CN112066242B - 一种用于氢燃料的固态氢源装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于氢燃料的固态氢源装置，属于储氢装置技术领域，解决固态氢源对氢气利用的安全性、便携性以及环境适应性的技术问题。解决方案为：储氢罐上设置有罐口，阀门安装于罐口位置处，阀门与罐口之间安装有密封圈，所述热交换管道呈双螺旋结构固定盘设在储氢罐的内壁上，热交换管道的热传质进口和热传质出口分别贯穿阀门延伸至储氢罐的外部；储氢罐的罐体中在轴线位置处设置有空腔，充/放氢管道贯穿阀门与空腔连通，空腔的四周布置有若干材料仓，材料仓的体积不小于储氢罐罐体内腔体积的4/5，所述材料仓的侧壁设置为隔膜，材料仓中填充有固态储氢合金粉。本装置结构简单，安全、高效、便携，适用于多种环境，且具有很好的再生性和稳定性。

Description

一种用于氢燃料的固态氢源装置
技术领域
本发明属于储氢装置技术领域，具体涉及一种用于氢燃料的固态氢源装置。
背景技术
氢能作为一种清洁、高效的能源，广受人们的关注，尤其是在能源动力方面的应用，比如氢能汽车，氢燃料电池汽车。因为它不仅能量密度高，而且不产生污染环境的尾气。然而，目前氢气的储存方式，主要是高压压缩储存，和低温液态储存。这种储氢方式虽然操作简单，并且具有快速的放氢动力学性能，但由于其需要保持高的储存压强和维持低的储氢温度以及对罐体本身的要求，使其不具备安全性、便携性和环境适应性，不适合作为燃料（动力氢源系统）使用，尤其是不适用于轻型车辆的动力氢源。
作为本领域公知的技术，储氢合金可在一定的压力和温度下，通过与氢气反应生成相应金属氢化物，继而将将氢气储存在其中，并在使用时，通过升高温度或者降低压强来使氢气释放，从而达到氢的可逆储存。在此过中，氢是以金属氢化物形式存在的，既不需要高压压缩，也无需低温冷冻。因此是一种安全，高效并适应于多环境的储氢方式。那么以此为媒介，存入密闭容器中，既可以实现氢的固态储存，并可用作氢燃料的固态氢源。然而，由于(1)吸放氢过程会受到传热的限制，使得这种固态储氢装置吸放氢速度较慢；(2)放氢过程需要一个孕育期，使其在初始使用阶段无法保证稳定的氢气流量；(3)吸氢后氢化物体积的膨胀，将使基体承受一定的形变压力，造成长期不耐久，以及合金的多次循环后失效与重生，由于自重造成底部压实密度的增加从而影响动力学等因素，使得这种固态氢源并不能通过简单的充装与密封既可实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决固态氢源对氢气利用的安全性、便携性以及环境适应性的技术问题，本发明提供一种用于氢燃料的固态氢源装置，安全、高效、便携以及适用于多种环境，且具有很好的再生性和稳定性。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种用于氢燃料的固态氢源装置，它包括储氢罐、隔膜和热交换管道，所述储氢罐是一种低压储氢罐，储氢罐的材质为轻质铝合金，其中：
所述储氢罐的首端、或者尾端、或者首尾两端设置有罐口，用于控制氢气进入储氢罐内或者排出储氢罐外的阀门安装于罐口位置处，阀门与罐口之间安装有密封圈；所述热交换管道呈双螺旋结构固定盘设在储氢罐的内壁上，热交换管道的外环与储氢罐的内壁无缝焊接，热交换管道同时充当结构框架，通过双螺旋结构的形变与恢复，有效消除由于充氢后所述储氢合金体积的膨胀引起的形变压力，热交换管道中填充有热传质，热交换管道的热传质进口和热传质出口分别贯穿阀门延伸至储氢罐的外部，便于热传质流动；所述储氢罐的罐体中在轴线位置处设置有空腔，充/放氢管道贯穿阀门与空腔连通，空腔的四周布置有若干材料仓，材料仓的体积不小于储氢罐罐体内腔体积的4/5，所述材料仓的侧壁设置为隔膜，材料仓中填充有固态储氢合金粉。空腔由隔膜与材料仓分离，空腔内以气态氢为主，用于协同材料仓中固态氢气释放和存储。当本装置处于不工作状态时（阀门关闭），当空腔内的气态氢气压强低于材料仓中储氢合金平台压时，所述储氢合金放氢；当空腔内的气态氢气压强高于材料仓中储氢合金平台压，所述储氢合金吸氢，从而保证空腔内气态氢气压强与所述储氢合金平台压相等，有效避免因外界条件变化，造成所述装置内部氢压的变化。当所述装置释放氢气时(阀门打开，向负载供氢)，空腔内的气态氢优先释放，使空腔内的压强下降，低于所述储氢合金平台压，所述储氢合金开始释放氢气，且释放氢气的速度，随空腔内压强的减小而自动加快，随空腔内压强的增大而自动降低，从而达到相对稳定的放氢流量与压力。空腔内储存气态氢的优先释放，不仅激发所述储氢合金放氢，而且也补偿了储氢合金放氢孕育期引起的初始放氢阶段氢气流量不足的问题。本设计构思有效利用储氢合金固有的平台压，以及与空腔压力差引起的放氢驱动力变化，实现稳定压力的自动控制，从而保证其安全性和稳定性。
所述储氢罐的一端设置有罐口，用于控制氢气进入储氢罐内或者排出储氢罐外的阀门安装于罐口位置处，阀门与罐口之间安装有密封圈；所述储氢罐的罐体中在轴线位置处设置有空腔，充/放氢管道贯穿阀门与空腔连通，空腔的四周布置有若干材料仓，材料仓的体积不小于储氢罐罐体内腔体积的4/5，所述材料仓的侧壁设置为隔膜，材料仓中填充有固态储氢合金粉；所述热交换管道呈双螺旋结构固定盘设在储氢罐的内壁上，热交换管道的外环与储氢罐的内壁无缝焊接，热交换管道同时充当结构框架，通过双螺旋结构的形变与恢复，有效消除由于充氢后所述储氢合金体积的膨胀引起的形变压力，热交换管道中填充有热传质，热交换管道的热传质进口和热传质出口均贯穿阀门延伸至储氢罐的外部，便于热传质流动。
进一步地，所述固态储氢合金粉为LaNi5基、Ti-Fe基、Mg2Ni基或者富镁基储氢合金，或者AB2型、AB3型、A2B7型、AB4型La-Mg-Ni基储氢合金，或者钒基固溶体系储氢合金中的任一种或多种的混合。
进一步地，所述固态储氢合金粉的粒径为100~400目。
进一步地，所述隔膜为与氢亲和力差的金属材料制成的网，网的孔径小于或等于500目。
进一步地，所述隔膜的材质为镍基不锈钢、纯铜或者纯铝。
进一步地，所述热交换管道的材质为与氢亲和力差且导热性好的金属管。
进一步地，所述热交换管道的材质为铜。
进一步地，所述热传质包括制冷剂与加热剂，热传质的材质为水、油或者惰性气体中的任一种。通过温度可以调节所述材料仓中储氢合金平台压力，并可在多次使用后，通过热激活使失效储氢合金再生，从而避免重装，回收。
进一步地，所述储氢罐的首尾两端分别设置有罐口，热交换管道的热传质进口和热传质出口分别由对应的罐口延伸至储氢罐的外部。
进一步地，所述氢燃料固态储氢装置为一个储氢单元，若干储氢单元通过连接件连接，组成储氢单元组。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、本装置是一种固态低压氢源装置，结构简单，易于加工制造，自带储氢合金热重生装置，有效避免合金重装，回收，从而降低使用成本。
2、本装置采用双螺旋框架传热结构，不仅消除合金充氢体积膨胀对罐体产生形变压力，而且也易于通过热传质温度来调控储氢合金平台压力，适应多种环境条件下使用。
3、本发明通过材料仓与空腔的协同作用，易于提供稳定的供氢压力与流量，并自动保持罐内压力稳定，是一种安全，高效、便携的固态氢源装置，可为燃料电池、氢能汽车、氢能自行车提供氢燃料动力。
附图说明
图1为实施例一提供的单阀门固态氢源装置的局部剖视结构示意图；
图2为实施例二提供的双阀门固态氢源装置的局部剖视结构示意图。
图中，1、13为阀门，2为罐口，9为储氢罐，3、5为热交换管道，4、12 为密封圈，7、14为热传质进口，6、16为热传质出口，8、15为充/放氢管道，10为材料仓，11为空腔。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
实施例一
如图1所示的一种用于氢燃料的固态氢源装置，它包括储氢罐9、隔膜和热交换管道3、5，所述储氢罐是一种低压储氢罐，储氢罐的材质为轻质铝合金，储氢罐壁厚0.5厘米，其中：所述储氢罐9的一端设置有罐口2，用于控制氢气进入储氢罐9内或者排出储氢罐9外的阀门1安装于罐口2位置处，阀门1与罐口2之间安装有密封圈4；所述热交换管道3、5呈双螺旋结构固定盘设在储氢罐9的内壁上，热交换管道3、5的材质为铜管，直径0.5厘米，热交换管道3、5中填充有热传质，热传质的材质为水，热交换管道3、5的热传质进口7和热传质出口6分别贯穿阀门1延伸至储氢罐9的外部。所述储氢罐9的罐体中在轴线位置处设置有空腔11，充/放氢管道8贯穿阀门1与空腔11连通，储氢罐9中充满氢后，空腔11内氢气压力约0.46MPa，空腔11的四周布置有若干材料仓10，材料仓10的体积不小于储氢罐9罐体内腔体积的4/5，所述材料仓10的侧壁设置为隔膜，隔膜的材质为316型不锈钢网，隔膜的孔径为500目，材料仓10中填充有固态储氢合金粉，其材质为La0.8Ce0.2Ni4.8Co0.1Al0.1储氢合金，在20 ℃下平台压为0.46 MPa，储氢量为1.36 wt.%(质量百分数)，填充质量为20 Kg，所述固态储氢合金粉的粒径为400目。
用作固态氢源时，打开阀门1，空腔11内的气态氢优先释放，使空腔11内的压强下降，低于所述储氢合金平台压，所述储氢合金开始释放氢气，氢气从材料仓10的不锈钢隔膜渗透到空腔11中，其渗透速度取决于空腔11内的压力，当负载用氢量大时，空腔11内压力下降较快，使压力与平台压差额较大，产生较大的驱动力，储氢合金放氢加快，快速补充空腔11内的压力，反之，当负载用氢量较小时，空腔内压力下降较慢，使压力与平台压差额较小，产生较小的驱动力储氢合金放氢减慢。当需要更高氢压时候，可以通过改变填充储氢合金材质，或者通过用于热交换的双螺旋管对材料仓10内合金进行加热。本实施例一使用热水由热传质进口7流经热交换管道3、5，然后由热传质出口6流出，对材料仓11中所述储氢合金加热，当热传质温度为80℃时，放氢压力可以达到1.76 MPa。
实施例二
按照实例一的方式填充运行，本实施例二与实施例一的不同为材料仓10中填充的固态储氢合金粉的材质不同，在本实施例二中固态储氢合金粉的材质为LaNi4.85Al0.15储氢合金粉，储氢量为1.41 wt.%(质量百分数)，填充质量为22 Kg，所述固态储氢合金粉的粒径为400目， 其在20 ℃下能够提供0.2 MPa的氢气，而以水为热传质，加热至80℃时，可提供5.6 MPa的氢气。
实施例三
按照实例一的方式填充运行，本实施例三与实施例一的不同为材料仓10中填充的固态储氢合金粉的材质不同，在本实施例三中固态储氢合金粉的材质为La0.8Ce0.2Ni4.8Co0.1Al0.1储氢合金，所述不同在于所述固态储氢合金粉的粒径为300目， 储氢量为1.33 wt.%(质量百分数)，填充质量为18 Kg，其在20 ℃下能够提供0.46 MPa的氢气，以油为热传质，加热至125℃时，可提供10 MPa的氢气。
对比上述实施例一至实施例三的结果可知，本发明提供的固态氢源装置，其氢容量主要由所填充合金粉的材质决定，其供氢能力主要取决于填充材料的性质和传热温度，粒径的增加将减小其填充质量，并不影响其使用性能。
实施例四
如图2所示的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其中：所述储氢罐9的首尾两端分别设置有罐口2，阀门1、13对应安装于罐口2位置处，阀门1与罐口2之间安装有密封圈4，充/放氢管道8贯穿阀门1与空腔11连通，阀门13与罐口2之间安装有密封圈12，充/放氢管道15贯穿阀门13与空腔11连通，热交换管道3、5的热传质进口7和热传质出口6分别由对应的罐口2延伸至储氢罐9的外部，热交换管道3、5的热传质进口14和热传质出口16分别由对应的罐口2延伸至储氢罐9的外部，其余零件的位置与连接关系均与实施例一相同，在本实施例四中不做赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于氢燃料的固态氢源装置，它包括储氢罐、隔膜和热交换管道，其特征在于：
所述储氢罐的首端、或者尾端、或者首尾两端设置有罐口，用于控制氢气进入储氢罐内或者排出储氢罐外的阀门安装于罐口位置处，阀门与罐口之间安装有密封圈；所述热交换管道呈双螺旋结构固定盘设在储氢罐的内壁上，热交换管道中填充有热传质，热交换管道的热传质进口和热传质出口分别贯穿阀门延伸至储氢罐的外部；所述储氢罐的罐体中在轴线位置处设置有空腔，充/放氢管道贯穿阀门与空腔连通，空腔的四周布置有若干材料仓，材料仓的体积不小于储氢罐罐体内腔体积的4/5，所述材料仓的侧壁设置为隔膜，材料仓中填充有固态储氢合金粉；
空腔由隔膜与材料仓分离，空腔内以气态氢为主，用于协同材料仓中固态氢气释放和存储；所述装置释放氢气时，当空腔内的气态氢气压强低于材料仓中储氢合金平台压时，所述储氢合金放氢；当空腔内的气态氢气压强高于材料仓中储氢合金平台压，所述储氢合金吸氢，从而保证空腔内气态氢气压强与所述储氢合金平台压相等；当所述装置释放氢气时，空腔内的气态氢优先释放，使空腔内的压强下降，低于所述储氢合金平台压，所述储氢合金开始释放氢气，且释放氢气的速度，随空腔内压强的减小而自动加快，随空腔内压强的增大而自动降低，从而达到相对稳定的放氢流量与压力。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述固态储氢合金粉为LaNi 5基、Ti-Fe基、Mg 2 Ni基或者富镁基储氢合金，或者AB 2型、AB 3型、A 2 B7型、AB 4型La-Mg-Ni基储氢合金，或者钒基固溶体系储氢合金中的任一种或多种的混合。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述固态储氢合金粉的粒径为100～400目。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述隔膜为与氢亲和力差的金属材料制成的网，网的孔径小于或等于500目。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述隔膜的材质为镍基不锈钢、纯铜或者纯铝。
6.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述热交换管道的材质为与氢亲和力差且导热性好的金属管。
7.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述热交换管道的材质为铜。
8.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述热传质包括制冷剂与加热剂，热传质的材质为水、油或者惰性气体中的任一种。
9.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料的固态氢源装置，其特征在于：所述氢燃料固态储氢装置为一个储氢单元，若干储氢单元通过连接件连接，组成储氢单元组。
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