一种家用金属氢化物粉末固态氢储能系统与控制方法

本发明涉及氢储能与燃料电池，尤其是涉及一种家用金属氢化物粉末固态氢储能系统与控制方法。

背景技术：

1、储电和储氢是两种主要的储能方式，储电技术相对容易实现，但是在大容量、长周期的储能场景下，设备成本较高，电量折损较大。电解槽利用电能将水电解成为氢气，氢储能系统将氢气储存起来，使用时再利用氢燃料电池消耗氢气发电，氢气经过长时间存储后损失较少，而且大量存储时具有更好的经济性，因此储氢技术相较于储电技术来说更适用在大容量、长周期的储能场景下。氢气是一种清洁的能源载体，但它在气态状态下储存和运输通常需要高压和低温，这会增加储存和输送的复杂性和成本。目前，车载的储氢系统采用高压气态储氢方式，为提高储氢效率，有时采用更为先进的液态储氢方式，这两种方式均需要氢气压缩机将氢气压缩至较高的压力，对储氢瓶和氢气压缩机提出更高的要求，成本较高，难度较大。

2、第一篇中国专利cn113793949b公开了一种氢燃料电池客车用动力系统，包括储氢装置和燃料电池模组，第一氢容器和第二氢容器内均填充有储氢金属氢化物粉末，它们之间隔热，通过热循环装置进行换热，有助于减小对吸氢过程和放氢过程造成的影响的效果。

3、第二篇中国专利cn109708002b公开了一种温度补偿式合金储氢供氢系统，包括金属氢化物储氢容器、恒温槽、燃料电池电堆、加热水箱、制冷机组；该系统以去离子水为传热介质，金属氢化物储氢容器能够在不同工况下通过对循环水的切换实现充/放氢流程的选择与转换，氢气流速平稳，工作性能稳定。

4、第一篇中国专利和第二篇中国专利均涉及金属氢化物粉末固态氢储能系统。第一篇中国专利中设计两个储氢容器，相互隔热，通过外部热循环装置来优化储氢过程和产氢过程中的能量流动，进而降低过程切换造成的影响；但是，未考虑将燃料电池废热作为热源源项，也未设计具体的温度/压力控制算法；另外，第一篇中国专利中涉及的氢储能方案设计复杂，制造和维护成本高，不适合一般的储氢/产氢场景。第二篇中国专利设计了通过切换循环水实现充/放氢流程的选择与转换，满足氢气供应需求；但是，第一篇中国专利中需额外加热水箱和冷却机组，忽略了产氢过程中必然伴随着燃料电池发电过程，燃料电池的余热可完全满足产氢过程中所需的热量，通过外循环回路中可满足储氢瓶以及金属氢化物粉末的温度需求。

5、金属氢化物粉末储氢是一种将氢气吸附或化学吸附到微小金属氢化物颗粒表面的氢气储存方法。金属氢化物粉末通常由具有高表面积的细小颗粒组成，这些颗粒可以吸附氢气，常用的吸附材料包括铁、镁、钛、铝等金属氢化物，这些材料具有良好的吸附性能，可以在相对较低的温度和压力下吸附氢气，因此，通常需要控制温度和压力条件，以实现吸附和解吸附的循环。

6、金属氢化物粉末储氢更适合家庭氢储能方案。燃料电池在工作时，会有大量的热量产生，除自身需求之外，剩余部分可以用于加热金属氢化物和家庭用水。因此，亟需研究一种适合家庭氢储能的系统和控制方法，以提高能量利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种家用金属氢化物粉末固态氢储能系统与控制方法，基于金属氢化物具有吸氢放热和放氢吸热的特性，结合燃料电池在发电过程中释放大量余热的特点使联合热管理系统协调控制电堆和金属氢化物粉末的温度，以满足用电需求和充/放氢速率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种家用金属氢化物粉末固态氢储能系统，包括联合热管理系统、燃料电池系统、储氢系统和电解水制氢系统；

4、所述联合热管理系统包括传感器组件、电子三通阀组件、换热器组件、水泵组件和水箱组件，所述电子三通阀、传感器组件均设于燃料电池系统、储氢系统和电解水制氢系统之间；

5、所述电子三通阀组件包括第一电子三通阀、第二电子三通阀和第三电子三通阀，所述第一电子三通阀分别连接燃料电池电堆和换热器组件；

6、所述第二电子三通阀分别连接储氢系统和换热器组件，第一电子三通阀和第二电子三通阀协调控制燃料电池系统和储氢系统的温度；

7、所述第三电子三通阀分别连接储氢系统、燃料电池系统和电解水制氢系统；第三电子三通阀用于切换储氢系统的放氢模式或吸氢模式；

8、所述燃料电池系统产生的热量用于满足自身热量需求，并将多余的热量导入联合热管理系统中用于加热储氢系统和家庭热水箱；

9、所述联合热管理系统具备切换燃料电池系统中内循环和外循环的换热回路、切换储氢系统的工作模式的功能，并协调控制燃料电池系统和储氢系统的温度以满足用电需求、充氢速率和放氢速率；

10、所述储氢系统从联合热管理系统中吸收燃料电池系统的余热，并用于储氢系统放氢。

11、进一步地，所述第一电子三通阀为分流阀，用于截止、调节冷却液流向和导流，通过调节第一电子三通阀的开度，进而调节燃料电池电堆的温度；

12、所述第二电子三通阀分别连接第一换热器和第二换热器，并切换储氢系统中金属氢化物粉末的吸氢模式和放氢模式，通过调节第二电子三通阀的开度实现对储氢系统中金属氢化物粉末的温度控制；

13、所述第三电子三通阀与第二电子三通阀协调控制切换储氢瓶的放氢模式或吸氢模式。

14、进一步地，所述传感器组件包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；

15、所述第一温度传感器设于燃料电池电堆的入口，用于测量燃料电池电堆入口处的冷却液温度；

16、所述第二温度传感器设于燃料电池电堆的出口，用于测量燃料电池电堆出口处的冷却液温度；

17、所述第三温度传感器设于第二换热器的入口，用于测量第二换热器入口处的冷却液温度；

18、所述第四温度传感器设于第二换热器的出口，用于测量第二换热器出口处的冷却液温度。

19、进一步地，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、氢气浓度传感器和压力传感器组件；

20、所述燃料电池电堆消耗氢气，以发电满足负载的需求，将发电过程中产生的部分热量用于加热燃料电池电堆和储氢系统；

21、所述氢气浓度传感器设于废气罐出口处，用于检测氢气排放浓度；

22、所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器；

23、所述第一压力传感器设于单向阀和电解水制氢系统之间，所述第一压力传感器用于测量电解水制氢系统出口处和单向阀进口处的氢气压力；

24、所述第二压力传感器设于燃料电池电堆和调压阀之间，所述第二压力传感器用于测量燃料电池电堆阳极流道进口处的氢气压力；

25、所述调压阀用于调节燃料电池电堆阳极流道进口处的氢气流量和压力。

26、进一步地，所述换热器组件包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器与燃料电池电堆并联连接，用于给燃料电池电堆和储氢瓶散热，并给家庭热水箱加热；

27、所述第二换热器为夹套式换热器，所述夹套式换热器包裹在储氢瓶外部，以通过冷却液的流进或流出调节储氢瓶的温度；

28、所述水泵组件包括第一水泵、第二水泵和第三水泵，所述第一水泵通过颗粒过滤器与燃料电池电堆连接，用于调节燃料电池电堆进出口处的冷却液温差；

29、所述第二水泵与第二换热器连接，所述第二水泵在储氢系统处于吸氢模式下开启；

30、所述第三水泵设于第一换热器和第二水箱之间，用于驱动第二水箱中的热水流经第一换热器中进行换热。

31、进一步地，所述水箱组件包括第一水箱和第二水箱，所述第一水箱用于补充冷却液，所述第二水箱与开关阀连接，用于储存生活热水，当第二水箱温度达到家庭热水最高设定温度时，开关阀打开，常温自来水流入第二水箱；当第二水箱温度达到家庭热水最低设定温度时，开关阀关闭。

32、进一步地，所述联合热管理系统还包括去离子器、颗粒过滤器和废气罐；

33、所述去离子器与燃料电池电堆并联连接，所述去离子器用于降低冷却液的电导率；

34、所述废气罐用于吸收燃料电池电堆阳极和阴极流道出口处的废气，并经过充分混合稀释后排放至大气。

35、进一步地，所述储氢系统包括储氢瓶，所述储氢瓶内装填金属氧化物粉末；

36、所述联合热管理系统还包括浴缸、淋浴设备、水池、采暖设备中的一种或多种，所述浴缸与第二水箱连接。

37、本发明提供一种家用金属氢化物粉末固态氢储能系统的控制方法，包括：对燃料电池系统中内循环和外循环下的温度控制，基于燃料电池电堆的出口温度以及进出口温差，以第一电子三通阀和第一水泵为执行元件，第二温度传感器和第一温度传感器为闭环控制反馈元件，通过第一控制器和第二控制器分别控制燃料电池电堆的出口温度和燃料电池电堆的进出口温差，并输出第一电子三通阀的开度信号和第一水泵的转速信号；

38、对燃料电池系统和储氢系统在发电模式下的前馈解耦温度控制，基于燃料电池电堆的出口温度，储氢瓶的出口温度，以第一电子三通阀和第二电子三通阀为执行元件，第二温度传感器和第四温度传感器为闭环控制反馈元件，通过第一控制器和第三控制器分别控制燃料电池电堆出口温度和储氢瓶出口温度，输出第一电子三通阀的开度信号和第二电子三通阀的开度信号。

39、进一步地，还包括：对储氢系统在吸氢模式下的温度控制，基于储氢瓶的设定出口温度和设定进出口温差，第二电子三通阀和第二水泵为执行元件，第四温度传感器和第三温度传感器为闭环控制反馈元件，通过第三控制器和第四控制器分别控制储氢瓶的出口温度和储氢瓶的进出口温差，输出第二电子三通阀升温开度信号和第二水泵的转速信号；

40、对储氢系统在放氢模式下的温度控制，基于储氢瓶的设定出口温度和储氢瓶的设定进出口温差，第二电子三通阀和第一水泵为执行元件，第四温度传感器和第三温度传感器为闭环控制反馈元件，通过第三控制器和第四控制器分别控制储氢瓶出口温度和储氢瓶进出口温差，输出第二电子三通阀的开度信号和第一水泵的转速信号。

41、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

42、1、本发明基于金属氢化物具有吸氢放热和放氢吸热的特性，结合燃料电池电堆在发电过程中释放大量余热的特点提供一种储氢系统和燃料电池系统共用的联合热管理系统，用于协调控制电堆和金属氢化物粉末的温度来满足用电需求和充/放氢速率，燃料电池电堆剩余热量被用于加热自来水，以满足家庭生活用水和取暖需求，具有系统集成度高、可靠性强和能量利用率高的优点。

43、2、本发明中的电解水制氢系统采用aem电解槽，产氢压力约35bar左右，可无需加压直接存储于金属氢化物粉末固态储氢系统中，工作压力低、安全性高和经济性好。

44、3、本发明针对家用金属氢化物粉末固态氢储能系统设计了对应的温度和压力控制方法，保证储氢系统和燃料电池系统在全工况区间的稳定工作，并结合解耦控制技术实现了燃料电池的电堆温度和金属氢化物粉末温度相对独立的控制。