CN115899560A - 一种基于合金储氢的供氢***及供氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合金储氢的供氢***及供氢方法，包括：供氢组件包括氢气集装格、反应器本体及至少一个用于配合放氢和储氢的合金件，反应器本体的内部开设有至少一个氢气通道，氢气通道与氢气集装格的内部相连通，制热组件包括缓冲罐和燃烧器，缓冲罐具有进气端和出气端，缓冲罐的进气端与氢气通道相连通，用于往缓冲罐内补充氢气，燃烧器连接于反应器本体，且燃烧器的内部与缓冲罐的出气端相连通，用于供氢气发生催化燃烧反应并将其反应所产生的热量供给合金件，以配合氢气集装格的活化放氢，制冷组件连接于燃烧器，用于将燃烧器产生的热量转化为制冷量并作用于合金件，以配合缓冲罐的降温储氢。本发明能解决使用场景受限且适用性差的问题。

Description

一种基于合金储氢的供氢***及供氢方法

技术领域

本发明涉及氢气的储存、运输及供给技术领域，尤其涉及一种基于合金储氢的供氢***。

背景技术

合金储氢使用时压力低，氢气纯度高，操作方便，可以大幅提升氢能利用的安全性、可靠性和维护便利性，是最有发展前景的储氢方式。

由于储氢合金导热系数很小，传统的合金储氢罐一般使用外浸式或内置换热翅片管的方式进行换热，合金床层间隔距离大导致热阻很大，容易造成罐体内温度分布不均匀，影响合金储氢罐充放氢性能。储氢合金放氢时发生吸热反应，充氢时发生放热反应，不能及时提供或移走所需的热量，充放氢反应会逐步减缓甚至停止。例如申请号为：CN201910060601的中国发明专利，提出了一种温度补偿式合金储氢供氢***，供氢装置需配备外接循环水***进行换热。例如申请号为：CN202010386531的中国发明专利，提出了一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给***及方法，充氢时需启动制冷机组提供冷却水。上述供氢装置需外接大功率动力电、循环水***或制冷机组，结构复杂，能耗高，在不满足外界环境要求的场合使用受限。

因此，亟需一种基于合金储氢的供氢***及供氢方法，用于解决现有技术中因需要外部换热或制冷设备来实现供氢***的运作，从而导致使用场景受限且适用性差的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于合金储氢的供氢***及供氢方法，解决现有技术中因需要外部换热或制冷设备来实现供氢***的运作，从而导致使用场景受限且适用性差的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于合金储氢的供氢***，包括：

供氢组件，包括氢气集装格、反应器本体及至少一个合金件，所述反应器本体的内部开设有至少一个氢气通道，且所述氢气通道与所述氢气集装格的内部相连通，所述合金件内置于所述氢气通道，用于配合放氢和储氢；

制热组件，包括缓冲罐和燃烧器，所述缓冲罐具有进气端和出气端，所述缓冲罐的进气端与所述氢气通道相连通，用于往所述缓冲罐内补充氢气，所述燃烧器连接于所述反应器本体，且所述燃烧器的内部与所述缓冲罐的出气端相连通，用于供氢气发生催化燃烧反应并将其反应所产生的热量供给所述合金件，以配合所述氢气集装格的活化放氢；

制冷组件，所述制冷组件连接于所述燃烧器，用于将所述燃烧器产生的热量转化为制冷量并作用于所述合金件，以配合所述缓冲罐的降温储氢。

进一步的，所述制冷组件包括热声制冷件和蓄冷件，所述热声制冷件的内部与所述燃烧器的内部相连通，用于将燃烧器内产生的热量转化为制冷量，所述蓄冷件连接于所述热声制冷件，用于储存所述热声制冷件转化的制冷量。

进一步的，所述制冷组件还包括进气管、出气管及第一阀体，所述进气管与所述蓄冷件的内部相连通，用于往所述蓄冷件的内部通入空气，所述出气管的两端分别与所述反应器本体和蓄冷件相连通，用于将制冷量通入所述反应器本体，以配合所述合金件储氢，所述第一阀体设于所述出气管上，并连接于所述出气管。

进一步的，所述制热组件还包括换热件，所述换热件具有进气端和出气端，所述换热件的进气端连接于所述热声制冷件、出气端连接于所述反应器本体，用于对经所述热声制冷件流出的高温尾气进行降温并通入所述反应器本体，以配合所述合金件的活化放氢。

进一步的，所述反应器本体的内部还开设有多个控温通道，多个控温通道沿所述氢气通道的周向均匀分布，且所述控温通道与所述换热件的出气端和出气管均相连通，用于对所述氢气通道加热或制冷。

进一步的，所述制冷组件还包括温度传感器，所述温度传感器连接于所述蓄冷件相连接。

进一步的，所述缓冲罐上开设有泄压口，所述制热组件还包括压力传感器，所述压力传感器连接于所述缓冲罐，用于监测所述缓冲罐内部压力。

进一步的，所述合金件包括多个储氢合金，多个所述储氢合金沿所述氢气通道的相间间隔内置于所述氢气通道。

进一步的，所述供氢组件还包括第二阀体，所述第二阀体设置于所述氢气集装格和氢气通道之间，并连接于所述氢气集装格上。

本发明的技术方案还提供一种基于合金储氢的供氢方法，其运用如上任一项所述的基于合金储氢的供氢***进行，包括步骤：

S1、缓冲罐内的氢气首先被通入燃烧器内，与燃烧器内进入的空气进行混合，并在催化剂的作用下发生无火焰燃烧反应，燃烧后的高温尾气通入热声制冷件；

S2、热声制冷件将高温尾气转化为制冷量储存于蓄冷件中，并将降温后的尾气通入控温通道，利用控温通道提供制热量为氢气通道内的合金件加热；

S3、达到合适温度后，打开第二阀体，氢气集装格内的氢气被放出并流经氢气通道，与氢气通道内的合金件共同作用，完成氢气的活化放氢，同时氢气沿氢气通道进入缓冲罐内为缓冲罐及时补充用于燃烧反应的氢气；

S4、在达到蓄冷件的储存上限后，热声制冷件停止将高温尾气转化为制冷量，高温尾气经换热件的冷却后被通入控温通道，同样提供制热量为氢气通道内的合金件加热；

S5、在储氢时，缓冲罐停止供气，燃烧器内停止产生高温尾气，空气经蓄冷件的出气管通入反应器本体中，用于合金件的储氢降温。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：合金件内置于反应器本体的氢气通道内，氢气通道与氢气集装格的内部相连通，缓冲罐释放的氢气在燃烧器内发生催化燃烧反应产生高温尾气，高温尾气首先经过制冷组件被降温后通入反应器本体内，对合金件进行加温以配合氢气的放氢活化，同时制冷组件可以将制热量转化为制冷量，并对其进行储存，用于在储氢时为合金件进行降温。相比于现有技术，不需要通过外置设备来对催化燃烧反应产生的热量进行降温，以实现氢气的放氢，而且也不用外部设备来对合金件提供制冷量，而是利用氢气催化燃烧作为热源，配合制冷组件来实现热量的转换、储存及提供冷源，供氢装置无需外接换热循环水***，无需配置制冷机组，整体结构紧凑，能耗低，能量利用率高，应用范围广泛，能解决使用场景受限且适用性差的技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种基于合金储氢的供氢***的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的储氢合金连接于反应器本体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于合金储氢的供氢***，包括：供氢组件1、制热组件2及制冷组件3，供氢组件1包括氢气集装格11、反应器本体12及至少一个合金件13，反应器本体12的内部开设有至少一个氢气通道，且氢气通道与氢气集装格11的内部相连通，合金件13内置于氢气通道，用于配合放氢和储氢，制热组件2包括缓冲罐21和燃烧器22，缓冲罐21具有进气端和出气端，缓冲罐21的进气端与氢气通道相连通，用于往缓冲罐21内补充氢气，燃烧器22连接于反应器本体12，且燃烧器22的内部与缓冲罐21的出气端相连通，用于供氢气发生催化燃烧反应并将其反应所产生的热量供给合金件13，以配合氢气集装格11的活化放氢，制冷组件3连接于燃烧器22，用于将燃烧器22产生的热量转化为制冷量并作用于合金件13，以配合缓冲罐21的降温储氢。

本装置中，合金件13内置于反应器本体12的氢气通道内，氢气通道与氢气集装格11的内部相连通，缓冲罐21释放的氢气在燃烧器22内发生催化燃烧反应产生高温尾气，高温尾气首先经过制冷组件3被降温后通入反应器本体12内，对合金件13进行加温以配合氢气的放氢活化，同时制冷组件3可以将制热量转化为制冷量，并对其进行储存，用于在储氢时为合金件13进行降温。

可以理解，相比于现有技术，不需要通过外置设备来对催化燃烧反应产生的热量进行降温，以实现氢气的放氢，而且也不用外部设备来对合金件13提供制冷量，而是利用氢气催化燃烧作为热源，配合制冷组件3来实现热量的转换、储存及提供冷源，供氢装置无需外接换热循环水***，无需配置制冷机组，整体结构紧凑，能耗低，能量利用率高，应用范围广泛，能解决使用场景受限且适用性差的技术问题。

进一步地，本装置中氢气集装格11为提供氢气的氢气源，且氢气通道的出口与外部燃料电池***相连接，将活化后的氢气提供给外部燃料电池***使用。

其中作为一种实施方式，合金件13包括多个储氢合金131，多个储氢合金131沿氢气通道的相间间隔内置于氢气通道。

可以理解，如图2所示，合金件13由第一隔板132、第一翅片133、第二翅片134及第二隔板135交替排列组合而成，第一隔板132、第一翅片133与换热腔136组成换热侧，换热腔136位于第一隔板132与第一翅片133之间；第二隔板135、第二翅片134与储氢合金131组成合金侧，储氢合金131位于第二隔板135与第二翅片134之间。其中，储氢合金131包括且不限于AB(如TiFe)和AB2(如TiMn2)系储氢合金131。合金侧与换热侧间隔排列，相接处一侧共用一个隔板，每个合金侧两侧为换热侧。

其中作为一种实施方式，反应器本体12的内部还开设有多个控温通道，多个控温通道沿氢气通道的周向均匀分布，且控温通道与换热件23的出气端和出气管34均相连通，用于对氢气通道加热或制冷。

可以理解，温控通道的设置用于实现制热量和制冷量的传递，用于对合金件13进行加热或制冷。

其中作为另一种实施方式，如图1所示，供氢组件1还包括第二阀体14，第二阀体14设置于氢气集装格11和氢气通道之间，并连接于氢气集装格11上。

可以理解，第二阀体14的设置用于实现氢气集装格11对反应器本体12的供氢开与关操作。

如图1所示，制热组件2还包括换热件23，连接于缓冲罐21的压力传感器24。

其中，换热件23具有进气端和出气端，换热件23的进气端连接于热声制冷件31、出气端连接于反应器本体12，用于对经热声制冷件31流出的高温尾气进行降温并通入反应器本体12，以配合合金件13的活化放氢。

可以理解，换热件23的作用是在蓄冷件32除尘的制冷量储存满后，继续对高温尾气进行降温处理，即高温尾气经过热声制冷件31后，温度降至60～90℃，经过换热件23进入反应器本体12。在蓄冷件32没有达到设定温度时，换热件23无需开启，待蓄冷件32达到设定温度，即蓄冷量饱和时，开启换热件23对高温尾气降温，确保烟气进入反应器本体12时温度适宜，此处换热件23为风冷换热器，风冷换热器为本领域技术人员所公知的常规设置。

其中作为一种实施方式，缓冲罐21上开设有泄压口，压力传感器24连接于缓冲罐21，用于监测缓冲罐21内部压力。

可以理解，在往缓冲罐21内补充带有压力的氢气时，压力达到设定值后，多余氢气从泄压口排出。

如图1所示，制冷组件3包括热声制冷件31和蓄冷件32，热声制冷件31的内部与燃烧器22的内部相连通，用于将燃烧器22内产生的热量转化为制冷量，蓄冷件32连接于热声制冷件31，用于储存热声制冷件31转化的制冷量。

可以理解，热声制冷件31和蓄冷件32的设置用于将高温尾气进行降温和制冷量的储存，此处热声制冷件31由热声发动机和热声制冷机组成，通过热致声和声制冷作用，将高温尾气热能部分转换为声能，再消耗声能在冷端获得制冷量。通过在热声制冷件31和蓄冷件32之间循环的制冷机，将冷量转移至蓄冷件32中储存。蓄冷件32中填充有铜合金或不锈钢丝网作为蓄冷介质。

进一步地，本装置中热声制冷件31和蓄冷件32均为本领域技术人员所公知的常规设置，此处不作过多阐述。

如图1所示，制冷组件3还包括进气管33、出气管34及第一阀体35，连接于蓄冷件32的温度传感器36。

其中，进气管33与蓄冷件32的内部相连通，用于往蓄冷件32的内部通入空气，出气管34的两端分别与反应器本体12和蓄冷件32相连通，用于将制冷量通入反应器本体12，以配合合金件13储氢，第一阀体35设于出气管34上，并连接于出气管34。

可以理解，进气管33、出气管34及第一阀体35为了实现将蓄冷件32中的制冷量通入合金件13，用于氢气的储氢降温。

其中作为一种实施方式，温度传感器36连接于蓄冷件32相连接。

可以理解，蓄冷件32上方设置有温度传感器36，检测蓄冷件32中温度。

进一步地，本装置中控制进入燃烧器22中的氢气浓度为10％，高温尾气的温度为450℃，经过热声制冷件31后温度降至60℃，监测蓄冷件32中温度持续下降，降至10℃后关闭热声制冷件31，打开换热件23，进入反应器本体12的烟气温度为至60～90℃，反应器本体12释放氢气，氢气压力0.3MPa。待氢气压力降至0.2MPa以下，打开第二阀体14及第一阀体35，氢气集装格11减压至4.5MPa，同时向反应器本体12通入经过蓄冷件32的冷空气，启动充氢流程。蓄冷件32温度升至15℃，关闭第二阀体14及第一阀体35，完成充氢，此处第一阀体35和第二阀体14均为电磁阀，此处为本领域技术人员所公知的常规设置，不作过多阐述。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于合金储氢的供氢方法，其运用如上所述的基于合金储氢的供氢***进行，包括步骤：

S1、缓冲罐21内的氢气首先被通入燃烧器22内，与燃烧器22内进入的空气进行混合，并在催化剂的作用下发生无火焰燃烧反应，燃烧后的高温尾气通入热声制冷件31；

S2、热声制冷件31将高温尾气转化为制冷量储存于蓄冷件32中，并将降温后的尾气通入控温通道，利用控温通道提供制热量为氢气通道内的合金件13加热；

S3、达到合适温度后，打开第二阀体14，氢气集装格11内的氢气被放出并流经氢气通道，与氢气通道内的合金件13共同作用，完成氢气的活化放氢，同时氢气沿氢气通道进入缓冲罐21内为缓冲罐21及时补充用于燃烧反应的氢气；

S4、在达到蓄冷件32的储存上限后，热声制冷件31停止将高温尾气转化为制冷量，高温尾气经换热件23的冷却后被通入控温通道，同样提供制热量为氢气通道内的合金件13加热；

S5、在储氢时，缓冲罐21停止供气，燃烧器22内停止产生高温尾气，空气经蓄冷件32的出气管34通入反应器本体12中，用于合金件13的储氢降温。

本发明的具体工作流程，缓冲罐21内的氢气首先被通入燃烧器22内，与燃烧器22内进入的空气进行混合，并在催化剂的作用下发生无火焰燃烧反应，燃烧后的高温尾气通入热声制冷件31；接着热声制冷件31将高温尾气转化为制冷量储存于蓄冷件32中，并将降温后的尾气通入控温通道，利用控温通道提供制热量为氢气通道内的合金件13加热；在达到合适温度后，打开第二阀体14，氢气集装格11内的氢气被放出并流经氢气通道，与氢气通道内的合金件13共同作用，完成氢气的活化放氢，同时氢气沿氢气通道进入缓冲罐21内为缓冲罐21及时补充用于燃烧反应的氢气；然后在达到蓄冷件32的储存上限后，热声制冷件31停止将高温尾气转化为制冷量，高温尾气经换热件23的冷却后被通入控温通道，同样提供制热量为氢气通道内的合金件13加热；在待氢气压力降至0.2MPa以下，开设往缓冲罐21内储氢时，缓冲罐21停止供气，燃烧器22内停止产生高温尾气，空气经蓄冷件32的出气管34通入反应器本体12中，用于合金件13的储氢降温。

进一步地，本装置采用基于板翅式结构的微通道合金储氢反应器本体12，利用微通道结构形成数个小尺度反应腔及板翅式反应器的二次传热表面作用，有效降低储氢合金131床层热阻，增大换热面积，提高储氢反应器传热系数，改善充放氢性能。同时采用氢气催化燃烧作为热源，配合热声制冷件31及蓄冷件32提供冷源，供氢装置无需外接换热循环水***，无需配置制冷机组，整体结构紧凑，能耗低，能量利用率高，应用范围广泛。

通过上述结构，能用于解决现有技术中因需要外部换热或制冷设备来实现供氢***的运作，从而导致使用场景受限且适用性差的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于合金储氢的供氢***，其特征在于，包括：

供氢组件，包括氢气集装格、反应器本体及至少一个合金件，所述反应器本体的内部开设有至少一个氢气通道，且所述氢气通道与所述氢气集装格的内部相连通，所述合金件内置于所述氢气通道，用于配合放氢和储氢；

制热组件，包括缓冲罐和燃烧器，所述缓冲罐具有进气端和出气端，所述缓冲罐的进气端与所述氢气通道相连通，用于往所述缓冲罐内补充氢气，所述燃烧器连接于所述反应器本体，且所述燃烧器的内部与所述缓冲罐的出气端相连通，用于供氢气发生催化燃烧反应并将其反应所产生的热量供给所述合金件，以配合所述氢气集装格的活化放氢；

制冷组件，所述制冷组件连接于所述燃烧器，用于将所述燃烧器产生的热量转化为制冷量并作用于所述合金件，以配合所述缓冲罐的降温储氢。

2.根据权利要求1所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述制冷组件包括热声制冷件和蓄冷件，所述热声制冷件的内部与所述燃烧器的内部相连通，用于将燃烧器内产生的热量转化为制冷量，所述蓄冷件连接于所述热声制冷件，用于储存所述热声制冷件转化的制冷量。

3.根据权利要求2所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述制冷组件还包括进气管、出气管及第一阀体，所述进气管与所述蓄冷件的内部相连通，用于往所述蓄冷件的内部通入空气，所述出气管的两端分别与所述反应器本体和蓄冷件相连通，用于将制冷量通入所述反应器本体，以配合所述合金件储氢，所述第一阀体设于所述出气管上，并连接于所述出气管。

4.根据权利要求3所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述制热组件还包括换热件，所述换热件具有进气端和出气端，所述换热件的进气端连接于所述热声制冷件、出气端连接于所述反应器本体，用于对经所述热声制冷件流出的高温尾气进行降温并通入所述反应器本体，以配合所述合金件的活化放氢。

5.根据权利要求4所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述反应器本体的内部还开设有多个控温通道，多个控温通道沿所述氢气通道的周向均匀分布，且所述控温通道与所述换热件的出气端和出气管均相连通，用于对所述氢气通道加热或制冷。

6.根据权利要求2所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述制冷组件还包括温度传感器，所述温度传感器连接于所述蓄冷件相连接。

7.根据权利要求1所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述缓冲罐上开设有泄压口，所述制热组件还包括压力传感器，所述压力传感器连接于所述缓冲罐，用于监测所述缓冲罐内部压力。

8.根据权利要求1所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述合金件包括多个储氢合金，多个所述储氢合金沿所述氢气通道的相间间隔内置于所述氢气通道。

9.根据权利要求1所述的基于合金储氢的供氢***，其特征在于，所述供氢组件还包括第二阀体，所述第二阀体设置于所述氢气集装格和氢气通道之间，并连接于所述氢气集装格上。

10.一种基于合金储氢的供氢方法，其特征在于，其运用如权利要求1至9中任一项所述的基于合金储氢的供氢***进行，包括步骤：

S1、缓冲罐内的氢气首先被通入燃烧器内，与燃烧器内进入的空气进行混合，并在催化剂的作用下发生无火焰燃烧反应，燃烧后的高温尾气通入热声制冷件；

S2、热声制冷件将高温尾气转化为制冷量储存于蓄冷件中，并将降温后的尾气通入控温通道，利用控温通道提供制热量为氢气通道内的合金件加热；

S3、达到合适温度后，打开第二阀体，氢气集装格内的氢气被放出并流经氢气通道，与氢气通道内的合金件共同作用，完成氢气的活化放氢，同时氢气沿氢气通道进入缓冲罐内为缓冲罐及时补充用于燃烧反应的氢气；

S4、在达到蓄冷件的储存上限后，热声制冷件停止将高温尾气转化为制冷量，高温尾气经换热件的冷却后被通入控温通道，同样提供制热量为氢气通道内的合金件加热；

S5、在储氢时，缓冲罐停止供气，燃烧器内停止产生高温尾气，空气经蓄冷件的出气管通入反应器本体中，用于合金件的储氢降温。

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