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CN119315056A - 固体储氢和燃料电池耦合系统及其运行方法 - Google Patents

固体储氢和燃料电池耦合系统及其运行方法 Download PDF

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CN119315056A
CN119315056A CN202310858217.5A CN202310858217A CN119315056A CN 119315056 A CN119315056 A CN 119315056A CN 202310858217 A CN202310858217 A CN 202310858217A CN 119315056 A CN119315056 A CN 119315056A
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solid
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林伟
程涛
王厚朋
龚雪卉
邹亢
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Sinopec Petrochemical Research Institute Co ltd
China Petroleum and Chemical Corp
Original Assignee
Sinopec Petrochemical Research Institute Co ltd
China Petroleum and Chemical Corp
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Abstract

本发明涉及能源系统设计优化技术领域，公开了一种固体储氢和燃料电池耦合系统及其运行方法。所述系统包括固体储氢单元和燃料电池单元；所述固体储氢单元包括固体储氢容器，用于储存氢气和为燃料电池单元提供氢气；所述固体储氢容器包括依次堆叠的导热流体基板和填充有固体储氢复合材料的储氢材料基板；所述导热流体基板刻有第一流道，用于导热流体的通过；所述储氢材料基板刻有第二流道，用于氢气的通过，且第一流道和第二流道不相通；所述燃料电池单元用于将含氧气体和来自所述固体储氢单元的氢气反应发电以及为固体储氢单元放氢提供热量。本发明所述系统可以为燃料电池单元提供稳压稳流的氢气，保证燃料电池单元稳定运行。

Description

固体储氢和燃料电池耦合系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及能源系统设计优化技术领域，具体涉及一种固体储氢和燃料电池耦合系统及其运行方法。
背景技术
燃料电池可以将储存在氢气和氧气中的化学能转化为电能，其具有能量转化效率高、环境友好等优点。燃料电池在运行过程中，约有一半的能量会转化成热能。要使燃料电池稳定运行，实现高效的热量管理也至关重要。
随着全球日益增长的能源需求，以及CO2排放严重、环境污染恶化，人们越来越重视发展清洁可再生的能源。氢能作为一种二次能源，具有来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景广泛等特点，可广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，将逐步成为全球能源技术革命的重要方向。
氢能可储可输，提高氢气储运效率，降低氢气储运成本，是氢气储运技术的发展重点。目前，氢气储存主要包括气态储氢、液态储氢、固体储氢三类方式。高压气态储氢是现阶段储氢的主要方式，具有充放氢速度快、容器结构简单的优点。但是高压气态储氢存在体积密度低、安全性低等缺点，同时现有高压设备、高压储罐技术多依赖进口。液态储氢指将氢气低温液化，储存在低温绝热储液罐中，其具有储氢密度高的优点。但液氢装置成本高、液化过程能耗高、使用过程中存在蒸发损失，是目前亟待解决的问题。固体储氢是指以金属氢化物、纳米材料等作为载体，通过化学吸附或物理吸附实现氢的存储。固体储氢具有储氢密度高、储氢压力低、放氢纯度高、安全性好等优点，是未来氢气储存发展的重要方向。
储氢合金材料，是指通过金属氢化物的形式，将氢气储存的一类材料。储氢合金储氢具有吸放氢可逆性好、单位体积储氢密度高、放氢纯度高、安全性高的优点。金属氢化物由金属合金和氢在特定温度和压力下发生可逆反应形成的。氢气的吸收是一个放热反应，而解吸是一个吸热过程。利用固态储氢系统供氢时，通常需要额外供给热量，满足放氢过程的热量需求，这会带来能量的有效利用率降低。
燃料电池电堆在工作时将氢气和氧气中的化学能转化成电能，但同时也会有部分能量变成热能，产生余热耗散。
因此，亟需研发一种固体储氢和燃料电池耦合系统，提高热量利用率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种固体储氢和燃料电池耦合系统及其运行方法。本发明所述系统可以为燃料电池单元提供稳压稳流的氢气，保证燃料电池单元稳定运行。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种固体储氢和燃料电池耦合系统，所述系统包括固体储氢单元和燃料电池单元；
所述固体储氢单元包括固体储氢容器，用于储存氢气和为燃料电池单元提供氢气；所述固体储氢容器包括依次堆叠的导热流体基板和填充有固体储氢复合材料的储氢材料基板；所述导热流体基板刻有第一流道，用于导热流体的通过；所述储氢材料基板刻有第二流道，用于氢气的通过，且第一流道和第二流道不相通；
所述燃料电池单元用于将含氧气体和来自所述固体储氢单元的氢气进行反应发电以及为固体储氢单元放氢提供热量。
优选地，所述第一流道和第二流道各自独立地为蛇形流道或平行流道。
优选地，所述第一流道和第二流道为蛇形流道，且平行设置。
所述第一流道和第二流道的刻面各自独立地为方形刻面或三角形锯齿刻面，优选为三角形锯齿刻面。
优选地，在所述三角形锯齿刻面中，三角形锯齿顶角的角度为50-120°，优选为60-90°。
本发明第二方面提供一种第一方面所述的固体储氢和燃料电池耦合系统的运行方法，所述方法包括：将含氧气体与来自固体储氢容器的氢气在燃料电池单元中进行反应发电，同时第一导热流体吸收燃料电池发电产生的热量；
其中，所述固体储氢容器的放氢过程包括：吸附有氢气的固体储氢复合材料进行解吸反应，将吸收燃料电池发电产生的热量的第一导热流体送入导热流体基板的第一流道中为氢气的解吸反应提供热量。
通过上述技术方案，本发明的有益效果包括：
本发明所述系统将固体储氢单元与燃料电池单元耦合，本发明提供的所述固体储氢容器包含刻有流道的储氢材料基板和导热流体基板，有利于储氢过程中氢气与固体储氢复合材料充分接触反应，同时使吸氢反应温度保持在有利的位置，提高吸氢速率，减少吸氢时间；有利于通入的导热流体及时将储氢材料基板反应体系中放出的热量移除，提高换热效率；有利于放氢过程中导热流体及时为氢气的解吸提供热量，为燃料电池提供稳压稳流的氢气，保证燃料电池电堆稳定运行。
同时，本发明所述系统可实现固体储氢单元和燃料电池单元之间高效的热量管理和利用，显著提高热量利用率。优选情况下，本发明所述系统将固体储氢单元与燃料电池单元经热耦合单元连接，可将热量循环利用，进一步提高热量利用率，热排放低，对环境影响小。
本发明所述固体储氢容器可以灵活调整储氢材料基板和导热流体基板的数目，从而改变储氢容量，便于与各种功率的燃料电池电堆耦合联用。
附图说明
图1是本发明所述固体储氢和燃料电池耦合系统的结构示意图；
图2是本发明所述固体储氢容器中导热流体基板或储氢材料基板截面的结构示意图；
图3是本发明所述第一流道和第二流道类型的示意图（图3中a为蛇形流道，图3中b为平行流道）；
图4是本发明所述固体储氢容器中导热流体基板或储氢材料基板中流道刻面的示意图（图4中a为方形刻面，图4中b为三角形锯齿刻面，图4中c为波浪形刻面）；
图5是本发明实施例1的放氢速率/放氢比例-运行时间关系图；
图6是本发明实施例2的放氢速率/放氢比例-运行时间关系图；
图7是本发明实施例3的放氢速率/放氢比例-运行时间关系图；
图8是本发明实施例4的放氢速率/放氢比例-运行时间关系图；
图9是对比例1的固体储氢容器的结构示意图；
图10是本发明对比例1的放氢速率/放氢比例-运行时间关系图；
图11是本发明对比例2的放氢速率/放氢比例-运行时间关系图；
图12是实施例5的固体储氢容器-燃料电池装置的结构示意图。
标记说明
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，没有特殊情况说明下，所述“第一”和“第二”既不表示先后次序，也不表示对各个物料或步骤起限定作用，仅是用于区分这不是同一物料或步骤。例如，“第一流道”和“第二流道”中的“第一”和“第二”仅用于表示这不是同一流道。
本发明一方面提供一种固体储氢和燃料电池耦合系统，所述系统包括固体储氢单元I和燃料电池单元II；
所述固体储氢单元I包括固体储氢容器1，用于储存氢气和为燃料电池单元II提供氢气；所述固体储氢容器1包括依次堆叠的导热流体基板5和填充有固体储氢复合材料的储氢材料基板6；所述导热流体基板5刻有第一流道，用于导热流体的通过；所述储氢材料基板6刻有第二流道，用于氢气的通过，且第一流道和第二流道不相通；
所述燃料电池单元II用于将含氧气体和来自所述固体储氢单元I的氢气进行反应发电以及为固体储氢单元I放氢提供热量。
需要说明的是，在燃料电池单元运行过程中，为固体储氢单元I放氢提供热量。初始时，固体储氢单元I放氢所需要的热量由经加热电阻29加热后的储存于下述的热循环单元III中储液罐26的导热流体提供。
具体的，储存于下述的热循环单元III中储液罐26的导热流体经加热电阻29加热后，流入下述的燃料电池电堆2的导热流体循环入口，然后流入下述固体储氢单元I的第一流体管道3，为固体储氢单元I提供放氢所需要的热量。
本发明所述导热流体基板5和填充有固体储氢复合材料的储氢材料基板6依次堆叠可以按照导热流体基板5、储氢材料基板6的顺序以两个基板为一组依次堆叠，也可以按照导热流体基板5、储氢材料基板6、导热流体基板5的顺序以三个基板为一组依次堆叠。
本发明对所述导热流体基板5和储氢材料基板6的堆叠个数没有特别的限定，可以根据应用场合进行适当选择。优选地，所述导热流体基板5和储氢材料基板6的堆叠个数各自独立地为2-100个。
优选地，所述导热流体基板5单侧刻有第一流道，用于导热流体的通过；储氢材料基板6单侧刻有第二流道，用于氢气的通过，且第一流道和第二流道不相通。
本发明所述第一流道和第二流道适用于各种流道类型。为了提高换热效率，在一些优选实施方式中，所述第一流道和第二流道各自独立地为蛇形流道或平行流道。
本发明所述蛇形流道是指单一弯曲的流道，如图3中a所示。
本发明所述平行流道是指由多组相互平行的通道组成的流道，如图3中b所示。
在一些优选实施方式中，所述蛇形流道的单向长度与深度的比值为5-100：1。采用该种优选实施方式，更有利于提高换热效率。
在本发明中，所述单向长度是指蛇形流道同一个方向流通的最远直线距离。
在一些优选实施方式中，所述平行流道的单组长度与深度的比值为5-100：1。采用该种优选实施方式，更有利于提高换热效率。
在本发明中，所述单组长度是指平行流道同一个方向流通的最远直线距离。
在一些优选实施方式中，所述第一流道的深度与导热流体基板5的厚度比为0.4-0.9：1，优选为0.7-0.9：1。采用该种优选实施方式，可以兼顾高传热效率和高体积利用率。
在一些优选实施方式中，所述第一流道体积占导热流体基板5体积的30-90 %，优选为40-70%。采用该种优选实施方式，可以兼顾高传热效率和高体积利用率。
在一些优选实施方式中，所述第二流道的深度与储氢材料基板6的厚度比为0.4-0.9：1，优选为0.7-0.9：1。采用该种优选实施方式，可以兼顾高传热效率和高体积利用率。
在一些优选实施方式中，所述第二流道体积占储氢材料基板6体积的30-90 %，优选为40-70%。采用该种优选实施方式，可以兼顾高传热效率和高体积利用率。
在一些优选实施方式中，所述第一流道和第二流道形状相同，且平行设置。
本发明所述平行设置是指在第一流道中导热流体的流向与第二流道中氢气的流向相同。
在一些优选实施方式中，所述第一流道和第二流道为蛇形流道，且平行设置。采用该种优选实施方式，可以进一步提高传热效率，提高吸氢和放氢速度。
在一些优选实施方式中，沿所述固体储氢容器1中导热流体基板5和储氢材料基板6的堆叠方向，所述第一流道和第二流道同方向设置。
本发明沿所述固体储氢容器中导热流体基板5和储氢材料基板6的堆叠方向，所述第一流道和第二流道同方向设置指的是：
当所述固体储氢容器横向放置（下文提到的密封端板在左右两侧，如图1所示）时，所述第一流道在导热流体基板5的设置位置与所述第二流道设置在储氢材料基板6的设置位置可以同为左侧，也可以同为右侧。
当所述固体储氢容器竖向放置（下文提到的密封端板在上下两侧）时，所述第一流道在导热流体基板5的设置位置与所述第二流道设置在储氢材料基板6的设置位置可以同为上侧，也可以同为下侧。
本发明对所述流道的刻面没有特别的限定，可以是方形刻面，如图4中a所示，也可以是三角形锯齿刻面，如图4中b所示，还可以是波浪形刻面，如图4中c所示。在一些优选实施方式中，所述第一流道和第二流道的刻面各自独立地为方形刻面或三角形锯齿刻面，优选为三角形锯齿刻面。采用该种优选实施方式，可以增大传热面积，从而提高传热效率，使吸氢和放氢速度更快。
在一些优选实施方式中，在所述三角形锯齿刻面中，三角形锯齿为等腰三角形。
在一些优选实施方式中，在所述三角形锯齿刻面中，三角形锯齿顶角的角度为50-120°，优选为60-90°。采用该种优选实施方式，可以进一步增大传热面积，从而提高传热效率，使吸氢和放氢速度更快。
在本发明中，所述第一流道和第二流道的刻面是指基板的实体部分的横截面。
当所述第一流道的刻面为三角形锯齿刻面时，第一流道的单向宽度为三角形锯齿最高点之间的距离。
当所述第二流道的刻面为三角形锯齿刻面时，第二流道的单组宽度为三角形锯齿最高点之间的距离。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢复合材料填充于储氢材料基板6的第二流道中。采用该种优选实施方式，有利于氢气和固体储氢复合材料的充分接触。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢复合材料的填充体积占第二流道体积的40-90%，优选占50-70%。采用该种优选实施方式，可以保证氢气传输速度，同时增大固体储氢复合材料之间的接触，提高传热效率。
本发明对所述固体储氢复合材料的种类选择范围较宽，可以为本领域常规的各种固体储氢复合材料。优选地，所述固体储氢复合材料包括储氢材料和导热材料。采用该种优选实施方式，可以有效提高储氢材料床体传热系数，同时减小吸放氢过程中储氢材料膨胀收缩引起的应力变化。
本发明对所述储氢材料和导热材料的用量没有特别的限定，可以为本领域的常规选择。优选地，储氢材料和导热材料的质量比为1：0.01-0.2。
本发明对所述储氢材料的种类选择范围较宽，可以为本领域的常规选择。优选地，所述储氢材料选自钛系、锆系、钒系和稀土系储氢合金中的至少一种。
优选地，稀土系储氢合金为镧系和/或铈系储氢合金。本发明采用LaNi5储氢材料（镧系储氢合金）作为示例。
本发明对所述导热材料的种类选择范围较宽，可以为本领域的常规选择。优选地，所述导热材料选自膨胀石墨、导热纤维、石墨片、碳纳米管、铝粉、铜粉、钛粉、泡沫铝、泡沫镍和泡沫铜中的至少一种。
上述储氢材料和导热材料均可通过商购获得。
本发明对所述导热流体的种类选择范围较宽，可以为本领域的常规选择。优选地，所述导热流体为水。
优选地，所述水为去离子水或超纯水。
本发明对所述导热流体基板和储氢材料基板的厚度没有特别的限定，可以根据应用场合进行适当选择。优选地，所述导热流体基板5和储氢材料基板6的厚度各自独立地为5-100mm。
本发明对所述导热流体基板和储氢材料基板的体积大小没有特别的限定，可以根据应用场合进行适当选择。
本发明对所述导热流体基板和储氢材料基板的纵截面形状没有特别的限定，可以为规则形状，也可以为不规则形状。优选地，所述导热流体基板5和储氢材料基板6的纵截面形状各自独立地为方形或圆形。
优选地，所述导热流体基板5和储氢材料基板6的纵截面形状相同。
本发明对所述导热流体基板和储氢材料基板的材质没有特别的限定，可以为本领域的常规选择。优选地，所述导热流体基板5和储氢材料基板6的材质各自独立地为铝、铝合金、铜、铜合金、碳钢或不锈钢。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢容器1还设置有第一流体管道3和第二流体管道4，所述第一流体管道3与导热流体基板5的流体入口连通，所述第二流体管道4与导热流体基板5的流体出口连通，用于导热流体的流通。
在一些优选实施方式中，所述第一流体管道3和第二流体管道4的另一侧与冷机相连，用于吸收固体储氢容器1储氢放出的热量。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢容器1还设置有加氢管道9和供氢管道10，所述加氢管道9与储氢材料基板6的气体入口连通，用于对固体储氢复合材料提供氢气；所述供氢管道10与储氢材料基板6的气体出口和燃料电池单元II连通，用于向燃料电池单元II提供氢气。
在一些优选实施方式中，所述加氢管道9另一侧经加氢电磁阀13与加氢设备相连接，用于为固体储氢容器1提供氢气。
在本发明中，当固体储氢容器1储氢时，打开加氢电磁阀13；当固体储氢容器1放氢时，关闭加氢电磁阀13。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢容器1还包括设置于储氢材料基板6气体入口和气体出口处的过滤器11，用于防止固体储氢复合材料粉末的流出。
本发明对所述过滤器11的种类选择没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，本发明对此不作要求。
本发明对所述过滤器11的精度没有特别的限定，可依据固体储氢复合材料颗粒尺寸设计。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢容器1还包括密封端板7，用于将所述固体储氢容器1密封。
本发明对所述密封端板7的厚度、体积、材质及纵截面形状选择与上述导热流体基板5、储氢材料基板6相同。
在一些优选实施方式中，所述密封端板7置于固体储氢容器的两端，将所述固体储氢容器1进行密封。
在一些优选实施方式中，所述密封端板7置于固体储氢反应器的两端，通过螺栓12将所述固体储氢反应器进行密封。
在一些优选实施方式中，所述导热流体基板5、储氢材料基板6、封端板7上设置有螺栓口8。
在一些优选实施方式中，所述螺栓12通过螺栓口8。
在一些优选实施方式中，该系统还包括设置于固体储氢容器1和燃料电池单元II之间的氢气储罐16，用于缓冲来自固体储氢容器1的氢气。
在一些优选实施方式中，所述氢气储罐16入口与固体储氢容器1的供氢管道10相连接，出口与燃料电池单元II相连接。
在本发明中，所述氢气储罐16可设置有一个入口和出口，也可以设置多个入口和出口，具体可根据实际情况进行适当选择。
在一些优选实施方式中，该系统还包括设置在供氢管道10与所述氢气储罐16入口之间的背压阀15，用于调控固体储氢容器1的压力。采用该种优选实施方式，可以维持固体储氢容器1稳压放氢。
在一些优选实施方式中，该系统还包括设置在供氢管道10与背压阀15之间的压力传感器14，用于监测固体储氢容器1的压力。
在一些优选实施方式中，该系统还包括设置在所述氢气储罐16出口与燃料电池单元II之间的流量计18，用于为燃料电池单元II持续提供氢气。
在一些优选实施方式中，该系统还包括设置在所述氢气储罐16出口与流量计18之间的氢气减压阀17，用于为燃料电池单元II提供所需的氢气压力。
在一些优选实施方式中，燃料电池单元II包括燃料电池电堆2，所述燃料电池电堆2的阳极气体入口与氢气储罐16出口相连接，用于接收氢气；所述燃料电池电堆2的阳极气体出口经氢气压缩泵19与氢气储罐16底部入口相连接，用于回收未反应完的氢气。采用该种优选实施方式，回收未反应完的氢气，可节约能源。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池电堆2的阴极气体入口用于接收含氧气体；所述燃料电池电堆2的阴极气体出口用于将含氧气体排出系统外。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池电堆2的阴极气体入口设置有含氧气体过滤器23，用于过滤含氧气体中的颗粒物。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池电堆2的阴极气体入口与含氧气体过滤器23之间设置有含氧气体压缩泵22，用于泵取含氧气体，提供燃料电池阴极所需的氧气。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池电堆2的阴极气体入口与含氧气体压缩泵22之间设置有含氧气体加湿器21，用于给含氧气体加湿。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池电堆2的阴极气体入口与含氧气体加湿器21之间设置有含氧气体减压阀20，用于为燃料电池单元II提供所需的含氧气体压力。
在一些优选实施方式中，所述含氧气体为空气或氧气。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池电堆2的阴极气体出口设置有单向阀24，用于控制含氧气体排出系统外。
当所述燃料电池单元II运行时，则关闭单向阀24；当所述燃料电池单元II结束运行时，则打开单向阀24，将未反应完的含氧气体排出系统外。
在一些优选实施方式中，该系统还包括热循环单元III，所述热循环单元III与燃料电池单元II和固体储氢单元I相连接，用于热量循环利用。
在一些优选实施方式中，所述热循环单元III包括储液罐26，所述储液罐26入口与固体储氢容器1的第二流体管道4相连接，用于回收来自固体储氢容器1的导热流体；所述储液罐26出口与燃料电池电堆2导热流体循环入口相连接，用于吸收燃料电池单元II产生的热量。
在一些优选实施方式中，燃料电池电堆2导热流体循环出口与固体储氢容器1的第一流体管道3相连接，用于为固体储氢容器1放氢提供热量。
在一些优选实施方式中，所述热循环单元III还包括加热电阻29，所述加热电阻29置于储液罐26下方位置，用于系统冷启动时预加热。
在一些优选实施方式中，所述热循环单元III还包括温度传感器25，所述温度传感器25置于储液罐26上方位置，用于温度检测。
在一些优选实施方式中，所述储液罐26出口依次经电磁阀27、循环泵28与燃料电池电堆2导热流体循环入口相连接，用于吸收燃料电池单元II产生的热量。
根据本发明的一种特别优选的实施方式，如图1所示，系统冷启动，加热电阻29用于系统启动时加热储液罐26中的导热流体，达到固体储氢容器1放氢以及燃料电池电堆2工作所需温度，温度传感器25用于监测储液罐26中的水温。当燃料电池单元II运行时，调节背压阀15以及通过压力传感器14监测压力，使得固体储氢单元I的固体储氢容器1放氢；来自固体储氢容器1的氢气经氢气储罐16、第一减压阀17、流量计18进入燃料电池电堆2的阳极气体入口。同时含氧气体经含氧气体过滤器23、含氧气体压缩泵22和含氧气体加湿器21、含氧气体减压阀20进入燃料电池电堆2的阴极气体入口。阴极的氧气与阳极的氢气分别在燃料电池电堆2的阴极和阳极进行反应发电供给外电路，同时产生部分热量，来自热循环单元III中储液罐26的导热流体经电磁阀27、循环泵28从燃料电池电堆2的导热流体循环入口进入燃料电池电堆2吸收燃料电池发电产生的热量。
未反应完的氢气从阳极气体出口经氢气压缩泵19返回至氢气储罐16进行回收利用。
未反应完的氧气从阴极气体出口经单向阀24排出系统外。
所述吸收燃料电池发电产生的热量的导热流体从燃料电池电堆2的导热流体循环出口送入固体储氢容器1的第一流体管道3，为固体储氢容器1放氢提供热量，被吸取热量的导热流体经第二流体管道4进入热循环单元III的储液罐26。
当固体储氢容器1储氢时，打开加氢电磁阀13，来自加氢设备的氢气从加氢管道9通入储氢材料基板6的第二流道与固体储氢复合材料发生吸氢反应，通过背压阀15调节压力以及压力传感器14监测压力至吸氢反应所需压力；同时外部提供的导热流体从第一流体管道3进入导热流体基板5的第一流道，用于吸收吸氢反应产生的热量。吸收吸氢反应产生的热量后的导热流体经第二流体管道4进入热循环单元III的储液罐26。
本发明第二方面提供一种第一方面所述的固体储氢和燃料电池耦合系统的运行方法，所述方法包括：将含氧气体与来自固体储氢容器的氢气在燃料电池单元进行反应发电，同时第一导热流体吸收燃料电池发电的热量；
其中，所述固体储氢容器的放氢过程包括：吸附有氢气的固体储氢复合材料进行解吸反应，将吸收燃料电池发电的热量的第一导热流体送入导热流体基板的第一流道中为氢气的解吸反应提供热量。
在一些优选实施方式中，所述燃料电池发电的条件包括：温度为50-120℃，压力为0.1-3MPa。
在一些优选实施方式中，本发明对所述燃料电池单元的功率没有特别的限定，可为本领域常规的各种功率的燃料电池单元。
在一些优选实施方式中，所述第一导热流体来自于热循环单元。
在一些优选实施方式中，放氢过程中被吸取热量的第一导热流体返回热循环单元进行循环利用。采用该种优选实施方式，可以有效提高热量利用率。
在一些优选实施方式中，在放氢过程中，所述解吸反应的条件包括：温度为50-120℃，压力为0.1-4MPa。
在一些优选实施方式中，在放氢过程中，所述氢气的流速为1-1000L/min。
在一些优选实施方式中，所述固体储氢容器的储氢过程包括：将氢气送入储氢材料基板的第二流道中，与固体储氢复合材料进行吸氢反应，将第二导热流体送入导热流体基板的第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量。
在一些优选实施方式中，在储氢过程中，所述吸氢反应的条件包括：温度为0-50℃；压力为0.1-10MPa。
在一些优选实施方式中，在储氢过程中，所述第二导热流体的流速为0.1-1000L/min。
本发明对所述第一导热流体与第二导热流体的种类没有特别的限定，可为本领域的常规选择。在一些优选实施方式中，所述第一导热流体与第二导热流体为水。
优选地，所述水为去离子水或超纯水。
储氢过程中的第二导热流体可由外部提供，也可以由固体储氢容器储存的导热流体提供，也可以由热循环单元储液罐储存的导热流体提供。在一些优选实施方式中，储氢过程中的第二导热流体由外部提供。
在一些优选实施方式中，储氢过程中吸取吸氢反应热量的第二导热流体返回热循环单元进行循环利用。采用该种优选实施方式，可以进一步提高热量利用率。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
利用comsol软件对反应器进行数值模拟计算。构建质量、能量和动量平衡方程，具体方程如下：
储氢材料的质量守恒方程：
气体的质量守恒方程：
其中，m为质量变化量，ε为内罐体1中储氢材料孔隙率，ρ s为储氢材料密度，t为反应时间，u g为氢气的速度场，ρ g为气体密度。
氢气的速度场使用达西定律计算：
其中，K为渗透率，μ g为氢气粘度系数，P g为氢气压强。
对于吸氢反应过程，反应速率方程如下：
对于放氢反应过程，反应速率方程如下：
其中，C a和C d分别是吸氢和放氢反应的指前因子，E a和E d分别是吸氢和放氢反应的活化能，R g是气体常数，T是反应温度，P eq是化学反应平衡压力，ρ ss为吸氢完全后储氢材料的密度，ρ 0为储氢材料的初始密度。
对于化学反应平衡压力，可以由Van’t Hoff方程给出：
内罐体1中吸放氢反应的能量平衡方程如下：
其中，M g为氢气的摩尔质量；
储氢床体的有效热容为：
储氢床体的有效热导率为：
其中，C p,g和C p,s分别为氢气和储氢材料热容，λe和λg分别为氢气和储氢材料有效热导率。
对于导热流体，质量平衡方程为：
其中，ρ f为导热流体密度，u f为导热流体速度场。
对于导热流体，动量平衡方程如下：
流体内部传热方程如下：
其中：
其中，C p,f为导热流体热容，λf为导热流体有效热导率，P f为导热流体压强。
对于罐体壁和隔板等固体材料，热量传递方程如下：
其中，为固体（罐体壁或隔板）的热容，为固体（罐体壁或隔板）的有效热导率。
内罐体、外罐体和隔板之间的传热方程为：
其中，q为热通量，h为两者间传热系数，T 1和T 2分别指发生传热的相邻两相的接触面各自温度（如当计算内罐体和隔板之间传热时，T 1和T 2分别指内罐体和隔板的接触面温度）。
实施例1
如图1所示，固体储氢容器1包括导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7、第一流体管道3、第二流体管道4、加氢管道9和供氢管道10。导热流体基板5、储氢材料基板6和密封端板7均为长为220 mm、宽为44 mm、厚度为12 mm的304不锈钢材质的长方体结构。导热流体基板5和储氢材料基板6为一组堆叠，堆叠组数为4组，2个密封端板7分别堆叠于容器两端通过螺栓12密封。导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7上分布有螺栓口8，所述螺栓12通过螺栓口8。
如图2和图3所示，导热流体基板5和储氢材料基板6单侧（沿通入氢气和导热流体方向，均设置在右侧）分别刻有蛇形液体流道（第一流道）和蛇形气体流道（第二流道），第一流道和第二流道不相通。流道入口和出口位于基板两端，流道平行设置。如图4中a所示，流道刻面为方形刻面。
导热流体基板5的第一流道的单向长度与深度的比值为21：1，第一流道深度与基板厚度之比为0.88:1，第一流道体积与基板体积之比为0.58:1。第一流道中通有导热流体去离子水。
储氢材料基板6的第二流道的单向长度与深度的比值为21：1，第二流道深度与基板厚度之比为0.88:1，第二流道体积与基板体积之比为0.58:1。固体储氢复合材料置于储氢材料基板6的第二流道中，固体储氢复合材料由LaNi5储氢材料与膨胀石墨混合而成，两者的质量比为1：0.03。固体储氢复合材料的填充体积占第二流道的体积为50%。
所述第一流体管道3与导热流体基板5的流体入口连通，所述第二流体管道4与导热流体基板5的流体出口连通，用于导热流体的流通。
所述加氢管道9与储氢材料基板6的气体入口连通，所述供氢管道10与储氢材料基板6的气体出口和燃料电池单元II连通。
储氢材料基板6的气体入口和出口处均有过滤器11，所述过滤器11为316不锈钢烧结多孔材料，过滤精度为0.5 μm。
固体储氢容器储氢时，打开加氢电磁阀13与氢气钢瓶连接，自动调节背压阀15压力为0.8 MPa。监测压力传感器14压力，直至压力达到所设加氢压力。氢气入口压力维持在0.8 MPa通入储氢材料基板6的第二流道中，与固体储氢复合材料在20℃的初始温度下进行吸氢反应。在每个导热流体基板5中，将外部引入的20℃的第二导热流体（去离子水）以3 L/min的流速送入其第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量，储氢过程中吸取吸氢反应热量的第二导热流体返回热循环单元进行循环利用。相比于对比例，导热流体在第一流体流道中流动更为均匀，具有更高的换热效率，使储氢床体与导热流体具有更快的热量交换效率，可以将储氢材料吸氢所产生的热量更快地传递到导热流体，避免储氢材料温度过高，从而有利于提高吸氢速率，减少吸氢时间。
燃料电池运行时，通过调节背压阀15降低固体储氢容器1中的氢气压力至0.2MPa，使固体储氢容器1放氢，放氢速度为40 L/min。利用加热电阻29为导热流体（去离子水）预加热，达到燃料电池所需工作温度75℃。调节氢气减压阀17至0.18 MPa，维持稳定压力用于提供燃料电池所需氢气。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极进行反应发电，燃料电池单元的功率为4 kW。同时来自热循环单元的第一导热流体吸收燃料电池发电的热量；将吸收燃料电池发电的热量的大约70℃的第一导热流体送入固体储氢容器1导热流体基板5的第一流道中为放氢提供热量，放氢过程中被吸取热量的第一导热流体返回热循环单元进行循环利用。在上述过程中，可以使用燃料电池工作余热用以固态储氢放热，维持固体储氢装置稳压稳流放氢，同时提高能量利用效率。
利用上述方程，计算得到反应器内各参数随时间的变化值。
如图5所示，固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作370 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时固态储氢装置释放出储存的91wt%总量的氢气。这说明本发明所述固态储氢容器具有良好的换热效果，放氢速率高，而且储存的氢气中绝大部分均可快速释放以满足燃料电池满功率稳定运行需求。
相比传统的固态储氢-燃料电池耦合装置（对比例1）持续工作时间提高至2.5倍，相比无流道的固体储氢-燃料电池耦合装置（对比例2），持续工作时间提高至1.5倍。
相比无热循环单元耦合的固态储氢容器-燃料电池装置（实施例5），减少放氢过程为固态储氢容器供热共425 kJ。
实施例2
如图1所示，固体储氢容器1包括导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7、第一流体管道3、第二流体管道4、加氢管道9和供氢管道10。导热流体基板5、储氢材料基板6和密封端板7均为长为70 mm、宽为44 mm、厚度为15 mm的304不锈钢材质的长方体结构。导热流体基板5和储氢材料基板6为一组堆叠，堆叠组数为14组，2个密封端板7分别堆叠于容器两端，通过螺栓12密封。导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7上分布有螺栓口8，所述螺栓12通过螺栓口8。
如图2和图3所示，导热流体基板5和储氢材料基板6单侧（沿通入氢气和导热流体方向，均设置在右侧）分别刻有蛇形液体流道（第一流道）和蛇形气体流道（第二流道），第一流道和第二流道不相通。流道入口和出口位于基板两侧，流道平行设置。如图4中a所示，流道刻面为方形刻面。
导热流体基板5上的第一流道的单向长度与深度的比值为6：1，第一流道深度与基板厚度之比为0.67:1，流道体积与基板体积之比为0.42:1。第一流道中通有导热流体去离子水。
储氢材料基板6的第二流道的单向长度与深度的比值为6：1，第二流道深度与基板厚度之比为0.67:1，流道体积与基板体积之比为0.42:1。固体储氢复合材料置于储氢材料基板6的第二流道中，固体储氢复合材料由LaNi5储氢材料与膨胀石墨混合而成，两者的质量比为1：0.03。固体储氢复合材料的填充体积占第二流道的体积比例为50%。
所述第一流体管道3与导热流体基板5的流体入口连通，所述第二流体管道4与导热流体基板5的流体出口连通，用于导热流体的流通。
所述加氢管道9与储氢材料基板6的气体入口连通，所述供氢管道10与储氢材料基板6的气体出口和燃料电池单元II连通。
储氢材料基板6的气体入口和出口处均有过滤器11，所述过滤器11为316不锈钢烧结多孔材料，过滤精度为0.5 μm。
固体储氢容器储氢时，打开加氢电磁阀13与氢气钢瓶连接，自动调节背压阀15压力为4 MPa。监测压力传感器14压力，直至压力达到所设加氢压力。氢气入口压力维持在4MPa通入储氢材料基板6的第二流道中，与固体储氢复合材料在20℃的初始温度下进行吸氢反应。在每个导热流体基板5中，将外部引入的20℃的第二导热流体（去离子水）以1.4 L/min的流速送入其第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量，储氢过程中吸取吸氢反应热量的第二导热流体返回热循环单元进行循环利用。相比于对比例，导热流体在第一流体流道中流动更为均匀，具有更高的换热效率，使储氢床体与导热流体具有更快的热量交换效率，可以将储氢材料吸氢所产生的热量更快地传递到导热流体，避免储氢材料温度过高，从而有利于提高吸氢速率，减少吸氢时间。
燃料电池运行时，通过调节背压阀15降低固体储氢容器1中的氢气压力至0.2MPa，使固体储氢容器1放氢，放氢速度为40 L/min。利用加热电阻29为导热流体（去离子水）预加热，达到燃料电池所需工作温度75 ℃。调节氢气减压阀17至0.18 MPa，维持稳定压力用于提供燃料电池所需氢气。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极进行反应发电，燃料电池单元的功率为4 kW。同时来自热循环单元的第一导热流体吸收燃料电池发电的热量；将吸收燃料电池发电的热量的大约70℃的第一导热流体送入固体储氢容器1导热流体基板5的第一流道中为放氢提供热量，放氢过程中被吸取热量的第一导热流体返回热循环单元进行循环利用。在上述过程中，可以使用燃料电池工作余热用以固态储氢放热，热量利用率明显提高。
如图6所示，固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作361 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时固态储氢装置释放出储存的90wt%总量的氢气。
相比传统的固态储氢-燃料电池耦合装置（对比例1）持续工作时间提高至2.4倍，相比无流道的固体储氢-燃料电池耦合装置（对比例2），持续工作时间提高至1.5倍。
实施例3
如图1所示，固体储氢容器1包括导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7、第一流体管道3、第二流体管道4、加氢管道9和供氢管道10。导热流体基板5、储氢材料基板6和密封端板7均为长110 mm，宽40mm，厚7mm的304不锈钢材料。导热流体基板5和储氢材料基板6为一组堆叠，堆叠组数为16组，2个密封端板7分别堆叠于容器两端，通过螺栓12密封。导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7上分布有螺栓口8，所述螺栓12通过螺栓口8。
如图2和图3所示，导热流体基板5和储氢材料基板6单侧（沿通入氢气和导热流体方向，均设置在右侧）分别刻有蛇形液体流道（第一流道）和蛇形气体流道（第二流道），第一流道和第二流道不相通。流道入口和出口位于基板两侧，流道平行设置。如图4中b所示，流道刻面为三角形锯齿刻面，三角形锯齿为等腰三角形，顶角角度为90°。
导热流体基板5上的第一流道的单向长度与深度的比值为17：1，第一流道深度与基板厚度之比为0.83:1，流道体积与基板体积之比为0.54:1。第一流道中通有导热流体去离子水。
储氢材料基板6的第二流道的单向长度与深度的比值为17：1，第二流道深度与基板厚度之比为0.83:1，流道体积与基板体积之比为0.54:1。固体储氢复合材料置于储氢材料基板6的第二流道中，固体储氢复合材料由LaNi5储氢材料与膨胀石墨混合而成，两者的质量比为1：0.05。固体储氢复合材料占第二流道的体积比例为50%。
所述第一流体管道3与导热流体基板5的流体入口连通，所述第二流体管道4与导热流体基板5的流体出口连通，用于导热流体的流通。
所述加氢管道9与储氢材料基板6的气体入口连通，所述供氢管道10与储氢材料基板6的气体出口和燃料电池单元II连通。
每储氢材料基板6的气体入口和出口处均有过滤器11，所述过滤器11为316不锈钢烧结多孔材料，过滤精度为0.5 μm。
固体储氢容器储氢时，打开加氢电磁阀13与氢气钢瓶连接，自动调节背压阀15压力为4 MPa。监测压力传感器14压力，直至压力达到所设加氢压力。氢气入口压力维持在4MPa通入储氢材料基板的第二流道中，与固体储氢复合材料在20℃的初始温度下进行吸氢反应。在每个导热流体基板5中，将外部引入的20℃的第二导热流体（去离子水）以0.72 L/min的流速送入其第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量，储氢过程中吸取吸氢反应热量的第二导热流体返回热循环单元进行循环利用。相比于对比例，导热流体在第一流体流道中流动更为均匀，具有更高的换热效率，使储氢床体与导热流体具有更快的热量交换效率，可以将储氢材料吸氢所产生的热量更快地传递到导热流体，避免储氢材料温度过高，从而有利于提高吸氢速率，减少吸氢时间。
燃料电池运行时，通过调节背压阀15降低固体储氢容器1中的氢气压力至0.2MPa，使固体储氢容器1放氢，放氢速度为40 L/min。利用加热电阻29为导热流体（去离子水）预加热，达到燃料电池所需工作温度75℃。调节氢气减压阀17至0.18 MPa，维持稳定压力用于提供燃料电池所需氢气。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极发生电化学反应发电，燃料电池单元的功率为4 kW。同时来自热循环单元的第一导热流体吸收燃料电池发电的热量；将吸收燃料电池发电的热量的大约70℃的第一导热流体送入固体储氢容器1导热流体基板5的第一流道中为放氢提供热量，放氢过程中被吸取热量的第一导热流体返回热循环单元进行循环利用。
如图7所示，固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作397 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时固态储氢装置释放出储存的97wt%总量的氢气。
相比传统的固态储氢-燃料电池耦合装置（对比例1）持续工作时间提高至2.6倍，相比无流道的固体储氢-燃料电池耦合装置（对比例2），持续工作时间提高至1.6倍。
实施例4
如图1所示，固体储氢容器1包括导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7、第一流体管道3、第二流体管道4、加氢管道9和供氢管道10。导热流体基板5、储氢材料基板6和密封端板7均为长为110 mm、宽为40 mm、厚度为7 mm的304不锈钢材质的长方体结构。导热流体基板5和储氢材料基板6为一组堆叠，堆叠组数为22组，2个密封端板7分别堆叠于容器两端，通过螺栓12密封。导热流体基板5、储氢材料基板6、密封端板7上分布有螺栓口8，所述螺栓12通过螺栓口8。
如图2和图3所示，导热流体基板5和储氢材料基板6单侧（沿通入氢气和导热流体方向，均设置在右侧）分别刻有平行液体流道（第一流道）和平行气体流道（第二流道），第一流道和第二流道不相通。流道入口和出口位于基板两侧，流道平行设置。如图4中a所示，流道刻面为方形刻面。
导热流体基板5上的第一流道单组长度与深度的比值为22：1，第一流道深度与基板厚度之比为0.71:1，流道体积与基板体积之比为0.39:1。第一流道中通有导热流体去离子水。
储氢材料基板6的第二流道单组长度与深度的比值为22：1，第二流道深度与基板厚度之比为0.71:1，流道体积与基板体积之比为0.39:1。固体储氢复合材料置于储氢材料基板6的第二流道中，固体储氢复合材料由LaNi5储氢材料与膨胀石墨混合而成，两者的质量比为1：0.03。固体储氢复合材料的填充体积占第二流道的体积比例为50%。
所述第一流体管道3与导热流体基板5的流体入口连通，所述第二流体管道4与导热流体基板5的流体出口连通，用于导热流体的流通。
所述加氢管道9与储氢材料基板6的气体入口连通，所述供氢管道10与储氢材料基板6的气体出口和燃料电池单元II连通。
储氢材料基板6的气体入口和出口处均有过滤器11，所述过滤器11为316不锈钢烧结多孔材料，过滤精度为0.5 μm。
固体储氢容器储氢时，打开加氢电磁阀13与氢气钢瓶连接，自动调节背压阀15压力为0.8 MPa。监测压力传感器14压力，直至压力达到所设加氢压力。氢气入口压力维持在0.8 MPa通入储氢材料基板的第二流道中，与固体储氢复合材料在20℃的初始温度下进行吸氢反应。在每个导热流体基板5中，将外部引入的20℃的第二导热流体（去离子水）以3 L/min的流速送入其第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量，储氢过程中吸取吸氢反应热量的第二导热流体返回热循环单元进行循环利用。相比于对比例，导热流体在第一流体流道中流动更为均匀，具有更高的换热效率，使储氢床体与导热流体具有更快的热量交换效率，可以将储氢材料吸氢所产生的热量更快地传递到导热流体，避免储氢材料温度过高，从而有利于提高吸氢速率，减少吸氢时间。
燃料电池运行时，通过调节背压阀15降低固体储氢容器1中的氢气压力至0.2MPa，使固体储氢容器1放氢，放氢速度为40 L/min。利用加热电阻29为导热流体（去离子水）预加热，达到燃料电池所需工作温度75℃。调节氢气减压阀17至0.4 MPa，维持稳定压力用于提供燃料电池所需氢气。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极进行反应发电，燃料电池单元的功率为1.8 kW。同时来自热循环单元的第一导热流体吸收燃料电池发电的热量；将吸收燃料电池发电的热量的大约70℃的第一导热流体送入固体储氢容器1导热流体基板的第一流道中为放氢提供热量，放氢过程中被吸取热量的第一导热流体返回热循环单元进行循环利用。在上述过程中，可以使用燃料电池工作余热用以固态储氢放热，热量利用率明显提高。
如图8所示，固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作276 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时固态储氢装置释放出储存的69wt%总量的氢气。
相比传统的固态储氢-燃料电池耦合装置（对比例1）持续工作时间提高至1.8倍，相比无流道的固体储氢-燃料电池耦合装置（对比例2），持续工作时间提高至1.1倍。
实施例5
按照实施例1的方法进行，不同的是，如图12所示，该系统中不存在热循环单元III。固体储氢容器的第一流体管道3不再与燃料电池单元II相连，固体储氢容器的第二流体管道4不再与热循环单元III相连，而是均直接与外部加热制冷恒温循环水浴连接；燃料电池电堆的导热流体循环入口不再与热循环单元III相连，燃料电池电堆的导热流体循环出口不再与固体储氢单元I连接，而是均直接与外部恒温水浴连接。
固体储氢容器储氢时，打开加氢电磁阀13与氢气钢瓶连接，自动调节背压阀15压力为0.8 MPa。监测压力传感器14压力，直至压力达到所设加氢压力。氢气入口压力维持在0.8 MPa通入储氢材料基板的第二流道中，与固体储氢复合材料在20℃的初始温度下进行吸氢反应。在每个导热流体基板5中，将外部引入的20℃的第二导热流体（去离子水）以3 L/min的流速送入其第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量。
燃料电池运行时，通过调节背压阀15降低固体储氢容器1中的氢气压力至0.2MPa，使固体储氢容器1放氢，放氢速度为40 L/min。利用外部恒温水浴为燃料电池供热，达到燃料电池所需工作温度75℃。调节氢气减压阀17至0.18 MPa，维持稳定压力用于提供燃料电池所需氢气。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极进行反应发电，燃料电池单元的功率为4 kW。
固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作370 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时外部需额外提供340 KJ的热量，满足放氢过程吸热需求。
对比例1
现有技术的固体储氢和燃料电池耦合系统
如图9所示对比例，固体储氢容器（储氢合金反应器）由圆柱形内罐体、圆柱形外罐体、流体管道以及气管组成，外罐体套设在内罐体外部，内罐体和外罐体均为304不锈钢材质。内罐体的高度为137 mm，内罐体的内直径为50 mm，外罐体的高度为137 mm，外罐体的内直径为70 mm，内罐体体积与实施例1第二流道总体积相同。气管设置在内罐体的顶部，与内罐体连通，气管的直径为6 mm，气管内部设置有过滤器，过滤器由烧结316L不锈钢制成，其精度为2μm，氢气经过滤器过滤后通过气管进入或排出内罐体。固体储氢复合材料置于内罐体中，固体储氢复合材料由LaNi5储氢材料与膨胀石墨混合而成，两者的质量比为1：0.03。固体储氢复合材料占第二流道的体积比例为50%。导热流体通入外罐体的流体管道中，导热流体为去离子水。
在储氢过程中，氢气入口压力维持在0.8 MPa通入内罐体中，与内罐体1内的固体储氢复合材料在初始温度20℃的温度的压力下进行吸氢反应；将温度为20 ℃的外部去离子水经流体入口以0.8 L/min的流速从外罐体的流体管道入口通入，吸取吸氢反应产生的热量再经流体管道出口流出。由于去离子水在外罐体分布不均匀，部分区域去离子水与储氢材料无法充分换热，无法移动吸氢过程产生的热量，吸氢速率较低。
燃料电池运行时，控制内罐体的氢气压力至0.2 MPa，使固体储氢容器放氢，放氢速度为40 L/min。将温度为75℃的外部去离子水经流体入口以3 L/min的流速从外罐体的流体管道入口通入，提供放氢反应所需的热量再经流体管道出口流出。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极进行反应发电，燃料电池单元的功率为4 kW。将吸收燃料电池发电的热量的大约70℃的去离子水送入储氢合金反应器的内罐体中为放氢提供热量，放氢过程中被吸取热量的去离子水返回热循环单元进行循环利用。
如图10所示，固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作151 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时固态储氢装置释放出储存的42wt%总量的氢气。
对比例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，固体储氢容器的导热流体基板5和储氢材料基板6不设置有流道，而是设置有方形凹槽。
导热流体基板5刻有方形凹槽，凹槽两端分别设有液体入口和出口。凹槽长度与深度的比值为21：1，凹槽深度与基板厚度之比为0.8:1，凹槽体积与基板体积之比为0.58:1。凹槽中通有去离子水。
储氢材料基板6刻有方形凹槽，凹槽两端分别设有气体入口和出口。凹槽长度与深度的比值为21：1，凹槽深度与基板厚度之比为0.8:1，凹槽体积与基板体积之比为0.58:1，凹槽总体积与实施例1中的储氢材料基板6的第二流道总体积相同。凹槽内放有固态储氢复合材料，固体储氢复合材料由LaNi5储氢材料与膨胀石墨混合而成，两者的质量比为1：0.03。固态储氢复合材料占凹槽体积为50%。
固体储氢容器储氢时，打开加氢电磁阀13与氢气钢瓶连接，自动调节背压阀15压力为0.8 MPa。监测压力传感器14压力，直至压力达到所设加氢压力。氢气入口压力维持在0.8 MPa通入储氢材料基板的凹槽中，与固体储氢复合材料在20℃的初始温度下进行吸氢反应。将外部引入的20℃的第二导热流体（去离子水）以3 L/min的流速送入导热流体基板5的凹槽中，吸取吸氢反应产生的热量，储氢过程中吸取吸氢反应热量的第二导热流体返回热循环单元进行循环利用。由于去离子水在凹槽结构中分布不均匀，部分区域去离子水与储氢材料无法充分换热，无法充分移走储氢材料吸氢产生的热量，吸氢速率较低。
燃料电池运行时，通过调节背压阀15降低固体储氢容器1中的氢气压力至0.2MPa，使固体储氢容器1放氢，放氢速度为40 L/min。利用加热电阻29为导热流体（去离子水）预加热，达到燃料电池所需工作温度75℃。调节氢气减压阀17至0.18MPa，维持稳定压力用于提供燃料电池所需氢气。在燃料电池单元，阳极的氢气和阴极的氧气在两极进行反应发电，燃料电池单元的功率为4 kW。同时来自热循环单元的第一导热流体吸收燃料电池发电的热量；将吸收燃料电池发电的热量的大约70℃的第一导热流体送入固体储氢容器导热流体基板的凹槽中为放氢提供热量，放氢过程中被吸取热量的第一导热流体返回热循环单元进行循环利用。在上述过程中，可以使用燃料电池工作余热用以固态储氢放热，热量利用率明显提高。
如图11所示，固态储氢装置可维持40 L/min的放氢速率持续工作248 s，维持燃料电池4 kW的功率运行，此时固态储氢装置释放出储存的53wt%总量的氢气。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种固体储氢和燃料电池耦合系统，其特征在于，所述系统包括固体储氢单元（I）和燃料电池单元（II）；
所述固体储氢单元（I）包括固体储氢容器（1），用于储存氢气和为燃料电池单元（II）提供氢气；所述固体储氢容器（1）包括依次堆叠的导热流体基板（5）和填充有固体储氢复合材料的储氢材料基板（6）；所述导热流体基板（5）刻有第一流道，用于导热流体的通过；所述储氢材料基板（6）刻有第二流道，用于氢气的通过，且第一流道和第二流道不相通；
所述燃料电池单元（II）用于将含氧气体和来自所述固体储氢单元（I）的氢气进行反应发电以及为固体储氢单元（I）放氢提供热量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第一流道和第二流道各自独立地为蛇形流道或平行流道；
优选地，所述蛇形流道的单向长度与深度的比值为5-100：1；
优选地，所述平行流道的单组长度与深度的比值为5-100：1；
优选地，所述第一流道的深度与导热流体基板（5）的厚度比为0.4-0.9：1，优选为0.7-0.9：1；
优选地，所述第一流道体积占导热流体基板（5）体积的30-90 %，优选为40-70%；
优选地，所述第二流道的深度与储氢材料基板（6）的厚度比为0.4-0.9：1，优选为0.7-0.9：1；
优选地，所述第二流道体积占储氢材料基板（6）体积的30-90 %，优选为40-70%。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，
所述第一流道和第二流道形状相同，且平行设置；
优选地，所述第一流道和第二流道为蛇形流道，且平行设置；
优选地，沿所述固体储氢容器（1）中导热流体基板（5）和储氢材料基板（6）的堆叠方向，所述第一流道和第二流道同方向设置。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的系统，其中，
所述第一流道和第二流道的刻面各自独立地为方形刻面或三角形锯齿刻面，优选为三角形锯齿刻面；
优选地，在所述三角形锯齿刻面中，三角形锯齿顶角的角度为50-120°，优选为60-90°。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的系统，其中，
所述固体储氢复合材料填充于储氢材料基板（6）的第二流道中；
优选地，所述固体储氢容器（1）还设置有第一流体管道（3）和第二流体管道（4），所述第一流体管道（3）与导热流体基板（5）的流体入口连通，所述第二流体管道（4）与导热流体基板（5）的流体出口连通，用于导热流体的流通；
优选地，所述固体储氢容器（1）还设置有加氢管道（9）和供氢管道（10），所述加氢管道（9）与储氢材料基板（6）的气体入口连通，用于对固体储氢复合材料提供氢气；所述供氢管道（10）与储氢材料基板（6）的气体出口和燃料电池单元（II）连通，用于向燃料电池单元（II）提供氢气；
优选地，所述固体储氢容器（1）还包括设置于储氢材料基板（6）气体入口和气体出口处的过滤器（11），用于防止固体储氢复合材料粉末的流出；
优选地，所述固体储氢容器（1）还包括密封端板（7），用于将所述固体储氢容器（1）密封。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，
该系统还包括设置于固体储氢容器（1）和燃料电池单元（II）之间的氢气储罐（16），用于缓冲来自固体储氢容器（1）的氢气；
优选地，所述氢气储罐（16）入口与固体储氢容器（1）的供氢管道（10）相连接，出口与燃料电池单元（II）相连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，
燃料电池单元（II）包括燃料电池电堆（2），所述燃料电池电堆（2）的阳极气体入口与氢气储罐（16）出口相连接，用于接收氢气；所述燃料电池电堆（2）的阳极气体出口经氢气压缩泵（19）与氢气储罐（16）入口相连接，用于回收未反应完的氢气；
优选地，所述燃料电池电堆（2）的阴极气体入口用于接收含氧气体；所述燃料电池电堆（2）的阴极气体出口用于将含氧气体排出系统外。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，
该系统还包括热循环单元（III），所述热循环单元（III）与燃料电池单元（II）和固体储氢单元（I）相连接，用于热量循环利用；
优选地，所述热循环单元（III）包括储液罐（26），所述储液罐（26）入口与固体储氢容器（1）的第二流体管道（4）相连接，用于回收来自固体储氢容器（1）的导热流体；所述储液罐（26）出口与燃料电池电堆（2）的导热流体循环入口相连接，用于吸收燃料电池单元（II）产生的热量；
优选地，燃料电池电堆（2）的导热流体循环出口与固体储氢容器（1）的第一流体管道（3）相连接，用于为固体储氢容器（1）放氢提供热量；
优选地，所述热循环单元（III）还包括加热电阻（29），所述加热电阻（29）置于储液罐（26）下方位置，用于系统冷启动时预加热；
优选地，所述热循环单元（III）还包括温度传感器（25），所述温度传感器（25）置于储液罐（26）上方位置，用于温度检测。
9.一种权利要求1-8中任意一项所述的固体储氢和燃料电池耦合系统的运行方法，其特征在于，所述方法包括：将含氧气体与来自固体储氢容器的氢气在燃料电池单元中进行反应发电，同时第一导热流体吸收燃料电池发电产生的热量；
其中，所述固体储氢容器的放氢过程包括：吸附有氢气的固体储氢复合材料进行解吸反应，将吸收燃料电池发电产生的热量的第一导热流体送入导热流体基板的第一流道中为氢气的解吸反应提供热量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述燃料电池发电的条件包括：温度为50-120℃，压力为0.1-3MPa；
优选地，第一导热流体来自于热循环单元。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，
在放氢过程中，所述解吸反应的条件包括：温度为50-120℃，压力为0.1-4MPa；
优选地，在放氢过程中，所述氢气的流速为1-1000L/min。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述固体储氢容器的储氢过程包括：将氢气送入储氢材料基板的第二流道中，与固体储氢复合材料进行吸氢反应，将第二导热流体送入导热流体基板的第一流道中，吸取吸氢反应产生的热量；
优选地，在储氢过程中，所述吸氢反应的条件包括：温度为0-50℃；压力为0.1-10MPa；
优选地，储氢过程中的第二导热流体由外部提供。
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