一种固态储/放氢过程的热交换系统

本公开涉及一种热交换系统，具体涉及一种固态储/放氢过程的热交换系统。

背景技术：

1、目前，氢气主要采用高压气瓶和低温液态储氢。由于氢气自身体积密度低，在高压气体输运前需要大功率的增压泵进行压缩，存在泵功率能耗高、安全隐患高、储氢罐成本高等缺点，不适合远距离、大规模氢气储运。低温液态储氢密度高，但需要将氢气在20k条件下液化，且维持低温条件的设备体积大、造价高以及输运部署困难。与之相比，固态氢气储放是在相对低的压力和温度下进行的可逆反应，具有循环寿命长、安全性能高等优点，是未来实现氢气安全高效运输的有效途径。固态储氢过程中释放大量热量阻碍储氢反应的进行，常规的冷却方式是采用开放式冷却水不间断冷却，从而满足储氢过程的低温要求，这不仅需要大量冷却水量，还会导致带出的大量反应热被浪费。此外，在放氢过程中，需要给储氢床加热到相对高的温度而满足放氢要求，需要通过额外电加热水的方式对储氢床进行升温管理，这对高品质的电能需求量较高。因此，在固态储/放氢过程中，需要对能量进行严格管理，减少能量损耗。

2、现有的实施方案中，在固态储氢阶段，主要通过单一的开放式低温水直供换热或空调制冷的形式，降低储氢材料的温度，储氢反应释放的热量被冷却水吸收后直接随冷却水一起被直接排放掉；在固态放氢阶段，主要采用单一的电加热、燃烧加热、电感应加热等形式，提高储氢材料的温度。以上在单独的充氢或放氢过程中，采用一种简单的方式对储氢罐充氢或放氢过程进行热管理，该过程中存在水资源及能源的极大浪费，且未考虑整个氢气的储运过程和储/放氢一体化能量综合管理。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种固态储/放氢过程的热交换系统，该系统能够将吸氢过程释放的热能加以有效利用以用于放氢反应，同时还能利用太阳能及燃料电池余热对放氢反应进行加热，从而实现了可再生能源的高效利用。

2、为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

3、一种固态储/放氢与热泵、太阳能、燃料电池集成的热电联供系统，包括：

4、固态储放氢模块，用于对氢气进行存储和运输；

5、储氢热泵空调模块，用于通过换热以辅助所述固态储放氢模块对氢气进行存储；

6、放氢加热模块，用于通过加热以辅助所述固态储放氢模块释放氢气。

7、优选的，所述固态储放氢模块包括：

8、固态储氢罐，固态储氢罐内设置有换热器，固态储氢罐外连接有热水箱。

9、优选的，所述储氢热泵模块包括：

10、冷水箱，冷水箱的输出端连接固态储氢罐，输入端连接蒸发器的第一输出端，蒸发器的第一输入端连接固态储氢罐。

11、优选的，所述储氢热泵模块还包括：

12、冷凝器，冷凝器的第一输出端连接蒸发器的第二输入端，冷凝器的第一输入端连接蒸发器的第二输出端；冷凝器的第二输入端和第二输出端均连接至热水箱。

13、优选的，所述储氢热泵模块还包括压缩机，压缩机设置于蒸发器的第二输出端和冷凝器的第一输入端之间。

14、优选的，所述放氢加热模块包括：

15、聚光分频器，聚光分频器分别连接供电组件和加热组件。

16、优选的，所述加热组件包括：

17、槽式聚光器，槽式聚光器的输出端连接第一储热水箱的第一输入端，第一储热水箱的第一输出端连接槽式聚光器的输入端；

18、所述加热组件还包括第二储热水箱，第二储热水箱的第一输入端连接燃料电池的输出端，第二储热水箱的第一输出端连接燃料电池的第一输入端。

19、优选的，所述加热组件还包括：热水混合箱，热水混合箱的第一输入端连接第一储热水箱的第二输出端，热水混合箱的第二输入端连接第二储热水箱的第二输出端，热水混合箱的输出端连接至固态储放氢模块。

20、优选的，所述供电组件包括太阳能板和蓄电池。

21、本公开还提供一种固态储放氢的热交换方法，包括如下步骤：

22、利用冷水吸收吸氢过程中释放的热能以进行第一次热交换；

23、利用制冷剂与完成第一次热交换后的冷水进行第二次热交换；

24、利用外部循环水与完成第二次热交换后的制冷剂进行第三次热交换，以获得高温外部循环水；

25、利用高温外部循环水加热以促进放氢过程；

26、当高温外部循环水中的热能不足以促进放氢反应时，通过将太阳能以及燃料电池水热管理余热进行热转换以促进放氢反应。

27、与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

28、(1)在储氢过程中，应用热泵空调技术，工质向被储氢床加热的冷却水进行吸热，降低冷却水温度，并继续通入到储氢床中进行冷却；热泵通过做功将工质温度进一步升高，并通过冷凝器将吸收的储氢床反应热和自身做功能传递给外部循环水并储存起来，为放氢过程提供一份保障。热泵空调技术可对固态储储氢过程进行严格的热管理，实验了储氢过程能量的有效储存和利用，可有效降低冷却水量的需求和热能的浪费。

29、(2)放氢过程中，应用聚光分频供热-发电技术，通过聚光分频，实现太阳能辐射强度的提高和光伏-光热分频利用。通过聚光分频器，进行光热作用加热水用于放氢过程的热力需求；并通过太阳能发电进行电能存储用于电加热水，满足夜间放氢过程供热需求。太阳能聚光分频供热-发电技术，可实现可再生能源的高效利用，为固态放氢过程提供有效保证。

30、(3)放氢过程中，应用燃料电池水热管理技术，将大型固定式氢燃料电池发电水热管理排出的大量高温热水通过热量交换将这部分能源利用起来，用于放氢过程供热需求，并实现自身水热管理的闭式循环。为固态放氢供热增添了一份有效手段，也满足了燃料电池自身水热管理要求。

31、(4)放氢过程中，应用余热多级利用技术，将温度仍然相对较高流出储氢罐的热水用于居民生活热水，实现热量的高效、多级利用。

技术特征：

1.一种固态储/放氢过程的热交换系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，优选的，所述固态储放氢模块包括：

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述储氢热泵模块包括：

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述储氢热泵模块还包括：

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述储氢热泵模块还包括压缩机，压缩机设置于蒸发器的第二输出端和冷凝器的第一输入端之间。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述放氢加热模块包括：

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述加热组件包括：

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述加热组件还包括：热水混合箱，热水混合箱的第一输入端连接第一储热水箱的第二输出端，热水混合箱的第二输入端连接第二储热水箱的第二输出端，热水混合箱的输出端连接至固态储放氢模块。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述供电组件包括太阳能板和蓄电池。

10.一种固态储放氢的热交换方法，包括如下步骤：

技术总结
本公开揭示了一种固态储/放氢过程的热交换系统，包括：固态储放氢模块，用于对氢气进行存储和运输；储氢热泵空调模块，用于通过换热以辅助所述固态储放氢模块对氢气进行存储；放氢加热模块，用于通过加热以辅助所述固态储放氢模块释放氢气。本系统能够将吸氢反应释放的热能用于放氢反应，同时还能利用太阳能及燃料电池余热对放氢反应进行加热，从而实现了可再生能源的高效利用。

技术研发人员：屈治国,高伟,高正,胡宇,张剑飞,吴震,张早校
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14