阅读说明：本技术 一种基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车 (Hydrogen energy bicycle based on low-pressure solid hydrogen storage is hydrogen source ) 是由 周少雄 武英 阎有花 原建光 张宝 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于氢能源利用技术领域,具体涉及一种基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车。本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车,采用低压固态储氢材料及系统为氢源,并利用水冷质子交换膜燃料电池控制单元实现氢源能量的转换及输出利用。本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车,充分利用低压固态储氢材料具有安全、高效、高密度等优点,又有效利用了水冷质子交换膜燃料电池系统运行时产生的废热,节能减排,实现“低碳环保、绿色出行”,可满足经济社会市场需求。(The invention belongs to the technical field of hydrogen energy utilization, and particularly relates to a hydrogen energy bicycle taking low-pressure solid hydrogen storage as a hydrogen source. The invention discloses a hydrogen energy bicycle taking low-pressure solid hydrogen storage as a hydrogen source, which adopts low-pressure solid hydrogen storage materials and a system as the hydrogen source and realizes the energy conversion and output utilization of the hydrogen source by utilizing a water-cooling proton exchange membrane fuel cell control unit. The hydrogen energy bicycle taking the low-pressure solid hydrogen storage as the hydrogen source fully utilizes the advantages of safety, high efficiency, high density and the like of the low-pressure solid hydrogen storage material, effectively utilizes waste heat generated during the operation of the water-cooling proton exchange membrane fuel cell system, saves energy, reduces emission, realizes low carbon, environmental protection and green trip, and can meet the market demands of economy and society.)

一种基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车

技术领域

本发明属于氢能源利用技术领域，具体涉及一种基于低压固态储氢为 氢源的氢能自行车。

背景技术

氢能被认为是一种理想的清洁能源，具有质量轻、储量丰富、环境友 好等优点。“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)”将高容 量储氢材料技术确定为“前沿技术”。目前，氢能源主要的产业链包括上游 氢气的制备、中游氢气的运输储存以及下游加氢站、氢燃料电池及应用等 多个实际应用环节。中游氢气的储存包括高压气态储氢、低温液态储氢和 固态储氢几种方式。其中，高压气态储氢方式具有应用广泛、简便易行、 成本低、充放氢速度快等优势，但储氢过程则需要厚重的耐压容器，同时 消耗较大的氢气压缩功，并具有氢气泄露和容器***等不安全因素的风险； 低温液态储氢方式虽然在全球的加氢站中有较大范围的应用，但在车载系 统中的应用却并不成熟，还存在一定的安全隐患，而且受限于技术开发能 力，国内液氢的应用成本持续很高；固态储氢技术的特点在于安全、简便、 并具备良好的适应性，能够很好的解决储氢问题，可为燃料电池提供稳定 可靠的氢源。

目前，在国家大力倡导节能减排、低碳出行的大环境下，自行车、公 交车、地铁、轻轨等公共交通无疑是人们首选的低碳出行方式。其中，自 行车尤其是电动自行车在现有公共交通系统中更由于其灵活性而具备不可 替代的特殊地位，起到了连接目的地与地铁站、公交点等大交通站点的作 用。

目前市场上的电动自行车多以锂电池电源为主，但锂电池充电时间长 且容量有限，使得电动自行车只能在有限范围内行驶；而且由于目前国内 还没有大量规范配套充电桩，一旦电量用尽，充电问题也会困扰用户；而 锂电池的前期、后期污染也是一个长期的环境问题。因此，采用低压固态 储氢为氢源的氢能自行车更成为经济社会绿色、低碳、环保出行的理想选 择。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于低压固态储氢为 氢源的氢能自行车。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种基于低压固态储氢为氢源的 氢能自行车，包括自行车车体，以及置于自行车车体用于氢源储存的低压 固态储氢系统单元和用于氢源能量转换的水冷质子交换膜燃料电池控制单 元；

所述低压固态储氢系统单元包括含固态储氢材料的低压储氢瓶；

所述水冷质子交换膜燃料电池控制单元包括分别实现能源物料运行的 氢气管路、空气管路、冷却水循环管路，以及用于稳定系统压力的DC/DC 变换器和为系统提供启动电压的锂电池。

具体的，所述低压固态储氢系统单元和所述水冷质子交换膜燃料电池 控制单元为一体化集成结构，并由防水壳包裹。

具体的，所述固态储氢材料选自稀土系或者钛系储氢合金中的一种或 者多种。

具体的，所述固态储氢材料为经过粘结剂造粒形成的纳米结构块状材 料。

具体的，所述低压储氢瓶上设置有含过滤器的瓶口阀以及实现所述低 压储氢瓶与水冷质子交换膜燃料电池控制单元的管路开关控制的快插接头。

具体的，所述氢气管路上设置有相连接的：

电磁阀，所述电磁阀与所述低压储氢瓶相连接，用于控制并调整氢气 的方向、流量、速度参数；

减压阀，用于调节所述氢气管路内氢气的压力，使出口压力自动保持 稳定；

热交换器，用于使热量从热介质传递到冷介质，以调节所述氢气管路 的温度要求；

质子交换膜燃料电池堆，所述质子交换膜燃料电池堆包括多个串联层 叠组合的单体电池，用于实现氢气和氧气的电化学反应；

水冷却器，所述水冷却器用于排空燃料电池生成的水；

氢气循环泵，用于回收未反应的氢气进行循环利用，以提高了质子膜 燃料电池的能量利用率。

具体的，所述氢气管路上还设置有检测组件，所述检测组件包括：

温度传感器，所述温度传感器设置于所述减压阀之前，用于检测和测 量热度及冷度并将其转换为电信号；

压力传感器，所述压力传感器设置于所述减压阀之前，用于感受所述 氢气管路的压力信号，并将压力信号转换成可用的输出的电信号；

和/或，

压力表，所述压力表设置于所述减压阀和所述热交换器之间，用于测 量及指示所述氢气管路中进入质子交换膜燃料电池堆入口的氢气压力。

具体的，所述氢气管路上还设置有：

安全阀，所述安全阀设置于所述减压阀和所述热交换器之间，当设备 或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管 道或设备内介质压力超过规定数值；

和/或，

单向阀，所述单向阀设置于所述热交换器之后，用于控制氢气只能沿 出口方向流动，并限制出口介质逆流。

具体的，所述空气管路上设置有相连接的：

空气增压泵，所述空气增压泵用于提高空气的供气压力，以增大燃料 电系统的能量密度，提高燃料电池堆效率和改善水平衡；

增湿器，所述增湿器用于对所述质子交换膜燃料电池堆进行加湿处理 以确保所述质子交换膜燃料电池堆的质子交换膜保持良好的水合状态和较 高的电导，提高燃料电池工作效率。

具体的，冷却水循环管路上设置有相连接的：

冷却循环水泵，所述冷却循环水泵用于控制循环水在系统内的循环；

储水箱，用于冷却循环水的存储。

本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车，采用低压固态储 氢材料及系统为氢源，并利用水冷质子交换膜燃料电池控制单元实现氢源 能量的转换及输出利用。本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行 车，充分利用低压固态储氢材料具有安全、高效、高密度等优点，又有效 利用了水冷质子交换膜燃料电池系统运行时产生的废热，节能减排，实现 “低碳环保、绿色出行”，可满足经济社会市场需求。

本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车，所述固态储氢材 料优选经过造粒处理，使其具有一定粒度和机械强度并保留纳米结构的块 状材料，造粒处理后，储氢材料充装便捷、增大储氢材料的表面积，保证 吸氢效果，而低压固态储氢系统可实现低压、高密度储氢，具有可重复使 用、安全经济优势，具有良好的适应性。本发明所述基于低压固态储氢为 氢源的氢能自行车，可根据氢能自行车的电动机续航里程和实际输出功率的需求，配套质子交换膜燃料电池输出功率、储氢瓶容积和数量、储氢合 金填充量等参数，满足平原、爬坡等实际路况需求。

本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车，通过将低压固 态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池控制单元集成在一起，构成的 整体结构紧凑，被防水壳包裹。具有结构紧凑、使用简便、便携移动的特 点。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实 施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1为低压固态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池控制单元集 成内部结构示意图；

图2为镧-镍基(LaNi₅)固态储氢材料充装低压储氢瓶工艺流程；

图3为镧镍基(LaNi₅)储氢合金不同温度PCT性能测试曲线；

图4为镧镍基(LaNi₅)储氢合金1L低压储氢瓶流量随时间变化曲线。

图中附图标记表示为：1-低压储氢瓶，2-第一电磁阀，3-温度传感器， 4-压力传感器，5-减压阀，6-压力表，7-安全阀，8-热交换器，9-单向阀， 10-质子交换膜燃料电池堆，11-水冷却器，12-氢气循环泵，13-第二电磁阀， 14-空气增压泵，15-加湿器，16-冷却循环水泵，17-大储水箱，18-小储水 箱。

具体实施方式

在本发明下述描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本 发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本 发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连 接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相 连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的 具体含义。

本发明所述的以低压固态储氢为氢源的氢能自行车，包括常规形态的 自行车车体(图中未示出)，以及实现氢源能量转换及能量控制的低压固态 储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池控制单元。

考虑到实际使用情况，所述低压固态储氢系统单元和所述水冷质子交 换膜燃料电池控制单元采用集成在一起的方式，构成结构紧凑的整体组件， 并被防水壳包裹，置于所述氢能自行车车体的车架前部、中部或尾部均可。

如图1所示的所述低压固态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池 控制单元集成内部结构示意图，所述低压固态储氢系统单元用于给质子膜 燃料电池堆提供稳定流速的氢源。所述低压固态储氢系统单元包括充装固 态储氢材料的低压储氢瓶1，所述低压储氢瓶1可以设置为多组，用于固态 氢源材料的存储，所述低压储氢瓶1处还设置有含过滤器的瓶口阀和快插 接头等。其中，所述瓶口阀的过滤器优选为不锈钢粉末烧结体，过滤精度 可达到0.5μm，用于防止储氢合金多次吸放氢循环的微粉颗粒通过瓶口阀进 入氢气管路。而所述快插接头则可以实现所述低压储氢瓶1与后续水冷质 子交换膜燃料电池控制单元的管路之间的连通或断开。

所述低压储氢瓶1中存储的固态储氢材料优选为稀土系或者钛系储氢 合金中的一种或者多种。并且更优的，所述固态储氢材料为经过造粒处理 并使其具有一定粒度和机械强度并保留纳米结构的块状材料，可采用石墨、 树脂作为纳米级稀土系和钛系储氢粉体造粒的粘结剂，经造粒处理后，储 氢材料充装便捷、增大储氢材料的表面积，保证吸氢效果，低压固态储氢 系统实现低压、高密度储氢。

如图1所示的所述低压固态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池 控制单元集成内部结构示意图，所述水冷质子交换膜燃料电池控制单元包 括分别实现能源物料运行的氢气管路、空气管路、冷却水循环管路，以及 用于稳定系统压力的DC/DC变换器和为系统提供启动电压的锂电池。

所述DC/DC变换器的功能是由于燃料电池的输出电压不稳，通过 DC/DC变换器闭环控制系统可以对其进行稳压，也可以通过DC/DC变换器 对燃料电池的输出电压进行变换后再提供给电机驱动器。而所述锂电池则 用于为整个控制系统、氢燃料电池反应堆以及反应堆控制器提供启动电压。

如图1所示的所述低压固态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池 控制单元集成内部结构示意图，所述水冷质子交换膜燃料电池控制单元的 氢气管路上自靠近所述低压储氢瓶1依次设置有：

第一电磁阀2，电磁阀是用于控制氢气的自动化基础元件，所述第一电 磁阀2与所述低压储氢瓶1相连接，用于控制并调整氢气的方向、流量、 速度参数；

温度传感器3，所述温度传感器3的功能是用于检测和测量热度及冷度 并将其转换为电信号；

压力传感器4，所述压力传感器4的功能是能感受压力信号，并能按照 一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号；

减压阀5，所述减压阀5用于调节管路内的气体压力，进而将气体或的 进口压力减至某一所需要的出口压力值，并依靠介质本身的能量，使出口 压力自动保持稳定的阀门；

压力表6，所述压力表6是用于测量和指示氢气管路中进入水冷燃料电 池堆入口氢气压力的大小；

安全阀7，所述安全阀7是启闭件因受外力作用下而处于常闭状态，当 设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防 止管道或设备内介质压力超过规定数值；

热交换器8，所述热交换器8是用来使氢气管路产生的热量从热介质传 递到冷却水循环管路的冷介质，以满足工艺管路规定的工艺要求；所述氢 气管路与所述冷却水循环管路通过所述热交换器8实现热量交换；

单向阀9，所述单向阀9是控制氢气管路中氢气只能向出口方向流动， 而出口介质却无法逆流；

质子交换膜燃料电池堆10，所述质子交换膜燃料电池堆10(PEMFC) 是由多个单体电池以串联方式层叠组合而成，通过将单体电池的双极板与 膜电极三合一组件交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧 后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆10；在叠合压紧时应 确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池，在电堆工作 时，氢气和氧气分别经由所述氢气管路和空气管路对应的进口引入所述质 子交换膜燃料电池堆10，经由电堆气体主通道分配至各单电池的双极板， 经过其双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电 化学反应，实现氢源能量的转换；

水冷却器11，所述水冷却器11用于排空经由所述质子交换膜燃料电池 堆10的燃料电池生成的水，以确保管路系统的稳定；

氢气循环泵12，所述氢气循环泵12主要用于回收未反应的氢气以实现 氢气的有效利用，在吹扫时能快速的带出燃料电池中多余的水气，提高了 质子膜燃料电池能量利用率；

第二电磁阀13，所述第二电磁阀13与所述DC/DC变换器相连接，用 于控制排空氢气的流速。

如图1所示的所述低压固态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池 控制单元集成内部结构示意图，所述水冷质子交换膜燃料电池控制单元的 空气管路上依次设置有：

空气增压泵14，所述空气增压泵14用于提高空气的供气压力(即氧气 的分压力)，可加速燃料电池系统运作时空气的流动速度，避免空气供应不 足及产生燃料电池内部积水现象，可增大燃料电系统的能量密度，提高燃 料电池堆效率和改善水平衡；

加湿器15，所述增湿器15的功能是为了保持所述质子交换膜燃料电池 10的正常工作；由于在质子交换膜燃料电池，当温度升高，电池性能也会 提高，但温度过高会造成干膜导致电池性能下降，一般情况，电池运行的 温度在0-100℃之间，温度升高有利于提高电化学反应速率，改善电池性能； 温度过高会加速膜中水分的损失，导致水蒸气分压降低，严重时甚至会引 起膜收缩破裂，对电池造成不可逆的破坏，因此，质子交换膜需要保持湿润，需要对PEMFC进行加湿处理，以确保质子交换膜保持良好的水合状态 和较高的电导，使燃料电池高效工作，因而空气管路中增湿器15必不可少， 既可用空气增湿，又用于燃料电池出口的水气及废热导回增湿器15，进而 可控制电堆工作温度，影响电堆效率和输出特性。

如图1所示的所述低压固态储氢系统单元和水冷质子交换膜燃料电池 控制单元集成内部结构示意图，所述水冷质子交换膜燃料电池控制单元的 冷却水循环管路上依次设置有：

冷却循环水泵16，所述冷却循环水泵16用于驱动冷却循环水在系统内 周而复始地循环；所述冷却水循环管路与所述氢气管路经由所述换热器8 实现热交换，换热后的冷却水可以经过所述水冷却器11进行排出或

大储水箱17和小储水箱18，所述大储水箱17用于冷却水的储存，而 所述小储水箱18可实现冷却水的补给。

本发明所述基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车，具体的实施及工 作方式如下：

(1)本实施例中以镧-镍基(LaNi₅)固态储氢材料充装低压储氢瓶工 艺流程为例，加以阐述：

如图2所示的加工流程图，采用LaNi₅合金鳞片为原材料，所述合金鳞 片一方面有利于抑制成分偏析；另一方面可缓解合金吸放氢时体积膨胀收 缩产生的应力。将LaN_i5合金鳞片、石墨(纯度99％，粒度100目)、环氧 树脂AB胶按照按照质量百分含量100：5：5的比列装入球磨罐，以氩气置 换出球磨罐内空气，在惰性保护氩气气氛中行星球磨机中球磨2h，球磨后 混合料粉体备用。随后采用粉末压片机在200MPa压力下将混合料粉体压制 成型为直径为1cm、高度为1cm的圆柱体，并将所述圆柱体在90-120℃温 度、真空度10^-1Pa下真空热处理0.5h，随炉冷却处理使之烧结为块体；将 所述烧结块体采用鳄式破碎机破碎成100目固态储氢材料，造粒完成，造 粒处理后的固态储氢材料采用自动装料机充装于低压储氢瓶。

本实施例中制得镧镍基(LaNi₅)储氢合金不同温度PCT性能测试曲线见 附图3所示，而所述镧镍基(LaNi₅)储氢合金存储1L低压储氢瓶的流量随时 间变化曲线见附图4所示。

(2)按图1所示的管路结构及方式设置相应的第一电磁阀2、温度传 感器3、压力传感器4、减压阀5、压力表6、安全阀7、热交换器8、单向 阀9、质子交换膜燃料电池堆10、水冷却器11、氢气循环泵12以及第二电 磁阀13、空气增压泵14、增湿器15、循环水泵16，大储水箱17和小储水 箱18，并完成初步连接和测试；

所述氢气管路系统中电磁阀2用于控制储氢罐放氢流量，温度传感器3 用于采集和检测放氢温度，压力传感器4用于采集和检测储氢放氢压力， 减压阀5用于氢气将进口压力减至并稳定到某一需要的出口压力，压力表6 用于检测氢气管路压力，安全阀7用于泄压保护氢气管路，热交换器8能 确保燃料电池在较佳的条件下运作，单向阀9用于防止氢气逆向流动，水 冷却器11用于排空燃料电池生成的水，氢气循环泵12用于在吹扫时能快 速的带出燃料电池中多余的水气，电磁阀13控制排空氢气流速；所述空气 管路中的空气增压泵14用于加速燃料电池系统运作时空气的流动速度，避 免空气供应不足及产生燃料电池内部积水现象，所述加湿器15用于对质子 交换膜进行润湿及对PEMFC进行加湿处理，以保持所述质子交换膜燃料电 池10的正常工作；所述冷却水循环管路中的冷却水循环水泵16用于循环 水在系统内周而复始地循环，而大水箱17和小水箱18则可储存循环水， 用于整个系统冷却和热回收。

(3)所述氢源自行车通过DC/DC变换器实现燃料电池的输出电压稳 压控制，而锂电池用于为控制系统、氢燃料电池反应堆和反应堆控制器提 供启动电压。

本发明所述氢能自行车可根据其电动机续航里程和实际输出功率的需 求，配套质子交换膜燃料电池输出功率、储氢瓶容积和数量、储氢合金填 充量等参数，满足平原、爬坡等实际路况需求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予 以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保 护范围之中。