CN114962993A - 储氢燃料电池空调***及加氢设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种储氢燃料电池空调***及加氢设备，该空调***包括装有金属贮氢材料的储氢罐，以及热交换器，储氢罐内布置有热交换液管路，热交换液管路内流经有热交换液；热交换液管路出口连接所述热交换器的进口，热交换器出口与热交换液管路进口连接；热交换液管路用于在储氢罐充氢过程中，通过热交换液将氢气吸附于金属储氢材料中放出热量外输至热交换器，以加热空间温度；热交换液管路还用于在储氢罐放氢过程中，通过热交换器及热交换液从空间中吸收热量，以降低空间温度。本发明综合利用了氢气储存中冷热效应，并将其用于制冷和制热中，有效提高了燃料电池的整体效率；利用双热交换液对车用储氢瓶进行热管理，消除了加氢站中制冷需求。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种储氢燃料电池空调***及加氢设备。
背景技术
用电或机械方法制冷是通常的事，但对于燃料电池***，如果用电来制冷，其整体效率会大大降低。如何找到合适的制冷技术是燃料电池应用急需的关键。
氢气是具有反J-T效应的气体，当膨胀时气体放出热量，在加氢过程中，被加储氢瓶的温度提高，对此热管理尤其重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种储氢燃料电池空调***及加氢设备，利用金属合金储氢过程中热效应来调节所在环境的温度(如汽车内，房间，或其它需要调节的地方)，并与燃料电池发电配套，形成冷热电联合供给的***，以大大增加氢燃料电池的利用效率，同时将其用在加氢站的热管理上，通过对车用储氢瓶进行热管理，消除加氢站中制冷需求。
本发明提供了一种储氢燃料电池空调***，包括装有金属贮氢材料的储氢罐，以及热交换器，所述储氢罐内布置有热交换液管路，所述热交换液管路内流经有热交换液；
所述热交换器布置于需要调节温度的空间内，所述热交换液管路出口连接所述热交换器的进口，所述热交换器出口与热交换液管路进口连接；
所述储氢罐设有氢气进口及氢气出口，所述氢气出口与燃料电池连接；
所述热交换液管路用于在所述储氢罐充氢过程中，通过热交换液将氢气吸附于金属储氢材料中放出热量外输至热交换器，以加热空间温度；
所述热交换液管路还用于在所述储氢罐放氢过程中，通过所述热交换器及热交换液从空间中吸收热量，以降低空间温度。
进一步地，所述储氢罐内还布置有再生热交换液管路，所述再生热交换液管路内流经有再生热交换液，所述再生热交换液管路设有再生热交换液管路进口及再生热交换液管路出口，所述再生热交换液管路出口与所述热交换器进口连接；
所述热交换液管路及再生热交换液管路中一个用于制热，另一个用于制冷，用于调节空间温度。
进一步地，所述储氢罐内金属贮氢材料体积为整个罐内体积的50～75％。
本发明还提供了一种储氢燃料电池空调***，包括装有金属贮氢材料的第一储氢罐、第二储氢罐，以及热交换器，所述第一储氢罐内布置有第一热交换液管路及第一再生热交换液管路；所述第二储氢罐内布置有第二热交换液管路及第二再生热交换液管路；所述第一热交换液管路、第二热交换液管路内流经有热交换液；所述第一再生热交换液管路、第二再生热交换液管路内流经有再生热交换液；
所述第一热交换液管路设有第一热交换液管路进口及第一热交换液管路出口；第一再生热交换液管路设有第一再生热交换液管路进口及第一再生热交换液管路出口；
所述第二热交换液管路设有第二热交换液管路进口及第二热交换液管路出口；所述第二再生热交换液管路设有第二再生热交换液管路进口及第二再生热交换液管路出口；
所述第一热交换液管路出口、第一再生热交换液管路出口、第二热交换液管路出口、第二再生热交换液管路出口与所述热交换器的进口连接，所述热交换器布置于需要调节温度的空间内，所述热交换器出口连接热交换液管路、再生热交换液管路的进口；
所述燃料电池空调***还设有氢气进口及氢气出口，所述氢气出口与燃料电池连接；
所述第一储氢罐及第二储氢罐用于通过交叉制冷及制热，实现连续不间断制冷或制热。
本发明还提供了一种加氢设备，包括待充气的车用储氢瓶，所述车用储氢瓶内布置有热交换液管路，所述热交换液管路内流经有热交换液；
所述热交换液管路出口连接有热交换器，所述热交换器出口与热交换液管路进口连接；
所述热交换液管路用于在车用储氢瓶充氢过程中，通过热交换液将高压氢气加注到车用储氢瓶中产生的热量外输至热交换器，以降低车用储氢瓶的温度。
进一步地，所述车用储氢瓶内还布置有再生热交换液管路，所述再生热交换液管路内流经有再生热交换液，所述再生热交换液管路设有再生热交换液管路进口及再生热交换液管路出口，所述再生热交换液管路出口与所述热交换器进口连接；
所述再生热交换液管路用于在车用储氢瓶充氢过程中，通过热交换液将高压氢气加注到车用储氢瓶中产生的热量外输至热交换器，以降低车用储氢瓶的温度。
借由上述方案，通过储氢燃料电池空调***及加氢设备，综合利用了氢气储存中冷热效应，并将其用于制冷和制热中，有效提高了燃料电池的整体效率；利用双热交换液对车用储氢瓶进行热管理，消除了加氢站中制冷需求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是某钛系合金的储氢和析氢压力组成等温曲线图；
图2是本发明一实施例中储氢燃料电池空调***示意图；
图3是本发明另一实施例中双热交换液储氢燃料电池空调***示意图；
图4是本发明可实现连续不间断制冷或制热的储氢燃料电池空调***示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。储氢合金由两部分组成,一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素(A),它控制着储氢量的多少,是组成储氢合金的关键元素,主要是IA～VB族金属,如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、Re(稀土元素)；另一部分则为吸氢量小或根本不吸氢的元素(B),它则控制着吸/放氢的可逆性,起调节生成热与分解压力的作用,如Fe、Co、Ni、Cr、Cu、AI等。目前世界上已经研制出多种储氢合金,按储氢合金金属组成元素的数目划分,可分为:二元系、三元系和多元系；按储氢合金材料的主要金属元素区分,可分为:稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体、锆系等；而组成储氢合金的金属可分为吸氢类(用A表示)和不吸氢类(用B表示),据此又可将储氢合金分为:AB5型、AB2型、AB型、A2B型。
稀土储氢合金中典型代表是LaNi5。在25℃及0.2MPa压力下,该合金储氢量约为1.4％,分解热为30kJ/mol。所以室温下便可以实现对氢的存储。此外,该合金还具有吸/放氢纯度高的特点(99.9％以上),因此可以作为制备高纯度氢气的一种途径。镁系合金的典型代表是Mg2Ni。镁系合金具有成本低(即资源丰富、价格低廉)、重量轻、储氢量高(储氢合金中,其储氢能力最高,如MgH2储氢量7.6％)。因此,镁系合金被认为是最具潜力的合金材料。该合金的缺点为放氢温度高(一般为250℃～300℃)。钛系合金的典型代表是TiFe。钛系合金具有较好储氢性能(储氢量为1.8％,与稀土系相近),放氢温度低(可在-30℃时放氢),采用Ni等金属部分取代Fe,从而形成三元合金以实现常温活化。钒基固溶体型储氢合金V3TiNi0.56M x是目前研究较多的钒基固溶体型储氢合金,其中x＝0.046-0.24；M为Al、Si、Mn、Fe、Co、Cu、Ge、Zr、Nb、Mo、Pd、Hf、Ta等元素,主要应用于镍氢电池领域。锆系的典型代表是ZrMn2。该合金具有吸/放氢量大(如ZrMn2的理论容量为482mAh/g)、循环寿命大、易于活化、热效应小(比稀土系合金LaNi5小2～3倍)等优点,但同时存在初期活化困难、氢化物生成热较大、高倍率放电性能较差以及合金的原材料价格相对偏高等问题，通过置换可以提高其吸放氢平台压力并保持较高的吸氢能力,如Ti代替部分Zr,同时用Fe、Co、Ni等代替部分Mn等。
合金贮氢材料凭借优异的吸收氢性能，在配合氢能的开发中起到重要作用。一定温度下，贮氢合金(M)的贮氢过程如图1所示，纵轴为平衡时氢气的压强(p)，横轴表示固相中氢气浓度(mole)与金属合金重量(g)(H.C.)。在这曲线中看出氢气的吸附和解吸随温度变化。
在OA段，氢溶解于M中形成固溶体MHx，随着氢气压强的增大，H/M逐惭增大；在AB段，MHx与氢气发生氢化反应生成氢化物MHy，氢化反应方程式为：M(s)+H2(g)→MHx(s)+△H(Ⅰ)；在B点，氢化反应结束，进一步增大氢气压强，H/M几乎不变。因此吸附氢气的过程中释放出热量，从图1中可以看出，温度越低，有利于放出热量，氢气越容易吸附。相反，解吸时温度越高，有利于吸收热量，氢气越容易解吸。图中ads表示吸附，des表示解吸。
本实施例利用金属合金储氢过程中热效应来调节所在环境的温度(如汽车内，房间，或其它需要调节的地方)，并与燃料电池发电配套，形成一种冷热电联合供给的***，实现大大增加氢燃料电池的利用效率的目的。金属材料的吸附放出热量而解吸则吸收热量。通过储氢燃料电池空调***可使放出热量到外面环境中，而吸收所需致冷空间的热量。此空调***可大可小，应用广泛。同时该空调***还可用在加氢站的热管理上，通过储氢瓶内部的热管理使加氢速度提高，解决由于氢气具有反J-T效应的气体，当膨胀时气体放出热量，在加氢过程中，被加储氢瓶的温度提高，需要额外增加热管理(制冷)的问题。
具体方案如下：
实施例1
参图2所示，装有金属贮氢材料的储氢罐21内布置有热交换液管路22，热交换液管路22内流经有热交换液，热交换液管路出口221连接热交换器23的进口，热交换器23布置于需要调节温度的空间(空调空间)内，热交换器出口231连接热交换液管路进口222。
储氢罐21还设有氢气进口211及氢气出口212，氢气出口212与燃料电池连接。
高压氢气进入储氢罐21，此时氢气吸附于金属储氢材料中形成MH而放出热量；如果热交换液流经储氢罐21，此时热交换液的出口温度比环境温度高，热交换液流经空调空间的热交换器23，会使环境温度提高，起到加热作用，或排出到环境空间中。
相应地，如果储氢罐21中已有高压储氢(例如20公斤压力)，当其放氢时(氢气在金属合金上解吸)，其要吸收热量，如果此时热交换液流动，其出口温度比环境温度低，热交换液流经空调空间的热交换器23，会使环境温度降低，起到制冷作用。
如果没有加氢过程，只有放氢，其可致冷，而燃料电池的废热可供热。因此，通过该燃料电池空调***，会使整个***热效率大大提高。
实施例2
参图3所示，装有金属贮氢材料的储氢罐31内布置有热交换液管路32，热交换液管路32内流经有热交换液，热交换液管路出口321连接热交换器33的进口，热交换器33布置于需要调节温度的空间(空调空间)内，热交换器出口331连接热交换液管路进口322。
储氢罐31还设有氢气进口311及氢气出口312，氢气出口312与燃料电池连接。
除此之外，本实施例还在储氢罐31布置了再生热交换液管路34，再生热交换液管路34内流经有再生热交换液，再生热交换液管路34设有再生热交换液管路进口341及再生热交换液管路出口342，再生热交换液管路出口342与热交换器33进口连接。
通过设置热交换液管路32及再生热交换液管路34两个管路(双热交换液)，可将其中一个用于制热，另一个用于制冷，根据需要达到空调的目的。当储氢充氢时(即储氢金属氢化物再生)，利用其中一个管路及热交换器制热。当放氢时利用另一个管路及热交换器制冷。
实施例3
参图4所示，该燃料电池空调***包括装有金属贮氢材料的第一储氢罐41(罐1)及第二储氢罐42(罐2)，第一储氢罐41内布置有第一热交换液管路43及第一再生热交换液管路44；第二储氢罐42内布置有第二热交换液管路45及第二再生热交换液管路46；第一热交换液管路43、第二热交换液管路45内流经有热交换液；第一再生热交换液管路44、第二再生热交换液管路46内流经有再生热交换液；
第一热交换液管路43设有第一热交换液管路进口431及第一热交换液管路出口432；第一再生热交换液管路44设有第一再生热交换液管路进口441及第一再生热交换液管路出口442；
第二热交换液管路45设有第二热交换液管路进口451及第二热交换液管路出口452；第二再生热交换液管路46设有第二再生热交换液管路进口461及第二再生热交换液管路出口462；
第一热交换液管路出口432、第一再生热交换液管路出口442、第二热交换液管路出口452、第二再生热交换液管路出口462与热交换器47进口连接，热交换器47布置于需要调节温度的空间(空调空间)内，热交换器出口471连接热交换液管路、再生热交换液管路的进口。
该燃料电池空调***还设有氢气进口48及氢气出口49，氢气出口49与燃料电池连接。
单一储罐是一种间隙式致冷和制热装置，当氢气用于燃料电池后，需要对储罐加氢，那么就会停止致冷或制热。
双储氢罐是连续式空调***，也就是说当一个储罐里的氢用完后加氢致冷或制热，另一个储罐交替加氢制热，从而消除了可能的中断。单、双罐工作过程如下表：
| 加氢 | 放氢 | |
| 单罐 | 放热 | 吸热 |
| 双罐(罐1) | 放热(罐1) | 吸热(罐1) |
| 双罐(罐2) | 吸热(罐2处于放氢状态) | 放热(罐2处于加氢状态) |
如果单储罐一直处于加氢/放氢状态，其金属材料的储氢/放氢功能不能有效的提高热管理(氢在金属材料上来不及吸附和解吸)，氢气会撇开或绕行金属储氢材料而得不到有效的空调效应。因此双罐的优点在于它的空调的连续性。
本实施例通过采用两个储氢罐，可实现制冷和制热交叉进行，可以保证一种热交换液保持冷态，一种热交换液保持热态，使***效率最佳。
例如，用钛系金属合金作为储氢材料(图1)，Ti0.98 Zr0.02 V0.41 Fe0.09 Cr0.05 Mn1.46(从日本钢铁公司Japan Steel Work)氢化物的解吸氢气的温度可从常温到70C。并耦合到聚合物电解质膜燃料电池。在储氢罐压力为30公斤下，10KW的燃料电池发电量可获得1KW的制冷量。如果从制冷液的制冷效率计算，可达70％制冷效率，对应的燃料电池电效率在50％。
储氢罐中金属合金的量是有限的，当合金与氢气反应时，其体积膨胀，因此，金属合金的填充量为整个罐内体积的80％以下，本实施例中储氢罐中金属合金的体积优选为整个罐内体积的50～75％。同时考虑到氢气的吸附和解吸，使金属合金粉状化，减少了氢气的转输。将热交换液管路布置在储氢罐中还可有效的降低由于金属合金粉状化导致的氢气传输的阻力。金属合金材料为钛系合金以及其它储氢材料其氢气解吸温度100℃以下。
当储氢罐的压力从30公斤下降时，除了氢化物的解吸降低温度外，压力下降会使罐内温度下降，因此制冷效果增加。但是由于对外膨胀过程中的焦耳-汤姆生效应(J-T效应)，被加氢气瓶中压力低导致温度会提高，H2温度升高高达40℃。因此一般加氢站设有预冷设备，使被加氢气瓶冷却。本发明储氢罐的双热交换液可以简化加氢过程中的热管理，使加氢站中的预冷没有必要。
焦耳-汤姆生效应是气体通过多孔性物质(如棉絮、石棉等)而发生不可逆绝热膨胀后温度发生变化的现象。在通常温度下，许多气体膨胀后都变冷，但氢和氦则变热。
总之，解吸和气体压力变化使制冷成为可能。
加氢站(设备)中，高压氢气加注到空的储氢瓶中，在高压氢气罐和车用储氢瓶之间需要一个制冷装置使车用储氢瓶内温度降低，否则，高压氢气膨胀会使氢气瓶温度上升。在车用储氢瓶内布置上述热交换液管路，问题就解决了。
本发明综合利用了氢气储存中冷热效应，并将其用于制冷和制热中，有效提高了燃料电池的整体效率；利用双热交换液对车用储氢瓶进行热管理，消除了加氢站中制冷需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种储氢燃料电池空调***，其特征在于，包括装有金属贮氢材料的储氢罐，以及热交换器，所述储氢罐内布置有热交换液管路，所述热交换液管路内流经有热交换液；
所述热交换器布置于需要调节温度的空间内，所述热交换液管路出口连接所述热交换器的进口，所述热交换器出口与热交换液管路进口连接；
所述储氢罐设有氢气进口及氢气出口，所述氢气出口与燃料电池连接；
所述热交换液管路用于在所述储氢罐充氢过程中，通过热交换液将氢气吸附于金属储氢材料中放出热量外输至热交换器，以加热空间温度；
所述热交换液管路还用于在所述储氢罐放氢过程中，通过所述热交换器及热交换液从空间中吸收热量，以降低空间温度。
2.根据权利要求1所述的储氢燃料电池空调***，其特征在于，所述储氢罐内还布置有再生热交换液管路，所述再生热交换液管路内流经有再生热交换液，所述再生热交换液管路设有再生热交换液管路进口及再生热交换液管路出口，所述再生热交换液管路出口与所述热交换器进口连接；
所述热交换液管路及再生热交换液管路中一个用于制热，另一个用于制冷，用于调节空间温度。
3.根据权利要求1或2所述的储氢燃料电池空调***，其特征在于，所述储氢罐内金属贮氢材料体积为整个罐内体积的50～75％。
4.一种储氢燃料电池空调***，其特征在于，包括装有金属贮氢材料的第一储氢罐、第二储氢罐，以及热交换器，所述第一储氢罐内布置有第一热交换液管路及第一再生热交换液管路；所述第二储氢罐内布置有第二热交换液管路及第二再生热交换液管路；所述第一热交换液管路、第二热交换液管路内流经有热交换液；所述第一再生热交换液管路、第二再生热交换液管路内流经有再生热交换液；
所述第一热交换液管路设有第一热交换液管路进口及第一热交换液管路出口；第一再生热交换液管路设有第一再生热交换液管路进口及第一再生热交换液管路出口；
所述第二热交换液管路设有第二热交换液管路进口及第二热交换液管路出口；所述第二再生热交换液管路设有第二再生热交换液管路进口及第二再生热交换液管路出口；
所述第一热交换液管路出口、第一再生热交换液管路出口、第二热交换液管路出口、第二再生热交换液管路出口与所述热交换器的进口连接，所述热交换器布置于需要调节温度的空间内，所述热交换器出口连接热交换液管路、再生热交换液管路的进口；
所述燃料电池空调***还设有氢气进口及氢气出口，所述氢气出口与燃料电池连接；
所述第一储氢罐及第二储氢罐用于通过交叉制冷及制热，实现连续不间断制冷或制热。
5.一种加氢设备，其特征在于，包括待充气的车用储氢瓶，所述车用储氢瓶内布置有热交换液管路，所述热交换液管路内流经有热交换液；
所述热交换液管路出口连接有热交换器，所述热交换器出口与热交换液管路进口连接；
所述热交换液管路用于在车用储氢瓶充氢过程中，通过热交换液将高压氢气加注到车用储氢瓶中产生的热量外输至热交换器，以降低车用储氢瓶的温度。
6.根据权利要求5所述的加氢设备，其特征在于，所述车用储氢瓶内还布置有再生热交换液管路，所述再生热交换液管路内流经有再生热交换液，所述再生热交换液管路设有再生热交换液管路进口及再生热交换液管路出口，所述再生热交换液管路出口与所述热交换器进口连接；
所述再生热交换液管路用于在车用储氢瓶充氢过程中，通过热交换液将高压氢气加注到车用储氢瓶中产生的热量外输至热交换器，以降低车用储氢瓶的温度。
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