CN114294559A - 固态储放氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固态储放氢系统，其主要包括第一壳体、第二壳体以及输氢管。第一壳体的内腔用于填充固态储氢材料。第二壳体带有进口和出口。第一壳体固定在第二壳体的内腔，且第一壳体的外壁与第二壳体的内壁之间带有空隙以供热流体或冷流体经过。输氢管插入第一壳体的内腔，输氢管的管壁上不同位置开有若干个通气孔。本发明采用对固态储放氢容器进行内外加热和散热解决方案，同时在容器结构上做一定热平衡和紧凑集成设计，实现在一定温度下，使固态储放氢容器的热场保持均匀性，从而使其能够快速、稳定、安全储放氢。

Description

固态储放氢系统

技术领域

本发明涉及一种固态储放氢系统，特别涉及一种风冷却的紧凑型固态储放氢系统，属于氢能源技术领域。

背景技术

固态储放氢容器填充金属镁基储氢材料，在一定温度下对金属镁基储氢材料充氢，氢气和金属镁基储氢材料会进行反应合成氢化镁。使用此种方式进行储氢，在化学合成过程中会产生大量的热量。如果这些热量不及时排除，将会影响氢气和金属镁基储氢材料化学合成反应，从而影响金属镁基储氢材料的储氢率和储氢速率。

储氢时需要加热再散热：先把金属镁基储氢材料加热一定温度后与氢气进行反应，当氢气和金属镁基储氢材料开始化学合成反应后停止加热，再把上述化学合成反应产生的热量进行散热。当金属镁基储氢材料完成储氢后，生成的氢化镁进行放氢时，需要将氢化镁加热到一定温度后，氢化镁才会分解生成氢气和金属镁基储氢材料。并且，放氢时需要持续进行加热，这样才能够快速、稳定、安全释放出氢气，提供给燃料电池使用。

所以固态储放氢容器的热管理非常重要，通过大量的试验表明，当固态储放氢容器热场均匀时，固态储放氢容器能够快速、稳定、安全储放氢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供体积更紧凑的热平衡固态储放氢容器和系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种固态储放氢系统，包括：

第一壳体，第一壳体的内腔用于填充固态储氢材料；

第二壳体，第二壳体带有第二壳体进口和第二壳体出口；第一壳体固定在第二壳体的内腔，且第一壳体的外壁与第二壳体的内壁之间带有空隙以供热流体或冷流体经过；

输氢管，输氢管插入第一壳体的内腔，输氢管的管壁上不同位置开有若干个通气孔。

在一些实施例中，第一壳体内设置有一个或多个流体通道以供热流体或冷流体经过，流体通道的入口和出口设置在第一壳体上并与第一壳体的外部连通。

在一些实施例中，热流体包括热气流、热导热油、热水、高温蒸汽、熔盐中的一种或多种的组合，冷流体包括冷气流、冷导热油、冷水中的一种或多种的组合。

在一些实施例中，在流体通道内安装有加热模块。

在一些实施例中，加热模块采用电加热棒，电加热棒与流体通道内壁的间隙为5～10毫米。

在一些实施例中，在流体通道的内壁涂敷用于催化燃烧的催化剂。

在一些实施例中，在第二壳体内设置有催化燃烧模块，催化燃烧模块靠近流体通道的入口。

在一些实施例中，催化燃烧模块以氢气作为燃料。

在一些实施例中，在第二壳体进口附近和第二壳体出口附近各安装有感温器件。

在一些实施例中，固态储放氢系统还包括：

第三壳体，用于容纳第二壳体，第二壳体与第三壳体之间填充隔热材料；

输氢组件，输氢组件连接在第三壳体外并与输氢管连通；

控制模块，用于控制固态储放氢系统的工作。

本发明的有益效果：采用对固态储放氢容器进行内外加热和散热解决方案，同时在容器结构上做一定热平衡和紧凑集成设计，实现在一定温度下，使固态储放氢容器的热场保持均匀性，从而使其能够快速、稳定、安全储放氢。

附图说明

图1为本发明实施例1中的固态储放氢系统的整体外观结构示意图。

图2为本发明实施例1中的固态储放氢系统的剖视结构示意图。

图3为本发明实施例1中的固态储放氢系统的透视结构示意图。

图4为本发明实施例1中的固态储放氢系统核心组件的外表示意图。

图5为本发明实施例1中的固态储放氢系统核心组件的剖视结构示意图。

图6为本发明实施例2中的固态储放氢系统核心组件的外表示意图。

图7为本发明实施例2中的固态储放氢系统核心组件的剖视结构示意图。

110 壳体

120 流体通道

131 电加热棒

132 环状连接件

133 环状连接件

140 输氢管

150 储氢材料感温器件

210 壳体

211 间隙

221 进风口

222 出风口

231 气流感温器件

232 气流感温器件

240 风扇

250 风管

310 壳体

320 隔热保温材料

331 上支架

332 下支架

410 托板

420 球阀

430 阻火器

441 电磁阀

442 电磁阀

451 单向阀

452 单向阀

460 氢气流量计量模块

470 氢气冷却模块

481 电控模块

482 显示操作模块

510 壳体

511 间隙

521 进气口

522 出气口

530 催化燃烧模块

531 燃烧通道

具体实施方式

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，当元件被称为“固定于/安装在(或类似用词)”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居间的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居间的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件时，不存在居间的元件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

本发明提供的固态储放氢系统，主体是三层壳体，再加上必要的输氢组件与控制模块。输氢组件由管道、阀门等组成。控制模块用于控制所述固态储放氢系统的工作。第一壳体位于最内层，其由不锈钢材料制造，用于填充固态储氢材料，例如金属镁基储氢材料。第一壳体被第二壳体包裹，它们之间留有间隙，第一壳体内设置流体通道，上述间隙和流体通道可以供热流体或冷流体经过。第三壳体位于最外层，它包裹住第二壳体，两者之间的间隙填充保温材料。

固态储氢材料在充氢时放热，采用冷流体对固态储氢材料进行冷却。冷流体包括冷气流、冷导热油、冷水中的一种或多种的组合。固态储氢材料放氢时吸热，采用热流体加热固态储氢材料，使放氢持续进行。热流体包括热气流、热导热油、热水、高温蒸汽、熔盐中的一种或多种的组合，

除了使用热流体加热，也可以采用电加热或者原位催化燃烧加热的方式。在电加热的方式中，在流体通道内设置电加热棒。在原位催化燃烧加热的方式中，流体通道内壁涂敷有催化剂，采用氢气与空气(或氧气)的混合气体作为燃料，进行催化燃烧产生热量，加热固态储氢材料。

以下结合附图，对本发明的具体实施例作详细说明。

实施例1

图1所示是本实施例提供的固态储放氢系统的整体外观结构示意图，图2是其剖视结构示意图，图3是其透视结构示意图，由图2和图3清楚展现了固态储放氢系统的内部结构。固态储放氢系统呈直立状态，外部是一个由金属材料制成的壳体310，它对固态储放氢系统的内部结构起到容纳和保护作用。壳体310的上下两端都为半球形，上端安装有一个上支架331，下端安装有一个下支架332，下支架使固态储放氢系统的主体垫高悬空。固态储放氢系统总重量约为50公斤左右，壳体310外围周径是30厘米左右。在固态储放氢系统被搬运时，上支架331和下支架332作为手持部件，所以把他们制成了图1中所示的形状。

图4所示是本实施例提供的固态储放氢系统的核心组件，它们被固定安装在壳体310内部，与壳体310的固定可以采用连接杆焊接或长螺栓固定等方式。核心组件的外表是一个由金属材料制成壳体210，例如不锈钢。壳体210与壳体310之间填充隔热保温材料320，顶部、底部、侧方都填充，如图2中所示。隔热保温材料320优选气凝胶或高分子发泡材料，厚度为2～5厘米。当采用气凝胶时，隔热保温材料320可以很薄一层。

壳体210内部是一个由不锈钢制成的密封壳体110，例如304或316不锈钢，不锈钢不与氢气反应，且气密性强。壳体110作为固态储氢容器用于填充固态储氢材料，例如镁基储氢材料。储氢材料感温器件150安装在壳体110上方并伸入壳体110内部。优选地，壳体110整体为圆柱形，上下两端为半球形。输氢管140下端直插入固态储氢容器的中下部，输氢管140的上端依次穿过壳体110、壳体210、壳体310，并与壳体310外的输氢组件连接，如图1所示。输氢管140位于固态储氢容器内，在这部分输氢管的不同高低位置上每间隔一定距离开有透气孔，便于输氢管140中的氢气均匀快速向固态储氢材料扩散，提高储氢材料的储放氢效率和速度。

在壳体110内开有若干个贯穿壳体两端的流体通道120，如图2和图5中所示。流体通道120的出风口和进风口分别位于壳体110的两端，这样壳体110外部的冷却气流可以流经冷却通道120。在本实施例中，流体通道120的数量是四个。在其他实施例中，流体通道的数量可以比四个更少或更多，例如1～10个。在一个固态储氢容器设置3～6个流体通道个是优选。流体通道120是笔直的圆管状，管径从头到尾不变。一方面，圆管状内壁没有棱角，光滑壁面能够减少风阻。另一方面，圆管形状的机械强度更大。充氢时，氢气与壳体110内部的固态储氢材料反应产生热量，热量传导至壳体110的表面(包括流体通道100内壁)，冷却气流经过这些流体通道120时快速带走热量。

加热组件由四根电加热棒131和连接它们的环状连接件132、133组成。电加热棒131的数量与流体通道120的数量等同，每个流体通道120内插入一根电加热棒131。每根电加热棒131的上端都从壳体210的顶部穿出，然后连接在同一个环状连接件132上。每根电加热棒131的下端都从壳体210的底部穿出，然后连接在同一个环状连接件133上。环状连接件既固定了电加热棒，又为电加热棒输送电能，促其发热。电加热棒131与壳体210接触的位置应作适当的密封处理。因为电加热棒是耗材，到达使用寿命之后就要更换，电加热棒131从壳体210上下端面穿出，环状连接件132、133位于壳体210之外，都是为了便于电加热棒131的检修更换。

电加热棒131插入流体通道120，它们的发热部位恰好完全处于流体通道120内。电加热棒131位于壳体110外及壳体210外的部位几乎不发热。电加热棒131与流体通道120的内壁不接触，电加热棒131外表与流体通道120内壁之间处处保持5～10毫米的间隙。上述间隙若过小，在冷却气流经过流体通道120时会被阻挡。上述间隙若过大，电加热棒131发出的热量辐射至流体通道120壁面的效率会变差。

在壳体210侧面上方设有进风口221，在侧面下方设有出风口222。流体通道120的进风口靠近壳体210的进风口221，在进风口221附近安装有气流感温器件231。流体通道120的出风口靠近壳体210的出风口222，在出风口222附近安装有气流感温器件232，如图2所示。

风扇240的出风口通过风管250与壳体210上的进风口221连接。充氢时，风扇240将外界冷空气吹向壳体210内部，这些冷空气进入流体通道120带走壳体110内部的热量。因为壳体110与壳体210之间有间隙，一部分冷空气在这两者间隙内流动，带有壳体110外表的热量。从内部和外表同时加速散热。风扇240必须是向流体通道120吹风，而不能是从流体通道120抽风。固态储氢容器中的储氢材料与氢气化合反应时，产生热量使温度高达上百摄氏度。如果风扇240从流体通道120抽风，被加热的空气持续经过风扇240会将其烧坏，因为普通风扇都不法承受这么高的温度。

壳体310外竖直固定有一块托板410，它的截面呈L形，因此它分为一大一小两个相互垂直的板面，占用更少空间。风扇240、输氢管路、控制模块等都安装在这个托板410的较大板面上，如图1所示。风扇240安装在托板410的上部。输氢管口依次连接球阀420、阻火器430，这段输氢管既是放氢管路，又是充氢管路。接着，输氢管分成两路支管：一路支管用作是放氢管路，依次连接有电磁阀441与单向阀451；另一路支管用作是充氢管路，连接有单向阀451和电磁阀442。注意到两路支管中单向阀和电磁阀的前后位置恰好相反，这是因为它们工作时氢气气流的方向不同，都需保证氢气先经过电磁阀再经过单向阀。然后，充氢支管和放氢支管又汇成了一路，连接氢气流量计量模块460、氢气冷却模块470，最后经由输氢管140到达固态储氢容器内部。

控制模块由电控模块481和显示操作模块482组成。在托板410的较小板面的下方安装有电控模块481，在上方安装有显示操作模块482，如图1所示。电控模块481用于控制风扇240、电磁阀441与442、氢气流量计量模块460、氢气冷却模块470等。显示操作模块482作为输入和输出界面，接收操作者的指令，向外反馈信息。

固态储放氢系统的工作流程可分成充氢和放氢两个阶段，以下分别阐述：

(1)充氢阶段

当需要进行充氢时，操作者将输氢管连接至氢气源，打开球阀420。操作者在显示控制模块482上输入操作指令，电控模块481控制电磁阀441开启，此时电磁阀442关闭。氢气依次经过球阀420、阻火器430、电磁阀441、单向阀451、氢气流量计量模块460等，最后由输氢管140上的通氢孔均匀扩散至固态储氢材料，与其发生反应被固定。氢气流量计量模块460将氢气流量数据传递给电控模块481，电控模块481判断充氢完毕，它关闭电磁阀441，停止充氢。

在充氢时，氢气和固态储氢材料发生化合反应，产生大量热量。只有及时把热量散去，才能更快更安全的充氢。储氢材料感温器件150持续检测固态储氢材料的温度，并传递给电控模块481。电控模块481控制风扇240开启，外界的冷空气被风扇240吸入，经过风管250到达壳体210的上方，再从流体通道120和壳内间隙211经过，带有固态储放氢容器表面和内部的热量，使充氢安全持续进行。

气流感温器件231监测冷却气流经过固态储放氢容器前的温度，气流感温器件232监测气流经过固态储放氢容器后的温度，它们两者的温差结合储氢材料的温度，反馈给电控模块481，以此作为调节风扇240转速的依据，控制冷却气流的风量和风速，使储氢材料的温度维持在理想的范围内。

(2)放氢阶段

当需要让固态储放氢容器对外放氢时，操作者在显示控制模块482上输入操作指令，电控模块481给电加热组件发出加热指令，电加热棒131通过电流产生热量，对固态储氢材料进行加热。同时，储氢材料感温器件150实时检测储氢材料的温度，并传递给电控模块481。当储氢材料达到一定温度时，固态储氢材料开始分解释放氢气。

放氢时，电磁阀442开启，此时电磁阀441关闭，氢气依次经过氢气冷却模块470、氢气流量计量模块460、单向阀452、电磁阀442、阻火器430、球阀420等，最后由释放出。刚分解产生的氢气温度达数百摄氏度，必须先经过氢气冷却模块470进行降温冷却。电控模块481控制电加热棒131的电流电压，以此控制产氢速率。氢气流量计量模块460将氢气流量数据传递给电控模块481，需要停止放氢时，电控模块481关闭电磁阀442，停止放氢。

实施例2

图6与图7所示是本实施例提供的固态储放氢系统的核心组件。与实施例1的主要区别在于加热部件和加热方式。其余零部件和工作方式与实施例1中的大致相同或相似。

图7展示了核心组件的内部结构，它们是双层壳体：壳体110固定安装在壳体510内，两者之间留有间隙511供冷流体流过。壳体110作为固态储氢容器用于填充固态储氢材料，例如镁基储氢材料。储氢材料感温器件150安装在壳体110上方并伸入壳体110内部。优选地，壳体110整体为圆柱形，上下两端为半球形。输氢管140下端直插入固态储氢容器内，在这部分输氢管的不同高低位置上每间隔一定距离开有透气孔，便于输氢管140中的氢气均匀快速向固态储氢材料扩散，提高储氢材料的储放氢效率和速度。

在壳体110内开有若干个贯穿壳体两端的流体通道120，如图7中所示。流体通道120的出风口和进风口分别位于壳体110的两端，这样壳体110外部的冷却气流可以经过流体通道120。在本实施例中，流体通道120的数量是四个。流体通道120的内壁不光滑，在内壁涂敷有用于催化燃烧的催化剂，不光滑的内壁才能使催化剂牢固附着。催化燃烧的燃料可以选用氢气、碳氢化合气体(天然气、液化石油气等)、甲醇或者其他流质燃料。优选地，采用氢气作为燃料。根据燃料种类在流体通道120内壁涂敷对应的催化剂。涂敷催化剂可以采用任意可行的方式，本发明不做限定。

为了提高氢气催化燃烧效率，还在壳体510的内腔上部安装有催化燃烧模块530，如图7所示，催化燃烧模块530带有电子点火部件(图中未示出)。催化燃烧模块530内部设置许多个燃烧通道531，燃烧通道531内壁同样涂有用于催化燃烧的催化剂，此处的催化剂与流体通道120内壁的成分相同。在本实施例的方案中，固态储放氢系统需要包括一个小型的气态储氢罐(图中未示出)用于暂存氢气。在固态储放氢容器放氢时，上述气态储氢罐也与输氢管140连通，获得氢气并储存备用。

壳体510内部的壳体110等整体安装在外壳内，之间填充隔热保温材料，这与图2中所示的壳体310近似。壳体510带有进气口521和出气口522，进气口521通过管道与风扇连接。此外，进气口521也与气态储氢罐连接。出气口522可以外接尾气处理装置与余热收集装置。

上述核心部件应用于固态储放氢系统时，与图2中类似。壳体520被固定安装在壳体310内部，两者之间填充隔热保温材料320，顶部、底部、侧方都填充，与图2中类似。隔热保温材料320优选气凝胶或高分子发泡材料，厚度为2～5厘米。当采用气凝胶时，隔热保温材料320可以很薄一层。

固态储放氢系统的工作流程可分成充氢和放氢两个阶段。充氢阶段与实施例1中的近似，不再赘述。

以下描述放氢阶段：当需要让固态储放氢容器对外放氢时，操作者在显示控制模块482上输入操作指令，电控模块481打开气体储氢罐(图中未示出)的阀门，氢气与空气混合后，从进气口521进入催化燃烧模块530内，电子点火部件(图中未示出)进行点火，氢气开始一级催化燃烧。因为燃烧通道531很短，且氢气在此是快速流动的，大部分氢气未被燃烧但已被加热，这些氢气被导流到流体通道120内继续进行二级催化燃烧，放出热量用于加热固态储氢材料。流体通道120长度与且管径都较大，氢气在此处流速降低，可以充分燃烧耗尽；带有余热的烟气从出气口522排出。进一步地，在壳体110的外壁也涂有催化剂，壳体110内外同时催化燃烧加热，效率更高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固态储放氢系统，其特征在于，包括：

第一壳体，所述第一壳体的内腔用于填充固态储氢材料；

第二壳体，所述第二壳体带有第二壳体进口和第二壳体出口；所述第一壳体固定在所述第二壳体的内腔，且所述第一壳体的外壁与所述第二壳体的内壁之间带有空隙以供热流体或冷流体经过；

输氢管，所述输氢管插入所述第一壳体的内腔，所述输氢管的管壁上不同位置开有若干个通气孔。

2.根据权利要求1所述的固态储放氢系统，其特征在于，所述第一壳体内设置有一个或多个流体通道以供热流体或冷流体经过，所述流体通道的入口和出口设置在所述第一壳体上并与所述第一壳体的外部连通。

3.根据权利要去1或2所述的固态储放氢系统，其特征在于，所述热流体包括热气流、热导热油、热水、高温蒸汽、熔盐中的一种或多种的组合，所述冷流体包括冷气流、冷导热油、冷水中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求2所述的固态储放氢系统，其特征在于，在所述流体通道内安装有加热模块。

5.根据权利要求4所述的固态储放氢系统，其特征在于，所述加热模块采用电加热棒，所述电加热棒与所述流体通道内壁的间隙为5～10毫米。

6.根据权利要求2所述的固态储放氢系统，其特征在于，在所述流体通道的内壁涂敷用于催化燃烧的催化剂。

7.根据权利要求6所述的固态储放氢系统，其特征在于，在所述第二壳体内设置有催化燃烧模块，所述催化燃烧模块靠近所述流体通道的入口。

8.根据权利要求7所述的固态储放氢系统，其特征在于，所述催化燃烧模块以氢气作为燃料。

9.根据权利要求2所述的固态储放氢系统，其特征在于，在所述第二壳体进口附近和所述第二壳体出口附近各安装有感温器件。

10.根据权利要去1所述的固态储放氢系统，其特征在于，还包括：

第三壳体，用于容纳所述第二壳体，所述第二壳体与所述第三壳体之间填充隔热材料；

输氢组件，所述输氢组件连接在所述第三壳体外并与所述输氢管连通；

控制模块，用于控制所述固态储放氢系统的工作。

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