CN102865453A - 具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置 - Google Patents

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王晋刚
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杨宗扬
龙洪
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Abstract

本发明涉及一种具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置。本发明属于氢能综合利用技术领域范畴。具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：金属氢化物储氢装置包括罐体、制冷机构和加热机构；罐体设有制冷机构和加热机构；罐体内有氢气进出通道、氢气过滤器、导热片、导热纤维和储氢合金；制冷机构有制冷热管和散热翅片，制冷热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与散热翅片相连接；加热机构有加热热管和吸热翅片，加热热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与吸热翅片相连接。本发明具有装置简单、易于实现、所占空间小、经济耐用、适用性强，适用范围广等优点，具有自动充氢和放氢功能。

Description

具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置
技术领域
本发明属于氢能综合利用技术领域，特别是涉及一种具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置。
背景技术
储氢合金具有很强的捕捉氢的能力。在一定的温度和压力条件下，储氢合金能够大量吸收氢气，生成金属氢化物，同时释放热量。将金属氢化物加热分解，贮存在其中的氢气会释放出来。整个过程可逆性极好，循环性极强。储氢合金是一种极其简便易行的理想储氢方法。
金属氢化物储氢装置就是利用储氢合金在一定的温度和压力条件下可逆的吸收/释放氢气这一特性制成的、专门贮存氢气的装置，目前已在燃料电池、氢能汽车等诸多领域普遍应用。整套储氢装置通常由储氢合金、承载容器、传热机构和附属设备等几部分组成。储氢过程中，储氢合金吸收氢气，生成金属氢化物，同时释放热量，热量由传热机构自承载容器内传递到储氢装置外，储氢过程持续进行；放氢过程中，金属氢化物分解释放氢气，生成储氢合金，同时吸收热量，热量由传热机构自储氢装置外传递到承载容器内，放氢过程持续进行。虽然不同类型的储氢合金吸收/释放单位物质的量氢气释放/吸收的热量各不相同，但储氢装置储存/释放氢气过程必然伴随着热量的传递与交换，热量传递速率低或热交换强度低，将改变储存/释放氢气化学反应平衡，导致储氢装置储存/释放氢气量降低。实际应用中，金属合金储氢装置多配有单独的换热设备，充氢过程中吸收储氢合金释放的热量，放氢过程中提供热量给金属氢化物，确保储氢装置高效运转并具有很好的储存/释放氢气性能。如果没有高效的换热设备辅助，充氢过程中不能及时吸收储氢合金释放的热量，放氢过程中不能及时提供热量给金属氢化物，金属合金储氢罐储存/释放氢气性能将显著降低。这一问题不仅极大的限制了金属合金储氢罐的应用场合，而且消耗一定量的能源，成为这类储氢装置实际应用的亟待解决的瓶颈问题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置。
本发明的目的是提供一种结构简单、易于实现、所占空间小、经济耐用、适用范围广等特点的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置。
本发明提供的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置能够在无需外界提供额外能量的前提下自动的充放氢气。充氢过程中该装置通过制冷机构将储氢合金吸收氢气释放的热量自动释放到环境中，无需外界提供额外能量；放氢过程中该装置通过加热机构自动从环境中吸取热量提供给金属氢化物释放氢气，无需外界提供额外能量。具体来说：对于充氢过程，储氢合金吸收氢气的同时释放热量，自身温度也随之上升，使得制冷热管低端的部分工作介质由液态蒸发为气态，吸收大量热量，气态的工作介质沿着向上倾斜的热管壁上升至制冷热管的高端，在高端通过与之相连的散热翅片将工作介质带来的热量释放到环境中，工作介质也由气态冷凝为液态并在重力作用下返回低端，这样循环往复，储氢合金释放的热量被冷却热管由罐体内部传递至热管高端的散热翅片并释放到环境中，充氢过程得以持续进行。而此时，由于罐体内部温度较高，加热热管内的工作介质处于气态，储氢合金温度上升对其影响较小，基本不工作，不会影响充氢过程。对于放氢过程，金属氢化物释放氢气的同时吸收热量，其自身温度也随之下降，使得加热热管高端的部分工作介质由气态冷凝为液态，放出大量热量满足放氢要求的同时在重力的作用下，沿着向下倾斜的热管壁流到加热热管的低端，在低端通过与之相连的吸热翅片从环境中吸收热量，工作介质也由液态蒸发为气态并重新均匀分布于加热热管内，这样往复循环，金属氢化物吸收的热量由加热热管从环境中吸取，并经由加热热管高端不断补充，放氢过程得以持续进行。而此时，由于罐体内部温度较低，冷却热管内的工作介质处于液态，金属氢化物温度下降对其影响较小，基本不工作，不会影响放氢过程。可见，对于充氢过程，冷却热管自动的将储氢合金产生的热量向环境释放；对于放氢过程，加热热管自动的从环境中吸取热量提供给金属氢化物。这两个过程都是自动进行的，不需借助外加能源。
本发明提供的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置在环境温度0℃～60℃范围内具有自动充放氢气功能。在此温度范围内，制冷热管内的工作介质以液态为主，聚集在热管的低端，充氢过程中温度上升时其正常工作，而放氢过程中温度下降对其影响很小，基本不工作；加热热管内的工作介质以气态为主，均匀分布在热管内，放氢过程中温度下降时其正常工作，而充氢过程中温度上升对其影响很小，基本不工作。这样充氢和放氢过程中制冷热管(制冷机构)和加热热管(加热机构)分别独立工作，互不干扰。环境温度在0℃以下时，制冷热管与加热热管内的工作介质均为(或绝大部分为)液态，制冷热管(制冷机构)和加热热管(加热机构)无法正常工作。环境温度在60℃以上时，制冷热管与加热热管内的工作介质均为(或绝大部分为)液态，制冷热管(制冷机构)和加热热管(加热机构)无法正常工作。
本发明提供的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其制冷机构和加热机构同时成对出现，交替分布于储氢装置周边，分别与储氢装置罐体相连接，而制冷机构与加热机构之间无联系。对于充氢过程，制冷机构发挥功效，将储氢合金产生的热量自动释放的环境中；对于放氢过程，加热机构发挥功效，自动吸收环境中热量提供给金属氢化物。制冷机构与加热机构之间各司其职，互不干扰，缺一不可。
本发明具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置所采取的技术方案是：
具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：金属氢化物储氢装置包括罐体、制冷机构和加热机构；罐体设有制冷机构和加热机构；罐体内有氢气进出通道、氢气过滤器、导热片、导热纤维和储氢合金；制冷机构有制冷热管和散热翅片，制冷热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与散热翅片相连接；加热机构有加热热管和吸热翅片，加热热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与吸热翅片相连接。
本发明具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置还可以采用如下技术方案：
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：制冷热管低端位于金属氢化物储氢罐内，制冷热管高端位于金属氢化物储氢罐外侧，制冷热管高端装有一组或数组散热翅片，散热翅片呈环形或螺旋形分布于制冷热管外侧360°范围内。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：制冷热管充装常温常压下为液态的工作介质。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：制冷热管充装的工作介质为水、甲醇或乙烷。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：制冷热管和翅片有2～8组，制冷热管向上倾斜30°～60°。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：加热热管高端位于金属氢化物储氢罐内，加热热管低端位于金属氢化物储氢罐外侧，加热热管低端装有一组或数组吸热翅片，吸热翅片环形或螺旋形分布于加热热管外侧360°范围内。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：加热热管充装常温常压下为气态的工作介质。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：加热热管充装的工作介质为氟利昂或氨。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：加热热管和吸热翅片有2～8组，加热热管向下倾斜30°～60°。
所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特点是：制冷热管和加热热管同时成对出现，交替分布于储氢罐体周边，分别与储氢罐体相连接，散热翅片或吸热翅片基质为铝合金或铜合金，散热翅片或吸热翅片表面有换热槽。
本发明具有的优点和积极效果是：
具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明特点：
1、热量传递与交换对于金属氢化物储氢装置的实际应用具有重要的现实意义。本发明的储氢装置有各自独立工作的制冷机构和加热机构，满足充放氢气过程对于热量的需求，可以实现氢气的自动充放，具有独特性。
2、现有的金属氢化物储氢装置需要辅以高效的换热设备。本发明的储氢装置能够自动的向环境中释放热量或从环境中吸取热量，满足充氢和放氢的要求，不需借助外加能源，不仅适用场合更多范围更广，而且节省能源，具有先进性。
3、热管技术自身即具备导热能力强、热交换强度大、热量传递快等优点。本发明的储氢装置实现热量传递与交换的核心装置是制冷机构的制冷热管和加热机构加热热管，因而热量传递速率高、热交换强度大，氢气充/放速率较高，具有积极效果。
4、本发明的储氢装置在0℃～60℃温度范围内可以正常工作，适用温度范围宽，具有积极效果。
综上所述，本发明提供的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置在较宽的温度范围内自动的向环境中释放(或从环境中吸取)热量，满足充/放氢过程的需求，既保证了储氢罐充/放氢速率，又节省能源。同时，本发明提供的金属氢化物储氢装置，具有结构简单、易于实现、所占空间小、经济耐用，适用范围广等优点。
附图说明
图1是金属氢化物储氢罐的热交换装置结构示意图。
图中，1～氢气进出口，2～氢气过滤器，3～容器壁，4～导热片，5～导热纤维，6～储氢合金，7～制冷热管，8～散热翅片，9～冷却工作介质，10～加热热管，11～吸热翅片，12～加热工作介质，13～罐体，14～制冷机构，15～加热机构。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1。
实施例1
具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，包括罐体、制冷机构和加热机构；罐体设有制冷机构和加热机构；罐体内有氢气进出通道、氢气过滤器、导热片、导热纤维和储氢合金；制冷机构有制冷热管和散热翅片，制冷热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与散热翅片相连接；加热机构有加热热管和吸热翅片，加热热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与吸热翅片相连接。
制冷热管低端位于金属氢化物储氢罐内，制冷热管高端位于金属氢化物储氢罐外侧，制冷热管高端装有散热翅片，散热翅片呈环形或螺旋形分布于制冷热管外侧360°范围内。加热热管高端位于金属氢化物储氢罐内，加热热管低端位于金属氢化物储氢罐外侧，加热热管低端装有吸热翅片，吸热翅片环形或螺旋形分布于加热热管外侧360°范围内。制冷热管和加热热管交替分布于储氢罐体周边，分别与储氢罐体相连接，散热翅片基质为铝合金，散热翅片表面有换热槽；吸热翅片基质为铜合金，吸热翅片表面有换热槽。
本实施例的具体结构及工作过程说明如下：
参见图1。具有自动充放氢功能的金属合金储氢罐，包括一个罐体13，一个制冷机构14和一个加热机构15。罐体13设有氢气进出口1、氢气过滤器2、容器壁3、导热片4、导热纤维5和储氢合金6，罐体13分别与制冷机构14和加热机构15相连接，而制冷机构14与加热机构15之间无联系。制冷机构14由五根制冷热管7和一组散热翅片8构成，该制冷热管7一端(低端)在罐体13内，与储氢合金6(金属氢化物)接触，另一端(高端)在罐体13外，与散热翅片8(共用)相连接。制冷热管7内充装工作介质9(甲醇)，安装时向上倾斜30°。加热机构14由五根加热热管10和一组吸热翅片11构成，该加热热管10一端(高端)在罐体13内，与储氢合金6接触，另一端(低端)在罐体13外，与吸热翅片11(共用)相连接。加热热管10内充装工作介质12(氨)，安装时向下倾斜30°。
具有自动充放氢功能的金属合金储氢罐，设有制冷机构和加热机构。充氢过程由制冷机构将储氢合金产生的热量自动释放到环境中，放氢过程由加热机构自动从环境中吸取热量提供给金属氢化物，不需要外界提供额外的能量，充放氢过程自动完成。对于充氢过程，打开阀门，氢气由氢气进出口1进入容器壁3内，穿过氢气过滤器2(过滤掉灰尘、水分等)与罐体中的储氢合金6发生化学反应，生成金属氢化物，同时释放热量。热量经由导热片4和导热纤维5等途径传导至制冷热管7，将制冷热管7低端的部分工作介质9由液态蒸发为气态，气态的工作介质9沿着向上倾斜的热管上升至高端，由与高端相连的散热翅片8释放到环境中。同时，气态的工作介质9也被冷凝为液态，沿着制冷热管壁流回冷却热管7低端。如此循环往复，热量沿储氢合金、热管低端、热管高端、散热翅片、环境这一路线自动传递，充氢过程持续进行。
对于放氢过程，打开阀门，储氢合金6(金属氢化物)发生化学反应，生成的氢气穿过氢气过滤器2，经由氢气进出口1排出容器壁3。同时，金属氢化物吸收周围的热量，经由导热片4和导热纤维5等途径吸取加热热管10高端附近区域的热量，将加热热管高端的部分工作介质12(氨)由气态冷凝为液态，液态的工作介质12沿向下倾斜的加热热管流至热管低端，热管低端的吸热翅片11从环境中吸收热量将液态的工作介质加热，蒸发为气态，平均分布于加热热管。如此循环往复，热量沿环境、吸热翅片、热管低端、热管高端、金属氢化物这一路线自动传递，放氢过程持续进行。

Claims (10)

1.具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：金属氢化物储氢装置包括罐体、制冷机构和加热机构；罐体设有制冷机构和加热机构；罐体内有氢气进出通道、氢气过滤器、导热片、导热纤维和储氢合会；制冷机构有制冷热管和散热翅片，制冷热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与散热翅片相连接；加热机构有加热热管和吸热翅片，加热热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与吸热翅片相连接。
2.根据权利要求1所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：制冷热管低端位于金属氢化物储氢罐内，制冷热管高端位于金属氢化物储氢罐外侧，制冷热管高端装有一组或数组散热翅片，散热翅片呈环形或螺旋形分布于制冷热管外侧360°范围内。
3.根据权利要求2所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：制冷热管充装常温常压下为液态的工作介质。
4.根据权利要求3所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：制冷热管充装的工作介质为水、甲醇或乙烷。
5.根据权利要求2所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：制冷热管和散热翅片有2～8组，制冷热管向上倾斜30°～60°。
6.根据权利要求1所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：加热热管高端位于金属氢化物储氢罐内，加热热管低端位于金属氢化物储氢罐外侧，加热热管低端装有一组或数组吸热翅片，吸热翅片环形或螺旋形分布于加热热管外侧360°范围内。
7.根据权利要求6所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：加热热管充装常温常压下为气态的工作介质。
8.根据权利要求7所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：加热热管充装的工作介质为氟利昂或氨。
9.根据权利要求6所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：加热热管和吸热翅片有2～8组，加热热管向下倾斜30°～60°。
10.根据权利要求1至9任一权利要求所述的具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，其特征是：制冷热管和加热热管同时成对出现，交替分布于金属氢化物储氢罐体周边，分别与金属氢化物储氢罐体相连接，散热翅片或吸热翅片基质为铝合金或铜合金，散热翅片或吸热翅片表面有换热槽。
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