下几个显著优势，已受到许多发达国家的广泛重视：第一，该电池装置的燃料是氢气和氧气，其生成物是清洁的水，它本身工作时不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和其他有害微粒排出；第二，与传统燃用汽油或柴油的汽车相比，采用氢燃料电池装置的汽车能量转化效率高达60～80％，为普通汽油或柴油内燃机的2～3倍；第三，该电池装置污染少，噪音小，电池组装可大可小，使用灵活方便。但其劣势也是显而易见的，成本问题仍然是制约氢燃料电池装置发展的关键所在，除了氢能制取本身的电量消耗很高外，更受限制的是氢能存储和释放条件较为苛刻，同时氢能在转化利用过程中还存在较多的安全隐患，以上所述缺陷始终是氢燃料电池装置实现商业化的桎梏。目前，氢能储存的方式大致分为物理储氢和化学储氢两类。物理储氢主要有高压罐储氢、液化储氢、物理吸附储氢等。高压罐储氢的优点在于成本低、能够耐高压，缺点是存在易燃易爆的潜在危险。液化储氢采用低温真空贮罐，其储存量达高压罐储氢量5倍以上，能量密度极高，但由于氢气液化的成本十分高昂，使用条件极为苛刻，故仅应用于航空航天领域。物理吸附储氢主要是利用活性碳、氟石、海泡石等超高比表面积材料吸附氢分子，虽然其具有安全可靠、储存容器自重低、储氢效率高的特点，但大都还处于试验阶段，短期内难有实质性的突破。化学储氢主要有金属氢化物储氢、配位氢化物储氢、金属或化合物与水反应储氢、以及有机物储氢等。金属氢化物储氢是指某些过渡金属、合金、金属间化合物由于其特殊的晶格结构等原因，在一定条件下氢原子比较容易进入金属晶格的四面体或者八面体间隙中，形成金属氢化物，其储氢体积密度大，可达100kg/m3，但其质量比较大，并且在放氢时的条件苛刻，因而其成本较高，利用率较低，这也限制了它在氢燃料电池系统中的利用。配位氢化物储氢是指两个或者三个轻金属如Mg、Al、B或Li等与氢形成的化合物，其储氢量很高，并且有价格优势，但现阶段仍处于研发过程中，进一步提高其吸收和释放氢气的循环次数是目前研究的核心。金属或化合物与水反应储氢，例如较活泼金属与水反应可放出氢气，这样在需要氢气时可通过化学反应不断供给氢气，在不需要氢气时停止反应，但其反应速率控制极为不易。而不活泼金属与水反应的局限性较大，放出氢气量偏小，反应效率太低，不足以实际应用。有机储氢是借助不饱和液态有机物催化加氢脱氢的可逆反应实现的。此方法虽然储氢量较高，也便于运输，但其脱氢吸氢的条件较为苛刻，并且催化剂极易中毒失活。因此，本领域技术人员一直试图为氢燃料电池系统寻找一种对氢能的存储和释放限制性条件少、且氢能利用快捷高效安全的辅助设备，但至今为止尚未获得理想的结果。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种结构简单、成本低廉、储氢和放氢效果好、氢能循环利用率高、运行稳定安全、且特别适用于氢燃料电池系统的集成式氢能制取存储和循环利用设备。为实现上述目的，本专利技术所设计的集成式氢能制取存储和循环利用设备，包括太阳能发电电源、电解水制氢装置、高压储氢缓冲罐、金属氢化物储氢罐、氢燃料电池装置和热介质循环管系，其特殊之处在于：所述太阳能发电电源的输出端与电解水制氢装置的电源接口相连，所述电解水制氢装置的氢气输出端通过氢气压缩机与多通道控制阀的总进气端相连；所述多通道控制阀的第一出气端与高压储氢缓冲罐的输入接口相连，所述多通道控制阀的第二出气端与金属氢化物储氢罐的进气接口相连；所述高压储氢缓冲罐的输出接口后面设置有两条支路，一条支路与金属氢化物储氢罐的进气接口相连，另一条支路与氢燃料电池装置的氢气输入端相连；所述金属氢化物储氢罐的出气接口与氢燃料电池装置的氢气输入端相连，所述氢燃料电池装置的空气输入端通过空气压缩机与空气过滤器相连；所述热介质循环管系具有串联组成循环回路的第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器，所述第一热交换器设置在太阳能发电电源的内部，所述第二热交换器设置在金属氢化物储氢罐的内部，所述第三热交换器设置在氢燃料电池装置的内部；所述热介质循环管系的循环回路上分别设置有介质循环泵和介质电热器，所述介质电热器的电源接口与太阳能发电电源的输出端相连。本专利技术的基本工作原理如下：太阳能发电电源为电解水制氢装置和介质电热器提供电能，电解水制氢装置制得氢气和氧气，所产生的氧气可以储存到氧气瓶中作为他用，所产生的氢气经由氢气压缩机压缩后，通过多通道控制阀分配，分别充入高压储氢缓冲罐和金属氢化物储氢罐中存储。充入高压储氢缓冲罐的氢气在工作时可分别提供给金属氢化物储氢罐和氢燃料电池装置，充入金属氢化物储氢罐的氢气被吸收转化，并在工作时释放提供给氢燃料电池装置。在氢燃料电池装置启动初期，需要70℃左右的预热温度，先由高压储氢缓冲罐对其供氢，并开启介质电热器，通过热介质循环管系上的第三热交换器给氢燃料电池装置加热，达到设定温度后再关闭介质电热器。此后，主要由金属氢化物储氢罐对其供氢，金属氢化物储氢罐释放氢气是吸热反应，需要较高的温度环境，而氢燃料电池装置工作一段时间后，会放出大量热量，温度过高会影响其正常工作，此时通过热介质循环管系上的第一热交换器和第二热交换器将该热量分别传输给电解水制氢装置和金属氢化物储氢罐，电解水制氢装置获得该热量后可以加快氢气的产出，金属氢化物储氢罐吸收该热量后可以促使氢气快速释放，从而确保氢燃料电池装置稳定安全运行。另外，金属氢化物储氢罐吸收氢气是放热反应，吸氢过程中会不断放出热量，通过热介质循环管系的第一热交换器可以将该热量传输给电解水制氢装置，使电解液达到最优反应温度，从而制取更多的氢气。若设备中需要更多的热量，可以从太阳能发电电源获取，由此形成一个优化的热能循环利用系统。作为优选方案之一，所述多通道控制阀还具有第三出气端，所述第三出气端与氢燃料电池装置的氢气输入端相连。这样，在氢燃料电池装置所供氢气不足时，可以直接将电解水制氢装置产生的氢气补充其内，进一步确保氢燃料电池装置稳定运行。作为优选方案之二，所述多通道控制阀的第二出气端与金属氢化物储氢罐的进气接口之间的氢气输送管路与热介质循环管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成式氢能制取存储和循环利用设备，包括太阳能发电电源(1)、电解水制氢装置(2)、高压储氢缓冲罐(9)、金属氢化物储氢罐(10)、氢燃料电池装置(12)和热介质循环管系(7)，其特征在于：所述太阳能发电电源(1)的输出端与电解水制氢装置(2)的电源接口相连，所述电解水制氢装置(2)的氢气输出端通过氢气压缩机(3)与多通道控制阀(11)的总进气端相连；所述多通道控制阀(11)的第一出气端与高压储氢缓冲罐(9)的输入接口相连，所述多通道控制阀(11)的第二出气端与金属氢化物储氢罐(10)的进气接口相连；所述高压储氢缓冲罐(9)的输出接口后面设置有两条支路，一条支路与金属氢化物储氢罐(10)的进气接口相连，另一条支路与氢燃料电池装置(12)的氢气输入端相连；所述金属氢化物储氢罐(10)的出气接口与氢燃料电池装置(12)的氢气输入端相连，所述氢燃料电池装置(12)的空气输入端通过空气压缩机(14)与空气过滤器(13)相连；所述热介质循环管系(7)具有串联组成循环回路的第一热交换器(71)、第二热交换器(72)和第三热交换器(73)，所述第一热交换器(71)设置在太阳能发电电源(1)的内部，所述第二热交换器(72)设置在金属氢化物储氢罐(10)的内部，所述第三热交换器(73)设置在氢燃料电池装置(12)的内部；所述热介质循环管系(7)的循环回路上分别设置有介质循环泵(8)和介质电热器(4)，所述介质电热器(4)的电源接口与太阳能发电电源(1)的输出端相连。...

【技术特征摘要】
1.一种集成式氢能制取存储和循环利用设备，包括太阳能发电电源(1)、电解水制氢装置(2)、高压储氢缓冲罐(9)、金属氢化物储氢罐(10)、氢燃料电池装置(12)和热介质循环管系(7)，其特征在于：所述太阳能发电电源(1)的输出端与电解水制氢装置(2)的电源接口相连，所述电解水制氢装置(2)的氢气输出端通过氢气压缩机(3)与多通道控制阀(11)的总进气端相连；所述多通道控制阀(11)的第一出气端与高压储氢缓冲罐(9)的输入接口相连，所述多通道控制阀(11)的第二出气端与金属氢化物储氢罐(10)的进气接口相连；所述高压储氢缓冲罐(9)的输出接口后面设置有两条支路，一条支路与金属氢化物储氢罐(10)的进气接口相连，另一条支路与氢燃料电池装置(12)的氢气输入端相连；所述金属氢化物储氢罐(10)的出气接口与氢燃料电池装置(12)的氢气输入端相连，所述氢燃料电池装置(12)的空气输入端通过空气压缩机(14)与空气过滤器(13)相连；所述热介质循环管系(7)具有串联组成循环回路的第一热交换器(71)、第二热交换器(72)和第三热交换器(73)，所述第一热交换器(71)设置在太阳能发电电源(1)的内部，所述第二热交换器(72)设置在金属氢化物储氢罐(10)的内部，所述第三热交换器(73)设置在氢燃料电池装置(12)的内部；所述热介质循环管系(7)的循环回路上分别设置有介质循环泵(8)和介质电热器(4)，所述介质电热器(4)的电源接口与太阳能发电电源(1)的输出端相连；其中，所述金属氢化物储氢罐(10)具有储罐体(101)，所述储罐体(101)的下部设置有进气接口(104)，所述储罐体(101)的上部设置有出气接口(105)，所述储罐体(101)的内腔中自上而下间隔设置有多块横隔板(102)，所述横隔板(102)上设置有透气孔(103)，所述横隔板(102)之间填充有金属储氢粉末层(106)。2.根据权利要求1所述的集成式氢能制取存储和循环利用设备，其特征在于：所述多通道控制阀(11)的第三出气端与氢燃料电池装置(12)的氢气输入端相连。3.根据权利要求1所述的集成式氢能制取存储和循环利用设备，其特征在于：所述多通道控制阀(11)的第二出气端与金属氢化物储氢罐(10)的进气接口之间的氢气输送管路与热介质循环管系(7)的循环回路共用介质电热器(4)。4.根据权利要求1所述的集成式氢能制取存储和循环利用设备，其特征在于：所述高压储氢缓冲罐(9)和金属氢化物储氢罐(10)上设置有温度传感器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：程宇婷，郑兴才，方章建，
申请(专利权)人：中盈长江国际新能源投资有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42