本發(fā)明屬于氫能儲存與利用，涉及固態(tài)儲氫系統(tǒng)的熱管理，具體是一種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)及方法，通過吸氫和放氫過程中的冷熱能量轉(zhuǎn)換與回收，實現(xiàn)高效的能量利用和溫度控制。

背景技術(shù)：

1、儲氫技術(shù)作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其效率和安全性直接影響到氫能的推廣和應(yīng)用水平。因此，亟需開展高效儲氫技術(shù)研究，有效推進大規(guī)模氫能應(yīng)用。在現(xiàn)有眾多儲氫技術(shù)中，高壓氣態(tài)儲氫雖然技術(shù)成熟，但由于其在高壓條件下操作，存在一定的安全隱患，同時在儲存和運輸過程中，需采用高強度、耐高壓的材料和設(shè)備，導(dǎo)致成本較高。此外，高壓氣態(tài)儲氫的體積儲氫密度較低，難以滿足大規(guī)模氫能應(yīng)用的需求。低溫液態(tài)儲氫則利用氫氣在極低溫度下的液化性質(zhì)進行儲存，雖然可以提高儲氫密度，但需要維持液態(tài)氫氣處于超低溫環(huán)境，對絕熱材料和低溫維持系統(tǒng)的要求極高。在液氫儲存和運輸過程中，由于低溫環(huán)境的保持難度和液氫的蒸發(fā)損失，其整體效率較低，且成本昂貴。因此，盡管低溫液態(tài)儲氫技術(shù)在某些特定領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，但在大規(guī)模氫能應(yīng)用中，仍面臨較大的技術(shù)和經(jīng)濟挑戰(zhàn)。

2、相比高壓氣態(tài)儲氫與低溫液態(tài)儲氫，固態(tài)儲氫作為一種新興的儲氫方式，具有單位體積儲氫密度大、安全性優(yōu)異、儲運壓力低等優(yōu)勢，已成為當(dāng)今世界主要國家積極探索并大力推廣的最具影響力的儲氫技術(shù)之一。然而，固態(tài)儲氫為可逆反應(yīng)過程，固態(tài)儲氫材料吸收氫氣是放熱過程，釋放氫氣是吸熱過程，因而在儲氫過程中通常需要外部對其進行持續(xù)熱交換以保證吸放氫速率維持在合適水平。以放氫過程為例，當(dāng)外界供給的熱量與反應(yīng)熱不匹配時，固態(tài)儲氫材料的溫度會降低，導(dǎo)致放氫速率下降。并且因為固態(tài)儲氫材料在吸收和釋放氫氣時的壓力環(huán)境不同，在吸收和釋放氫氣速率穩(wěn)定且滿足最大吸/放氫量時，固態(tài)儲氫材料所需的溫度不同。以常見的ⅰⅱ型儲氫合金tife0.8mn0.2為例，吸收氫氣所需溫度約為30℃，釋放氫氣所需溫度約為70℃。

3、目前，固態(tài)儲氫系統(tǒng)在熱管理方面面臨的幾個主要問題在于：能量利用率低，熱利用不足，吸氫過程放出的熱量未回收，放氫過程供熱消耗大。此外，由于吸放氫過程中材料所需溫度和壓力條件的差異，系統(tǒng)設(shè)計需同時滿足冷卻與加熱的需求，進一步增加了系統(tǒng)的設(shè)計難度和運行成本。同時，固態(tài)儲氫材料的熱響應(yīng)特性也影響了儲氫系統(tǒng)的整體效率。由于氫氣的吸收與釋放反應(yīng)是一個強烈的放熱與吸熱過程，當(dāng)外界供給的熱量與材料反應(yīng)熱不匹配時，材料溫度可能迅速下降或升高，導(dǎo)致吸放氫速率不穩(wěn)定。

4、綜上所述，盡管固態(tài)儲氫技術(shù)具有多項優(yōu)勢，如安全性高、單位體積儲氫密度大等，但在實際應(yīng)用中仍面臨熱管理復(fù)雜、能量回收不足以及系統(tǒng)整體能效偏低等技術(shù)難題。因此，如何提高固態(tài)儲氫系統(tǒng)的能量利用率，實現(xiàn)高效的熱管理，協(xié)調(diào)吸放氫過程中的溫度差異，以及如何有效回收和利用系統(tǒng)中的熱量，是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、（一）發(fā)明目的

2、針對現(xiàn)有固態(tài)儲氫技術(shù)在吸氫和放氫過程中能量利用率低、熱管理效率不足、系統(tǒng)整體能耗較高等缺陷和不足，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)及方法，通過將固態(tài)儲氫系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及蓄冷蓄熱技術(shù)耦合，將固態(tài)儲氫過程中的吸氫放熱進行回收并進一步提升溫度，將其應(yīng)用于放氫過程，從而節(jié)省能耗。同時，本發(fā)明利用熱泵系統(tǒng)維持固態(tài)儲氫材料在吸氫和放氫過程中的溫度恒定，吸氫時為儲氫材料提供冷量并儲存熱量，放氫時為儲氫材料提供熱量并儲存冷量，實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的“一機兩用”，有效降低了系統(tǒng)能耗，相較于傳統(tǒng)的電制熱與電制冷，大幅提升了吸放氫過程中的能量利用率，為固態(tài)儲氫技術(shù)的實際應(yīng)用提供新的解決方案。

3、（二）技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

5、本發(fā)明的第1個發(fā)明目的在于提供一種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)，用于固態(tài)儲氫材料在吸氫和放氫過程中進行溫度控制與能量回收，提高系統(tǒng)能量利用率，至少包括一固態(tài)儲氫單元、一熱泵單元、一蓄冷/供冷單元和一蓄熱/供熱單元，其中：

6、所述固態(tài)儲氫單元至少包括一儲氫罐、封閉設(shè)置在所述儲氫罐中的固態(tài)儲氫材料以及一主體設(shè)置在所述儲氫罐內(nèi)并與外部管路連通的換熱管路，用于在氫氣吸收時釋放熱量并在氫氣釋放時吸收熱量；

7、所述熱泵單元至少包括一蒸發(fā)器、一壓縮機、一冷凝器及一膨脹閥，所述蒸發(fā)器的冷側(cè)、壓縮機、冷凝器的熱側(cè)、膨脹閥之間通過管路依次連接并形成為一封閉的熱泵工質(zhì)循環(huán)回路，通過熱泵工質(zhì)的循環(huán)實現(xiàn)冷量和熱量的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)固態(tài)儲氫單元的溫度需求提供相應(yīng)的冷量或熱量；

8、所述蓄冷/供冷單元，用于在固態(tài)儲氫單元吸氫過程中釋放冷量并在放氫過程中吸收并存儲熱泵單元蒸發(fā)器的冷量，至少包括一低溫液體儲罐、一第一控制閥門和一三通閥門ⅰ，所述低溫液體儲罐的出口通過管路與所述蒸發(fā)器的熱側(cè)進口連通，所述蒸發(fā)器的熱側(cè)出口設(shè)有兩個分支管路，其中第一分支管路上設(shè)有所述第一閥門并與所述固態(tài)儲氫單元的換熱管路的進口連通，第二分支管路的末端與所述三通閥門ⅰ的第一接口連通，所述三通閥門ⅰ的第二接口通過管路與所述低溫液體儲罐的進口連通，所述三通閥門ⅰ的第三接口通過管路與所述固態(tài)儲氫單元的換熱管路的出口連通；

9、所述蓄熱/供熱單元，用于在固態(tài)儲氫單元放氫過程中釋放熱量并在吸氫過程中吸收并存儲熱泵單元冷凝器的熱量，至少包括一高溫液體儲罐一第二控制閥門和一三通閥門ⅱ，所述高溫液體儲罐的出口通過管路與所述冷凝器的冷側(cè)進口連通，所述冷凝器的冷側(cè)出口設(shè)有兩個分支管路，其中第一分支管路上設(shè)有所述第二閥門并與所述固態(tài)儲氫單元的換熱管路的進口連通，第二分支管路的末端與所述三通閥門ⅱ的第一接口連通，所述三通閥門ⅱ的第二接口通過管路與所述固態(tài)儲氫單元的換熱管路的出口連通，所述三通閥門ⅱ的第三接口通過管路與所述高溫液體儲罐的進口連通。

10、本發(fā)明的第2個發(fā)明目的在于提供一種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理方法，基于上述結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)，所述熱管理方法在實施時包括：

11、首先進行工作模式的判斷，根據(jù)固態(tài)儲氫單元的當(dāng)前狀態(tài)和用戶需求，判斷系統(tǒng)當(dāng)前處于熱泵停機的吸氫模式、熱泵啟動的吸氫模式、熱泵停機的放氫模式、熱泵啟動的放氫模式還是待機模式；

12、當(dāng)固態(tài)儲氫單元處于吸氫過程且低溫液體儲罐溫度低于預(yù)設(shè)上限溫度而具有足夠的冷量提供時，系統(tǒng)按照熱泵停機的吸氫模式運行，此時，關(guān)閉壓縮機使熱泵單元處于停機狀態(tài)，開啟低溫驅(qū)動泵并關(guān)閉高溫驅(qū)動泵，并開啟第一閥門，關(guān)閉第二閥門，關(guān)閉三通閥門ⅰ的第一接口、開啟其第二接口和第三接口，關(guān)閉三通閥門ⅱ的第一接口、第二接口和第三接口，低溫液體儲罐中的液體工質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)器和第一閥門后進入固態(tài)儲氫單元的換熱管路中為固態(tài)儲氫材料提供冷量，升溫后的液體工質(zhì)經(jīng)三通閥門ⅰ回流至低溫液體儲罐；

13、當(dāng)固態(tài)儲氫單元處于吸氫過程且低溫液體儲罐溫度超過預(yù)設(shè)上限溫度而沒有足夠的冷量提供時，系統(tǒng)按照熱泵啟動的吸氫模式運行，此時，打開壓縮機以啟動熱泵單元，同時啟動低溫驅(qū)動泵和高溫驅(qū)動泵，并開啟第一閥門，關(guān)閉第二閥門，關(guān)閉三通閥門ⅰ的第一接口、開啟其第二接口和第三接口，關(guān)閉三通閥門ⅱ的第二接口、開啟其第一接口和第三接口，低溫液體儲罐中的液體工質(zhì)通入蒸發(fā)器的熱側(cè)而溫度降低后經(jīng)第一閥門進入固態(tài)儲氫單元的換熱管路中為固態(tài)儲氫材料提供冷量，升溫后的液體工質(zhì)經(jīng)三通閥門ⅰ回流至低溫液體儲罐，實現(xiàn)循環(huán)冷卻；同時，高溫液體儲罐中的液體工質(zhì)通入冷凝器的冷側(cè)而吸收熱量后，經(jīng)三通閥門ⅱ回流至高溫液體儲罐中進行蓄熱；

14、當(dāng)固態(tài)儲氫單元處于放氫過程且高溫液體儲罐溫度高于預(yù)設(shè)下限溫度而具有足夠的熱量提供時，系統(tǒng)按照熱泵停機的放氫模式運行，此時，關(guān)閉壓縮機使熱泵單元處于停機狀態(tài)，開啟高溫驅(qū)動泵并關(guān)閉低溫驅(qū)動泵，并關(guān)閉第一閥門，開啟第二閥門，關(guān)閉三通閥門ⅰ的第一接口、第二接口和第三接口，關(guān)閉三通閥門ⅱ的第一接口、開啟其第二接口和第三接口，高溫液體儲罐中的液體工質(zhì)經(jīng)冷凝器和第二閥門后進入固態(tài)儲氫單元的換熱管路中為固態(tài)儲氫材料提供熱量，降溫后的液體工質(zhì)經(jīng)三通閥門ⅱ回流至高溫液體儲罐；

15、當(dāng)固態(tài)儲氫單元處于放氫過程且高溫液體儲罐溫度低于預(yù)設(shè)下限溫度而沒有足夠的熱量提供時，系統(tǒng)按照熱泵啟動的放氫模式運行，此時，啟動壓縮機使熱泵單元處于啟動狀態(tài)，同時啟動低溫驅(qū)動泵和高溫驅(qū)動泵，并關(guān)閉第一閥門，開啟第二閥門，關(guān)閉三通閥門ⅰ的第三接口、開啟其第一接口和第二接口，關(guān)閉三通閥門ⅱ的第一接口、開啟其第二接口和第三接口，高溫液體儲罐中的液體工質(zhì)通入冷凝器的冷側(cè)而溫度升高后，經(jīng)第二閥門進入固態(tài)儲氫單元的換熱管路中為固態(tài)儲氫材料提供熱量，降溫后的液體工質(zhì)經(jīng)三通閥門ⅱ回流至高溫液體儲罐；同時，低溫液體儲罐中的液體工質(zhì)通入蒸發(fā)器的熱側(cè)而吸收冷量后，經(jīng)三通閥門ⅰ回流至低溫液體儲罐中進行蓄冷；

16、當(dāng)系統(tǒng)處于待機模式時，實時監(jiān)測固態(tài)儲氫單元的溫度，使其保持在預(yù)設(shè)的最佳工作溫度范圍內(nèi)，并根據(jù)環(huán)境溫度變化，適時啟動熱泵單元、蓄冷/供冷單元和蓄熱/供熱單元進行溫度調(diào)節(jié)。

17、本發(fā)明的第3個發(fā)明目的在于提供另一種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)，用于固態(tài)儲氫材料在吸氫和放氫過程中進行溫度控制與能量回收，提高系統(tǒng)能量利用率，至少包括一固態(tài)儲氫單元、一熱泵單元、一蓄冷/蓄熱單元，其中：

18、所述固態(tài)儲氫單元至少包括一儲氫罐、封閉設(shè)置在所述儲氫罐中的固態(tài)儲氫材料以及一主體設(shè)置在所述儲氫罐內(nèi)并與外部管路連通的換熱管路，用于在氫氣吸收時釋放熱量并在氫氣釋放時吸收熱量；

19、所述熱泵單元至少包括一蒸發(fā)器、一壓縮機、一冷凝器及一膨脹閥，所述蒸發(fā)器的冷側(cè)、壓縮機、冷凝器的熱側(cè)、膨脹閥之間通過管路依次連接并形成為一封閉的熱泵工質(zhì)循環(huán)回路，通過熱泵工質(zhì)的循環(huán)實現(xiàn)冷量和熱量的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)固態(tài)儲氫單元的溫度需求提供相應(yīng)的冷量或熱量；

20、所述蓄冷/蓄熱單元包括一高低溫液體儲罐、一低溫驅(qū)動泵、一高溫驅(qū)動泵、一第三閥門、一第四閥門、一第五閥門、一第六閥門、一第七閥門和一第八閥門，所述高低溫液體儲罐的上部設(shè)有一熱流體入口和一熱流體出口，所述高低溫液體儲罐的下部設(shè)有一冷流體入口和一冷流體出口，其中：

21、所述冷流體出口處的管路上設(shè)置低溫驅(qū)動泵和第四閥門，所述第四閥門的出口設(shè)有三個分支管路，第一分支管路經(jīng)冷凝器的冷側(cè)后與熱流體入口連通，第二分支管路經(jīng)第六閥門與固態(tài)儲氫單元的換熱管路的進口連通，第三分支管路經(jīng)第八閥門與固態(tài)儲氫單元的換熱管路的出口連通，

22、所述熱流體出口處的管路上設(shè)置高溫驅(qū)動泵和第三閥門，所述第三閥門的出口設(shè)有三個分支管路，第一分支管路經(jīng)蒸發(fā)器的熱側(cè)后與冷流體入口連通，第二分支管路經(jīng)第五閥門與固態(tài)儲氫單元的換熱管路的進口連通，第三分支管路經(jīng)第七閥門與固態(tài)儲氫單元的換熱管路的出口連通。

23、本發(fā)明的第4個發(fā)明目的在于提供另一種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理方法，基于上述第2種結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)，所述熱管理方法在實施時包括：

24、首先進行工作模式的判斷，根據(jù)固態(tài)儲氫單元的當(dāng)前狀態(tài)和用戶需求，判斷系統(tǒng)當(dāng)前處于吸氫模式，放氫模式還是待機模式；

25、當(dāng)系統(tǒng)處于吸氫模式時，監(jiān)測固態(tài)儲氫單元的溫度且當(dāng)其溫度超過預(yù)設(shè)上限時，啟動熱泵單元并開啟第四閥門、第六閥門、第七閥門，關(guān)閉第三閥門、第五閥門、第八閥門，同時開啟低溫驅(qū)動泵，使得高低溫液體儲罐下方的低溫液體工質(zhì)經(jīng)過第四閥門后一部分流入冷凝器的冷側(cè)吸收熱量溫度升高后從高低溫液體儲罐的上方流入并將熱量存儲，另一部分通過第六閥門流入儲氫罐的換熱管路中為固態(tài)儲氫材料持續(xù)提供冷量，之后通過第七閥門進入蒸發(fā)器的熱側(cè)而溫度降低后從高低溫液體儲罐的下方流入；

26、當(dāng)系統(tǒng)處于放氫模式時，監(jiān)測固態(tài)儲氫單元的溫度且當(dāng)其溫度低于預(yù)設(shè)下限時，啟動熱泵單元并開啟第三閥門、第五閥門、第八閥門，關(guān)閉第四閥門、第六閥門、第七閥門，同時開啟高溫驅(qū)動泵，使得高低溫液體儲罐上方的高溫液體工質(zhì)經(jīng)第三閥門后一部分流入蒸發(fā)器的熱側(cè)吸收冷量而溫度降低后從高低溫液體儲罐的下方流入并將冷量存儲，另一部分通過第五閥門流入儲氫罐的換熱管路中為固態(tài)儲氫材料持續(xù)提供熱量，之后通過第八閥門進入冷凝器的冷側(cè)而溫度升高后從高低溫液體儲罐的上方流入；

27、當(dāng)系統(tǒng)處于待機模式時，實時監(jiān)測固態(tài)儲氫單元的溫度，使其保持在預(yù)設(shè)的最佳工作溫度范圍內(nèi)，并根據(jù)環(huán)境溫度變化，適時啟動熱泵單元及蓄冷/蓄熱單元進行溫度調(diào)節(jié)。

28、（三）技術(shù)效果

29、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的結(jié)合熱泵及蓄冷蓄熱的固態(tài)儲氫熱管理系統(tǒng)及方法，具有以下有益且顯著的技術(shù)效果：

30、（1）本發(fā)明實現(xiàn)了固態(tài)儲氫系統(tǒng)中冷、熱能量的高效管理與回收，提高了系統(tǒng)的整體能效。在儲氫過程中，系統(tǒng)將固態(tài)儲氫材料釋放的熱量通過熱泵系統(tǒng)提升溫度后存儲在高溫液體儲罐中，而在放氫過程中，又將這部分熱量用于為固態(tài)儲氫材料提供所需熱量。這種高效的能量回收與利用機制不僅降低了系統(tǒng)運行時的能耗，還顯著提升了能源的使用效率，有效解決了傳統(tǒng)固態(tài)儲氫系統(tǒng)中能量利用不足的問題。

31、（2）本發(fā)明通過熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)了“一機兩用”的功能。在儲氫過程中，熱泵系統(tǒng)為固態(tài)儲氫材料提供冷量；在放氫過程中，則為其提供熱量。這種靈活的運行模式使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)固態(tài)儲氫材料在不同階段的溫度需求，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和效率。

32、（3）本發(fā)明采用的蓄冷蓄熱技術(shù)有效解決了固態(tài)儲氫材料在吸氫和放氫過程中溫度需求不同的問題。通過在不同溫度下儲存液體，系統(tǒng)能夠根據(jù)需要快速提供所需溫度的熱量或冷量，實現(xiàn)了對固態(tài)儲氫材料溫度的精確控制。本發(fā)明相比傳統(tǒng)的電制熱與電制冷方式，大幅度降低了吸放氫過程的能耗。通過熱泵系統(tǒng)和蓄冷蓄熱技術(shù)的結(jié)合，系統(tǒng)能夠更高效地利用能量，減少了直接電加熱或電制冷所需的電能消耗。

33、（4）本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計具有良好的靈活性和可擴展性。通過控制各閥門的開關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種工作模式的切換，如低溫液體儲罐供冷、熱泵系統(tǒng)供冷、高溫液體儲罐供熱和熱泵系統(tǒng)供熱等。這種靈活性使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的工作條件和需求。此外，本發(fā)明提供的單液體儲罐方案進一步簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的集成度和空間利用率。這種設(shè)計不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還可能減少系統(tǒng)的初始投資和維護成本。