CN114151723B - 基于固态储氢的加氢站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固态储氢的加氢站，包括储氢系统、与所述储氢系统的氢出口连接的加氢机，所述储氢系统包括至少一个储氢罐，每个储氢罐由外至内依次包括罐体、相变材料、容器、绝热材料、多个储氢瓶，其中，每个储氢瓶包括竖直设置的瓶体；及储氢圆柱，其由多个能够放热性吸氢和吸热性脱氢且具有中心孔的实心圆盘堆叠于瓶体内形成，所述储氢圆柱沿周向分为2n份扇形柱，每份扇形柱沿竖向方向分为多份扇形块，每份扇形块外周套设支撑框，其中，所述实心圆盘的膨胀系数小于所述瓶体的膨胀系数。本发明具有降低储氢材料在吸放氢时的膨胀和收缩对储氢影响的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及加氢站设备技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于固态储氢的加氢站。
背景技术
加氢站是连接上游制氢、运氢，下游燃料电池车用氢的中药枢纽。一个典型的加氢站由制氢系统、压缩系统、储存系统、加注系统和控制系统等组成。当氢气从站外运达站内制取纯化后，通过氢气压缩系统压缩至一定压力，加压后的氢气存储在固定式高压容器中，当需要加注氢气时，氢气在加氢站固定容器与车载储氢容器之间高压差的作用下，通过加注系统快速充装至车载储氢容器。存在储存压力过高，安全性差的问题。
近年来，以金属氢化物形式的储氢已经被作为一种有利的替代方式进行了研究，其原理是通过氢气与储氢合金之间进行的可逆反应，实现氢的储存与释放，即外界有热量传递给金属氢化物时，它就分解为储氢合金并放出氢气，反之，氢和储氢合金构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储存于其中，同时放出热量。
但是，以金属氢化物为代表的储氢材料在吸放氢会发生膨胀和收缩，膨胀应力会对罐内结构产生冲击，而收缩则导致热传导效率降低，故而提供一种基于固态储氢的加氢站，通过储氢系统的设置，降低储氢材料在吸放氢时的膨胀和收缩对储氢系统的影响，是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于固态储氢的加氢站，降低储氢材料在吸放氢时的膨胀/收缩对加氢站储氢系统导热的影响。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于固态储氢的加氢站，包括储氢系统、与所述储氢系统的氢出口连接的加氢机，所述储氢系统包括至少一个储氢罐，每个储氢罐由外至内依次包括罐体、相变材料、容器、绝热材料、多个储氢瓶，其中，每个储氢瓶包括竖直设置的瓶体；及
储氢圆柱，其由多个能够放热性吸氢和吸热性脱氢且具有中心孔的实心圆盘堆叠于瓶体内形成，所述储氢圆柱沿周向分为2n份扇形柱，每份扇形柱沿竖向方向分为多份扇形块，每份扇形块外周套设支撑框，所述支撑框与所述扇形块外周相对的一侧敞口设置，且所述支撑框的敞口端不与所述瓶体内壁接触，其中，n≥1，所述实心圆盘的膨胀系数小于所述瓶体的膨胀系数，关于所述瓶体中轴线对称设置的两份扇形柱分隔的扇形块对称设置，对称设置的一对扇形块间设置至少一个抵紧装置，每个抵紧装置包括圆环、对称设于圆环与一对扇形块间的压缩弹簧；
充放管，其同轴设于中心孔内，且顶端依次密封穿出所述瓶体、容器与罐体并连接所述储氢系统的氢入口和氢出口，其中，所述圆环同轴套设于所述充放管上。
优选的是，当所述储氢罐为至少两个时，所述储氢罐间选择性串联构成储氢罐组，所述储氢罐组与剩余储氢罐间并联。
优选的是，所述罐体内设置水平隔板，以将所述罐体分隔为上下设置的布设空间和储氢空间，所述容器位于储氢空间内，所述布设空间内设置支气管，所述充放管的顶端依次密封穿出所述瓶体、容器与储氢空间位于所述布设空间内，且与所述支气管连通，所述支气管两端分别穿出所述布设空间分别形成分进气口和分出气口。
优选的是，还包括：充氢管道，其一端与所述储氢罐组的分进气口和剩余储氢罐的分进气口连通，沿分进气口的方向，所述充氢管道上依次设置氢入口、第一阀门、第一压力表；
放氢管道，其一端与所述储氢罐组的分进气口和剩余储氢罐的分出气口连通，沿远离分出气口的方向，所述放氢管道上依次设置第二压力表、减压阀、第三压力表、氢出口。
优选的是，所述罐体为长方体形，所述储氢空间为长方体形或圆筒状，所述容器与所述储氢空间形状相同。
优选的是，n＝2。
优选的是，其中一对对称设置的扇形柱的扇形块等高度h设置，则剩余一对对称设置的扇形柱的扇形块中位于最高和最低处的扇形块的高度为1/2h，其余扇形块的高度为h。
优选的是，高度为h的扇形块对应设置一对抵紧装置，且在高度方向上将对应扇形块分隔为高度比为1:2:1的3份；
高度为1/2h的扇形块对应设置一个抵紧装置，且在高度方向上将对应扇形块分隔为高度比为1:1的2份；
其中，位于同一高度的抵紧装置共用圆环。
优选的是，还包括设于所述瓶体外周的多个传热翅片。
优选的是，还包括：制氢系统，用于制备氢气，且与所述储氢系统的氢入口连接。
本发明至少包括以下有益效果：
降低储氢材料在吸放氢时的膨胀/收缩对储氢系统的导热的影响，具体的：
通过支撑框的设置将受力集成后分解，分解后配合对称设置扇形块，使作用于圆环上的力进行内部消化，提高圆环使用稳固性，同时减少对中心充放管的影响；
相邻扇形块错位设置，减少相邻扇形块之间的影响效果，提高装置整体安装稳定性，同时，实现圆环共用，简化操作；
再进一步，通过支撑框的设置，提供良好的热传导效果，具体的通过导热网配合支撑框实现水平面的横向热传导，而后通过支撑框配合弹性导热体实现沿径向以及竖向方向的热传导，以使整个储氢瓶内的导热更为均匀。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的其中一种技术方案所述基于固态储氢的加氢站的结构示意图；
图2为本发明的其中一种技术方案所述储氢罐的水平截面结构示意图；
图3为本发明的其中一种技术方案所述储氢罐的水平截面结构示意图；
图4为本发明的其中一种技术方案所述储氢瓶的结构示意图；
图5为本发明的其中一种技术方案所述储氢罐的竖截面结构示意图；
图6为本发明的其中一种技术方案所述储氢圆柱和充放管的结构示意图。
附图标记具体为：储氢系统1；相变材料10；容器11；绝热材料12；储氢瓶13；罐体2；水平隔板20；布设空间21；支气管22；分进气口23；分出气口24；储氢空间25；瓶体3；储氢圆柱4；扇形块40；支撑框41；弹性导热体42；中心孔5；抵紧装置6；圆环60；压缩弹簧61；充放管7；充氢管道8；第一阀门81；第一压力表82；放氢管道9；第二压力表90；减压阀91；第三压力表92。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-6所示，本发明提供一种基于固态储氢的加氢站，包括储氢系统1、与所述储氢系统1的氢出口连接的加氢机，所述储氢系统1包括至少一个储氢罐，每个储氢罐包括罐体2、同轴设于所述罐体2内的容器11、均匀设于所述容器11内的多个储氢瓶13，所述容器11与罐体2间填充绝热材料12，所述储氢瓶13与所述容器11间填充相变材料10，每个储氢瓶13包括：
瓶体3，其竖直设置；
储氢圆柱4，其由多个实心圆盘堆叠于瓶体3内形成，所述实心圆盘具有中心孔5，能够放热性吸氢和吸热性脱氢，所述实心圆盘的膨胀系数小于所述瓶体3的膨胀系数，每个实心圆盘等分为2n份扇形体，以将储氢圆柱4沿周向分为2n份扇形柱，每份扇形柱沿竖向方向分为多份扇形块40，每份扇形块40外周套设支撑框41，所述支撑框41与所述扇形块40外周相对的一侧敞口设置，且所述支撑框41的敞口端不与所述瓶体3内壁接触，其中，n≥1；
充放管7，其同轴设于中心孔5内，且顶端依次密封穿出所述瓶体3、容器11与罐体2用于形成所述储氢系统1的氢入口和氢出口；
其中，关于所述瓶体3中轴线对称设置的两份扇形柱分隔的扇形块40对称设置，对称设置的一对扇形块40间设置至少一个抵紧装置6，每个抵紧装置6包括同轴套设于所述充放管7上的圆环60、对称设于圆环60与一对扇形块40间的压缩弹簧61。
在上述技术方案中，所述实心圆盘为包含金属氢化物和导热基体的压实材料，所述绝热材料12填充在容器11与罐体2间，如图6所示，所述绝热材料12包覆在所述容器11的周向，用于保护容器11内相变材料10的储热，减少想变材料与外界的热交换，进一步，虽然使用相变材料10进行热存储，但是在整个装置使用的过程中，不可避免的存在热损失，配合相变材料10可设置加热装置，用于弥补热损失，具体的设置电阻加热器，当相变材料10从第一相变为第二相时，能够存储储氢瓶13由于吸氢产生的热，从第二相变为第一相时，能够释放所存储的热提供储氢瓶13中解吸所需要的能量，优选的所述想变材料为金属合金，第一相为液相、第二相为固相由吸氢，具体根据实心圆盘的组成以及整个储氢瓶13的工作条件决定，所述支撑框41为网状，优选的，与所述压缩弹簧61连接处，设置为实心板状，满足安装压缩弹簧61即可，采用这种技术方案，通过支撑框41的设置将受力集成后分解，分解后配合对称设置扇形块40，使作用于圆环60上的力进行内部消化，提高圆环60使用稳固性，减少对中心充放管7的影响。
在另一种技术方案中，当所述储氢罐为至少两个时，所述储氢罐间选择性串联构成储氢罐组，所述储氢罐组与剩余储氢罐间并联。采用这种方案，储氢罐间的串并联关系根据实际建站情况确定，便于提高整体装置的应用效果，具体的所述储氢罐为4个，如图2所述，位于同一行的两个储氢罐串联，构成储氢罐组，两个储氢罐组之间并联构成整体的储氢系统1。
在另一种技术方案中，如图5所示，所述罐体2内设置水平隔板20，以将所述罐体2分隔为上下设置的布设空间21和储氢空间25，所述容器11位于储氢空间25内，所述布设空间21内设置支气管22，所述充放管7的顶端依次密封穿出所述瓶体3、容器11与储氢空间25位于所述布设空间21内，且与所述支气管22连通，所述支气管22两端分别穿出所述布设空间21分别形成分进气口23和分出气口24。所述储氢瓶13顶部自身具备瓶阀，所述储氢瓶13的充放管7与所述支气管22间通过三通阀门连接，便于对各个储氢瓶13的控制，便于故障维修，所述三通阀门可实现储氢瓶13与支气管22进气端、支气管22出气端三者间任意两个接口之间的连通；采用这种方案，通过隔板的设置，已经所述罐体2分隔为上下设置的布设空间21和储氢空间25，其中，储氢空间25用于多个储氢瓶13的安装，布设空间21用于与多个储氢瓶13配套安装管线，使整个装置集成化设置且布局合理，进一步，所述布设空间21可配合设置检修口，以实现检修相应的连接关系的同时，避免不对储氢空间25内的装置产生影响。
在另一种技术方案中，如图1所示，还包括：充氢管道8，其一端与所述储氢罐组的分进气口23和剩余储氢罐的分进气口23连通，沿分进气口23的方向，所述充氢管道8上依次设置氢入口、第一阀门81、第一压力表82；
放氢管道9，其一端与所述储氢罐组的分进气口23和剩余储氢罐的分出气口24连通，沿远离分出气口24的方向，所述放氢管道9上依次设置第二压力表90、减压阀91、第三压力表92、氢出口。在上述技术方案中，所述储氢罐组包括至少两个储氢罐，相邻连通的两个储氢罐间相对的分进气口23和分出气口24连通，故而至少两个储氢罐串联后构成储氢罐组包括一个分进气口23和分出气口24，
其中，当与所述充氢管道8连通的分进气口23的个数为n时，所述充氢管道8与所述支气管22间通过n+1通阀门连接，具体的，当所述分进气口23为3个，所述充氢管道8与所述支气管22间通过4通阀门连接，以满足根据需要控制所述充氢管道8分别与其中一个分进气口23连通，或者，在与每个分进气口23对应的支气管22上设置开关阀以控制支气管22与充氢管道8之间的通断；
当与所述放氢管道9连通的分出气口24的个数为n时，所述放氢管道9与所述支气管22间通过n+1通阀门连接，具体的，当所述分出气口24为3个，所述放氢管道9与所述支气管22间通过4通阀门连接，以满足根据需要控制所述放氢管道9分别与其中一个分出气口24连通，或者，在与每个分出气口24对应的支气管22上设置开关阀以控制支气管22与充氢管道8之间的通断，采用这种方案，通过充氢管道8和放氢管道9的设置，便于充氢、放氢过程中的控制和对应各数据的监测。
在另一种技术方案中，如图2-3所示，所述罐体2为长方体形，所述储氢空间25为长方体形或圆筒状，所述容器11与所述储氢空间25形状相同。采用这种方案，罐体2为长方体形，便于多个罐体2的集成组装设置，所述容器11与所述储氢空间25形状相同提高绝热的均匀效果，以及相变吸热和放热的均匀性。
在另一种技术方案中，n＝2。采用这种方案，提高相互作用效果。
在另一种技术方案中，其中一对对称设置的扇形柱的扇形块40等高度h设置，则剩余一对对称设置的扇形柱的扇形块40中位于最高和最低处的扇形块40的高度为1/2h，其余扇形块40的高度为h。采用这种方案。
在另一种技术方案中，高度为h的扇形块40对应设置一对抵紧装置6，且在高度方向上将对应扇形块40分隔为高度比为1:2:1的3份；
高度为1/2h的扇形块40对应设置一个抵紧装置6，且在高度方向上将对应扇形块40分隔为高度比为1:1的2份；
其中，位于同一高度的抵紧装置6共用圆环60。采用这种方案，相邻扇形块40错位设置，减少相邻扇形块40之间的影响效果，提高装置整体的稳定性，同时，实现圆环60共用，简化操作的同时，通过两对反相给力，提高圆环60使用稳固性，减少对中心充放管7的影响。
在另一种技术方案中，还包括设于所述瓶体3外周的多个传热翅片。采用这种方案，提高热传导效果。
在另一种技术方案中，每个扇形块40内的相邻实心圆盘间设置导热网，所述导热网外周与所述支撑框41固接，所述导热网在水平面的投影与所述支撑框41内底面在水平面的投影重合，所述导热框和所述导热网均由良好的热导体制成，同时应当具备耐氢、熔点高于整个储氢瓶13最高工作温度的性能，优选为不锈钢；
所述支撑框41侧壁与所述瓶体3侧壁间设置弹性导热体42。弹性热导体包括与所述瓶体3侧壁固接或抵接的第一导热条、与支撑框41侧壁固接或抵接的第二导热条、设于第一导热条、第二导热条之间的非拉伸弹簧，优选的，当整个装置处于自然状态时，该弹簧处于自然伸缩状态，优选的，位于每份扇形柱两侧的第一导热条一体成型、第二导热条一体成型，采用这种方案，通过支撑框41的设置，实现力度均匀分配的同时，提供良好的热传导效果，具体的通过导热网配合支撑框41实现水平面的横向热传导，而后通过支撑框41配合弹性导热体42实现沿径向以及竖向方向的热传导，以使整个储氢瓶13内的导热更为均匀。
在另一种技术方案中，还包括：制氢系统，用于制备氢气，且与所述储氢系统1的氢入口连接。采用这种方案，所述制氢系统产生的氢气通过充氢管道8储存于储氢系统1，制氢系统具体可为电能电解水昌盛氢气。
实施例1
利用一种基于固态储氢的加氢站进行充放氢操作，包括以下步骤：
利用制氢系统制氢后，控制加氢压力，而后通过充氢管道8注入待充氢储氢罐，注入过程中，实心圆盘的温度开始升高，当温度升高至相变材料10的熔点C时，相变材料10开始融化，吸收反应热，以使实心圆盘能够被快速加载，至加氢完成；其中，吸氢温度为A，脱氢温度为B，C介于A和B之间，且优选为接近(A+B)/2；
加注氢气时，控制储氢罐工作压力，连通加氢机与车载储氢容器11，储氢依次经过放氢管道9、加氢机快速充装至车载储氢容器11，加氢过程中，随着压力的控制，实心圆盘的温度下降至B，相变材料10开始将其储热传递至实心圆盘，以使实心圆盘能够连续脱氢，至加注氢气完成；
同时由于温度变化，所述扇形体与所述瓶体3受热膨胀/降温收缩，所述实心圆盘的膨胀系数小于所述瓶体3的膨胀系数，会导致扇形体与瓶体3膨胀/收缩不同步，此时支撑框41配合抵紧装置6提供两者抵紧接触的力，以满足持续均匀的导热效果。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明基于固态储氢的加氢站的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.基于固态储氢的加氢站，包括储氢系统、与所述储氢系统的氢出口连接的加氢机，其特征在于，所述储氢系统包括至少一个储氢罐，每个储氢罐由外至内依次包括罐体、相变材料、容器、绝热材料、多个储氢瓶，其中，每个储氢瓶包括竖直设置的瓶体；及
储氢圆柱，其由多个能够放热性吸氢和吸热性脱氢且具有中心孔的实心圆盘堆叠于瓶体内形成，所述储氢圆柱沿周向分为4份扇形柱，每份扇形柱沿竖向方向分为多份扇形块，每份扇形块外周套设支撑框，所述支撑框与所述扇形块外周相对的一侧敞口设置，且所述支撑框的敞口端不与所述瓶体内壁接触，所述实心圆盘的膨胀系数小于所述瓶体的膨胀系数，关于所述瓶体中轴线对称设置的两份扇形柱分隔的扇形块对称设置，对称设置的一对扇形块间设置至少一个抵紧装置，每个抵紧装置包括圆环、对称设于圆环与一对扇形块间的压缩弹簧；
充放管，其同轴设于中心孔内，且顶端依次密封穿出所述瓶体、容器与罐体并连接所述储氢系统的氢入口和氢出口，其中，所述圆环同轴套设于所述充放管上；
每个扇形块内的相邻实心圆盘间设置导热网，所述导热网外周与所述支撑框固接；
所述支撑框侧壁与所述瓶体侧壁间设置弹性导热体，弹性热导体包括与所述瓶体侧壁固接或抵接的第一导热条、与支撑框侧壁固接或抵接的第二导热条、设于第一导热条和第二导热条之间的非拉伸弹簧，位于每份扇形柱两侧的第一导热条一体成型、第二导热条一体成型。
2.如权利要求1所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，当所述储氢罐为至少两个时，所述储氢罐间选择性串联构成储氢罐组，所述储氢罐组与剩余储氢罐间并联。
3.如权利要求2所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，所述罐体内设置水平隔板，以将所述罐体分隔为上下设置的布设空间和储氢空间，所述容器位于储氢空间内，所述布设空间内设置支气管，所述充放管的顶端依次密封穿出所述瓶体、容器与储氢空间位于所述布设空间内，且与所述支气管连通，所述支气管两端分别穿出所述布设空间分别形成分进气口和分出气口。
4.如权利要求3所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，还包括：充氢管道，其一端与所述储氢罐组的分进气口和剩余储氢罐的分进气口连通，沿分进气口的方向，所述充氢管道上依次设置氢入口、第一阀门、第一压力表；
放氢管道，其一端与所述储氢罐组的分进气口和剩余储氢罐的分出气口连通，沿远离分出气口的方向，所述放氢管道上依次设置第二压力表、减压阀、第三压力表、氢出口。
5.如权利要求3所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，所述罐体为长方体形，所述储氢空间为长方体形或圆筒状，所述容器与所述储氢空间形状相同。
6.如权利要求1所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，其中一对对称设置的扇形柱的扇形块等高度h设置，则剩余一对对称设置的扇形柱的扇形块中位于最高和最低处的扇形块的高度为1/2h，其余扇形块的高度为h。
7.如权利要求1所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，高度为h的扇形块对应设置一对抵紧装置，且在高度方向上将对应扇形块分隔为高度比为1:2:1的3份；
高度为1/2h的扇形块对应设置一个抵紧装置，且在高度方向上将对应扇形块分隔为高度比为1:1的2份；
其中，位于同一高度的抵紧装置共用圆环。
8.如权利要求1所述的基于固态储氢的加氢站，其特征在于，还包括：制氢系统，用于制备氢气，且与所述储氢系统的氢入口连接。
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