用于燃料電池車的儲氫系統的制作方法

專利名稱：用于燃料電池車的儲氫系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于燃料電池車的儲氫系統。更具體地，本發明涉及
使用金屬氫化物(MH)的儲氫系統，該系統可增加氫的體積存儲密度 和總儲氫容量并提高系統封裝。
背景技術：
商業化燃料電池車的一個基本要求是在不再添加燃料的情況下實 現與內燃機車輛相對應的足夠的續駛里程。
例如，為了實現一次添加燃料達到300英里的行駛里程，車輛必 須存儲不少于大約5kg的氫。
目前，在燃料電池車中使用高壓(35MPa或70MPa)儲氫系統； 然而，其由于氣態氫的密度低限制了儲氫量的增加。
也就是，要使用35MPa儲氫系統存儲5Kg的氫，需要具有大約215L
的內部體積的存儲罐，不適于燃料存儲系統的緊密封裝。
此外，要使用70MPa儲氫系統存儲5Kg的氫，所需的體積大約為 125L，就整車安裝(vehiclepackage)而言，這被認為比35MPa儲氫系統 更有利；然而就系統重量、價格和存儲效率而言是不利的。
近來，燃料電池車的開發者對開發新的儲氫系統進行了廣泛的研 究，并且推薦將使用液態氫、固態儲氫材料、漿相產氫材料等的各種 系統作為高壓儲氫系統的替代選擇。
在液態儲氫系統的情況下，由于氫液化溫度低到-253。C，液化所使 用的能量消耗了 30%以上的氫能，并且因此應該能克服低能量效率。 此外，由于氫存儲在極低的溫度下，氫被連續蒸發以增加存儲罐的內 壓并且必須將由此生成的氫氣(每天3%)排放到存儲罐外部。
在漿相產氫材料被用在產氫系統中的情況下，由于氫主要通過水 解產生，在氫生成后形成副產品并且難于從裝配在車輛中的系統中除 去該副產品。相反，在使用可逆地吸收(或吸附)并釋放氫的固態儲氫材料的 情況下，可補償與以上系統相關的問題，由此近年來其己被廣泛地研 究。
可逆地吸收(或吸附)并釋放氫的這種固態存儲材料包括儲氫合 金、碳基納米材料、多孔納米結構等。
在納米材料和納米結構的情況下，還未進行大量研究；僅己經開
展了關于是否其可逆地存儲氫的基礎研究。
另一方面，在儲氫合金的情況下，已經有廣泛的研究，其達到了
實際應用到Ni-MH電池的程度，并且已經研究了應用至車用儲氫系統 的可能性。
由于儲氫合金通過與固態氫反應吸收(或吸附)氫，同時其具有 1.5到2.5wtn/。的低質量存儲密度，因此與高壓氫氣相比具有非常高的體 積存儲密度。因此，就封裝而言這非常有利。
此外，由于與高壓(多于35MPa)系統相比儲氫合金可在大約 10MPa的低壓下吸收/吸附和釋放氫，因此其具有解決安全問題的優點。
儲氫合金包括諸如AB5、 AB2、 BCC等的多種類型的合金。它們 的優點在于釋氫溫度非常低，低至從燃料電池生成的熱量可用于釋放 氫的程度；然而，其限制在于重量存儲密度低到l-2.5wt%，并且因此 增加了系統的重量。
與此相比，與常規MH材料相比，包括Mg基MH或諸如NaALH4、 LiALH4等的絡合金屬氫化物的儲氫材料具有5-10wt。/。或更高的高儲氫 密度；然而，釋氫溫度也高達大約150-400°C，并且由此燃料電池的廢 熱不足以用于氫釋放。
作為本領域公知的典型金屬，儲氫合金可在在一定壓力和溫度條 件下通過與氫的放熱反應在產生MH的同時存儲氫，并且MH可通過 接受適當的熱量來釋放氫。
在氫吸收/吸附過程中，存儲合金與氫的反應生成熱量。由此生成 的熱量必須被有效去除以繼續反應。
當適當量的熱量施加到MH時，氫被釋放并且此時，MH的溫度 下降。因此，必須連續地和有效地向MH提供適量的熱量。
如此，為了將MH應用到用于燃料電池車的儲氫系統，需要提供可保證有效熱量轉移的結構。因此，許多本領域中的研究人員已經提 出設計其中提供熱交換器的存儲罐的技術。
該技術的實施例包括由Toyota提出的高壓-MH混合儲氫罐(圖6)、 由美國Ovonics提供的用于氫內燃機的MH儲氫罐(圖7)和Japan Steel Works的緊湊式MH儲氫罐(圖8)。
通常，上述常規MH儲氫罐被應用到具有如圖5所示的充氫/釋放 系統的車輛。
也就是，用于燃料電池組300的包括冷卻劑泵500和散熱器400 的冷卻回路被用于在充氫過程中冷卻MH儲氫罐100和在氫釋放過程 中加熱MH儲氫罐100。
在MH儲氫罐100中的MH具有較低的釋氫溫度，并且由此其可 僅使用從燃料電池組300生成的廢熱即可滿足燃料電池組300所需的 供氫條件；然而，由于重量存儲密度很低，因此系統的重量變得太重。
相反，包括Mg基MH或諸如NaALH4、 LiALH4等的絡合金屬氫
化物的存儲材料具有5-10wt。/。或更高的儲氫密度；然而，由于釋氫溫
度高達大約150-400°C，因此僅使用從燃料電池生成的廢熱不能滿足燃
料電池組所需的供氫條件。
在背景技術部分公開的上述信息僅用于增強對本發明的背景技術 的理解，并且其可包含不形成現已經為本國本領域普通技術人員所知
的現有技術的信息。

發明內容
為解決關于現有技術的上述問題而致力于做出本發明。本發明涉 及用于燃料電池系統的儲氫系統，其中使用市售的儲氫合金和具有氫 密度高和釋氫溫度低的儲氫材料，由此增加了體積存儲密度和總儲氫 容量并且提供了用于封裝系統的有利結構。
在一個方面中，本發明提供了燃料電池系統的儲氫系統，該儲氫
系統包括用能在高溫下釋放氫的第一存儲合金粉末填充的外部空間；
用能僅用燃料電池組生成的熱量釋放氫的第二存儲合金粉末填充的內
部空間；置于該外部空間和內部空間之間以分隔該外部空間和該內部 空間的金屬過濾器；設置在燃料電池組和散熱器之間以組成冷卻回路并且沿內部空間的縱向配置的第二熱交換管；和獨立地連接到外部空間的用于第一存儲合金粉末釋放氫的獨立熱交換回路。
在優選實施方案中，第一存儲合金粉末為選自Mg基氫化物、
NaAlH4、 LiBH4、 LiAlH4和MgH2合金中的一個。
在另一個優選實施方案中，第二存儲合金粉末為選自BCC基氫化物、AB5、 AB2、和BCC基合金中的一個。
在又一個優選實施方案中，多個熱轉移肋片沿金屬過濾器的縱向以規則的間隔整體地形成在金屬過濾器的外圓周表面上。
在又一個優選實施方案中，第一存儲合金粉末被填充在金屬過濾器的外圓周表面和熱轉移肋片之間的空間中。
在又一優選實施方案中，獨立的熱交換回路包括在外部空間中沿其縱向配置的至少一個第一熱交換管；連接到第一熱交換管或每一個第一熱交換管的一端(入口)的入口室；連接到第一熱交換管或每一個第一熱交換管的另一端(出口)的出口室；設置在入口室中的用于加熱第一熱量轉移介質的加熱裝置；連接到入口室的第一熱量轉移介質入口管道；連接到出口室的第一熱量轉移介質排出管道；和置于第一熱量轉移介質入口管道和第一熱量轉移介質排出管道之間的泵和用于存儲第一熱量轉移介質的儲器。
在又一優選實施方案中，溫度控制裝置連接到加熱裝置以基于來自設置在入口室中的溫度傳感器的信息控制加熱裝置的溫度以便使第一存儲合金粉末的溫度保持恒定。
要理解的是本文使用的術語"車輛"或"車輛的"或其他類似術語通常包括下列的機動車例如，包括多功能運動車(SUV)和公共汽車、卡車、各種商務車的客車，包括各種艇和船的船只，以及飛行器等等。
本發明的上述特征和優點從附圖和下面的詳細描述中將是顯而易見的或者在附圖和下面的詳細描述中得以更加詳細地闡明，附圖合并入并且形成本說明書的一部分，附圖和下面的具體描述一起用于通過實施例來解釋本發明的原理。


現在參考附圖中圖示的某些示范性實施方式對本發明的上述和其它特征進行詳細說明，以下的附圖僅通過圖示給出，因此不是對本發明的限定，其中
圖1是顯示根據本發明的優選實施方案的用于燃料電池車的儲氫系統的儲氫罐的主要部件的剖視圖2是顯示根據本發明的優選實施方案的用于燃料電池車的儲氫系統的儲氫罐的內部的透視圖3是顯示根據本發明的優選實施方案的用于燃料電池車的儲氫系統的儲氫罐的外部的透視圖4是圖示根據本發明的用于燃料電池車的儲氫系統的示意性視
圖5是圖示用于燃料電池車的常規儲氫系統的示意性視圖6到8是顯示用于燃料電池車的常規儲氫罐的結構的示意性視圖。
附圖中所述的標記數字包括將在下面進一步討論的對下列元件的
參照標記
10:第一存儲合金粉末12:第二存儲合金粉末
14:金屬過濾器16:第一熱交換管
18:第二熱交換管20:熱轉移肋片
22:入口室24:出口室
26:加熱裝置28:溫度控制裝置
30:溫度傳感器32:熱量轉移介質入口管道
34:熱量轉移介質排出管道
36:泵38:儲器
40:氫氣出口100儲氫罐
200:獨立熱交換回路
300:燃料電池組 400:散熱器
500:冷卻劑泵
應該理解附圖沒有必要按比例繪制，它們只是展示了圖示說明本發明基本原理的各種優選特征的有些簡化的表示方式。如本文公開的本發明的具體設計特征(包括，例如，具體尺寸、方向、位置以及形
8狀)部分地將由特定目的應用以及使用環境來確定。
具體實施例方式
現在將對本發明的優選實施方式詳細地進行說明，其實施例圖示在本文后面所附的附圖中，其中類似的附圖標記始終指類似的部件。下文通過參照附圖來描述各實施方式以便解釋本發明。
圖1是顯示根據本發明的優選實施方案的用于燃料電池車的儲氫系統的儲氫罐的主要部件的剖視圖。
如圖1中所示，可在相對高溫下釋放氫的第一存儲合金粉末10被填充進圓柱形的MH儲氫罐100的外部空間VI中，且可僅用從燃料電池組300生成的熱量釋放氫并可在低溫下釋放氫的第二存儲合金粉末12被填充進其內部空間V2中。
特別地，第一存儲合金粉末10被填充在金屬過濾器14的外部，且第二存儲合金粉末12被填充在金屬過濾器14的內部。使用金屬過濾器14的原因是使氫穿過外部空間VI和內部空間V2并且防止金屬粉末從其中穿過。
MH儲氫罐100的外部空間VI與獨立熱交換回路200相連接。獨立熱交換回路200包括穿過第一存儲合金粉末10的至少一個第一熱交換管16、高溫存儲材料。其運轉獨立于燃料電池組300的冷卻回路。
此外，多個第二熱交換管18、來自燃料電池組300的冷卻回路穿過MH儲氫罐100的內部空間V2中的第二存儲粉末12。
例如，具有7wt。/。的儲氫容量和大約300°C的釋氫溫度的Mg基氫化物被填充進MH儲氫罐100的外部空間VI，并且具有2wt。/。的儲氫容量并且能在室溫下釋放氫的BCC基氫化物被填充進MH儲氫罐100的內部空間V2中。
優選地，例如，具有低于燃料電池組300的工作溫度的釋氫溫度的AB5、 AB2和BCC基合金可被填充進MH儲氫罐100的內部空間V2中。具有高于燃料電池組300的工作溫度的釋氫溫度的諸如NaAlH4、 LiBH4、 LiAlH4、 MgH2、 Mg(BH)2和NH2BH2的合金可被填充進外部空間VI中。也優選地可使用上述合金的任意組合。
在上述MH儲氫罐100的結構中，當假定從罐的中點到外部空間VI的最外部的第一半徑R1為20cm，從罐的中點到內部空間V2的最 外部的第二半徑R2為10cm，并且圓柱體的長度L為卯cm時，MH 儲氫罐100的外部空間VI和內部空間V2的體積分別為85L和28L， 并且罐的總體積為113L。
也就是，除了內部熱交換器即第一熱交換管16的體積(大約5L) 以外，80LMg基氫化物可被填充進MH儲氫罐100的外部空間VI中， 并且除了內熱交換器即第二熱交換管18的體積(大約3L)以外，25L BCC基氫化物可被填充進內部空間V2中。
在此情況下，具有大約1.2g/cc的粉末密度的96KgMg基合金和具 有大約3.6g/cc的粉末密度的90KgBCC基合金可分別被填充進外部空 間VI和內部空間V2中。Mg基合金的儲氫容量可為6.7kg， BCC基合 金可為1.8Kg，并且總儲氫容量可為8.5Kg。
同樣地，再同時使用Mg基氫化物和BCC基氫化物的情況下，即 使在系統重量(大約250 Kg)增加時也可達到目標行駛里程而不用對 燃料電池車再添加燃料，其中Mg基氫化物是具有高釋氫溫度并且被 填充進MH儲氫罐100的外部空間VI中的儲氫合金，且BCC基氫化 物是填充進MH儲氫罐100的內部空間V2中以在低溫(室溫)下釋放 氫的儲氫合金。
隨后，將參照圖2到4更加詳細地說明根據本發明的MH儲氫罐 的結構和操作。
圖2和3分別是顯示用于燃料電池車的儲氫系統的儲氫罐的內部 和外部的透視圖，并且圖4是圖示用于燃料電池車的儲氫系統的示意 性視圖。
首先，將在以下說明根據本發明的MH儲氫罐的內部空間的結構 和由熱量轉移操作產生的儲氫流。
MH儲氫罐IOO的內部空間V2具有圓柱形并且是指金屬過濾器14 的內部空間。可僅用從燃料電池組300生成的熱量釋放氫的第二存儲 合金粉末12被填充在其中。配置多個第二熱交換管18以穿過第二存 儲合金粉末12。
第二熱交換管18組成燃料電池組300的冷卻回路。每個第二熱交 換管18的一端(入口)連接到燃料電池組300的出口部分，并且另一端連接到散熱器400。
因此，當在冷卻燃料電池組300后供應的第二熱量轉移介質(冷
卻劑)流進第二熱交換管18時，第二熱量轉移介質與填充在內部空間 V2中的第二存儲合金粉末12交換熱量。
結果，填充在內部空間V2中的第二存儲合金粉末12， g卩，BCC 基氫化物的作用是僅使用從燃料電池組300生成的熱量來釋放氫。
也就是，作為燃料電池組300的冷卻回路，用來去除在燃料電池 運轉過程中生成的熱量的散熱器400被連接到用來促進用于冷卻回路 的冷卻劑循環的冷卻劑泵500，第二熱交換管18置于兩者其間。因此， 當氫被充入MH儲氫罐100時，冷卻劑通過不經過燃料電池組300的 冷卻回路循環以冷卻MH儲氫罐100，而當燃料電池組300工作時，燃 料電池組300中的冷卻劑被引入第二熱交換管18使得第二熱交換管18 僅使用從燃料電池組300生成的熱量來釋放氫。
隨后，在以下將說明根據本發明的MH儲氫罐的外部空間的結構 和由熱量轉移操作產生的儲氫流。
外部空間VI由金屬過濾器14的外圓周表面和MH儲氫罐100的 內圓周表面形成。能在高溫下釋放氫的第一存儲合金粉末IO被填充在 外部空間VI中，并且配置多個第一熱交換管以穿過第一存儲合金粉末 10。
在此情況下，如圖2所示，多個以圓形板形式的熱轉移肋片20沿 金屬過濾器14的縱向以規則間隔整體地形成在金屬過濾器14的外圓 周表面上。大體上，第一存儲合金粉末10被填充在熱轉移肋片20之 間，并且第一熱交換管16被放置以穿透熱轉移肋片20。
此外，入口室22和出口室24被安裝在金屬過濾器14的兩端的外 圓周表面上。
因此，每個第一熱交換管16的一端(入口)被連接到入口室22， 并且其另一端(出口)被連接到出口室24。
特別地，用于加熱第一熱量轉移介質的加熱裝置被設置在入口室 22中，并且溫度控制裝置28被連接到加熱裝置26以控制加熱裝置26 的溫度。
特別地，溫度控制裝置28基于來自設置在入口室22中的溫度傳感器30的信息來控制加熱裝置26的溫度以保持第一存儲合金粉末10 的溫度恒定。
此外，熱量轉移介質入口管道32與入口室22相連接，并且熱量 轉移介質排出管道34與出口室24相連接。
此外，泵36和用于存儲熱量轉移介質的儲器38被置于熱量轉移 介質入口管道32和熱量轉移介質流出管道34之間。儲器38存儲熱量 轉移流體并且也被用作在充氫過程中用于冷卻熱量轉移介質的散熱 器。
因此，隨著泵36的運轉，存儲在儲器38中的第一熱量轉移介質 以熱量轉移介質入口管道一入口室一第一熱交換管一出口室一熱量轉 移介質流出管道一儲器的順序循環。在循環過程中，入口室22中的第 一熱量轉移介質由加熱裝置26加熱。
在此情況下，由于用于存儲熱量轉移介質的整個儲器38不被加熱， 而是，加熱裝置26被設置在入口室22內部，第一熱量轉移介質通過 入口室22流動，因此有可能使用與加熱裝置設置在整個儲氫罐中的情 況相比更少的能量執行向第一存儲合金粉末10的熱量轉移。
因此，當由加熱裝置26加熱的第一熱量轉移介質從入口室22流 到第一熱交換管16時，第一存儲加熱粉末10被加熱，且同時第一存 儲合金粉末10被轉移到熱轉移肋片20的熱量進一步加熱，使得氫從 填充在MH儲氫罐100的外部空間VI中并且具有高釋氫溫度的第一存 儲合金粉末IO，即，Mg基氫化物中釋放。
如此，由于在高溫下釋放氫的第一存儲合金粉末IO不能僅用從燃 料電池組生成的熱量釋放氫，因此設置包括附加熱量裝置26、用于控 制獨立熱交換回路200的儲器38、泵36和溫度控制裝置28的獨立熱 交換回路200以促進第一存儲合金粉末10的釋氫操作。
同時，如圖3所示，氫氣出口 40被設置在密封制成的MH儲氫罐 100的一側以抽取從第一和第二存儲合金粉末10和12產生的氫。
如上所述，本發明提供了包括以下內容的效果有可能通過將盡 管儲氫密度很高，但由于釋氫溫度很高而不被應用到用于燃料電池車 的儲氫罐的儲氫合金，即在高溫下釋放氫的儲氫合金，和能夠僅用從 燃料電池組生成的熱量釋放氫的儲氫合金粉末一起使用，來增加用于
12燃料電池車的儲氫系統的儲氫容量。此外，盡管使用能夠在高溫下釋 放氫的儲氫合金可增加系統的重量，但系統重量的增加并不嚴重，且 即使在系統的重量有增加時，也可能達到燃料電池車單次添加燃料的 目標續駛里程。
已經參照本發明的優選實施方案對本發明進行了詳細說明。然而 本領域的技術人員應該理解在不偏離本發明的原理和精神下可在這些 實施方案中做出改變，本發明的范圍由所附權利要求及其等價物限定。
權利要求
1. 一種用于燃料電池車的儲氫系統，所述儲氫系統包括用能在高溫下釋放氫的第一存儲合金粉末填充的外部空間；用能僅用燃料電池組生成的熱量釋放氫的第二存儲合金粉末填充的內部空間；置于所述外部空間和內部空間之間以分隔所述外部空間和內部空間的金屬過濾器；設置在所述燃料電池組和散熱器之間以組成冷卻回路并且沿所述內部空間的縱向配置的第二熱交換管；和獨立地連接到所述外部空間的用于所述第一存儲合金粉末釋放氫的獨立熱交換回路。
2. 如權利要求1所述的儲氫系統，其中所述第一存儲合金粉末為 選自Mg基氫化物、NaAlH4、 LiBH4、 LiAlH4和MgH2合金中的一個。
3. 如權利要求1所述的儲氫系統，其中所述第二存儲合金粉末為 選自BCC基氫化物、AB5、 AB2、和BCC基合金中的一個。
4. 如權利要求1所述的儲氫系統，其中多個熱轉移肋片沿所述金 屬過濾器的縱向以規則的間隔整體地形成在所述金屬過濾器的外圓周 表面上。
5. 如權利要求1所述的儲氫系統，其中所述第一存儲合金粉末被 填充進所述金屬過濾器的所述外圓周表面和所述熱轉移肋片之間的空 間中。
6. 如權利要求1所述的儲氫系統，其中所述獨立熱交換回路包括在所述外部空間中沿其縱向配置的至少一個第一熱交換管； 連接到所述第一熱交換管或每一個所述第一熱交換管的一端(入 口)的入口室；連接到所述第一熱交換管或每一個所述第一熱交換管的另一端 (出口)的出口室；設置在所述入口室中的用于加熱第一熱量轉移介質的加熱裝置；連接到所述入口室的第一熱量轉移介質入口管道；連接到所述出口室的第一熱量轉移介質排出管道；和 置于所述第一熱量轉移介質入口管道和所述第一熱量轉移介質排 出管道之間的泵和用于存儲所述第一熱量轉移介質的儲器。
7.如權利要求6所述的儲氫系統，其中溫度控制裝置連接到所述 加熱裝置以基于來自設置在所述入口室中的溫度傳感器的信息控制所 述加熱裝置的溫度，以便使所述第一存儲合金粉末的溫度保持恒定。
全文摘要
本發明提供了使用金屬氫化物(MH)的儲氫系統，該系統可增加氫的體積存儲密度和總儲氫容量并提高系統封裝。為此目的，本發明提供了用于燃料電池車的儲氫系統，該儲氫系統包括用能在高溫下釋放氫的第一存儲合金粉末填充的外部空間；用能僅用燃料電池組生成的熱量釋放氫的第二存儲合金粉末填充的內部空間；置于外部和內部空間之間以分隔外部和內部空間的金屬過濾器；設置在燃料電池組和散熱器之間以組成冷卻回路并且沿內部空間的縱向配置的第二熱交換管；和獨立地連接到外部空間的用于第一存儲合金粉末釋放氫的獨立熱交換回路。
文檔編號H01M8/04GK101459249SQ20081014888
公開日2009年6月17日 申請日期2008年10月7日 優先權日2007年12月13日
發明者李勛熙, 金亨基, 黃基鎬 申請人:現代自動車株式會社;起亞自動車株式會社