CN113375039B - 一种高压复合金属氢化物储氢罐及其储存氢气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压复合金属氢化物储氢罐及其储氢方法，储氢罐包括底座支架和底部开口的储氢罐外壳，储氢罐外壳密封扣装在底座支架上；储氢罐外壳上设有氢气入口和氢气出口；储氢罐外壳的内部设置储氢合金存储空间、气态氢气储存空隙和循环换热系统；储氢合金存储空间内填装有储氢合金，循环换热系统用于在储氢合金吸氢时吸收热量并在储氢合金放氢时对储氢合金进行加热。本发明在储氢罐的内部设置了气态氢气的储存空隙，可根据储氢质量密度的需要调整预留空隙的大小，实现不同质量密度的储氢，充分结合了高压气体储氢质量密度高和固态储氢体积密度高的优势，通过调整固态储氢部分的体积，实现在等压力下能够储存更多氢气的目的。

Description

一种高压复合金属氢化物储氢罐及其储存氢气的方法

技术领域

本发明涉及储氢技术领域，尤其是涉及一种高压复合金属氢化物储氢罐及其储氢方法。

背景技术

随着社会的发展，煤、石油、天然气等化石燃料已无法满足人类日益增长的需求，同时化石燃料的使用又造成了生态环境的恶化，如温室效应。另外，煤、石油、天然气等为不可再生资源，且在地球上的储量有限，人类不可能一直依赖于它们。氢能作为一种清洁、高效的二次能源，被认为是替代传统化石燃料的理想能源。在氢能系统中，氢气的安全储存是最关键的环节。

储氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，是指将氢气以稳定形式的能量储存起来，以方便使用的技术。氢气的质量能量密度约为120MJ/kg，是汽油、柴油、天然气的2.7倍，然而在常温常压下，单位体积氢气的能量密度仅为12.1MJ。因此，储氢技术的关键点在于如何提高氢气的能量密度。

传统的氢气存储与输运一般采用高压气态和低温液态两种方式。高压气态储氢是目前工业用氢最普遍的储运方式，具有较高的质量储氢密度，但成本较高，并存在较大的安全隐患。低温液态储氢具有极高的质量和体积储氢密度，但需要额外的冷却系统(冷却至-253℃)，整个冷却过程消耗的能量占储存能量的30％，同时液氢储运过程中挥发严重，不易长期保存。从安全和经济的角度来讲，这两种储氢方式均有待进一步完善。固态储氢是指通过物理或者化学吸附的方式将氢气存储于固态储氢材料介质中，这种新型储氢技术具有体积储氢密度高、储运方便、安全性能好等优点，因而被认为是最有发展前景的储氢方式。但是目前的储氢罐的内部全部填充有储氢合金，虽然具有固态储氢体积密度高的优点，但是固态储氢相对于高压气态储氢的方式，质量储氢密度仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种高压复合金属氢化物储氢罐及其储氢方法，以解决背景技术中的问题，以充分结合高压气体储氢质量密度高和固态储氢体积密度高的优势，通过调整固态储氢部分的体积，实现在等压力下能够储存更多氢气的目的。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高压复合金属氢化物储氢罐，包括底座支架和底部开口的储氢罐外壳，所述的储氢罐外壳密封扣装在底座支架上；所述的储氢罐外壳上设有氢气入口和氢气出口；所述的储氢罐外壳的内部设置储氢合金存储空间、气态氢气储存空隙和循环换热系统；所述的储氢合金存储空间内填装有储氢合金，所述的循环换热系统用于在储氢合金吸氢时吸收热量并在储氢合金放氢时对储氢合金进行加热。

优选地，所述储氢罐外壳的内部由外向内依次竖向设置有多层滚筒，所述的滚筒侧壁上开设有带滤网氢气孔；滚筒的底部设置在底座支架上，相邻滚筒之间的间隙形成储氢合金存储空间；

所述的气态氢气储存空隙包括第一气态氢气储存空隙和第二气态氢气储存空隙；位于最外层的滚筒外部与储氢罐外壳的内部形成用于存储气态氢气的第一气态氢气储存空隙，位于最内层的滚筒内部形成用于存储气态氢气的第二气态氢气储存空隙。

优选地，所述的带滤网氢气孔包括设置在滚筒侧壁的通孔和滤网，滤网设置在通孔处；所述的带滤网氢气孔设置多个且均匀分布在滚筒侧壁上。

优选地，相邻滚筒之间的侧壁上竖直周向间隔设置有多个换热片，所述的储氢合金填装在相邻两换热片之间形成的空隙内；储氢合金的顶端设置多孔网板。

优选地，所述的换热片呈辐条状设置并将储氢合金均匀隔离。

优选地，所述换热片为实心金属片或内部通有循环介质的中空金属片。

优选地，所述换热片的内部设置有余热利用机构，所述的余热利用机构用于将吸氢和放氢产生的热能差转为电能。

优选地，所述余热利用机构包括呈闭环状设置的热感应电丝，换热片中部设置有中空线管，热感应电丝为铜线和铁线缠绕而成，热感应电丝中部的铜线分开并连接在管道泵的电极两端；热感应电丝一端伸出储氢罐外壳，热感应电丝另一端贯穿换热片内部的中空线管后与热感应电丝一端相连，形成闭环。

优选地，所述循环换热系统包括进水管、顶部分散水管、出水管、底部分散水管和纵向连接水管；所述的顶板分散水管设置在储氢罐内部且位于滚筒的上方，所述的底部分散水管设置在储氢罐外部且位于滚筒的下方；

所述的进水管贯穿设置在第二气态氢气储存空隙中心处，进水管的顶端与顶部分散水管连通，进水管向下延伸至储氢罐外部，进水管的底端设置入料口并连通设置有换热器；

所述的纵向连接水管设置在滚筒侧壁上且设置在换热片的两端；所述的纵向连接水管的顶端与顶部分散水管连通；所述的纵向连接水管的底端与底部分散水管连通；

底部分散水管上设置出水管，出水管上设置出料口并连通设置有换热器。

优选地，所述的底座支架包括上底座，所述的上底座的底面设置立柱，所述的储氢罐外壳与上底座通过螺栓固定在一起；所述的底部分散水管设置在上底座的下方。

优选地，所述的储氢罐外壳的下部呈收口状。

上述储氢罐储存氢气的方法，包括以下步骤：

S1、吸氢过程：打开氢气入口，关闭氢气出口，氢气由氢气入口进入到储氢罐外壳内部，氢气与储氢合金充分反应后，继续充入氢气至达到储氢罐的工作额定压力；

充入氢气的同时，向循环换热系统的入料口通入冷却后的循环介质，用于在储氢合金吸氢时吸收热量；

S2、放氢过程：关闭氢气入口，打开氢气出口，储氢罐气态储氢部分的氢气首先放出，待储氢罐内的氢气压力达到储氢合金的放氢平台压力时，固态储氢部分的氢气开始释放；

放出氢气的同时，向循环换热系统的出料口通入加热后的循环介质，实现对储氢合金的加热。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、本发明在储氢罐的内部设置了气态氢气的储存空隙，可根据储氢质量密度的需要调整预留空隙的大小，实现不同质量密度的储氢，充分结合了高压气体储氢质量密度高和固态储氢体积密度高的优势，通过调整固态储氢部分的体积，实现在等压力下能够储存更多氢气的目的。

2、本发明通过设置带滤网氢气孔的滚筒，氢气通过带滤网氢气孔与储氢合金充分接触，便于氢气进出储氢合金，可实现氢气向储氢合金内的双向扩散，大大提升了装置的吸放氢速率。

3、本发明采用了多层滚筒结构，滚筒间设有换热片，大大提升了与储氢合金的接触面积，利于高效热交换。滚筒采用了中空结构，中间通有循环介质，贯穿储氢合金中间，通过设置循环换热系统和换热片，实现储氢合金吸/放氢时的热量交换，改善了只靠储氢罐表面换热的弊端。

4、本发明通过设置换热片，便于将储氢合金装入换热片之间，操作简单。各换热片呈辐条状设置，并将储氢合金均匀隔离，便于向罐内填装储氢合金，避免了吸放氢循环后储氢合金粉化后的局部聚集，提升装置的使用寿命。

5、储氢罐外壳下部采用收口设计，便于提升储氢罐的最高压力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中高压复合金属氢化物储氢罐的结构示意图；

图2为换热片呈辐条状设置的结构示意图；

图3为换热片与余热利用机构连接的结构示意图；

图4为内层滚筒和外层滚筒的结构示意图；

图5为循环换热系统的结构示意图；

图6为热感应电丝与管道泵连接的示意图；

图7为纵向连接水管在滚筒内布置的结构示意图；

附图标记中：10-储氢罐外壳、11-氢气入口、12-氢气出口、20-底座支架、30-内层滚筒、40-外层滚筒、50-带滤网氢气孔、60-储氢合金、70-第一气态氢气储存空隙、80-第二气态氢气储存空隙、90-换热片、91-中空线管、100-热感应电丝、101-铜线、102-铁线、110-管道泵、120-进水管、130-顶部分散水管、140-出水管、150-底部分散水管、160-纵向连接水管、170-入料口、180-出料口、190-多孔网板、200-换热器。

具体实施方式

下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。

一种高压复合金属氢化物储氢罐，包括底座支架20和底部开口的储氢罐外壳10，所述的储氢罐外壳10密封扣装在底座支架20上；所述的储氢罐外壳10上设有氢气入口11和氢气出口12，氢气入口11和氢气出口12上均设置有阀门；所述的储氢罐外壳10的内部设置储氢合金存储空间、气态氢气储存空隙和循环换热系统；所述的储氢合金存储空间内填装有储氢合金60，所述的循环换热系统用于在储氢合金60吸氢时吸收热量并在储氢合金60放氢时对储氢合金60进行加热。

具体地，如图1所示：

储氢罐外壳10的内部由外向内依次竖向设置有两层滚筒，包括外层滚筒40和内层滚筒30，所述的内层滚筒30和外层滚筒40侧壁上均开设有带滤网氢气孔50，所述的带滤网氢气孔50包括设置在滚筒侧壁的通孔和滤网，滤网设置在通孔处；所述的带滤网氢气孔50设置多个且均匀分布在内层滚筒30和外侧滚筒的侧壁上；内层滚筒30和外层滚筒40的底部设置在底座支架20上，内层滚筒30和外层滚筒40之间的间隙形成储氢合金存储空间；所述的气态氢气储存空隙包括第一气态氢气储存空隙70和第二气态氢气储存空隙80；位于外层滚筒40外部与储氢罐外壳10的内部形成用于存储气态氢气的第一气态氢气储存空隙70，位于内层滚筒30内部形成用于存储气态氢气的第二气态氢气储存空隙80。

实际使用时，为了提升换热效果，可增加滚筒的个数，设置多个滚筒。储氢合金存储空间的大小能够进行调整，具体通过调节内层滚筒30和外层滚筒40的大小来实现，进而来调节气态高压储氢量和储氢合金60固态储氢量之间的比例；第一气态氢气储存空隙70和第二气态氢气储存空隙80的空间大小均能够通过调节内层滚筒30和外层滚筒40的大小来进行调节，可根据储氢质量密度的需要调整预留空隙的大小，实现不同质量密度的储氢，利于氢气通过滚筒的带滤网氢气孔50与储氢合金60充分接触，可实现氢气向储氢合金60内的双向扩散。通过在滚筒上设置带滤网氢气孔50，带滤网氢气孔50用于保证氢气能够进入，同时，能够避免储氢合金60进入储氢罐的气态储氢部分。

优选地，如图4所示：内层滚筒30和外层滚筒40之间的侧壁上竖直周向间隔设置有多个换热片90，所述的换热片90呈辐条状设置并将储氢合金60均匀隔离(如图2所示)；所述的储氢合金60填装在相邻两换热片90之间形成的空隙内；储氢合金60的顶端设置多孔网板190。

通过设置换热片90将储氢合金60均匀隔离，避免了吸放氢循环后储氢合金60粉化后的局部聚集，提升装置的使用寿命。换热片90具体安装时，可以选择焊接在内层滚筒30和外层滚筒40侧壁。

本发明中的换热片90可以是实心金属片，优选采用高导热率的金属材质，例如铜、铁、银等，为了改善换热效果，换热片90可以为内部通有循环介质的中空金属片，即换热片90采用中空水冷设计，可以通入循环介质，解决了其他储氢装置通只过外壁进行热交换，存在热交换瓶颈的问题。

优选地，换热片90的内部设置有余热利用机构，所述的余热利用机构用于将吸氢和放氢产生的热能差转为电能。如图3所示：所述余热利用机构包括呈闭环状设置的热感应电丝100，换热片90中部设置有中空线管91，热感应电丝100为铜线101和铁线102缠绕而成，热感应电丝100中部的铜线101分开并连接在管道泵110的电极两端(如图6所示)；热感应电丝100一端伸出储氢罐外壳10，热感应电丝100另一端贯穿换热片90内部的中空线管91后与热感应电丝100一端相连，形成闭环。根据需要本发明中的热感应电丝100可以设置多股，中空管线中可以塞进去100～1000股。

通过设置余热利用机构，在进行将吸/放氢时，处于换热片90内部的热感应电丝100与储氢罐外壳10外部的热感应电丝100之间具有一定的温差，通过温差产生电压，再将电能供给至管道泵110。

优选地，所述循环换热系统包括进水管120、顶部分散水管130、出水管140、底部分散水管150和纵向连接水管160；所述的顶板分散水管设置在储氢罐内部且位于滚筒的上方，所述的底部分散水管150设置在储氢罐外部且位于滚筒的下方；所述的进水管120贯穿设置在第二气态氢气储存空隙80中心处，进水管120的顶端与顶部分散水管130连通，进水管120向下延伸至储氢罐外部，进水管120的底端设置入料口170并连通设置有换热器200；所述的纵向连接水管160设置在滚筒侧面壁上且设置在换热片90的两端；所述的纵向连接水管160的顶端与顶部分散水管130连通；所述的纵向连接水管160的底端与底部分散水管150连通；底部分散水管150上设置出水管140，出水管140上设置出料口180并连通设置有换热器200。

通过设置有循环换热系统，循环换热系统用于在储氢合金60吸氢时吸收热量，并在储氢合金60放氢时对储氢合金60进行加热。

具体地，如图5所示：本实施例中顶部分散水管130和底部分散管均为四通管，内层滚筒30的外壁设置4个均匀分布的纵向连接水管160，外层滚筒40的内壁设置4个均匀分布的纵向连接水管160，纵向连接水管160的数量与换热片90相对应，每个换热片90对应一对(两个)纵向连接水管160，优选地，纵向连接水管160设置在换热片90的两端，如图7所示。通过这样设计，纵向连接水管160均贯穿储氢合金60，能够实现对储氢合金60均匀加热和冷却，通过将纵向连接水管160设置在换热片90的两端，实现储氢合金吸/放氢时的热量交换。实际设置时，换热片90、纵向连接水管160的数量可以根据实际需要进行调整，保证每个换热片90的两端均设有纵向连接水管160即可。

优选地，所述的底座支架20包括上底座，所述的上底座的底面设置立柱，所述的储氢罐外壳10与上底座通过螺栓固定在一起；所述的底部分散水管150设置在上底座的下方。

底座支架20的上底座起到支撑和密封储氢罐外壳10的作用，从而保证储气罐在工作时更加稳定。

优选地，所述的储氢罐外壳10的下部呈收口状。实际设计时，罐外壳的下部开口内径满足装入滚筒即可，通过设计成收口状，以便于提升储氢罐的最高压力。

实际使用时，采用上述储氢罐储存氢气的方法，包括以下步骤：

S1、吸氢过程：打开氢气入口11，关闭氢气出口12，氢气由氢气入口11进入到储氢罐外壳10内部，氢气与储氢合金60充分反应后，继续充入氢气至达到储氢罐的工作额定压力；

充入氢气的同时，向循环换热系统的入料口170通入冷却后的循环介质，用于在储氢合金60吸氢时吸收热量；

具体地，充入氢气的同时，打开循环换热系统，循环介质由入料口170进入罐体，通过罐体中间的进水管120到达滚筒上方的顶部分散水管130，然后由顶部分散水管130通入到各纵向连接水管160中，储氢合金60吸氢产生的热量通过换热片90和纵向连接水管160实现热量交换，经热交换后的循环介质再通过滚筒下方的底部分散水管150汇聚到出料口180，流出罐体，流出罐体的循环介质经过换热器200冷却后，再从入料口170进入，从而实现循环冷却。

S2、放氢过程：关闭氢气入口11，打开氢气出口12，储氢罐气态储氢部分的氢气首先放出，待储氢罐内的氢气压力达到储氢合金60的放氢平台压力时，固态储氢部分的氢气开始释放；

放出氢气的同时，向循环换热系统的出料口180通入加热后的循环介质，实现对储氢合金60的加热。加热后的循环介质流向与吸氢时相反。

具体地，放出氢气的同时，打开循环换热系统，循环介质由出料口180进入罐体，通过罐体中间的进水管120到达滚筒下方的底部分散水管150，然后由底部分散水管150通入到各纵向连接水管160中，通过纵向连接水管160以及换热片90对储氢合金60进行加热，经加热后的循环介质再通过滚筒上方的顶部分散水管130汇聚到入料口170，流出罐体，流出罐体的循环介质经过换热器200加热后，在从出料口180进入，从而实现循环加热。

需要说明的是：本发明中的循环介质可以是水，也可以是油或蒸汽等其他物质。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：包括底座支架和底部开口的储氢罐外壳，所述的储氢罐外壳密封扣装在底座支架上；所述的储氢罐外壳上设有氢气入口和氢气出口；所述的储氢罐外壳的内部设置储氢合金存储空间、气态氢气储存空隙和循环换热系统；所述的储氢合金存储空间内填装有储氢合金，所述的循环换热系统用于在储氢合金吸氢时吸收热量并在储氢合金放氢时对储氢合金进行加热；

所述储氢罐外壳的内部由外向内依次竖向设置有多层滚筒；所述多层滚筒包括内层滚筒和外层滚筒；

所述的气态氢气储存空隙包括第一气态氢气储存空隙和第二气态氢气储存空隙；位于最外层的滚筒外部与储氢罐外壳的内部形成用于存储气态氢气的第一气态氢气储存空隙，位于最内层的滚筒内部形成用于存储气态氢气的柱状第二气态氢气储存空隙；

所述的多层滚筒侧壁上开设有带滤网氢气孔；滚筒的底部设置在底座支架上，相邻滚筒之间的间隙形成用于存储储氢合金的环状存储空间。

2.根据权利要求1所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述的带滤网氢气孔包括设置在多层滚筒侧壁的通孔和滤网，滤网设置在通孔处；所述的带滤网氢气孔设置多个且均匀分布在多层滚筒侧壁上。

3.根据权利要求2所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：相邻滚筒之间的侧壁上竖直周向间隔设置有多个换热片，所述的储氢合金填装在相邻两换热片之间形成的空隙内；储氢合金的顶端设置多孔网板。

4.根据权利要求3所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述的换热片呈辐条状设置并将储氢合金均匀隔离。

5.根据权利要求3所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述换热片为实心金属片或内部通有循环介质的中空金属片。

6.根据权利要求3所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述换热片的内部设置有余热利用机构，所述的余热利用机构用于将吸氢和放氢产生的热能差转为电能。

7.根据权利要求6所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述余热利用机构包括呈闭环状设置的热感应电丝，换热片中部设置有中空线管，热感应电丝为铜线和铁线缠绕而成，热感应电丝中部的铜线分开并连接在管道泵的电极两端；热感应电丝一端伸出储氢罐外壳，热感应电丝另一端贯穿换热片内部的中空线管后与热感应电丝一端相连，形成闭环。

8.根据权利要求3所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述循环换热系统包括进水管、顶部分散水管、出水管、底部分散水管和纵向连接水管；所述的顶部分散水管设置在储氢罐内部且位于滚筒的上方，所述的底部分散水管设置在储氢罐外部且位于滚筒的下方；

所述的进水管贯穿设置在第二气态氢气储存空隙中心处，进水管的顶端与顶部分散水管连通，进水管向下延伸至储氢罐外部，进水管的底端设置入料口并连通设置有换热器；

所述的纵向连接水管设置在多层滚筒侧壁上且设置在换热片的两端；所述的纵向连接水管的顶端与顶部分散水管连通；所述的纵向连接水管的底端与底部分散水管连通；

底部分散水管上设置出水管，出水管上设置出料口并连通设置有换热器。

9.根据权利要求8所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述的底座支架包括上底座，所述的上底座的底面设置立柱，所述的储氢罐外壳与上底座通过螺栓固定在一起；所述的底部分散水管设置在上底座的下方。

10.根据权利要求1所述的一种高压复合金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述的储氢罐外壳的下部呈收口状。

11.一种采用权利要求1所述的高压复合金属氢化物储氢罐储存氢气的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、吸氢过程：打开氢气入口，关闭氢气出口，氢气由氢气入口进入到储氢罐外壳内部，氢气与储氢合金充分反应后，继续充入氢气至达到储氢罐的工作额定压力；

充入氢气的同时，向循环换热系统的入料口通入冷却后的循环介质，用于在储氢合金吸氢时吸收热量；

S2、放氢过程：关闭氢气入口，打开氢气出口，储氢罐气态储氢部分的氢气首先放出，待储氢罐内的氢气压力达到储氢合金的放氢平台压力时，固态储氢部分的氢气开始释放；

放出氢气的同时，向循环换热系统的出料口通入加热后的循环介质，实现对储氢合金的加热。

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