【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于氢能储存与利用，涉及固态储氢系统的热管理，具体是一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统及方法，通过吸氢和放氢过程中的冷热能量转换与回收，实现高效的能量利用和温度控制。
技术介绍
1、储氢技术作为氢能产业链上的关键环节，其效率和安全性直接影响到氢能的推广和应用水平。因此，亟需开展高效储氢技术研究，有效推进大规模氢能应用。在现有众多储氢技术中，高压气态储氢虽然技术成熟，但由于其在高压条件下操作，存在一定的安全隐患，同时在储存和运输过程中，需采用高强度、耐高压的材料和设备，导致成本较高。此外，高压气态储氢的体积储氢密度较低，难以满足大规模氢能应用的需求。低温液态储氢则利用氢气在极低温度下的液化性质进行储存，虽然可以提高储氢密度，但需要维持液态氢气处于超低温环境，对绝热材料和低温维持系统的要求极高。在液氢储存和运输过程中，由于低温环境的保持难度和液氢的蒸发损失，其整体效率较低，且成本昂贵。因此，尽管低温液态储氢技术在某些特定领域有一定的应用，但在大规模氢能应用中，仍面临较大的技术和经济挑战。
2、相比高压气态储氢与低温液态储氢，固态储氢作为一种新兴的储氢方式，具有单位体积储氢密度大、安全性优异、储运压力低等优势，已成为当今世界主要国家积极探索并大力推广的最具影响力的储氢技术之一。然而，固态储氢为可逆反应过程，固态储氢材料吸收氢气是放热过程，释放氢气是吸热过程，因而在储氢过程中通常需要外部对其进行持续热交换以保证吸放氢速率维持在合适水平。以放氢过程为例，当外界供给的热量与反应热不匹配时，固态储氢材料的温度会降
3、目前，固态储氢系统在热管理方面面临的几个主要问题在于：能量利用率低，热利用不足，吸氢过程放出的热量未回收，放氢过程供热消耗大。此外，由于吸放氢过程中材料所需温度和压力条件的差异，系统设计需同时满足冷却与加热的需求，进一步增加了系统的设计难度和运行成本。同时，固态储氢材料的热响应特性也影响了储氢系统的整体效率。由于氢气的吸收与释放反应是一个强烈的放热与吸热过程，当外界供给的热量与材料反应热不匹配时，材料温度可能迅速下降或升高，导致吸放氢速率不稳定。
4、综上所述，尽管固态储氢技术具有多项优势，如安全性高、单位体积储氢密度大等，但在实际应用中仍面临热管理复杂、能量回收不足以及系统整体能效偏低等技术难题。因此，如何提高固态储氢系统的能量利用率，实现高效的热管理，协调吸放氢过程中的温度差异，以及如何有效回收和利用系统中的热量，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、（一）专利技术目的
2、针对现有固态储氢技术在吸氢和放氢过程中能量利用率低、热管理效率不足、系统整体能耗较高等缺陷和不足，为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本专利技术旨在提供一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统及方法，通过将固态储氢系统、热泵系统及蓄冷蓄热技术耦合，将固态储氢过程中的吸氢放热进行回收并进一步提升温度，将其应用于放氢过程，从而节省能耗。同时，本专利技术利用热泵系统维持固态储氢材料在吸氢和放氢过程中的温度恒定，吸氢时为储氢材料提供冷量并储存热量，放氢时为储氢材料提供热量并储存冷量，实现热泵系统的“一机两用”，有效降低了系统能耗，相较于传统的电制热与电制冷，大幅提升了吸放氢过程中的能量利用率，为固态储氢技术的实际应用提供新的解决方案。
3、（二）技术方案
4、为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
5、本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，用于固态储氢材料在吸氢和放氢过程中进行温度控制与能量回收，提高系统能量利用率，至少包括一固态储氢单元、一热泵单元、一蓄冷/供冷单元和一蓄热/供热单元，其中：
6、所述固态储氢单元至少包括一储氢罐、封闭设置在所述储氢罐中的固态储氢材料以及一主体设置在所述储氢罐内并与外部管路连通的换热管路，用于在氢气吸收时释放热量并在氢气释放时吸收热量；
7、所述热泵单元至少包括一蒸发器、一压缩机、一冷凝器及一膨胀阀，所述蒸发器的冷侧、压缩机、冷凝器的热侧、膨胀阀之间通过管路依次连接并形成为一封闭的热泵工质循环回路，通过热泵工质的循环实现冷量和热量的转换，并根据固态储氢单元的温度需求提供相应的冷量或热量；
8、所述蓄冷/供冷单元，用于在固态储氢单元吸氢过程中释放冷量并在放氢过程中吸收并存储热泵单元蒸发器的冷量，至少包括一低温液体储罐、一第一控制阀门和一三通阀门ⅰ，所述低温液体储罐的出口通过管路与所述蒸发器的热侧进口连通，所述蒸发器的热侧出口设有两个分支管路，其中第一分支管路上设有所述第一阀门并与所述固态储氢单元的换热管路的进口连通，第二分支管路的末端与所述三通阀门ⅰ的第一接口连通，所述三通阀门ⅰ的第二接口通过管路与所述低温液体储罐的进口连通，所述三通阀门ⅰ的第三接口通过管路与所述固态储氢单元的换热管路的出口连通；
9、所述蓄热/供热单元，用于在固态储氢单元放氢过程中释放热量并在吸氢过程中吸收并存储热泵单元冷凝器的热量，至少包括一高温液体储罐一第二控制阀门和一三通阀门ⅱ，所述高温液体储罐的出口通过管路与所述冷凝器的冷侧进口连通，所述冷凝器的冷侧出口设有两个分支管路，其中第一分支管路上设有所述第二阀门并与所述固态储氢单元的换热管路的进口连通，第二分支管路的末端与所述三通阀门ⅱ的第一接口连通，所述三通阀门ⅱ的第二接口通过管路与所述固态储氢单元的换热管路的出口连通，所述三通阀门ⅱ的第三接口通过管路与所述高温液体储罐的进口连通。
10、本专利技术的第2个专利技术目的在于提供一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理方法，基于上述结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，所述热管理方法在实施时包括：
11、首先进行工作模式的判断，根据固态储氢单元的当前状态和用户需求，判断系统当前处于热泵停机的吸氢模式、热泵启动的吸氢模式、热泵停机的放氢模式、热泵启动的放氢模式还是待机模式；
12、当固态储氢单元处于吸氢过程且低温液体储罐温度低于预设上限温度而具有足够的冷量提供时，系统按照热泵停机的吸氢模式运行，此时，关闭压缩机使热泵单元处于停机状态，开启低温驱动泵并关闭高温驱动泵，并开启第一阀门，关闭第二阀门，关闭三通阀门ⅰ的第一接口、开启其第二接口和第三接口，关闭三通阀门ⅱ的第一接口、第二接口和第三接口，低温液体储罐中的液体工质经蒸发器和第一阀门后进入固态储氢单元的换热管路中为固态储氢材料提供冷量，升温后的液体工质经三通阀门ⅰ回流至低温液体储罐；
13、当固态储氢单元处于吸氢过程且低温液体储罐温度超过预设上限温度而没有足够的冷量提供时，系统按照热泵启动的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，至少包括一固态储氢单元、一热泵单元、一蓄冷/供冷单元和一蓄热/供热单元，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述系统还包括用于驱动所述低温液体储罐中液体循环的低温驱动泵和用于驱动所述高温液体储罐中液体循环的高温驱动泵，且所述低温驱动泵和高温驱动泵的数量为1台及以上，1台以上时采用并联或串联排列方式，驱动泵的形成为容积式泵或动力式泵。
3.根据权利要求2所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，在所述固态储氢单元吸氢过程中，首先判断低温液体储罐的温度是否低于一预设上限温度，当低温液体储罐的温度低于预设上限温度而具有足够的冷量提供时，则系统按照热泵停机的吸氢模式运行，当低温液体储罐的温度超过预设上限温度而没有足够的冷量提供时，则系统按照热泵启动的吸氢模式运行，其中：
4.根据权利要求2所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，在所述固态储氢单元放氢过程中，首先判断高温液体储罐的温度是否高于一预设下限温度，当高温液体储
5.根据权利要求1所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述热泵单元为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵、吸附式热泵、蒸汽喷射式热泵或热电热泵，其工作温度在-100℃至650℃之间；热泵工质为制冷剂、氩气、氦气、氢气、氮气、氧气、空气中的一种或多种，工质状态为液态、气态或者气液混合状态。
6.根据权利要求1所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述热泵单元中，所述压缩机的类型为活塞式、转子式、涡旋式、螺杆式、离心式或轴流式，其压比为3~20之间，其数量为1台及以上，1台以上时采用并联或串联排列方式；所述蒸发器和冷凝器的换热器结构为管壳式、套管式、板式、螺旋板式或沉浸式。
7.根据权利要求1所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述低温液体储罐和高温液体储罐为圆柱形、球形或者长方形，当液体储罐为多个时，排列方式为并联、串联或者两者结合；所述高温液体储罐和低温液体储罐均需要采用良好的保温措施；并且，所述蓄冷/供冷单元和蓄热/供热单元的工作温度在-100℃至650℃之间。
8.一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理方法，基于上述权利要求1~7任一项所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述热管理方法在实施时包括：
9.一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，至少包括一固态储氢单元、一热泵单元、一蓄冷/蓄热单元，其特征在于：
10.一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理方法，基于权利要求9所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述热管理方法在实施时包括：
...【技术特征摘要】
1.一种结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，至少包括一固态储氢单元、一热泵单元、一蓄冷/供冷单元和一蓄热/供热单元，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述系统还包括用于驱动所述低温液体储罐中液体循环的低温驱动泵和用于驱动所述高温液体储罐中液体循环的高温驱动泵，且所述低温驱动泵和高温驱动泵的数量为1台及以上，1台以上时采用并联或串联排列方式，驱动泵的形成为容积式泵或动力式泵。
3.根据权利要求2所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，在所述固态储氢单元吸氢过程中，首先判断低温液体储罐的温度是否低于一预设上限温度，当低温液体储罐的温度低于预设上限温度而具有足够的冷量提供时，则系统按照热泵停机的吸氢模式运行，当低温液体储罐的温度超过预设上限温度而没有足够的冷量提供时，则系统按照热泵启动的吸氢模式运行，其中：
4.根据权利要求2所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，在所述固态储氢单元放氢过程中，首先判断高温液体储罐的温度是否高于一预设下限温度，当高温液体储罐的温度高于预设下限温度而具有足够的热量提供时，则系统按照热泵停机的放氢模式运行，当高温液体储罐的温度低于预设下限温度而没有足够的热量提供时，则系统按照热泵启动的放氢模式运行，其中：
5.根据权利要求1所述的结合热泵及蓄冷蓄热的固态储氢热管理系统，其特征在于，所述热泵单元为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵...
【专利技术属性】
技术研发人员：张新敬，胡诗伟，陈仕卿，徐玉杰，陈海生，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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