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CN116154217A - 一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统 - Google Patents

一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统 Download PDF

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CN116154217A CN202310299570.4A CN202310299570A CN116154217A CN 116154217 A CN116154217 A CN 116154217A CN 202310299570 A CN202310299570 A CN 202310299570A CN 116154217 A CN116154217 A CN 116154217A
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Abstract

本发明涉及氢气供给领域，特别是一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统。该系统包括第一单向板风扇、机柜、第一穿板接头、第二穿板接头、第三穿板接头、第四穿板接头、氢气泄漏传感器、罐体支撑架、换热翅片、回路热管、金属氢化物储氢罐(金属氢化物储氢罐为一个或两个以上)、第二单向板风扇、回路热管换热器、换热气体进口、第五穿板接头、安全泄压阀、第一球阀、第二球阀、减压阀、第三球阀、第四球阀、第五球阀、压力传感器、第六球阀、温度传感器、排风口、柜体。本发明适用性强、可靠安全，可以高效纯化、储存氢气，并在不需要额外消耗能量的前提下，提升换热效率，提高了金属氢化物储氢罐的传热传质和内部储氢合金的吸放氢性能。

Description

一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统
技术领域
本发明涉及氢气供给领域，特别是一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统。
背景技术
近年来，由于不可再生能源的过度开发，全球面临着严重能源危机。氢能是可以实现再生且清洁安全的，既可以利用化石燃料生产，又可以利用可再生能源水解来进行生产，储运比较方便，在交通供热中都不会产生环境污染，通过能源载体和循环碳经济可以实现可持续的氢利用，极大地缓解全球当前的能源危机问题。
氢能源产业链主要包括上游的氢能制备，中游氢能储存运输，下游氢燃料电池及氢能源燃料电池应用等多个环节。其中氢能的高效安全的存储是氢能源得以实现的关键。氢在通常条件下以气态形式存在,且易燃、易爆、易扩散，这就给氢的储存和运输带来了很大的困难。氢气的储运主要分为气态、液态和固态3种方式。其中固态储氢的方式是储氢合金通过与氢化合，以金属氢化物形式储存氢，并能在一定条件下将氢释放出来。固态储氢相对于高压气态和液态储氢,具有一定优势优势。一是固态储氢的体积储氢密度高，在现有的高压气态、液态或固态等储氢方式中，固态储氢具有最高的体积储氢密度。以MgH2储氢为例，其体积储氢密度可达106kg/m3，为标准状态下氢气密度的1191倍，70MPa高压储氢的2.7倍，液氢的1.5倍。二是固态储氢安全性好，可在常温常压下储氢，储罐易密封，在突发事件下即使发生氢气泄漏，储罐也可自控式地降低氢气泄漏速度和泄漏量，为采取安全措施赢得宝贵时间。同时，固态储氢在较低压力下进行氢气的储存，省去了高压压缩氢气所需的能耗和高压氢气压缩机所需的投资成本。以上这些优势使得固态储氢可以应用于固定式储氢、电力系统肖峰填谷用储氢、氢燃料电池工程机械车等场景。
但金属氢化物储氢合金在吸放氢过程中需要释放或吸收大量的热，如不能将热量导出，就会导致储氢装置温度的快速下降或上升，而储氢合金吸放氢压力随着温度的下降而下降，当热量无法快速导出时，就会出现储氢合金无法持续吸氢或放氢的情况。为避免出现这种情况，通常利用燃料电池的废热对储氢装置进行加热保证氢的释放，与风冷燃料电池的热管理系统耦合，采用风冷或水冷的方式对储氢装置进行冷却，但其存在效率低、与燃料电池耦合接口复杂、水冷方式需要配置水泵额外耗费能量。
因此，亟需设计一种风冷燃料电池用高效传热传质的金属氢化物储氢系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，解决金属氢化物储氢罐在吸氢过程中心部热量堆积，导致储氢合金吸氢不足，在放氢过程中罐体中心部材料温度过低，导致氢气无法从合金中释放出来的问题。
本发明的技术方案是：
一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，第一穿板接头的进气口与外界氦气瓶通过不锈钢管进行相连，第一穿板接头的出气口与第五球阀的进气口相连，第五球阀的出口端与一个三通接头的第一端口相连，所述三通接头的第二端口与压力传感器相连，所述三通接头的第三端口与一个四通接头的第一端口相连，所述四通接头的第二端口连接第四球阀的出气端，第四球阀的进气端连接第二穿板接头的出气端，第二穿板接头的进气端连接氢气瓶；所述四通接头的第三端口连接第二球阀进气端，第二球阀出气端连接第一金属氢化物储氢罐，所述四通接头的第四端口连接一个三通接头的第一端口；所述三通接头的第二端口连接第三球阀的进口端，第三球阀的出口端与第三穿板接头的进气端，第三穿板接头的出气端连接真空泵的进气端，所述三通接头的第三端口与一个四通接头的第一端口相连，所述四通接头的第二端口连接第六球阀的进气端，第六球阀的出气端连接减压阀的进气端，减压阀的出气端连接第四穿板接头的进气端，第四穿板接头的出气端连接氢气需求装置的进气端，所述四通接头的第三端口连接安全泄压阀的进气端，安全泄压阀的出气端连接第五穿板接头的进气端，第五穿板接头的出气端直接朝向大气，所述四通接头的第四端口连接第一球阀的进气端，第一球阀的出气端连接第二金属氢化物储氢罐。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐分别与回路热管相连，其中：一个回路热管的一部分贯穿第一金属氢化物储氢罐，该回路热管的另一部分贯穿回路热管换热器；另一个回路热管的一部分贯穿第二金属氢化物储氢罐，该回路热管的另一部分贯穿回路热管换热器；第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐的外壁套有换热翅片，采用导热胶水将换热翅片与第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐的罐体紧密相连。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐被置于罐体支撑架的中心，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐外侧的换热翅片及回路热管换热器置于罐体支撑架朝向进风口中心的方向，回路热管换热器优先靠近进风口方向。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，还设有柜体，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐、回路热管换热器及相连管路设置于柜体内，第一穿板接头、第二穿板接头、第三穿板接头、第四穿板接头安装于柜体的一个侧板上，柜体为长方体框架的前面两侧设置斜边结构，进风口、排风口分别置于柜体的正前方和正后方，在柜体的进风口两侧斜边上分别设置第一单向板风扇、第二单向板风扇，并在第一单向板风扇、第二单向板风扇的后端分别设置单向风板；第一单向板风扇、第二单向板风扇中心对准回路热管换热器与第一金属氢化物储氢罐和第二金属氢化物储氢罐的换热翅片，柜体内侧的顶部设置氢气泄漏传感器。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，进风口尺寸与风冷燃料电池堆的冷却排风系统相匹配，排风口是孔状或栅板状，柜体的材料是铝、碳钢、不锈钢或合金钢。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，第一金属氢化物储氢罐与第二金属氢化物储氢罐的结构相同，均包含第七球阀、NPT接头、滤芯、多孔不锈钢导流管、储氢模块、导热胶、传热翅片、回路热管、换热翅片、罐体、储氢模块，具体结构如下：
第七球阀位于罐体外，罐体端部处设有NPT接头，第七球阀的一端通过管路与NPT接头一端螺接，所述管路一端的外螺纹与NPT接头一端的内螺纹相对应并匹配形成第七球阀与NPT接头螺纹连接处，并进行螺纹连接处螺接；滤芯位于罐体的内腔一侧，NPT接头的另一端伸至罐体的内腔，且通过Z型不锈钢管与滤芯的一端以焊接方式固接，多孔不锈钢导流管置于罐体内部的中心轴线处，多孔不锈钢导流管沿着罐体轴线贯穿至罐体底部，滤芯的另一端插入多孔不锈钢导流管中；储氢模块填充于罐体内，储氢模块与相邻内部传热翅片间均通过传热粉层紧密贴合，多孔不锈钢导流管贯穿储氢模块，储氢模块的外缘与罐体间隙配合，为储氢合金吸氢膨胀留余空间；
传热翅片相互平行排布于罐体内侧壁，每个传热翅片的中心开设通孔，多孔不锈钢导流管通过所述通孔贯穿传热翅片；为了保证每一个传热翅片均与罐体内侧壁紧密贴合，传热翅片与罐体内侧壁间隙处需要涂覆导热胶；回路热管为穿过罐体的闭合管路，与换热气体直接接触的回路热管外设置有换热翅片，换热翅片通过导热胶粘接于回路热管位于罐体外侧的部分，由换热翅片组合而成回路热管换热器。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，金属氢化物储氢罐的罐体材料为不锈钢或铝合金，直径为60～100mm，长度为200～2000mm；金属氢化物储氢罐的外壁套有换热翅片，换热翅片材质为不锈钢、铝合金或铜合金，片高6～25mm，片间距5～10mm，换热翅片沿罐体轴向均匀分布；多孔不锈钢导流管贯穿传热翅片的通孔，所述通孔直径为6～12mm；滤芯是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，滤芯的内径为3mm～5mm，滤芯的平均孔径为1μm～5μm，孔隙率为25～30％；储氢模块为储氢合金粉末与膨胀石墨混合物，储氢合金粉末与膨胀石墨混合物填充于内部传热翅片之间的空间，储氢合金粉末与膨胀石墨混合物中，储氢材料粉末与膨胀石墨的质量比为7:3～99:1，储氢材料粉末为钛系AB2型储氢合金、稀土系AB5型储氢合金、钛铁系储氢合金或钒基储氢合金，储氢材料粉末和膨胀石墨的粒径范围为0.2mm～1.2mm。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，传热翅片的中心位置开设有第一通孔、第二通孔，用于多孔不锈钢导流管和回路热管穿过；传热翅片为铜片、铝片或不锈钢片，传热翅片的厚度为0.6mm～1.2mm；传热翅片上沿圆周均匀开有填料孔洞，填料孔洞沿传热翅片的周边等距分布，填料孔洞的直径为3mm～6mm。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，回路热管的一段布置于金属氢化物储氢罐内部，回路热管的另一段布置于金属氢化物储氢罐侧面的回路热管换热器，回路热管换热器与换热气体直接接触，高于置于金属氢化物储氢罐内的回路热管，回路热管的倾斜度为与水平面夹角5～15度；每个回路热管由管壳、吸液芯和液体组成，回路热管内部是被抽成负压状态，管壳为金属无缝管，材质为铜、铝、碳钢、不锈钢或合金钢，管壳形状为标准圆柱形；管壳内设有吸液芯和液体，吸液芯为毛细多孔材料，由金属纤维编织而成，所用液体为丙酮、乙醇、水或甲苯。
所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，在放氢的时候，将燃料电池的冷却风通过换热气体进口导入柜体内，气流先后流经回路热管的一端和第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐，气体所带的热量经过换热翅片和回路热管，将热量导入第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐的内部，从而实现金属氢化物储氢罐放氢过程中氢气的快速释放，释放的氢气经过第一球阀、第二球阀、第六球阀和减压阀后供给燃料电池使用；在充氢的时候，将氢气气源与第二穿板接头相连，打开第四球阀，同时打开侧方第一单向板风扇、第二单向板风扇，吹动柜体上的单向风板打开，将外界环境的气体吹入柜体，气体将金属氢化物储氢装置在吸氢过程中所产生的热量载带出去，该热量经过换热翅片和回路热管传递给气体，从而实现金属氢化物储氢罐的快速吸氢。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过金属氢化物储氢罐内部设置回路热管，实现了将金属氢化物储氢罐在吸氢过程中产生的热量和放氢过程中所需的热量快速的导入和导出，提升了储氢系统稳定的放氢时间，降低了储氢系统吸氢所需时间。
2、本发明通过将热管设计成回路的形式，并设置一定的倾斜度；同时，在回路热管外设置传热翅片，提升了回路热管的传热效果，可以将换热用气体的热量高效交换，从而实现金属氢化物储氢罐的高效传热传质。
3、本发明通过将风冷燃料电池废气导入金属氢化物储氢系统的方式，对金属氢化物储氢罐进行冷却。通过回路热管的方式，在不需要额外消耗能量的前提下，提升了金属氢化物储氢罐的吸放氢性能，避免了采用水冷方式对金属进行加热和冷却需要配置循环水泵、换热器等装置，避免了换热过程的能耗，降低了系统重量和体积。与直接气冷方式对比，大幅提升了金属氢化物储氢罐的传热传质性能，避免了因保证气冷效果而需要将罐体直径控制得很小，而导致系统体积密度和质量密度大幅下降的问题。
4、本发明通过在金属氢化物罐体外部固接换热翅片，大大提高了金属氢化物储氢罐内部的传热效率，确保合金储氢罐快速吸/放氢。
5、本发明通过在金属氢化物罐体内部设置传热翅片的隔断，将罐体内装填的储氢合金粉末分装在储氢模块中，防止储氢材料粉末在储氢罐内的局部聚集，保证储氢材料粉末的均匀性，避免储氢材料吸氢膨胀产生的应力集中对固态储氢罐的安全性能产生影响。同时，内部设置的传热翅片也提升了整个金属氢化物罐体的传热性能。
6、本发明通过在金属氢化物罐体内部将储氢材料粉末与膨胀石墨混合填充，膨胀石墨具有较好的传热特性，可以大幅提升传热性能。同时，膨胀石墨的多孔结构也避免储氢材料吸氢膨胀产生的应力集中和压实效应对固态储氢罐的安全性能产生影响，也避免了压实效应导致的氢气传导效果变差。
7、本发明通过在外壳设计风冷风扇的方式，在金属氢化物储氢装置吸氢的时候采用风扇将环境中的空气，通过单向风板的方式，导入金属氢化物储氢系统，实现吸氢过程中热量的高效导出，降低系统充氢所需时间。
8、本发明通过在金属氢化物罐体的进出气口设置短滤芯，并在中心设置多孔不锈钢导流管，从而达到氢气快速输入和输出的目的，同时能够避免储氢材料粉末在释放氢气时随氢气流出系统从而损坏阀门和气路，相对于使用贯穿式滤芯降低了成本。
9、本发明安装了压力表、安全泄压阀和氢气泄漏监测装置，方便实时监测合金储氢罐罐内压力的同时，避免出现氢气超压事件，同时对氢气进行泄漏监测，提高了系统的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统中罐体内部的结构示意图。
图3为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统中罐体内部传热翅片的结构示意图。
图4为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的回路热管安装示意图。
图5为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的吹扫流程示意图。
图6为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的充氢流程示意图。
图7为本发明实施例中一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的放氢流程示意图。
图中：1第一单向板风扇，2机柜，3第一穿板接头，4第二穿板接头，5第三穿板接头，6第四穿板接头，7氢气泄漏传感器，8罐体支撑架，9换热翅片，10回路热管，11第一金属氢化物储氢罐，12第二单向板风扇，13回路热管换热器，14换热气体进口，15第五穿板接头，16安全泄压阀，17第一球阀，18第二球阀，19减压阀，20第三球阀，21第四球阀，22第五球阀，23第二金属氢化物储氢罐，24压力传感器，25第六球阀，26温度传感器，27排风口，28柜体。
11-1、第七球阀，11-2、NPT接头，11-3、滤芯，11-4、多孔不锈钢导流管，11-5、储氢模块，11-6、导热胶，11-7、传热翅片，11-8、回路热管，11-9、换热翅片，11-10、罐体，11-11、填料孔洞，11-12、第一通孔，11-13、第二通孔。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施方式对本发明进一步详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1-图4所示，本发明提出一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，主要包括：第一单向板风扇1、机柜2、第一穿板接头3、第二穿板接头4、第三穿板接头5、第四穿板接头6、氢气泄漏传感器7、罐体支撑架8、换热翅片9、回路热管10、金属氢化物储氢罐(金属氢化物储氢罐为一个或两个以上)、第二单向板风扇12、回路热管换热器13、换热气体进口14、第五穿板接头15、安全泄压阀16、第一球阀17、第二球阀18、减压阀19、第三球阀20、第四球阀21、第五球阀22、压力传感器24、第六球阀25、温度传感器26、排风口27、柜体28，具体结构如下：
如图1所示，第一穿板接头3的进气口与外界市售氦气瓶通过不锈钢管进行相连，第一穿板接头3的出气口与第五球阀22的进气口相连，第五球阀22的出口端与一个三通接头的第一端口相连，所述三通接头的第二端口与压力传感器24相连，所述三通接头的第三端口与一个四通接头的第一端口相连，所述四通接头的第二端口连接第四球阀21的出气端，第四球阀21的进气端连接第二穿板接头4的出气端，第二穿板接头4的进气端连接市售氢气瓶；所述四通接头的第三端口连接第二球阀18进气端，第二球阀18出气端连接第一金属氢化物储氢罐11，所述四通接头的第四端口连接一个三通接头的第一端口；所述三通接头的第二端口连接第三球阀20的进口端，第三球阀20的出口端与第三穿板接头5的进气端，第三穿板接头5的出气端连接真空泵的进气端，通过真空泵将整个系统的废气抽出，将系统初始状态设定成真空状态，所述三通接头的第三端口与一个四通接头的第一端口相连，所述四通接头的第二端口连接第六球阀25的进气端，第六球阀25的出气端连接减压阀19的进气端，减压阀可以设定所需的气体压力，减压阀19的出气端连接第四穿板接头6的进气端，第四穿板接头6的出气端连接氢气需求装置的进气端，所述四通接头的第三端口连接安全泄压阀16的进气端，安全泄压阀16的出气端连接第五穿板接头15的进气端，第五穿板接头15的出气端直接朝向大气，当系统内部经压力传感器检测出压力大于15MPa时候，安全泄压阀16启动，将多余气体直接排放，所述四通接头的第四端口连接第一球阀17的进气端，第一球阀17的出气端连接第二金属氢化物储氢罐23。其中，市售氦气瓶和氢气瓶有满升40L、压力为15MPa、体积浓度为99.999％的高纯气体，系统内阀、接头、罐体的气路连接方式，采用316不锈钢管道进行焊接。
第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23分别与回路热管10相连，其中：一个回路热管10的一部分贯穿第一金属氢化物储氢罐11，该回路热管10的另一部分贯穿回路热管换热器13；另一个回路热管10的一部分贯穿第二金属氢化物储氢罐23，该回路热管10的另一部分贯穿回路热管换热器13。第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23的外壁套有换热翅片9，采用市售导热胶水将换热翅片9与第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23的罐体紧密相连，第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23被置于罐体支撑架8的中心，以此来增大换热面积；第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23外侧的换热翅片9及回路热管换热器13置于罐体支撑架8朝向进风口14中心的方向，回路热管换热器13优先靠近进风口14方向，促使金属氢化物储氢罐内部能够快速制冷或制热。
机柜2包含柜体28、排风口27、进风口14、第一单向板风扇1、氢气泄漏传感器7、第二单向板风扇12，第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23、回路热管换热器13及相连管路设置于柜体28内，第一穿板接头3、第二穿板接头4、第三穿板接头5、第四穿板接头6安装于柜体28的一个侧板上，柜体28为长方体框架的前面两侧设置斜边结构，进风口14、排风口27分别置于柜体28的正前方和正后方，在柜体28的进风口14两侧斜边上分别设置第一单向板风扇1、第二单向板风扇12，并在第一单向板风扇1、第二单向板风扇12的后端分别设置单向风板，当机柜2内部氢气浓度接近30000ppm值时，第一单向板风扇1、第二单向板风扇12开始启动，迅速将机柜2内的多余氢气排放到周围环境中。第一单向板风扇1、第二单向板风扇12中心对准回路热管换热器13与第一金属氢化物储氢罐11和第二金属氢化物储氢罐23的换热翅片，氢气泄漏传感器7置于柜体28内侧的顶部，能够更为准确的反应氢气泄漏浓度。进风口14尺寸可与风冷燃料电池堆的冷却排风系统相匹配，排风口27可以是孔状或栅板状，柜体28的材料可以是铝、碳钢、不锈钢或合金钢等。
在放氢的时候，将燃料电池的冷却风通过换热气体进口14导入柜体28内，气流先后流经回路热管10的一端和第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23，气体所带的热量经过换热翅片11-9和回路热管10，将热量导入第一金属氢化物储氢罐11、第二金属氢化物储氢罐23的内部，从而实现金属氢化物储氢罐放氢过程中氢气的快速释放，释放的氢气经过罐体阀门(第一球阀17、第二球阀18)、出气口阀门(第六球阀25)和减压阀19后供给燃料电池使用。在充氢的时候，将氢气气源与氢气进气口(第二穿板接头4)相连，打开氢气进气口阀门(第四球阀21)，同时打开侧方吸氢散热用风扇(第一单向板风扇1、第二单向板风扇12)，吹动柜体28上的单向风板打开，将外界环境的气体吹入柜体28，气体将金属氢化物储氢装置在吸氢过程中所产生的热量载带出去，该热量经过换热翅片和回路热管传递给气体，从而实现金属氢化物储氢罐的快速吸氢。
如图1-图2所示，第一金属氢化物储氢罐11包含第七球阀11-1(气体阀门)、NPT接头11-2、滤芯11-3、多孔不锈钢导流管11-4、储氢模块11-5、导热胶11-6、传热翅片11-7、回路热管11-8、换热翅片11-9、罐体11-10、填料孔洞11-11，第二金属氢化物储氢罐23的结构与第一金属氢化物储氢罐11相同，具体结构如下：
第七球阀11-1位于罐体11-10外，罐体11-10端部处设有NPT接头11-2，第七球阀11-1的一端通过管路与NPT接头11-2一端螺接，所述管路一端的外螺纹与NPT接头11-2一端的内螺纹相对应并匹配形成第七球阀11-1与NPT接头螺纹连接处，并进行螺纹连接处螺接；滤芯11-3位于罐体11-10的内腔一侧，NPT接头11-2的另一端伸至罐体11-10的内腔，且通过Z型不锈钢管与滤芯11-3的一端以焊接方式固接，多孔不锈钢导流管11-4置于罐体11-10内部的中心轴线处，多孔不锈钢导流管11-4沿着罐体11-10轴线贯穿至罐体11-10底部，滤芯11-3的另一端插入多孔不锈钢导流管11-4中；储氢模块11-5填充于罐体11-10内，储氢模块11-5为储氢合金粉末与膨胀石墨混合物，储氢模块11-5与相邻内部传热翅片11-7间均通过传热粉层紧密贴合，多孔不锈钢导流管11-4贯穿储氢模块11-5，储氢模块11-5的外缘与罐体11-10间隙配合，为储氢合金吸氢膨胀留余空间。
传热翅片11-7相互平行排布于罐体11-10内侧壁，每个传热翅片11-7的中心开设通孔，多孔不锈钢导流管11-4通过所述通孔贯穿传热翅片11-7；为了保证每一个传热翅片11-7均与罐体11-10内侧壁紧密贴合，传热翅片11-7与罐体11-10内侧壁间隙处需要涂覆导热胶11-6，保证传热翅片11-7与罐体11-10热量快速传导，进而提高金属氢化物储氢装置吸放氢的速率，提升传热性能的同时起到固定传热翅片11-7的作用。回路热管11-8为穿过罐体11-10的闭合管路，与换热气体直接接触的回路热管11-8外设置有换热翅片11-9，换热翅片11-9通过导热胶粘接于回路热管11-8位于罐体11-10外侧的部分，由换热翅片11-9组合而成回路热管换热器13。
其中，金属氢化物储氢罐的罐体材料可以为不锈钢或铝合金等，金属氢化物储氢罐个数可以为1～9个，内径为60～100mm，长度为200～2000mm。金属氢化物储氢罐的外壁套有换热翅片，换热翅片材质为不锈钢、铝合金或铜合金，片高6～25mm，片间距5～10mm，换热翅片沿罐体轴向均匀分布。多孔不锈钢导流管贯穿传热翅片的通孔，所述通孔直径为6～12mm。滤芯是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，滤芯的内径为3mm～5mm，滤芯的平均孔径为1μm～5μm，孔隙率为25～30％。储氢合金粉末与膨胀石墨混合物填充于内部传热翅片之间的空间，储氢合金粉末与膨胀石墨混合物中，储氢材料粉末与膨胀石墨的质量比为7:3～99:1。储氢材料粉末可以为钛系AB2型储氢合金、稀土系AB5型储氢合金、钛铁系储氢合金或钒基储氢合金，储氢材料粉末和膨胀石墨的粒径范围为0.2mm～1.2mm。
如图3所示，金属氢化物储氢罐11的内部传热翅片11-7的中心位置开设有第一通孔11-12、第二通孔11-13，用于多孔不锈钢导流管11-4和回路热管11-8穿过。传热翅片11-7为铜片、铝片或不锈钢片，传热翅片的厚度为0.6mm～1.2mm。传热翅片11-7上沿圆周均匀开有填料孔洞11-11，填料孔洞11-11沿传热翅片11-7的周边等距分布，填料孔洞11-11的直径为3mm～6mm。
如图4所示，结合图2可知，回路热管11-8的一段布置于金属氢化物储氢罐11内部，回路热管11-8(相当于图1、图4中的回路热管10)的另一段布置于金属氢化物储氢罐11侧面的回路热管换热器13，回路热管换热器13与换热气体直接接触，高度略高于置于金属氢化物储氢罐11内的回路热管10。回路热管10的倾斜度为与水平面夹角5～15度，可以加速回路热管内液体自然回流。回路热管10为一个或两个以上，每个回路热管10(或回路热管11-8)由管壳、吸液芯和液体组成，回路热管内部是被抽成负压状态，管壳为金属无缝管，材质可以为铜、铝、碳钢、不锈钢或合金钢等，管壳形状为标准圆柱形。管壳内设有吸液芯和液体，吸液芯为毛细多孔材料，由金属纤维编织而成，所用液体可以为丙酮、乙醇、水或甲苯等。
如图5所示，本发明提出一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的吹扫流程如下：
使用者对整个系统要进行内部清洁工作，选用市售氦气瓶，将系统的第一穿板接头3通过不锈钢管道进行相连，将其输出压力调整至1MPa，打开第五球阀22、第一球阀17和第二球阀18，系统开始充气。充气完成后关闭第五球阀22，然后每隔1分钟，第三球阀20打开约10秒后关闭。检测压力传感器24示数为0.1MPa，将真空泵连接第三穿板接头5，然后进行真空泵抽气半小时，当压力传感器24示数接近真空时，进一步关闭所有阀门，拆除真空泵，系统吹扫完成。
如图6所示，本发明提出一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的充氢流程如下：
使用者在对整个系统进行充氢时，选用实验室中较低压力的氢气瓶，将系统的第二穿板接头4通过不锈钢管道进行相连，打开第四球阀21、第一球阀17和第二球阀18，金属氢化物储氢罐11开始吸收氢气。打开第一单向板风扇1和第二单向板风扇12，向外开始排除机柜2内部热量，检测压力传感器24和温度传感器26示数。充气完毕后关闭系统内所有阀门，此时系统充氢完成。
如图7所示，本发明提出一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统的放氢流程如下：
使用者在使用系统进行放氢时，将燃料电池出风口紧贴安装于机柜2的进风口14，第四穿板接头6连接燃料电池的进气口，调整减压阀19的输出压力，打开第六球阀25，向外输送氢气。燃料电池工作时，同步检测压力传感器24和温度传感器26示数，当压力传感器24下降到指定压力或放氢时间到达设定时间时，关闭所有阀门，此时系统放氢完成。
实施结果表明，本发明适用性强、可靠安全，可以高效纯化、储存氢气，并在不需要额外消耗能量的前提下，提升换热效率，提高了金属氢化物储氢罐的传热传质和内部储氢合金的吸放氢性能。

Claims (10)

1.一种风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，第一穿板接头的进气口与外界氦气瓶通过不锈钢管进行相连，第一穿板接头的出气口与第五球阀的进气口相连，第五球阀的出口端与一个三通接头的第一端口相连，所述三通接头的第二端口与压力传感器相连，所述三通接头的第三端口与一个四通接头的第一端口相连，所述四通接头的第二端口连接第四球阀的出气端，第四球阀的进气端连接第二穿板接头的出气端，第二穿板接头的进气端连接氢气瓶；所述四通接头的第三端口连接第二球阀进气端，第二球阀出气端连接第一金属氢化物储氢罐，所述四通接头的第四端口连接一个三通接头的第一端口；所述三通接头的第二端口连接第三球阀的进口端，第三球阀的出口端与第三穿板接头的进气端，第三穿板接头的出气端连接真空泵的进气端，所述三通接头的第三端口与一个四通接头的第一端口相连，所述四通接头的第二端口连接第六球阀的进气端，第六球阀的出气端连接减压阀的进气端，减压阀的出气端连接第四穿板接头的进气端，第四穿板接头的出气端连接氢气需求装置的进气端，所述四通接头的第三端口连接安全泄压阀的进气端，安全泄压阀的出气端连接第五穿板接头的进气端，第五穿板接头的出气端直接朝向大气，所述四通接头的第四端口连接第一球阀的进气端，第一球阀的出气端连接第二金属氢化物储氢罐。
2.按照权利要求1所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐分别与回路热管相连，其中：一个回路热管的一部分贯穿第一金属氢化物储氢罐，该回路热管的另一部分贯穿回路热管换热器；另一个回路热管的一部分贯穿第二金属氢化物储氢罐，该回路热管的另一部分贯穿回路热管换热器；第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐的外壁套有换热翅片，采用导热胶水将换热翅片与第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐的罐体紧密相连。
3.按照权利要求2所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐被置于罐体支撑架的中心，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐外侧的换热翅片及回路热管换热器置于罐体支撑架朝向进风口中心的方向，回路热管换热器优先靠近进风口方向。
4.按照权利要求2所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，还设有柜体，第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐、回路热管换热器及相连管路设置于柜体内，第一穿板接头、第二穿板接头、第三穿板接头、第四穿板接头安装于柜体的一个侧板上，柜体为长方体框架的前面两侧设置斜边结构，进风口、排风口分别置于柜体的正前方和正后方，在柜体的进风口两侧斜边上分别设置第一单向板风扇、第二单向板风扇，并在第一单向板风扇、第二单向板风扇的后端分别设置单向风板；第一单向板风扇、第二单向板风扇中心对准回路热管换热器与第一金属氢化物储氢罐和第二金属氢化物储氢罐的换热翅片，柜体内侧的顶部设置氢气泄漏传感器。
5.按照权利要求4所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，进风口尺寸与风冷燃料电池堆的冷却排风系统相匹配，排风口是孔状或栅板状，柜体的材料是铝、碳钢、不锈钢或合金钢。
6.按照权利要求4所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，第一金属氢化物储氢罐与第二金属氢化物储氢罐的结构相同，均包含第七球阀、NPT接头、滤芯、多孔不锈钢导流管、储氢模块、导热胶、传热翅片、回路热管、换热翅片、罐体、储氢模块，具体结构如下：
第七球阀位于罐体外，罐体端部处设有NPT接头，第七球阀的一端通过管路与NPT接头一端螺接，所述管路一端的外螺纹与NPT接头一端的内螺纹相对应并匹配形成第七球阀与NPT接头螺纹连接处，并进行螺纹连接处螺接；滤芯位于罐体的内腔一侧，NPT接头的另一端伸至罐体的内腔，且通过Z型不锈钢管与滤芯的一端以焊接方式固接，多孔不锈钢导流管置于罐体内部的中心轴线处，多孔不锈钢导流管沿着罐体轴线贯穿至罐体底部，滤芯的另一端插入多孔不锈钢导流管中；储氢模块填充于罐体内，储氢模块与相邻内部传热翅片间均通过传热粉层紧密贴合，多孔不锈钢导流管贯穿储氢模块，储氢模块的外缘与罐体间隙配合，为储氢合金吸氢膨胀留余空间；
传热翅片相互平行排布于罐体内侧壁，每个传热翅片的中心开设通孔，多孔不锈钢导流管通过所述通孔贯穿传热翅片；为了保证每一个传热翅片均与罐体内侧壁紧密贴合，传热翅片与罐体内侧壁间隙处需要涂覆导热胶；回路热管为穿过罐体的闭合管路，与换热气体直接接触的回路热管外设置有换热翅片，换热翅片通过导热胶粘接于回路热管位于罐体外侧的部分，由换热翅片组合而成回路热管换热器。
7.按照权利要求6所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，金属氢化物储氢罐的罐体材料为不锈钢或铝合金，直径为60～100mm，长度为200～2000mm；金属氢化物储氢罐的外壁套有换热翅片，换热翅片材质为不锈钢、铝合金或铜合金，片高6～25mm，片间距5～10mm，换热翅片沿罐体轴向均匀分布；多孔不锈钢导流管贯穿传热翅片的通孔，所述通孔直径为6～12mm；滤芯是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，滤芯的内径为3mm～5mm，滤芯的平均孔径为1μm～5μm，孔隙率为25～30％；储氢模块为储氢合金粉末与膨胀石墨混合物，储氢合金粉末与膨胀石墨混合物填充于内部传热翅片之间的空间，储氢合金粉末与膨胀石墨混合物中，储氢材料粉末与膨胀石墨的质量比为7:3～99:1，储氢材料粉末为钛系AB2型储氢合金、稀土系AB5型储氢合金、钛铁系储氢合金或钒基储氢合金，储氢材料粉末和膨胀石墨的粒径范围为0.2mm～1.2mm。
8.按照权利要求6所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，传热翅片的中心位置开设有第一通孔、第二通孔，用于多孔不锈钢导流管和回路热管穿过；传热翅片为铜片、铝片或不锈钢片，传热翅片的厚度为0.6mm～1.2mm；传热翅片上沿圆周均匀开有填料孔洞，填料孔洞沿传热翅片的周边等距分布，填料孔洞的直径为3mm～6mm。
9.按照权利要求6所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，回路热管的一段布置于金属氢化物储氢罐内部，回路热管的另一段布置于金属氢化物储氢罐侧面的回路热管换热器，回路热管换热器与换热气体直接接触，高于置于金属氢化物储氢罐内的回路热管，回路热管的倾斜度为与水平面夹角5～15度；每个回路热管由管壳、吸液芯和液体组成，回路热管内部是被抽成负压状态，管壳为金属无缝管，材质为铜、铝、碳钢、不锈钢或合金钢，管壳形状为标准圆柱形；管壳内设有吸液芯和液体，吸液芯为毛细多孔材料，由金属纤维编织而成，所用液体为丙酮、乙醇、水或甲苯。
10.按照权利要求6所述的风冷燃料电池堆用高效金属氢化物储氢系统，其特征在于，在放氢的时候，将燃料电池的冷却风通过换热气体进口导入柜体内，气流先后流经回路热管的一端和第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐，气体所带的热量经过换热翅片和回路热管，将热量导入第一金属氢化物储氢罐、第二金属氢化物储氢罐的内部，从而实现金属氢化物储氢罐放氢过程中氢气的快速释放，释放的氢气经过第一球阀、第二球阀、第六球阀和减压阀后供给燃料电池使用；在充氢的时候，将氢气气源与第二穿板接头相连，打开第四球阀，同时打开侧方第一单向板风扇、第二单向板风扇，吹动柜体上的单向风板打开，将外界环境的气体吹入柜体，气体将金属氢化物储氢装置在吸氢过程中所产生的热量载带出去，该热量经过换热翅片和回路热管传递给气体，从而实现金属氢化物储氢罐的快速吸氢。
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