一种储氢装置和氢燃料电池的制作方法

1.本发明属于储氢装置领域，特别涉及一种储氢装置和氢燃料电池。


背景技术：

2.为解决全球气候变化和能源资源约束问题，世界各国正积极探索低碳经济，将实现节能减排、转变经济发展方式作为加速经济快速复苏和促进经济可持续发展的重要手段。多个国家和地区均将氢能列为未来国家终端能源体系与经济战略的重要组成部分。氢气是自然界存在的密度最小的气体，常温常压下体积能量密度很低，这为氢气的储运带来很大的不便，运输效率极低。目前多数情况下采用的高压储氢(20mpa压力)虽然一定程度缓解了这一问题，但是氢气的压缩成本和高压下的氢气安全又是氢气运输和使用过程中不可轻易逾越的障碍，而且运输效率并未获得明显改善。总质量30吨的长管拖车在20mpa压力下才能有效运输300公斤的氢气，造成很大的运力浪费。为提升氢气的储运效率，必须开发新的储氢技术和方法。
3.金属氢化物储氢材料具有储氢体积密度高、吸放氢稳定性好、安全节能和绿色环保等优势，在氢能源及其应用产业中发挥着越来越重要的作用。经过几十年的发展，金属氢化物储氢材料已经发展出多种系列和型号，储氢容量越来越高，吸放氢条件越来越温和。金属氢化物储氢材料在吸收氢气过程中，会产生大量的热量，现有的金属氢化物储氢装置，不能及时高效的将储氢装置内部的热量排出。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种储氢装置，包括储氢箱、风管和第一风机；
5.风管安装在储氢箱内，风管两端与储氢箱外部连通；
6.第一风机安装在储氢箱外部并位于风管第一端。
7.优选地，储氢装置还包括第二风机，第二风机安装在储氢箱外部并位于风管第二端。
8.优选地，储氢箱包括箱体和箱盖，箱盖可拆卸的安装在箱体的开口上。
9.优选地，箱体底部设有多个安装柱，箱盖顶面设有多个配合孔，安装柱在箱盖顶面的投影与配合孔重合。
10.优选地，储氢装置还包括进气管、排气管、进排气管和换向阀；
11.进排气管第一端安装在箱体上并与箱体内部连通；
12.换向阀的工作口与进排气管第二端连接；
13.进气管与换向阀的气源口连接；
14.排气管与换向阀的排气口连接。
15.优选地，储氢装置还包括双向气泵，双向气泵安装在进排气管上。
16.优选地，储氢装置还包括截止阀，截止阀安装在进排气管上。
17.优选地，储氢装置还包括第一滤网，第一滤网安装在进排气管内。
18.优选地，储氢装置还包括压力表，压力表安装在箱体上用于监测箱体内压力。
19.优选地，压力表与箱体之间设有第二滤网。
20.优选地，储氢装置还包括热电偶，热电偶安装在箱体内用于监测储氢箱内温度。
21.优选地，储氢装置还包括控制机构，控制机构与第一风机、第二风机、换向阀、双向气泵、截止阀、压力表和热电偶连接，控制机构用于接收压力表和热电偶监测的数据，控制机构基于压力表和热电偶监测的数据控制第一风机、第二风机、换向阀、双向气泵和截止阀动作。
22.本发明还提出一种氢燃料电池，包括上述储氢装置和氢燃料电池堆；
23.氢燃料电池堆与控制机构连接；
24.控制机构用于基于压力表、热电偶监测的数据和氢燃料电池堆的状态，控制第一风机驱送风管内的空气至氢燃料电池堆，或驱送氢燃料电池堆的空气至风管内。
25.本发明的储氢装置，第一风机抽吸风管内的空气排出至储氢箱外部，从而将储氢箱内部的热量及时带走，提高了换热效率。
26.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1示出了本发明实施例的储氢装置的结构示意图；
29.图2示出了本发明实施例的储氢装置的结构示意图；
30.图3示出了本发明实施例中进气管、排气管和进排气管的结构示意图；
31.图4示出了本发明实施例中换向阀的阀芯在第一位置的结构示意图；
32.图5示出了本发明实施例中换向阀的阀芯在第二位置的结构示意图；
33.图6示出了本发明实施例中储氢装置的工作流程图。
34.图中，1-储氢箱，11-箱体，12-箱盖，13-配合孔，14-密封垫圈，15-安装柱，2-风管，31-第一风机，32-第二风机，41-进气管，42-排气管，43-进排气管，44-换向阀，阀芯-441，45-双向气泵，46-截止阀，47-第一滤网，51-压力表，52-第二滤网，6-热电偶，控制机构-7。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.参照图1、图2和图3，本发明实施例提出一种储氢装置，主要包括储氢箱1、16根风管2、第一风机31、第二风机32、进气管41、排气管42、进排气管43、换向阀44、双向气泵45、截
止阀46、第一滤网47、压力表51、第二滤网52、3个热电偶6和控制机构7。
37.储氢箱1包括箱体11、箱盖12、密封垫圈14和锁紧螺栓，箱体11和箱盖12均采用304不锈钢材料制成，本实施例中的箱体11为长方体结构，箱体11顶部设有开口，箱体11内尺寸长、宽、高为500mm、320mm和320mm，箱体11外尺寸为510mm、330mm和330mm，箱盖12尺寸长、宽、高为510mm、330mm和15mm。
38.箱体11和箱盖12采用锁紧螺栓紧密连接，本实施例中的锁紧螺栓为m6.0高强度螺栓，沿箱盖12长度方向的两个边缘分别设置4个锁紧螺栓，沿箱盖12宽度方向的两个边缘分别设置4个锁紧螺栓。箱体11顶部的箱盖可方便拆卸，使储氢合金的均匀填充操作更易实现。密封垫圈14位于箱体11和箱盖12之间，密封垫圈14能够耐高温和高压，保障箱体11在较高的工作温度和压力下的密封性。
39.箱盖12顶面设有四个配合孔13，箱体11底部设有四个安装柱15，本实施例中的安装柱15周壁设有螺纹，安装柱15通过螺纹旋紧在箱体11底部。当需要将多个储氢箱1上下堆叠时，将上方储氢箱1底部的四个安装柱15配合在下方储氢箱1箱盖12的四个配合孔13中。利于储氢箱1上下叠加排列和模块化组装。
40.16根风管2安装在箱体11内，16根风管2按一定的间距、以4*4方式阵列分布，风管2的两端从箱体11的两个侧面穿出，从而风管2内部与箱体11外部连通。本实施例中的风管2采用金属铜制作，风管管长为510mm，外径为40mm，壁厚为2mm。储氢合金填装在箱体11内与风管2之间的空隙中，本实施例中的储氢合金为ab5型储氢合金粉，填充重量为50kg。
41.第一风机31安装在箱体11的一侧并位于风管2第一端，与风管2的端口贴合。第一风机31工作时，可以将风管2内的空气抽吸出来，箱体11外部的空气可以自风管2第二端进入风管2内，从而不断地有空气进出风管2，将箱体11内的热量带走。为了进一步提高风管2内空气流动速率和单位时间风管2内的空气流量，本实施例还设置了第二风机32，第二风机32安装在箱体11的一侧并位于风管2第二端，与风管2的端口贴合。第一风机31和第二风机32可以同时工作，使气流沿相同方向循环，满足储氢箱1的冷却和加热需求。
42.本实施例中的风管2平行于第一风机31和第二风机32的连线，16根风管2均匀分布在箱体11内部，可显著提高储氢合金在吸放氢过程中的热交换效率，还可抑制储氢合金因吸氢膨胀和放氢收缩而产生的局部聚集。本实施例中风管2的垂直轴线截面形状为圆形，但不限于圆形，为了改善储氢装置的热交换效果或提高装置的牢固性，也可选择正方形、长方形、菱形、椭圆形等其他形状。风管2的尺寸或间隔可根据储氢装置的热交换需求进行调整。风管2的材质应选取导热性能好、强度高的金属，如纯铜、铜合金、合金钢等。
43.参照图2、图3，进排气管43安装在箱体11外部，进排气管43第一端与箱体11连接，进排气管43与箱体11内部连通，进排气管43第一端至第二端顺序安装第一滤网47、截止阀46、双向气泵45和换向阀44，换向阀44安装在进排气管43的第二端。箱体11内储氢合金的高度不能高于进排气管43第二端，避免储氢合金将进排气管43堵塞。具体地，第一滤网47为金属滤网，用于防止储氢合金进入进排气管43。截止阀46用于控制进出箱体11氢气的速度和箱体11内氢气的压力。双向气泵45可控制氢气充入或排出箱体11。本实施例中的换向阀44为两位三通阀，两位三通阀的阀芯441移动过程中具有两个位置。如图4所示，第一位置下将气源口p封堵。如图5所示，第二位置下将排气口o封堵。两个位置下阀芯441都不会将工作口堵塞，进排气管43第二端与两位三通阀的工作口a连接。
44.进气管41与两位三通阀的气源口p连接，排气管42与两位三通阀的排气口o连接，当两位三通阀的阀芯441位于第一位置下，进排气管43与排气管42连通，当两位三通阀的阀芯441位于第二位置下，进排气管43与进气管41连通。
45.本实施例中的进气管41、排气管42和进排气管43为304不锈钢制作，管壁厚为2mm。
46.在另外的设计方式上换向阀44也可选用三位三通阀，三位三通阀的阀芯移动过程中具有三个位置。第一位置下将气源口p封堵，第二位置下将工作口a封堵，第三位置下将排气口o封堵，这样就不需要设置截止阀46了。
47.压力表51安装在箱体11一侧，压力表51用于检测箱体11内气体压力，本实施例中的压力表51是通过一根连接管与箱体11连接，第二滤网52安装在连接管内，第二滤网52用于防止储氢合金进入连接管，箱体11内储氢合金的高度不能高于连接管与箱体11连接的位置，避免储氢合金将连接管堵塞。
48.3个热电偶6安装在箱体11内，3个热电偶6在箱体11内均匀分布，热电偶6用于监测箱体11内的温度。本实施例中3个热电偶6的长度方向垂直于3个热电偶6所安装的侧壁上，3个热电偶6均匀的嵌入储氢合金内。
49.控制机构7安装在储氢箱1箱体底部，控制机构7与压力表51和热电偶6连接，以接收压力表51和热电偶6采集的数据，并根据这些数据，控制第一风机31、第二风机32、截止阀46、双向气泵45和换向阀44动作，控制第一风机31和第二风机32的风速，实现储氢装置的自动化工作。
50.本实施例还提出一种氢燃料电池，氢燃料电池包括上述储氢装置，还包括氢燃料电池堆。氢燃料电池堆与控制机构7连接；控制机构7基于压力表51、热电偶6监测的数据和氢燃料电池堆的状态，控制第一风机31驱送风管2内的空气至氢燃料电池堆，或驱送氢燃料电池堆的空气至风管2内。这里第一风机31和第二风机32需要能够双向驱送空气，当需要将风管2内的空气驱送至氢燃料电池堆，控制机构7控制第一风机31和第二风机32正向转动，储氢装置加氢时放出的热量通过第一风机31和第二风机32给氢燃料电池堆加热，利于氢燃料电池堆低温启动。当需要将氢燃料电池堆的空气驱送至风管2内，控制机构7控制第一风机31和第二风机32反向转动，氢燃料电池堆正常工作时产生的热量通过第一风机31和第二风机32给储氢装置加热，提升储氢装置的放氢性能。
51.参照图6，本发明实施例提出的储氢装置和氢燃料电池的工作流程如下：
52.储氢箱1内抽真空：首次使用储氢装置前需要将储氢箱1内的空气排空。首先打开换向阀44，使换向阀44的阀芯441移动至第一位置，使排气管42与进排气管43连通，启动双向气泵45，双向气泵45抽吸储氢箱1内的空气，然后打开截止阀46，储氢箱1内的空气被排出，控制机构7监测到储氢箱1内气体压力到达设定压力值后，再依次关闭截止阀46、双向气泵45。
53.氢气充入：将进气管41与外部供氢管或加氢枪连接，打开换向阀44，调节换向阀44的阀芯441移动至第二位置，使进气管41与进排气管43连通，然后启动双向气泵45，双向气泵45驱送氢气至储氢箱1内。打开截止阀46，氢气进入储氢箱1内。打开截止阀46的同时，启动第一风机31和第二风机32，第二风机32驱送空气至风管2内，第一风机31将风管2内的空气抽出，风管2内形成气流。储氢合金吸收氢气过程中放热，热量通过风管2被气流带走，气流的温度也因此升高。带有热量的气流可直接排放到箱体11外，也可通过专门设计的风道
送至氢燃料电池堆，用于氢燃料电池堆启动前的预热。待控制机构7监测到压力表51的压力达到设定值后，关闭截止阀46、双向气泵45，停止充氢。
54.储氢箱1冷却和压力稳定：停止充氢后，储氢箱1内的氢气仍会与储氢合金发生吸氢反应，并不断释放出热量。保持第一风机31和第二风机32启动状态，直到3个热电偶6检测的温度值均稳定在设定范围，然后停止第一风机31和第二风机32。
55.向氢燃料电池堆供氢：排气管42与氢燃料电池堆的供氢管路连接，打开换向阀44，调节换向阀44的阀芯441移动至第一位置，使排气管42与进排气管43连通。启动双向气泵45，双向气泵45将储氢箱1内的氢气向外输送。然后打开截止阀46，氢气从箱体11内进入供氢管路，向氢燃料电池堆供氢，此过程储氢合金放氢吸热。控制机构7控制第一风机31和第二风机32反向转动，氢燃料电池堆开始正常工作后，氢燃料电池堆放出的热量被逆向启动的第一风机31和第二风机32带到风管2内，用于给储氢合金加热，以维持储氢箱1体稳定放出氢气。
56.停止供氢：两种情况下储氢箱1将停止向外供氢：一是氢燃料电池堆要停止工作时。控制机构7收到氢燃料电池堆停止工作信号后，依次关闭截止阀46、第一风机31、第二风机32和双向气泵45。二是储氢箱1内氢气量不足时。控制机构7根据热电偶6和压力表51检测到的温度和压力数据，对储氢箱1内的氢气量进行监控。当储氢箱1内的氢气量低于预警值时，提示储氢装置需要加氢，当储氢箱1内的氢气量低于预警下限时，控制机构7依次关闭截止阀46、第一风机31、第二风机32和双向气泵4512。
57.重新进入上述的氢气充入过程，如此循环，可实现储氢装置吸放氢反复使用，并保证储氢装置向氢燃料电池堆提供稳定、持续的氢气供给。
58.本发明实施例提出的储氢装置和氢燃料电池具有以下技术效果：
59.将传统的储氢罐改为了箱体11式设计，在储氢箱1顶部和底部分别设计了安装柱15和配合孔13，便于多个储氢装置模块化组装，使储氢装置适用的空间和应用场景更加丰富。
60.箱体11上部设计了可拆卸的储氢箱1盖，使均匀填充储氢合金的操作更容易实现，而且便于更换不同类型的储氢合金，以使储氢装置达到不同的使用性能。
61.采用了风冷嵌入式的散热结构，风管2嵌入储氢合金内部，使储氢合金吸氢时放出的热量可及时排出储氢箱1外，避免了热量局部聚集而影响放氢效率。
62.储氢装置采用了双向可变速的第一风机31和第二风机32，第一风机31和第二风机32在控制机构7控制下协同工作，提升了热交换效率。由于第一风机31和第二风机32可实现双向控制，将储氢合金的热效应与氢燃料电池堆的热效应充分互补耦合，既简化了系统结构，又提升了系统的整体效能。
63.采用了进排气管43，将进气管41和排气管42在与箱体11连接时进行了一体化设计，使进气管41和排气管42共用同一管路。一方面简化了箱体11周围管线，便于箱体11实现模块化组装；另一方面可使氢气在充放过程中实现反吹，可有效防止储氢合金粉末堵塞管路。
64.综上所述，本实施例中储氢装置的形状、结构和散热介质上进行了较大改进，减少了冷却水箱和冷却水管，降低了制作成本，易于维护，而且在与风冷型氢燃料电池堆耦合使用时具有结构简单、维护方便和成本较低的优势。解决了高压气态储氢的体积密度低和安
全问题。本实施例中的储氢装置可在低于5mpa的压力下实现高体积密度的储氢，通过选取合适的储氢合金可实现温和条件下稳定可逆吸放氢。解决了储氢装置内部与外部环境换热效率差问题。目前多数储氢装置只在外部优化了散热结构，而本实施例采用简单的风冷结构设计实现了储氢装置内部与外部环境的高效换热，提升了储氢装置内外热交换的效率。解决了氢燃料电池的储氢、供氢系统结构复杂问题。本实施例的储氢装置结构简单，体积紧凑，易于维护，可采用模块化组装使用，提高了装置对不同应用场景的适用性，尤其是适用于风冷式小型氢燃料电池堆。
65.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。