CN114031036A - 一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法及制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法和制氢方法，通过将储制氢罐、催化反应室和储氢气源装置两两连通，同时增加压缩空气机为所述催化反应室提供空气，以实现使用镁基材料储氢和制氢时的自供热。相比与现有技术，本发明可以实现在储氢和制氢时的自供热，无需增加额外的设备来维持热源，同时无复杂的热介质循环系统，且整个系统稳定可靠，操作简单便捷，可大幅提升储制氢效率，有效降低辅机功耗，能应用于多种不同的场合，带来良好的经济效益。

Description

一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法及制氢方法

技术领域

本发明涉及氢气存储技术领域，尤其涉及一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法及制氢方法。

背景技术

镁基金属材料储氢技术可以成倍提高氢气储存密度，是燃料电池系统氢源技术的重要发展方向。具有储氢密度高、本征安全、吸放氢过程温和、安全性高等技术特点，镁基金属储氢材料可作为氢源，与氢氧燃料电池匹配使用，作为动力系统应用于多种舰船装备等领域。还可以应用于水面舰船、长航时中空飞艇的氢源供给以及野战电源系统的动力能源以及新能源汽车、地面分散电站、家庭热电联供等不同领域。

例如，中国发明专利CN102286684B公开了一种镁基储氢合金，Mg、Ni和Mm三种组分组成，其中：Mg，即镁元素，占68～76质量％；Ni，即镍元素，占14～24质量％；Mm，表示稀土，占4～12质量％，且Mm由Ce和La组成，降低了成本，提高了吸放氢性能。

但是，镁基储氢材料虽然具有理论容量高、原料广泛易得等优势，但主要问题是放氢所需的温度过高。造成这一问题的主要原因是镁的氢化物具有很高的热力学稳定性。根据van’t Hoff关系，在H2平衡压为1bar时能够高效放氢，合适的放氢焓变应在30-40kJ/molH2；而MgH2的放氢焓变高达78kJ/mol H2，及其中的H过于稳定，因此需要较高的温度才能放出，充放氢操作温度均在300℃以上。镁基储氢材料储制氢需要维持高温状态，需对材料装填容器进行额外加热，导致功耗过大，大大的限制了其在各领域的应用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法和制氢方法，用以解决现有的储制氢方法均需要额外加热的问题。

本发明提供一种自供热镁基储制氢系统，包括：

储制氢罐，内置有用于存储氢气的镁基材料；

催化反应室，内置有用于催化空气和氢气反应放热的催化剂，催化反应室包裹住储制氢罐，并和储制氢罐可截止地连通；

压缩空气机，出气端可截止地连通催化反应室，用于将空气泵入催化反应室；

储制气源装置，具有可存储氢气的容腔，并可截止地连通储制氢罐及催化反应室。

优选的，还包括启动氢气源，启动氢气源可截止地连通催化反应室。

优选的，还包括氢气管道、启动管道和回烧管道，氢气管道连通储制气源装置和储制氢罐，氢气管道上设置有第一氢气阀门；启动管道连通启动氢气源和催化反应室，启动管道上设置有启动阀门；回烧管道的一端连通于氢气管道，且连通处位于储制气源装置和第一氢气阀门之间，回烧管道的另一端连通于启动管道，且连通处位于催化反应室和启动阀门之间，回烧管道上设置有回烧阀门。

优选的，催化反应室内插设有测温套管，测温套管内置有可沿测温套管移动的热电偶；回烧管道上还设置有压力传感器和回烧氢气质量流量控制器和回烧减压阀。

优选的，在启动管道上沿从启动氢气源向催化反应室的方向还依次设置有启动减压阀、启动氢气质量流量控制器、氢气单向阀和氢气阻火器，启动阀门在启动管道上位于启动氢气质量流量控制器和氢气单向阀之间。

优选的，还包括空气管道，空气管道连通压缩空气机和催化反应室，空气管道上沿由压缩空气机到催化反应室的方向依次设置有两个换热器、空气单向阀和空气阻火器，两个换热器同时分别安装于氢气管道和回烧管道。

优选的，储制气源装置为氢源测试装置，氢气管道上沿从储制气源装置向储制氢罐的方向依次设置有第二氢气阀门、过滤器、冷却装置和安全阀，第一氢气阀门在氢气管道上位于冷却装置和安全阀之间。

优选的，储制氢罐上设置有罐口阀，罐口阀和储制氢罐通过螺纹连接并同时焊接在一起，且与氢气管道连通，储制氢罐内置有与罐口阀连通的导气管，储制氢罐外连接有翅片。

本发明还提供一种储氢方法，使用如上述自供热镁基储制氢系统，包括：

连通压缩空气机和催化反应室并启动压缩空气机；

连通储制气源装置和催化反应室并启动储制气源装置，使氢气和空气进入催化反应室发生反应并放热；

连通储制气源装置和储制氢罐，使部分氢气进入储制氢罐并存储在镁基材料中。

本发明还提供一种制氢方法，使用如上述自供热镁基储制氢系统，包括：

连通所述启动氢气源和所述催化反应室并启动所述启动氢气源；

连通所述压缩空气机和所述催化反应室并启动所述压缩空气机，使空气和氢气进入所述催化反应室反应并放热；

当镁基材料开始放氢后，截止所述启动氢气源和所述催化反应室，并连通所述储制氢罐和所述催化反应室，同时连通所述储制氢罐和所述储制气源装置，镁基材料释放的一部分氢气和进入所述催化反应室和空气反应并放热，另一部分氢气进入所述储制气源装置中储存。

本发明提供一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法和制氢方法，均通过将储制氢罐、催化反应室和储氢气源装置两两连通，同时增加压缩空气机为所述催化反应室提供空气，以实现使用镁基材料储氢和制氢时的自供热，即储氢时，所述储制气源装置放出氢气的一部分氢气进入所述催化反应室发生反应并放热，另一部分进入至所述储制氢罐并存储在镁基材料中，制氢时，镁基材料释放出氢气的一部分氢气进入所述催化反应室发生反应并放热，另一部分氢气进入所述储制气源装置中存储。

相比于现有技术，本发明可以实现在储氢和制氢时的自供热，无需增加额外的设备来维持热源，同时无复杂的热介质循环系统，且整个系统稳定可靠，操作简单便捷，可大幅提升储制氢效率，有效降低辅机功耗，能应用于多种不同的场合，带来良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明提供的自供热镁基储制氢系统一实施例的示意图；

图2为本发明提供的自供热镁基储制氢系统一实施例中储制氢罐和催化反应室的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

结合图1～2所示，本发明提供一种一种自供热镁基储制氢系统一实施例，该实施例包括储制氢罐1、催化反应室2、压缩空气机3和储制气源装置4。其中储制氢罐1内置有用于存储氢气的镁基材料11，催化反应室2内置有用于催化空气和氢气反应放热的催化剂21，催化反应室2包裹住储制氢罐1，并和储制氢罐1可截止地连通。

压缩空气机3可截止地连通催化反应室2。储制气源装置4，具有可存储氢气的容腔，并可截止地连通储制氢罐1及催化反应室2。

储氢时，储制气源装置4放出氢气，一部分氢气同压缩空气机3中的空气一同进入催化反应室2发生反应并放热，另一部分氢气进入至储制氢罐1并存储在镁基材料11中；制氢时，镁基材料11释放出氢气，一部分氢气同压缩空气机3中的空气一同进入催化反应室2发生反应并放热，另一部分氢气进入储制气源装置4中存储。

可以理解的是，上述中可截止地连通是指两个对象之间的连通可以通过常规手段人为地进行断开，例如通过带有阀门、夹管阀等零件的的管道将两个对象连通至一起，或者直接通过可人为拔取的管道连接两个对象。

下面将对上述部件分别进行更加详细的说明：

作为优选的实施例，本实施例中的储制氢罐1可采用合金制作，例如316不锈钢，同时，本实施例中储制氢罐1内装填的镁基材料11为高储氢密度氢化镁储氢材料。此外，储制氢罐1上还设置有罐口阀12、导气管13和翅片14。

具体地，本实施例中的罐口阀12为耐高温的高压针形阀，设置于储制氢罐1的顶部，其与后文即将提到的氢气管道7连通，同时作为储制氢罐1的进气口和出气口使用。此外，本实施例中的罐口阀12与储制氢罐1为螺纹连接，并通过氩弧焊焊接至一起以确保气密性。

导气管13设置于储制氢罐1内，一端连通罐口阀12，另一端延伸至储制氢罐1的底部，用于储氢时向镁基材料11内冲入氢气以及在制氢时向储制罐体外排出氢气。本实施例中的导气管13为粉末冶金导气管13，其具有过滤功能，过滤精度为0.5微米，并与罐口阀12为一体式结构，其可以提高热传质效果，同时兼备粉体过滤功能，防止镁基材料11合金粉随氢气进入管路中。

本实施例中的翅片14采用铜制成，能提高储制氢罐1与催化反应室2的换热效率。当然实际中也可以使用其他材质的翅片14。

作为优选的实施例，本实施例中的催化反应室2和储制氢罐1为一体化设计，其包围住储制氢罐1，并与储制氢罐1的外壁之间形成容纳有催化剂21的反应槽，催化剂21为任何现有的可以使空气和氢气发生催化放热反应的催化剂21。催化反应室2上开设有空气进口22、氢气进口23和尾气出口24。其中空气进口22与氢气进口23分别和后文即将介绍的空气管道5与氢气管道7连通，空气和氢气进入催化反应室2内后发生催化氧化反应，为镁基材料11的储氢和制氢提供热量，催化反应后的尾气从尾气管道排出。

此外，本实施例中的催化反应室2上还插设有测温套管25，根据实际情况，测温套管25的数量可以为一个、两个甚至多个。测温套管25从催化反应室2顶部延伸至催化反应室2底部，其内部设置有热电偶(图中未示出)，热电偶可以以旋进的方式在测温套管25内上下移动，用于实时监控制氢储氢时，催化反应室2内不同深度位置的温度。

作为优选的实施例，本实施例中的压缩空气机3通过空气管道5和催化反应室2连通。空气管道5上沿由压缩空气机3到催化反应室2的方向依次设置有两个换热器51、空气单向阀52和空气阻火器53。

其中换热器51用于加热向催化反应室2内冲入的空气，以提高燃烧热效率。此外，本实施例中的换热器51为两个，且分别还连接于后文将介绍的氢气管道7和回烧管道9，为二者中流通的氢气换热。空气单向阀52可以阻止气体回流，还可以和空气阻火器53一同在发生事故时阻止气体火焰蔓延，以提高本自供热镁基储制氢系统的安全性。

作为优选的实施例，本实施例中的储制气源装置4为上海永真电子工程科技有限公司的双通道小型氢源测试装置，最大耐压6.9Mpa，充气流量为0～30SLM，放气流量0～10SLM，其可以容纳存储氢气且自带流量监控功能。可以理解的是，实际实施时也可以采用其他种类的氢源测试设备或自行改装的气体罐来作为储制气源使用。

进一步地，作为优选的实施例，本实施例中的自供热镁基储制氢系统还包括包括启动氢气源6，启动氢气源6可截止地连通催化反应室2。启动氢气源6用于在系统制氢启动时预热储制氢罐1和催化反应槽，当温度达到要求时，镁基材料11开始释放氢气，此时便可以关闭启动氢气源6，利用镁基材料11释放的部分氢气为自身制氢继续供热。

更进一步地，本发明还提供一更加优选的实施例，该实施例中的自供热镁基储制氢系统还包括氢气管道7、启动管道8和回烧管道9，氢气管道7连通储制气源装置4和储制氢罐1，氢气管道7上设置有第一氢气阀门71。启动管道8连通启动氢气源6和催化反应室2，启动管道8上设置有启动阀门81。回烧管道9的一端连通于氢气管道7，且连通处位于储制气源装置4和第一氢气阀门71之间，回烧管道9的另一端连通于启动管道8，且连通处位于催化反应室2和启动阀门81之间，回烧管道9上设置有回烧阀门91。

上述三个管道达到了用最少的管道便将储制氢罐1、催化反应室2、储制气源装置4三者的两两连通，配合上述三个阀门便可以实现储制氢气时的自供热。具体地，储氢时可以关闭启动阀门81，先开启回烧阀门91以加热储制氢罐1，再开启第一氢气阀门71以进行储氢；制氢时可以先开启启动阀门81以预热储制氢罐1，待镁基材料11放氢后便可以关闭启动阀门81并开启回烧阀门91实现自供热。

三个管道内部的气体流向以及作用根据储制氢的不同阶段而略有不同，下面将分别进行更加详细的介绍：

本实施例中的氢气管道7上沿从储制气源装置4向储制氢罐1的方向依次设置有第二氢气阀门72、过滤器73、冷却装置74和安全阀75，而第一氢气阀门71便设置于氢气管道7上位于冷却装置74和安全阀75之间的部分。其中第二氢气阀门72主要用于控制储制气源装置4的通断，过滤器73和冷却装置74主要用于在制氢时降温产生的高温氢气并过滤掉可能产生的冷凝物，二者均可以采用现有的设备实现，如冷却装置74可以采用冷凝器等。安全阀75则用于保证储制氢时的安全。

需要说明的是，根据实际情况，本实施例中的第一氢气阀门71、启动阀门81及第二氢气阀门72均采用针形阀，实际实施中也可以根据具体需要更换为其他种类的阀门。

作为优选的实施例，本实施例中的启动管道8上沿从启动氢气源6向催化反应室2的方向还依次设置有启动减压阀82、启动氢气质量流量控制器83、氢气单向阀84和氢气阻火器85。而启动阀门81在启动管道8上位于启动氢气质量流量控制器83和氢气单向阀84之间。

其中启动减压阀82可以控制启动时氢气的压力，启动氢气质量流量控制器83即为现有的用于氢气的气体质量流量控制器，顾名思义，其可以探测并控制启动管道8内通过的氢气的流量。氢气单向阀84和氢气阻火器85的功能和前文中的空气单向阀52和空气阻火器53类似，此处将不再赘述。

作为优选的实施例，本实施例中的回烧管道9上还设置有压力传感器92和回烧减压阀93和回烧氢气质量流量控制器94。三者可以用于监控回烧管道9内的压力、流量，配合前文中提到的热电偶及启动阀门81，以控制氢气在催化反应室2内反应的剧烈程度，以实现在储氢和制氢过程中的温度恒定，防止温度过低或过高而造成储制停止或事故。

此外值得一体的是，本实施例中的回烧阀门91为电磁阀，本自供热镁基储制氢系统还包括上位机100，其与测温套管25中的热电偶、压力传感器92、启动阀门81和回烧氢气质量流量控制器94电连接，以实现反应过程中的自动化控制。

具体地，在储氢时，镁基材料11吸氢会大量放热，储制氢罐1及催化反应室2的温度会大量持续上升，此时便可以通过热电偶将温度信号向上位机100进行反馈，通过上位机100对回烧氢气质量流量控制器94及回烧阀门91进行调节，进而实现对储制时温度的实时监控和调节，防止温度过高，以实现持续储氢。

同样地，在制氢时，镁基材料11放氢会大量吸热，储制氢罐1及催化反应室2的温度会有所下降，此时便仍旧可以通过热电偶将温度信号向上位机100进行反馈，通过上位机100对回烧氢气质量流量控制器94及回烧阀门91进行调节，进而实现对储制时温度的实时监控和调节，防止温度过低，以实现持续储氢。

可以理解，实际中也可以采用人工观察并调控的方式进行调节，但是此种方式效率低下且精准度不高。

本发明还提供一种储氢方法，其使用如前文中所记载的自供热镁基储制氢系统，该方法包括：

1、开启储制气源装置4使氢气依次通过第二氢气阀门72、过滤器73、冷却装置74、回烧管道9、氢气单向阀84、氢气阻火器85进入催化反应室2；

2、开启压缩空气机3使压缩空气经空气管道5进入催化反应室2，使压缩空气与氢气的催化反应进行供热；

3、当通过热电偶检测催化反应室2内的温度达到250℃时，开启第一氢气阀门71将部分氢气以4Mpa的压力通入储制氢罐1并存储于镁基材料11内；

4、通过调节回烧氢气质量流量控制器94和回烧阀门91以控制储制氢罐1内的温度，防止反应温度过高；

5、通过计算储制气源装置4和回烧氢气质量流量控制器94的累积量之差以得到储氢量。

本发明还提供一种制氢方法，其使用如前文中所记载的自供热镁基储制氢系统，该方法包括：

1、关闭第二氢气阀门72，开启启动氢气源6使氢气通过启动管道8进入催化反应室2；

2、开启压缩空气机3使压缩空气经空气管道5进入催化反应室2，使压缩空气与氢气的催化反应；

3、当通过热电偶检测催化反应室2内的温度达到300℃时，开启第二氢气阀门72将镁基材料11释放的氢气存储于储制气源装置4中；

4、关闭启动氢气源6，并开启回烧阀门91，使镁基材料11释放的部分氢气通过回烧管道9进入催化反应室2中，与压缩空气发生催化反应进行供热；

5、通过调节回烧氢气质量流量控制器94和回烧阀门91以控制储制氢罐1内的温度，防止反应温度过低；

6、通过计算储制气源装置4和回烧氢气质量流量控制器94的累积量之和以得到制氢量。

综上可知，本发明提供一种自供热镁基储制氢系统、储氢方法和制氢方法，均通过将储制氢罐1、催化反应室2和储氢气源装置两两连通，同时增加压缩空气机3为催化反应室2提供空气，以实现使用镁基材料11储氢和制氢时的自供热，即储氢时，储制气源装置4放出氢气的一部分氢气进入催化反应室2发生反应并放热，另一部分进入至储制氢罐1并存储在镁基材料11中，制氢时，镁基材料11释放出氢气的一部分氢气进入催化反应室2发生反应并放热，另一部分氢气进入储制气源装置4中存储。

相比于现有技术，本发明可以实现在储氢和制氢时的自供热，无需增加额外的设备来维持热源，同时无复杂的热介质循环系统，且整个系统稳定可靠，操作简单便捷，可大幅提升储制氢效率，有效降低辅机功耗，能应用于多种不同的场合，带来良好的经济效益。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本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。

Claims (10)

1.一种自供热镁基储制氢系统，其特征在于，包括：

储制氢罐，内置有用于存储氢气的镁基材料；

催化反应室，内置有用于催化空气和氢气反应放热的催化剂，所述催化反应室包裹住所述储制氢罐，并和所述储制氢罐可截止地连通；

压缩空气机，出气端可截止地连通所述催化反应室，用于将空气泵入所述催化反应室；

储制气源装置，具有可存储氢气的容腔，并可截止地连通所述储制氢罐及所述催化反应室。

2.根据权利要求1所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，还包括启动氢气源，所述启动氢气源可截止地连通所述催化反应室。

3.根据权利要求2所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，还包括氢气管道、启动管道和回烧管道，所述氢气管道连通所述储制气源装置和所述储制氢罐，所述氢气管道上设置有第一氢气阀门；所述启动管道连通所述启动氢气源和所述催化反应室，所述启动管道上设置有启动阀门；所述回烧管道的一端连通于所述氢气管道，且连通处位于所述储制气源装置和所述第一氢气阀门之间，所述所述回烧管道的另一端连通于所述启动管道，且连通处位于所述催化反应室和所述启动阀门之间，所述回烧管道上设置有回烧阀门。

4.根据权利要求3所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，所述催化反应室内插设有测温套管，所述测温套管内置有可沿测温套管移动的热电偶；所述回烧管道上还设置有压力传感器和回烧氢气质量流量控制器和回烧减压阀。

5.根据权利要求4所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，在所述启动管道上沿从所述启动氢气源向所述催化反应室的方向还依次设置有启动减压阀、启动氢气质量流量控制器、氢气单向阀和氢气阻火器，所述启动阀门在所述启动管道上位于所述启动氢气质量流量控制器和所述氢气单向阀之间。

6.根据权利要求5所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，还包括空气管道，所述空气管道连通所述压缩空气机和所述催化反应室，所述空气管道上沿由所述压缩空气机到所述催化反应室的方向依次设置有两个换热器、空气单向阀和空气阻火器，两个所述换热器同时分别安装于所述氢气管道和所述回烧管道。

7.根据权利要求6所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，所述储制气源装置为氢源测试装置，所述氢气管道上沿从所述储制气源装置向所述储制氢罐的方向依次设置有第二氢气阀门、过滤器、冷却装置和安全阀，所述第一氢气阀门在所述氢气管道上位于所述冷却装置和所述安全阀之间。

8.根据权利要求7所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，所述储制氢罐上设置有罐口阀，所述罐口阀和所述储制氢罐通过螺纹连接并同时焊接在一起，且与所述氢气管道连通，所述储制氢罐内置有与所述罐口阀连通的导气管，所述储制氢罐外连接有翅片。

9.一种储氢方法，使用如权利要求1～8中任一项所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，包括：

连通所述压缩空气机和所述催化反应室并启动所述压缩空气机；

连通所述储制气源装置和所述催化反应室并启动所述储制气源装置，使氢气和空气进入所述催化反应室发生反应并放热；

连通所述储制气源装置和所述储制氢罐，使部分氢气进入所述储制氢罐并存储在镁基材料中。

10.一种制氢方法，使用如权利要求1至8中任一项所述的自供热镁基储制氢系统，其特征在于，包括：

连通所述启动氢气源和所述催化反应室并启动所述启动氢气源；

连通所述压缩空气机和所述催化反应室并启动所述压缩空气机，使空气和氢气进入所述催化反应室反应并放热；

当镁基材料开始放氢后，截止所述启动氢气源和所述催化反应室，并连通所述储制氢罐和所述催化反应室，同时连通所述储制氢罐和所述储制气源装置，镁基材料释放的一部分氢气和进入所述催化反应室和空气反应并放热，另一部分氢气进入所述储制气源装置中储存。

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