CN106151869B - 固态高压混合储氢装置 - Google Patents

Abstract

一种固态高压混合储氢装置，其包括：一个母罐，一端开口为进/出气口，另一端开口设有换热管；多个子罐，安装于该母罐内，各子罐内填充有块状储氢合金材料，所述换热管接入所述各子罐，能够对该子罐内的储氢合金材料加热或冷却处理；所述各子罐与母罐的内腔连通。通过数个直径远小于母罐的子罐，可使各换热管对各子罐内的合金的热传导半径较小，换热管可均匀而快速地给块状储氢合金加热或冷却，换热效果更好，使储氢装置的储放氢性能更符合工艺要求。而多个子罐使整个储氢装置的储氢合金储存量更大，储氢合金更多，从而使储氢装置在同等压力下的储氢效率更高。

Description

固态高压混合储氢装置

技术领域

本发明涉及利用充装固态储氢合金材料的高压罐储氢装置技术领域。

背景技术

氢能源成为解决未来人类能源危机的终极方案，同时也是人类解决目前面临的环境问题的一条很有希望的途径。氢作为新能源，有着无可比拟的优势。然而，从氢气的制取到具体的应用，氢气的存储和运输是必不可少的一环。2006年11月13日，氢能界的主要科学家向八国集团提交了有关氢能的《百年备忘录》，指出解决21世纪初人类正面临气候变化和传统石化能源日益紧张的两大危机的解决方案中，氢能是最优方案，但必须攻克储氢这一难题。

目前氢气的储运技术一般分为三种：高压气态储氢、金属氢化物储氢、低温液态储氢。高压气态储氢是指在氢气临界温度以上通过高压压缩的方式存储气态氢，通常采用气罐作为容器，简便易行，其优点是存储能耗低、成本低(压力不太高时)，充放气速度快，在常温下就可进行放氢，其缺点是存储的体积和质量密度低。即使加压到30MPa时，质量储氢密度仍不到3％，而且运输和使用过程中存在易爆的隐患，在氢燃料电池车上的应用还存在问题。低温液态储氢，需要将气态氢气降温到20K的低温，变为液态氢后存储在一个液体氢储存箱中。相对于高压气态储氢来说，液氢的密度很高，但是由于必须装备冷却装置，其质量储氢密度受到限制，而且仅仅把气态氢气冷却成为液态氢就要用掉所储存能量的33％，另外为了维持低温还将消耗更多的能量，需要极好的保温绝热保护层以防止液氢蒸发或者沸腾，成本很高，而且液氢储存箱体积也较大，质量储氢密度不太高。金属氢化物储氢的原理实质上就是一种化学储氢方法，其机理是金属的特殊晶格结构，在一定条件下(如一定的温度和压力下)，氢原子较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，这些金属合金与氢气产生化合反应生成金属氢化物，其可储存相当于其体积1000～3000倍的氢气，这些具有储氢能力的合金称作“储氢合金”。储氢合金吸收和释放氢气是一个可逆的过程，在吸收氢气过程中，储氢合金会释放大量热量，若热量不迅速散出，则会影响吸氢过程，使储氢合金局部温度过高导致部分老化失效；在释放氢气过程中，储氢合金要吸收大量热量，若温度不均匀，则会影响放氢速度，同时还会使外部供给的热量被局部集中，导致温度过高使储氢合金被老化失效。因此，储氢合金的吸氢和放氢过程中，最为重要的一个控制手段就是对储氢合金加热和冷却的热控制。若热控制越好，则越有利于储氢合金的储放氢性能，和储氢材料的使用寿命。

现有技术中已存在一些固体储氢装置，如中国发明授权公告号CN101245895B的发明专利，其包括一个筒体，两端具有氢气进出阀门，筒体内纵向设有数个导热片，在筒体内装有储氢合金粉末，这些导热片埋设在这些储氢合金粉末中；此外，该筒体是由一个筒身本体和一个带有储氢合金粉末灌装口的封头组合而成。该现有技术的储氢装置，所装的储氢粉末是直接充装到储氢罐中，这为放氢时氢气的洁净度带来很多问题，使氢气中含有储氢合金的微细粉末；而若采用块状的储氢合金材料，由于块状储氢材料“块体”特性，无法很均匀地埋设导热片或混入导热纤维实现热传递，因此对于块状储氢合金材料的加热/冷却问题，该现有技术并未提出解决方案。此外，该储氢装置的筒体是两部分连接而成的，在焊接或连接部位易形成漏点，属于较薄弱的部位，这些薄弱部位往往在储运过程中，成了安全隐患。因此，针对现有的储氢容器，仍有改善的必要。

发明内容

本发明的目是提供一种适于盛装块状储氢合金的储氢装置，所述储氢装置具有更好的冷却和加热的热控制性能，能够使块状储氢合金在吸氢时的热量顺利排出；在放氢时，储氢合金的受热更快更均匀，保证较好的储放氢性能，延长储氢材料的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种固态高压混合储氢装置，其包括：一个母罐，该母罐一端开口为进/出气口，另一端开口设有多条换热管；多个子罐，安装于该母罐内，各子罐内填充有块状储氢合金材料，所述换热管接入至各该子罐，能够对该子罐内的储氢合金材料加热或冷却处理；所述各子罐与母罐的内腔连通。

本发明采用选择使用块状的储氢合金，相对传统的粉末状的储氢合金，可以使放出的氢气更洁净；但是块状储氢合金由于较为致密，故热传导时不能通过混入较多的传热纤维或直接埋入传热翅片的方式来较好地实现均匀和快速的传热功效。本发明是通过在内部容积较大的母罐内，安装数个直径较小的子罐的复合储氢容器结构，相对于直接将块状储氢合金放置于母罐内腔的结构，由于子罐的直径远小于母罐，为细长柱状体，可使各换热管所连接的各子罐的热传导半径较小，且各子罐内储氢合金的传热表面积相对更大，故散热面积也较大；因此，换热管可均匀而快速地给块状储氢合金加热或冷却，有利于各子罐内储氢合金材料温度的均匀分布，避免储氢合金内局部温度过高引起储氢性能老化、失效。

此外，所述母罐为两端开口结构，其一端设置换热管结构，另一端设置进/出气管阀，避免在母罐的同一端开口既安装换热管又安装进/出气管阀，两端开口分别具有不同的功用，可有效提高母罐内的空间利用率。

一个实施方案中，所述母罐包括内胆和缠绕在内胆外部的纤维缠绕层，所述纤维缠绕层是由玻璃纤维、碳纤维、复合纤维浸渍于环氧树脂后，在施加一定的张力的情况下缠绕在内胆外侧，与内胆固化成为一个整体，纤维层是复合增强层，与内胆共同承受内压。由于所述纤维缠绕层强度比钢材高，密度比钢材低，所以该母罐比传统纯钢母罐重量降低1/3，大大提高了储氢装置的单位重量储氢率。

一个实施方案中，所述母罐内设有一个子罐安装基座，所述子罐安装基座具有数个安装孔，这些安装孔可供所述数个子罐独立置入并固定于其中。

在一些实施例中，所述子罐安装基座位于靠近该母罐的一端部；在另一些实施例中，所述子罐安装基座位于该母罐的中部；且所述安装基座上设有气体可透过部分。

一个实施方案中，所述母罐的内胆为两端缩口的钢内胆，所述钢内胆为无缝钢管旋压一体成形结构。

所述母罐内胆为两端缩口的结构，两端开口的缩口内径较小，有利于采用密封塞密封两端开口或在两端开口安装进/出气组件及换热管组件，以及这些组件与母罐内胆两开口的高效密封。而无缝钢管旋压成型的母罐结构，系为一体的罐身结构，密封性好，抗压能力强，无接缝，无漏点，抗冲击性好，减少储运中的安全隐患。

在一些实施例中，所述纤维层缠绕在所述钢内胆两端的内径开始缩小的起始点之间。

本发明的有益技术效果包括：可有效提升母罐的空间利用率，增大储氢合金充装量，提高同等压力下的储氢率50％；减小热传导半径，提高储氢合金的热控制性，提高储氢放氢性能及延长储氢合金使用寿命。母罐采用一体成型结构，外采用纤维缠绕层，减少储氢装置的重量，提高储氢装置的单位重量储氢率。本发明的储氢装置，尤其适用安装于氢气加气站，提高加氢站的单位体积储氢密度和动态响应特性，由于该储氢装置在放氢时具有稳定的高坪台压，可以减少高压压缩机的开启频率，降低能耗，满足加氢站氢气储存、加注的应用要求。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1的A-A截面示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明一种固态高压混合储氢装置的一个具体实施例，如图1-2所示，举例来讲，储氢装置包含一个母罐及7个子罐4。其中，母罐是由母罐内胆3以及钢内胆外部的纤维缠绕层2所组成。所述母罐内胆3为两端缩口的无缝钢管旋压一体制成件。所述纤维缠绕层2可为碳纤维、玻璃纤维、复合纤维浸渍于环氧树脂再缠绕在钢内胆上固化而成。该纤维缠绕层2对母罐内胆起承压增强作用，纤维缠绕层2覆盖了母罐内胆3的大部分主体结构，如图1所示，覆盖在母罐内胆3两端其直径开始缩小的两个起始点之间。且由于纤维缠绕层2的强度高、比重轻，故会大幅降低储氢装置整体的重量。

在母罐内胆3的内部安装有7个细长的子罐4，这些子罐4的内部填充有块状储氢合金材料5，其中1个子罐4可安装在正中心，另外6个围绕该中心的子罐等间距地分布。母罐内胆3的一端开口可供接入换热管1，各换热管1连接至各子罐4，通过向换热管1输入传热介质对子罐4内的储氢合金材料加热或冷却。母罐内胆3的另一端开口为进/出气口，如图1所示，其是通过一个螺纹连接的螺塞6，螺塞6与母罐端面之间采用O型圈密封结构实现密封，该螺塞6上设有进/出气阀。在该母罐内胆3的内腔内还设有一个子罐安装基座7，子罐安装基座7上具有数个安装孔，这些安装孔恰可供各子罐4插入固定于其中，所述子罐安装基座7具有可供气体通过的结构。通过向母罐内胆3的进/出气口通入高压氢气，可使氢气被子罐4内的储氢合金材料5吸收，这些子罐4共用母罐内胆3的一个进/出气口。

其中，母罐内胆3采用无缝钢管旋压成型，无接缝、无焊接点，故母罐密封性好，无漏点，安全性高。而各个子罐4的直径小(细长柱状)，每一个子罐4内储氢合金材料5的热传导半径小，使储氢合金材料5能够均匀换热，有利于热量的均匀分布，储氢合金材料5具有更大的表面积，故换热面积也较大，换热更快，热量可很快被换热管吸收传至外界，因此能更好地防止储氢合金材料老化，避免块状的储氢合金材料5内部某局部温度过高引起失效。所述储氢合金材料5选择为块状体，使放出的氢气更洁净。

所述母罐内胆3为两端缩口的结构，两端开口的缩口内径较小，在密封处理上相对于大口径的开口，缩口具有十分有利的条件。无论是采用螺塞密封两端开口或在两端开口安装进/出气组件及换热管组件，都可较为容易地实现高效密封。

在本发明的一个实施例中，如图1-2所示，换热管1为金属换热管，所述金属换热管贯穿各子罐4的内部空间，较佳位于各罐4的中心线上，便于对储氢合金材料换热。该实施方式，能够使热/冷传递的路径很小，有效提升储氢装置的热控制性，提高储放氢性能。此外，由于这些子罐4的设置，可增大储氢合金材料5的表面积(散热界面)，可快速将热量传递出去，避免储氢放出大量热的过程中，热量局部堆积引起温度过高而让储氢合金发生老化。

所述储氢装置的制造工序包括：

子罐安装基座7提前在无缝钢管内安置，通过一体旋压成型工艺在无缝钢管的两端形成具有缩口的母罐内胆3；从内胆3远离子罐安装基座7的一端装入数个子罐4，例如按照图2的布置安装7个子罐，各子罐4安装至该子罐安装基座7的各个独立安装孔内并固定；将各子罐4所连接的换热管1自一端引出；在母罐内胆3另一端的缩口内安装螺塞6及进/出气阀。通过缠绕工艺步骤，将碳纤维、玻璃纤维、复合纤维浸渍于环氧树脂后，使纤维在一定张力条件下缠绕于无缝钢管内胆3外侧，并通过固化工艺与内胆3固化成一体，从而形成纤维缠绕层2。其中，所述纤维缠绕层2与内胆3共同承受内胆3的内部应力。所述旋压成型工艺，一般是指金属工件通过旋转使之受力点由点到线由线到面，同时在某个方向用旋轮给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型某一形状的技术。此技术为现有技术，故不详述。

经不同的储氢合金材料5填装和试验验证，本发明的储氢装置的储氢压力可达到35～85MPa，放氢压力稳定在35MPa以上，不仅储氢装置的储/放氢性能稳定，且储氢装置使用寿命有明显延长。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内做出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种固态高压混合储氢装置，其包括：

一个母罐，该母罐一端开口为进/出气口，另一端开口设有换热管；

多个子罐，安装于该母罐内，各子罐内填充有块状储氢合金材料，所述换热管接入所述各子罐，能够对各所述子罐内的储氢合金材料加热或冷却处理；各所述子罐与母罐的内腔连通；

各所述子罐为细长柱状体，各所述子罐相互独立设置，各所述子罐分别连接有一所述换热管，各所述子罐对应的所述换热管自所述母罐的一端引出。

2.根据权利要求1所述的固态高压混合储氢装置，其特征是，所述母罐包括内胆和缠绕在内胆外部的纤维缠绕层。

3.根据权利要求2所述的固态高压混合储氢装置，其特征是，所述纤维缠绕层是由玻璃纤维、碳纤维、复合纤维浸渍于环氧树脂后，在给纤维施加一定的张力的条件下缠绕于内胆外侧，并与内胆固化成一个整体而形成。

4.根据权利要求1所述的固态高压混合储氢装置，其特征是，所述母罐内设有一个子罐安装基座，所述子罐安装基座具有数个安装孔，这些安装孔可供所述数个子罐独立置入并固定于其中。

5.根据权利要求1所述的固态高压混合储氢装置，其特征是，所述母罐的内胆为两端缩口的钢内胆，所述内胆为无缝钢管一体旋压成形结构。

6.根据权利要求2所述的固态高压混合储氢装置，其特征是，所述纤维缠绕层缠绕在该内胆两端的内径开始缩小的起始点之间。

7.根据权利要求1-6任一项所述的固态高压混合储氢装置，其特征是，所述换热管为金属换热管，所述金属换热管分别与各所述子罐连接，且所述金属换热管贯穿各所述子罐的内部空间。