CN111609310B - 移动加氢站的供氢装置及方法 - Google Patents

移动加氢站的供氢装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种移动加氢站的供氢装置，用于给车载储氢瓶加注氢气，包括制氢***、固态储氢***和热交换循环***；制氢***用于制备氢气；制氢***中设置有用于吸收制氢产生的热量的制氢***内置热交换管；固态储氢***包括固态储氢器A和固态储氢器B，固态储氢器A和固态储氢器B可以提供不同加注压力；本发明还提供一种供氢方法，依次通过固态储氢器A、固态储氢器B和制氢***向车载储氢瓶中充入氢气，使得车载储氢瓶中的氢气压力依次提升为10‑15MPa、20‑25MPa和35MPa，稳步提升压力确保了安全性。本发明在热交换循环***中，固态储氢器A和固态储氢器B均利用了制氢***在制氢过程中放出的热量，即充分利用了资源，又降低了反应釜内腔中的温度确保安全性。

Description

移动加氢站的供氢装置及方法
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，具体涉及一种移动加氢站的供氢装置及方法。
背景技术
加氢站是连接上游制氢、运氢，下游燃料电池汽车用氢的重要枢纽。加氢站网络化分布是氢燃料电池技术大规模商业化的基本保障，氢气输送是解决加氢站网络化合理分布的关键。
按照不同的分类方法，加氢站可以分为多种类型。以建设形式划分，可分为固定加氢站和移动加氢站。以氢气储存状态划分，可分为液氢加氢站和高压氢气加氢站。以加注方式划分，可分为单级加注加氢站和多级加注加氢站。以制氢方式，可分为电解水制氢站、甲醇现场制氢、天然气现场制氢、汽油现场制氢等。以氢源划分，可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站。站内制氢包括电解水制氢、天然气或甲醇重整制氢等。站内制氢可以省去较高的氢气运输费用，但是增加了加氢站***的复杂程度。
现有加氢站主要分为两种类型，即离站制氢(Off-site)和站内制氢(On-Site)两类。离站制氢(Off-site)能满足较大的燃料电池车辆的氢气需求量，而且对氢气更有保障，不会发生脱气现象，采用氢气长管拖车将小于20MPa的压缩氢气从生产单位运送进站后再通过站内压缩机将氢气增压卸载至站内高压储氢瓶组，以不大于45MPa的压力储存。车辆加氢时，从储氢瓶组中输出氢气，通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中。由于需要压缩机加压，含有较大的危险性，且成本较高。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的移动加氢站的供氢装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种移动加氢站的供氢装置，用于给车载储氢瓶加注氢气，包括制氢***、固态储氢***和热交换循环***；
制氢***用于制备氢气；制氢***中设置有用于吸收制氢产生的热量的制氢***内置热交换管；
固态储氢***包括固态储氢器A和固态储氢器B，固态储氢器A和固态储氢器B可以提供不同加注压力；
制氢***出氢口与车载储氢瓶连接；
固态储氢器A和固态储氢器B的放氢出气口均与车载储氢瓶连接；
固态储氢器A中设有供水流通的固态储氢器A热交换循环通道；
固态储氢器B中设有供水流通的固态储氢器B热交换循环通道；
热交换循环***包括制氢***内置热交换管、水箱、固态储氢器A热交换循环通道、固态储氢器B热交换循环通道；
水箱出口通过管路经过制氢***内置热交换管后分成两路，分别与固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道的进口连通，固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道的出口均与水箱进口连接。
作为对本发明移动加氢站的供氢装置的改进：
固态储氢器A产生的氢气输送给车载储氢瓶，可以使得车载储氢瓶中的氢气达到10-15MPa压力；
固态储氢器A产生的氢气输送给车载储氢瓶，可以使得车载储氢瓶中的氢气达到20-25MPa压力；
制氢***产生的氢气先输送到高压储氢瓶，高压储氢瓶输送给车载储氢瓶，可以使得车载储氢瓶中的氢气达到35MPa压力。
作为对本发明移动加氢站的供氢装置的进一步改进：
制氢***包括废液箱、反应釜、冷却水箱、干燥器和高压储氢罐；
制氢***内置热交换管设置在反应釜内腔中；
废液箱溶液出口通过计量泵与反应釜上部进口连接；
反应釜出气口依次经过冷却水箱、干燥器后与高压储氢罐进气口连接，高压储氢罐出气口与车载储氢瓶连接；
反应釜底部通过管路与废液箱顶部连通。
作为对本发明移动加氢站的供氢装置的进一步改进：
反应釜和冷却水箱之间设置有溢流阀。
本发明还提供一种供氢方法，包括以下步骤：
1)、制氢***制备氢气，制氢***内置热交换管中的常温溶液吸收制备氢气过程中放出的热量，常温溶液变成高温溶液；
2)、高温溶液从制氢***内置热交换管中流出，分为两路，分别进入固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道；
固态储氢器A和固态储氢器B均吸收高温溶液的热量放出氢气，高温溶液变成常温溶液；
3)、常温溶液从固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道中的出口流出，然后进入水箱；水箱中的常温溶液进入制氢***内置热交换管中；
4)、车载储氢瓶中依次充入固态储氢器A、固态储氢器B和制氢***的氢气。
作为对本发明供氢方法的改进：
步骤4包括：
4.1)、固态储氢器A产生的氢气充入车载储氢瓶中，使得车载储氢瓶中的氢气压力达到10-15MPa；
4.2)、固态储氢器B产生的氢气充入车载储氢瓶中，使得车载储氢瓶中的氢气压力达到20-25MPa；
4.3)、制氢***产生的氢气充入车载储氢瓶中，使得车载储氢瓶中的氢气压力达到35MPa。
本发明移动加氢站的供氢装置及方法的技术优势为：
本发明移动加氢站的供氢装置无须使用压缩机，本发明依次通过固态储氢器A、固态储氢器B和制氢***向车载储氢瓶中充入氢气，使得车载储氢瓶中的氢气压力依次提升为10-15MPa、20-25MPa和35MPa，稳步提升压力确保了安全性。
在热交换循环***中，固态储氢器A和固态储氢器B均利用了制氢***在制氢过程中放出的热量，即充分利用了资源，又降低了反应釜内腔中的温度确保安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明移动加氢站的供氢装置的结构示意图；
图2为稀土AB5型合金30℃时的PCT曲线图；
图3为锆基AB2型合金20℃时的PCT曲线图。
图中：1.反应釜；2.溢流阀；3.冷却水箱；4.干燥器；5.高压储氢罐；6.废液箱；7.固态储氢器A；8.固态储氢器B；71.固态储氢器A热交换循环通道；81.固态储氢器B热交换循环通道；9.水箱；10.车载储氢瓶；11.制氢***内置热交换管。
hydrogenation为吸氢曲线；dehydrogenation为放氢曲线；capacity为容量；pressure为压力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、移动加氢站的供氢装置，如图1-3所示，用于给车载储氢瓶加注氢气，包括制氢***、固态储氢***和热交换循环***；
制氢***用于制备氢气；制氢***中设置有用于吸收制氢产生的热量的制氢***内置热交换管；
固态储氢***包括固态储氢器A和固态储氢器B，固态储氢器A和固态储氢器B可以提供不同加注压力；
固态储氢器A内装稀土AB5型合金，内置热交换器，热交换介质为水，60℃时,合金的放氢平台压力为12.6MPa，80℃时，合金的放氢平台压力为15.8MPa。稀土AB5型合金30℃时的PCT曲线图如图2所示，合金的放氢平台压力为3.57MPa。
固态储氢器B内装锆基AB2型合金，内置热交换器，热交换介质为水，60℃时，合金的放氢平台压力为20.5MPa，80℃时，合金的放氢平台压力为26.6MPa。锆基AB2型合金20℃时的PCT曲线图如图3所示，合金的放氢平台压力为8.95MPa。
制氢***出氢口与车载储氢瓶连接；
固态储氢器A和固态储氢器B的放氢出气口均与车载储氢瓶连接；
固态储氢器A中设有供水流通的固态储氢器A热交换循环通道；
固态储氢器B中设有供水流通的固态储氢器B热交换循环通道；
热交换循环***包括制氢***内置热交换管、水箱、固态储氢器A热交换循环通道、固态储氢器B热交换循环通道；
水箱出口通过管路经过制氢***内置热交换管后分成两路，分别与固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道的进口连通，固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道的出口均与水箱进口连接。
固态储氢器A产生的氢气输送给车载储氢瓶，可以使得车载储氢瓶中的氢气达到10-15MPa压力；
固态储氢器A产生的氢气输送给车载储氢瓶，可以使得车载储氢瓶中的氢气达到20-25MPa压力；
制氢***产生的氢气先输送到高压储氢瓶，高压储氢瓶输送给车载储氢瓶，可以使得车载储氢瓶中的氢气达到35MPa压力。
作为对本发明移动加氢站的供氢装置的进一步改进：
制氢***包括废液箱、反应釜、冷却水箱、干燥器和高压储氢罐；
废液箱中储存液体物料，反应釜中储存有固体物料；
以铝碱水解制氢反应为例，反应过程放出热量：
2Al+2NaOH+6H2O＝2NaAl(OH)4+3H2 (1)
固体物料为金属铝丝、铝粉、铝片或铝屑，加工成可输送的形式。液体物料为NaOH溶液，浓度为5-20wt％，储存在废液箱中。
制氢***内置热交换管设置在反应釜内腔中；
废液箱溶液出口通过计量泵与反应釜上部进口连接；
反应釜出气口依次经过冷却水箱、干燥器后与高压储氢罐进气口连接，高压储氢罐出气口与车载储氢瓶连接；
反应釜底部通过管路与废液箱顶部连通。
反应釜中反应得到的NaAl(OH)4溶液重新排放到废液箱中，通过冷却发生结晶反应(2)，得到Al(OH)3沉淀和NaOH溶液，NaOH溶液可以循环利用。
NaAl(OH)4＝Al(OH)3+NaOH (2)
反应釜和冷却水箱之间设置有溢流阀2。
利用本发明移动加氢站的供氢装置的供氢方法，包括以下步骤：
1)、制氢***制备氢气，制氢***内置热交换管中的常温溶液吸收制备氢气过程中放出的热量，常温溶液变成高温溶液；
2)、高温溶液从制氢***内置热交换管中流出，分为两路，分别进入固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道；
固态储氢器A和固态储氢器B均吸收高温溶液的热量放出氢气，高温溶液变成常温溶液；
3)、常温溶液从固态储氢器A热交换循环通道和固态储氢器B热交换循环通道中的出口流出，然后进入水箱；水箱中的常温溶液进入制氢***内置热交换管中；
4)、车载储氢瓶中依次充入固态储氢器A、固态储氢器B和制氢***的氢气。具体包括：
4.1)、固态储氢器A产生的氢气充入车载储氢瓶中，使得车载储氢瓶中的氢气压力达到10-15MPa；
4.2)、固态储氢器B产生的氢气充入车载储氢瓶中，使得车载储氢瓶中的氢气压力达到20-25MPa；
4.3)、制氢***产生的氢气充入车载储氢瓶中，使得车载储氢瓶中的氢气压力达到35MPa。
采用实施例1本发明移动加氢站的供氢装置及方法的实验1：
制氢***中铝碱水解制氢反应产生的热量为每mol氢气277kJ/mol，而固体储氢器需要的热量为：释放每mol氢气需要25-30kJ/mol。考虑到热交换过程中的损失(按70-80％)计算，固态储氢器A和固态储氢器B所需的热量＝制氢反应产生的热量*(70-80％)。
制氢***开始制氢，产生的热量提供给固态储氢器A和固态储氢器B，当固态储氢器A的温度达到80℃时，固态储氢器A的放氢平台压力为15.8MPa，固态储氢器A开始给车载储氢瓶供氢，制氢***持续给固态储氢器A供热，直至车载储氢瓶压力达到15.8MPa。当固态储氢器B的温度达到80℃时，固态储氢器B的放氢平台压力为25.5MPa，固态储氢器B开始给车载储氢瓶供氢，制氢***持续给固态储氢器B供热，直至车载储氢瓶压力达到23.5MPa。制氢***储器罐的压力达到40MPa，制氢***给车载储氢瓶供氢，直至车载储氢瓶压力达到35MPa。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.移动加氢站的供氢装置，用于给车载储氢瓶(10)加注氢气，其特征在于：包括制氢***、固态储氢***和热交换循环***；
所述制氢***用于制备氢气；所述制氢***中设置有用于吸收制氢产生的热量的制氢***内置热交换管(11)；
所述固态储氢***包括固态储氢器A(7)和固态储氢器B(8)，固态储氢器A(7)和固态储氢器B(8)可以提供不同加注压力；
所述制氢***出氢口与车载储氢瓶(10)连接；
所述固态储氢器A(7)和固态储氢器B(8)的放氢出气口均与车载储氢瓶(10)连接；
所述固态储氢器A(7)中设有供水流通的固态储氢器A热交换循环通道(71)；
所述固态储氢器B(8)中设有供水流通的固态储氢器B热交换循环通道(81)；
所述热交换循环***包括制氢***内置热交换管(11)、水箱(9)、固态储氢器A热交换循环通道(71)、固态储氢器B热交换循环通道(81)；
所述水箱(9)出口通过管路经过制氢***内置热交换管(11)后分成两路，分别与固态储氢器A热交换循环通道(71)和固态储氢器B热交换循环通道(81)的进口连通，固态储氢器A热交换循环通道(71)和固态储氢器B热交换循环通道(81)的出口均与水箱(9)进口连接。
2.根据权利要求1所述的移动加氢站的供氢装置，其特征在于：
所述固态储氢器A(7)产生的氢气输送给车载储氢瓶(10)，可以使得车载储氢瓶(10)中的氢气达到10-15MPa压力；
所述固态储氢器A(7)产生的氢气输送给车载储氢瓶(10)，可以使得车载储氢瓶(10)中的氢气达到20-25MPa压力；
所述制氢***产生的氢气先输送到高压储氢瓶(5)，高压储氢瓶(5)输送给车载储氢瓶(10)，可以使得车载储氢瓶(10)中的氢气达到35MPa压力。
3.根据权利要求2所述的移动加氢站的供氢装置，其特征在于：
所述制氢***包括废液箱(6)、反应釜(1)、冷却水箱(3)、干燥器(4)和高压储氢罐(5)；
所述制氢***内置热交换管(11)设置在反应釜(1)内腔中；
所述废液箱(6)溶液出口通过计量泵与反应釜(1)上部进口连接；
所述反应釜(1)出气口依次经过冷却水箱(3)、干燥器(4)后与高压储氢罐(5)进气口连接，高压储氢罐(5)出气口与车载储氢瓶(10)连接；
所述反应釜(1)底部通过管路与废液箱(6)顶部连通。
4.根据权利要求3所述的移动加氢站的供氢装置，其特征在于：
反应釜(1)和冷却水箱(3)之间设置有溢流阀(2)。
5.利用如权利要求1-4任一所述的移动加氢站的加氢供氢装置的加氢供氢方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、制氢***制备氢气，制氢***内置热交换管(11)中的常温溶液吸收制备氢气过程中放出的热量，常温溶液变成高温溶液；
2)、高温溶液从制氢***内置热交换管(11)中流出，分为两路，分别进入固态储氢器A热交换循环通道(71)和固态储氢器B热交换循环通道(81)；
固态储氢器A(7)和固态储氢器B(8)均吸收高温溶液的热量放出氢气，高温溶液变成常温溶液；
3)、常温溶液从固态储氢器A热交换循环通道(71)和固态储氢器B热交换循环通道(81)中的出口流出，然后进入水箱(9)；水箱(9)中的常温溶液进入制氢***内置热交换管(11)中；
4)、车载储氢瓶(10)中依次充入固态储氢器A(7)、固态储氢器B(8)和制氢***的氢气。
6.根据权利要求5所述的加氢供氢方法，其特征在于：
步骤(4)包括：
4.1)、固态储氢器A(7)产生的氢气充入车载储氢瓶(10)中，使得车载储氢瓶(10)中的氢气压力达到10-15MPa；
4.2)、固态储氢器B(8)产生的氢气充入车载储氢瓶(10)中，使得车载储氢瓶(10)中的氢气压力达到20-25MPa；
4.3)、制氢***产生的氢气充入车载储氢瓶(10)中，使得车载储氢瓶(10)中的氢气压力达到35MPa。
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