阅读说明：本技术 金属氢化物压缩机控制装置和方法 (Metal hydride compressor control apparatus and method ) 是由 诺里斯·加兰达特 安德烈亚斯·祖特尔 于 2018-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于产生可变的输出压力P<Sub>_desired_outPut</Sub>的金属氢化物压缩机控制方法,该方法包括：第一步,使气态氢流入到在恒定温度下的金属氢化物隔室中,并且然后停止气态氢的流入；第二步,将金属氢化物加热到预定温度,该预定温度对应于在期望的输出压力P<Sub>_desired_output</Sub>下穿过α+β相的温度；第三步,打开压缩机的输出连接并通过调节温度使其保持在恒定的压力下,以保持恒定的输出压力P<Sub>_desired_outPut</Sub>直到系统完全离开α+β相。(The invention relates to a device for generating a variable output pressure P _desired_outPut The method of controlling a metal hydride compressor, the method comprising: a first step of flowing gaseous hydrogen into a metal hydride compartment at a constant temperature and then stopping the flow of gaseous hydrogen; a second step of heating the metal hydride to a predetermined temperature, the predetermined temperatureThe temperature corresponds to the desired output pressure P _desired_output Down through the α + β phase, and a third step of opening the compressor output connection and maintaining it at a constant pressure by regulating the temperature to maintain a constant output pressure P _desired_outPut Until the system completely leaves α + β phases.)

金属氢化物压缩机控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于金属氢化物的压缩机，并且更特别地涉及一种具有可变输出压力的基于单极或多级金属氢化物的压缩机。

背景技术

由于许多金属和合金能够可逆地吸收大量的氢，因此金属氢化物通常用于在低压下存储氢。氢分子在被吸收之前在表面处被离解(dissociated)，并且两个H原子在解吸(desorption)过程中重新结合为H₂。由气态氢形成氢化物的热力学方面通过图1所示的压力-组分等温线(pressure-composition isotherms)以及通过本领域技术人员已知的其他特征来描述。

该图在左侧示出了压力-浓度-温度图，并且在右侧示出了平衡或平稳压力的对数与温度倒数的对应。α相是吸收之前的相，并且β相是金属H饱和时的相。在α+β相内，压力随温度呈指数地变化。在期望的平稳温度下，向金属氢化物提供热量以开始解吸过程，并在期望的压力下释放气态氢。

已公开了不同构造的金属氢化物压缩机。存在使用单一金属合金运行的金属氢化物压缩机，以及结合不同合金以允许实现更高压缩比的多级压缩机。存在以批处理模式运行的压缩机，也存在连续运行的压缩机。所有的压缩机都在一组离散的温度/压力水平之间运行，这意味着这些压缩机都具有固定的压缩比。

例如，文献WO 2012114229提出了一种金属氢化物压缩机，该金属氢化物压缩机包括一个或多个互连的压缩模块，并且包括气体分配系统和传热系统，该传热系统包括分别用于加热和冷却的热流体系统和冷流体系统。压缩机使用控制系统来进行热驱动，该控制系统操作流动系统中的开关以及循环泵。控制系统以相反的相同时操作两个压缩模块，以实现加压氢气的连续流出。金属氢化物压缩机以固定的压缩比运行。

此外，文献EP 2391846涉及一种同时操作多个压缩模块的装置。此外，在中等温度水平下，过多的热量从散热器侧被永久地去除。

此外，文献WO 2003006874公开了一种组合式大容量存储/单级金属氢化物压缩机、储氢合金和氢气传输/分配系统。该装置用于大容量存储氢气以及用于在低于或等于200℃的温度下将所述氢气压缩至大于或等于1500psi的水平。

最后，文献DE102005004590描述了一种循环运行的金属氢化物压缩机，其被公开用于机动车辆中。该循环运行的金属氢化物压缩机包括填装有金属氢化物的耐压罐，并且循环地吸收或解吸氢气。

这些文献的装置的主要问题之一是这些装置都不能输出可变的压力。

因此，本发明的主要目的是提供一种具有可变输出压力的基于单极或多级金属氢化物的压缩机以及驱动所述压缩机的方法。

发明内容

通过本发明来解决以上问题。

本发明的第一方面涉及一种用于产生可变的输出压力P_{_desired_output}的金属氢化物压缩机控制方法，该方法包括：第一步，在恒定温度下使气态氢流入到金属氢化物隔室中，并且然后停止气态氢的流入；第二步，将金属氢化物加热到预定温度，该预定温度对应于在期望的输出压力P_{_desired_output}下穿过α+β相的温度；

第三步，打开压缩机的输出连接并通过调节温度使其保持在恒定的压力下，以保持恒定的输出压力P_{_desired_output}直到系统完全离开α+β相。

根据本发明的优选实施例，第一步还包括冷却金属氢化物以使所述金属氢化物的温度保持恒定。

优选地，第一步被继续直到到达α+β相的边界。

有利地，使用控制方法来实现温度调节，所述控制方法选自PID控制、MIMO控制或通过任何数量的输入和输出以及不同的感测装置进行的控制。

根据本发明的优选实施例，使用一些关闭装置来关闭与气态氢源的连接，所述关闭装置例如是机械阀或电气阀或任何其他关闭装置。

有利地，使用一些打开/关闭装置来打开压缩机的输出连接，所述打开/关闭装置例如是阀或任何其他电系统、机械系统或机电系统。

优选地，在第三步结束时，当H2已被完全输出时，输出连接被关闭并且系统被冷却。

根据本发明的优选实施例，在冷却结束时又开始另一循环，可能通过在第二步中选择不同的温度T3来产生与先前循环中不同的压力。

本发明的第二方面涉及一种金属氢化物压缩机，所述金属氢化物压缩机适于根据本发明第一方面所述的金属氢化物压缩机控制方法来工作。本发明的该装置的特定优点类似于本发明的第一方面的方法的优点，在此不再重复。

有利地，金属氢化物隔室适于连续运行。

优选地，金属氢化物压缩机是多级金属氢化物压缩机。

根据本发明的优选实施例，每一级包括串联的不同合金以产生更高的压缩比。

附图说明

根据以下参照附图对本发明的至少一个实施例进行的非限制性描述，本发明的其他特定优点和特征将变得更加明显，其中

-图1表示本发明方法的具有Van’t Hoff图的压力-组分等温曲线。

具体实施方式

由于实施例的任何特征可以以有利的方式与不同实施例的任何其他特征结合，因此本详细描述旨在以非限制性的方式解释本发明。

本发明涉及一种单级或多级金属氢化物压缩机控制方法，其中压缩比不是固定的，而是可以由用户改变或调节。

更具体地，通过使用本发明的方法来控制温度，可以将氢气流出压力在值的一定范围内调节到所需水平。所述单级或多级金属氢化物压缩机控制方法包括第一步，即在冷却金属氢化物的同时使气态氢流入到在恒定温度T1＝T2下的金属氢化物隔室中，所述冷却方法可以是被动的，例如通过环境对流，或可以是主动的，例如通过一些液体冷却路径或强制的空气对流。在图1中，该步骤表示为从点1沿着等温线移动直到在点2处到达α+β相的边界的状态。

使用例如热电偶或RTD来监测温度，并且使用常规的压力传感器来监测压力。一旦到达点T2，就停止气态氢的流入，并且使用一些关闭装置(例如机械阀或电气阀或任何其他关闭装置)来关闭与气态氢源的连接。

此时，在第二步中，将金属氢化物加热到在图1的点3处的某预计算或在线计算的温度T3，该温度T3对应于在期望的输出压力P_{_desired_output}下穿过α+β相的温度。在图3中，这由连接点2和点3的竖直线来表示。温度T3基于各种参数，但是最重要的参数是所使用的材料和期望的输出压力P_{_desired_output}。

一旦由于加热到T3而达到期望的输出压力P_{_desired_output}，就使用一些打开/关闭装置来打开压缩机的输出连接，所述打开/关闭装置例如是阀或任何其他电、机械或机电系统，并且通过调节温度来使系统保持在恒定压力下。实际上，由于解吸反应是吸热的，因此必须向系统提供额外的热量以保持压力恒定。

可以使用任何控制方法来实现该调节，包括：比例、积分和微分(PID)控制；多输入、多输出(MIMO)控制或通过任何数量的输入和输出以及不同的感测装置进行的控制，所述不同的感测装置特别地包括一个或多个温度和压力感测装置。

系统然后从点3开始沿着等温线移动，并在某点处系统将再次进入α+β相。

系统然后保持在合适的温度下以确保恒定的输出压力P_{_desired_output}，直到在点4处离开α+β相为止。

当所述的后者的步骤完成时，即当H₂已被完全输出时，输出连接被关闭并且系统冷却至点1，在该点1处循环再次开始，再次开始的循环可能通过在步骤2中选择不同的温度T3产生与先前的循环中不同的压力。

本发明的另一方面涉及一种单级或多级金属氢化物压缩机，在所述单级或多级金属氢化物压缩机中执行上述方法。这种单级或多级金属氢化物压缩机具有可变的输出压力P_{_desired_output}，通过在装置的一个或多个区域中使用温度控制，该可变的输出压力P_{_desired_output}被保持为恒定的(或根据某确定的时间函数可变的)。

根据优选的实施例，金属氢化物压缩机是多级金属氢化物，其中每一级包括不同的材料并且接收期望的P_{_desired_output}作为来自前一级的输入。

这种压缩机可用于需要可变压缩比的应用中，包括但不限于：用于实验室的压缩机，该压缩机提供压缩的和/或纯化的氢气以用于实验；用于工业氢气压缩应用的压缩机；用于氢气站的压缩机；以及用于包括燃料电池(fuel cells)和/或电解槽(electrolyzers)的氢气或金属氢化物储能系统的压缩机。

尽管已结合多个实施例描述了实施例，然而显然对于所应用领域的普通技术人员而言，许多替代方案、修改和变化将是显而易见的。因此，本公开旨在涵盖属于本公开范围内的所有这样的替代方案、修改、等同物和变化。例如，对于所使用的确切温度、所使用的材料、监测系统、级数、温度传感器以及所有不同的装置而言尤其是这种情况，这可以与本发明结合使用。