CN114508694A - 一种用于加氢站的固态储供氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于储供氢装置技术领域，具体涉及一种用于加氢站的固态储供氢装置。其技术方案为：一种用于加氢站的固态储供氢装置，包括装置主体，装置主体上循环水腔体，装置主体上连通有充放氢管路，装置主体内部设置有导热架，导热架与装置主体的内壁接触，导热架上放置有合金容器，合金容器内装有合金材料。本发明提供了一种传质、传热良好的固态储氢装置，实现稳定储供氢。

Description

一种用于加氢站的固态储供氢装置

技术领域

本发明属于储供氢装置技术领域，具体涉及一种用于加氢站的固态储供氢装置。

背景技术

氢能源作为一种清洁高效的能源在交通领域得到广泛重视，氢燃料电池车辆的应用也迅速推广之中，因此氢气在加氢站中的存储和供应方式成为氢能源领域的关键技术之一。目前的主要储氢方式有:高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢以及有机液体储氢四种储氢技术。固态储氢是通过储氢金属(合金)在一定的温度和较低的压力条件下大量吸收氢气，与氢气反应生成金属氢化物的方式存储氢气，同时会放出热量。当需要释放氢气时，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。现有的固态储氢装置存在技术问题为固态储氢合金加热不均匀，同时固态储氢合金与氢气接触不够充分，这样会导致现有的固态储氢装置氢气存储量受限，且氢气释放过程中要消耗大量的热，能量有效利用率低。

专利申请号CN202120435010.3的实用新型专利公布了一种固态储氢装置。该储氢装置由：储氢罐体、支腿、装填口、装填盖、法兰端盖、氢气输送管、加热器、加热套、加热管、热电偶构成。该固态储氢装置的工作过程为：将该固态储氢装置的氢气输送管通过管路系统连接到外部气源上，启动加热器对储氢罐体内部材料进行加热，直至储氢罐体内的温度达到设置的吸氢温度，然后开启管路系统上阀门，外部气源的氢气通过氢气输送管进入储氢罐体内，并与储氢罐体内的镁合金材料反应，被镁合金材料吸收；氢气管路需要对外供氢时，再次开启加热器，将储氢罐体的温度加热至设置的放氢温度，此时储氢罐体内镁合金材料开始发生放氢反应，释放出氢气，氢气由氢气输送管进入管路系统中，再分配至用氢设备。

现有技术方案通过热电偶加热进行固态储氢合金的温度控制，控制过程存在超调或滞后，可能存在频繁启停热电偶，温度波动问题导致氢气释放速率不稳定，同时该装置无明确的降温机制，储氢合金在吸氢过程中会放热，该装置无较好的应对方式。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种传质、传热良好的固态储氢装置，实现稳定储供氢。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于加氢站的固态储供氢装置，包括装置主体，装置主体上循环水腔体，装置主体上连通有充放氢管路，装置主体内部设置有导热架，导热架与装置主体的内壁接触，导热架上放置有合金容器，合金容器内装有合金材料。

本发明的导热架直接与装置主体的内壁接触，从而导热架能将热量在装置主体与合金材料之间快速传递。在使用导热架传热的情况下，合金材料能快速达到充氢温度或放氢温度，从而实现快速充放氢。

并且，本发明通过导热架来传热，可使合金材料的温度更加稳定，从而保证充放氢的速率更加稳定。

本发明的导热架能将合金容器分散开，从而合金材料与氢气的接触面积增大，相应提高充氢或放氢的速率，起到可靠传质的作用。

作为本发明的优选方案，所述导热架包括导热架主体，导热架主体上连接有若干层导热层板，导热架主体和导热层板均与装置主体的内壁接触，导热层板上设置有若干通气孔，合金容器放置于导热层板上。导热架主体与导热层板之间形成若干分隔的空间，并在各空间内均放置合金容器，使得合金材料能充分分散开，提高氢气和合金材料的接触面积，利用快速充放氢。充氢或放氢的过程中，氢气穿过导热层板的通气孔，从而避免氢气路径被阻挡的情况，保证充放氢管路与合金材料之间具有氢气经过的通道。

作为本发明的优选方案，所述装置主体的内壁上设置有沟槽，导热架的边缘插入沟槽内。导热架的边缘插入沟槽，加强导热架与装置主体接触，从而导热架与装置主体之间能更加可靠的传热。

作为本发明的优选方案，所述装置主体上设置有分气阀，分气阀的一端与充放氢管路连通，分气阀上设置有若干分气口。充氢的过程中，充放氢管路中的氢气进入分气阀，并从分气阀上的若干分气口排入装置主体内部，使得氢气能经导热架上的各个通气孔进入合金容器，保证氢气被合金材料充分吸收。放氢过程中，各个合金容器中的氢气能经各分气口集中到分气阀内，再进入充放氢管路。充氢时，分气阀起到充分分散氢气的作用；放氢时，分气阀起到集中氢气的作用。

作为本发明的优选方案，所述装置主体上还安装有卡塞，分气阀安装于卡塞内，卡塞上设置有若干与分气阀的分气口连通的通孔。分气阀安装于卡塞内，保证分气阀的稳定性。卡塞上设置瞳孔，从而卡塞不会阻挡分气阀上的分气口。

作为本发明的优选方案，所述充放氢管路上包括连接管，连接管的一端连接装置主体连接，连接管上分别连接有充氢支路和放氢支路。充氢时，打开充氢之路上的阀门，关闭放氢之路上的阀门，将装置主体内部的温度控制在充氢温度，则氢气从充氢之路进入后，合金材料能充分吸收氢气。放氢时，打开放氢之路上的阀门，关闭充氢之路上的阀门，将装置主体内部的温度控制在放氢温度，则氢气能从合金材料中释放出来，并从放氢管路排出。充氢和放氢采用同一通道，可简化装置结构。

作为本发明的优选方案，所述放氢支路上连接有若干控制管路，控制管路上依次安装有二通电磁阀、减压阀、流量控制器和压力表。放氢时，通过压力表观察压力，通过流量控制器控制氢气排出速度，通过减压阀稳定压力，并通过二通电磁阀调节各控制管路的通断。

作为本发明的优选方案，所述装置主体包括外壳，外壳内设置有内胆，循环水腔体位于外壳与内胆之间，导热架设置于内胆内；所述装置主体还包括端盖，端盖与外壳固定连接，充放氢管路连接于端盖上。内胆与外壳之间形成循环水腔体，从而热水能将热量均匀地传递给内胆，内胆在将热量传递给导热架，实现热量快速且均匀地传递。端盖能将充放氢管路与内胆内部导通，保证氢气能在合金容器与充放氢管路之间流动。

作为本发明的优选方案，所述端盖与外壳之间、端盖与内胆之间均设置有密封垫圈。密封垫圈能将端盖与外壳之间的间隙和端盖与内胆之间的间隙进行密封，从而循环水腔体的上端被可靠密封。

作为本发明的优选方案，所述外壳上分别设置有进水口和出水口，进水口和出水口分别与循环水腔体连通，进水口和出水口分设于外壳的上、下两侧。将热水从进水口通入循环水腔体，热水从外壳的另一侧排出，从而热水能经过循环水腔体的更大区域，保证对内胆传热更加均匀。

本发明的有益效果为：

1.本发明的导热架直接与装置主体的内壁接触，从而导热架能将热量在装置主体与合金材料之间快速传递。在使用导热架传热的情况下，合金材料能快速达到充氢温度或放氢温度，从而实现快速充放氢。

2.本发明通过导热架来传热，可使合金材料的温度更加稳定，从而保证充放氢的速率更加稳定。

3.本发明的导热架能将合金容器分散开，从而合金材料与氢气的接触面积增大，相应提高充氢或放氢的速率，起到可靠传质的作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是导热架的结构示意图；

图3是端盖的仰视图；

图4是分气阀的结构示意图。

图中，1-装置主体；2-循环水腔体；3-充放氢管路；4-导热架；5-合金容器；6-分气阀；7-卡塞；11-外壳；12-内胆；13-端盖；31-连接管；32-充氢支路；33-放氢支路；34-控制管路；41-导热架主体；42-导热层板；61-分气口；111-进水口；112-出水口；131-密封垫圈；341-二通电磁阀；342-减压阀；343-流量控制器；344-压力表；421-通气孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例的用于加氢站的固态储供氢装置，包括装置主体1，装置主体1上循环水腔体2，装置主体1上连通有充放氢管路3，装置主体1内部设置有导热架4，导热架4与装置主体1的内壁接触，导热架4上放置有合金容器5，合金容器5内装有合金材料。

合金容器5上设有开口，或者设有若干通孔，以便于氢气通过。合金材料可为包含镁合金的合金粉。

其中，所述装置主体1包括外壳11，外壳11内设置有内胆12，循环水腔体2位于外壳11与内胆12之间，导热架4设置于内胆12内。如图3所示，所述装置主体1还包括端盖13，端盖13与外壳11固定连接，充放氢管路3连接于端盖13上。

对于现有的各类储氢合金来说，合金的工作温度决定着合金的放氢动力学性能，一般来说，温度越高合金放氢速率越快，放氢越彻底。对储氢装置的总体放氢动力学性能而言，装置内部的传热、传质性能是其决定因素。本发明的内胆12内设置导热架4进行内、外部热传递，该导热架4构利用高热导率的合金制做，可将内部空间和装置外壁集成从而进行热交换，使整个装置内、外热传递系统连为一体，同时该结构简单、效率可观。若需更高的传热性能，可配合添加金属泡沫一起使用。

所述外壳11上分别设置有进水口111和出水口112，进水口111和出水口112分别与循环水腔体2连通，进水口111和出水口112分设于外壳11的上、下两侧。外部循环水系统的热水从外壳11下段的进水口111进入并从外壳11上段的出水口112排出，从而热水在整个装置的内外壁之间进行循环流动，既保证了循环水和整个装置的最有效接触，又简单易于实现。

本发明的导热架4直接与装置主体1的内壁接触，从而导热架4能将热量在装置主体1与合金材料之间快速传递。内胆12与外壳11之间形成循环水腔体2，从而热水能将热量均匀地传递给内胆12，内胆12在将热量传递给导热架4，实现热量快速且均匀地传递。在使用导热架4传热的情况下，合金材料能快速达到充氢温度或放氢温度，从而实现快速充放氢。并且，本发明通过导热架4来传热，可使合金材料的温度更加稳定，从而保证充放氢的速率更加稳定。本发明的导热架4能将合金容器5分散开，从而合金材料与氢气的接触面积增大，相应提高充氢或放氢的速率，起到可靠传质的作用。

具体地，如图2所示，所述导热架4包括导热架主体41，导热架主体41的形状为十字形，导热架主体41上连接有若干层导热层板42，导热架主体41和导热层板42均与装置主体1的内壁接触，导热层板42上设置有若干通气孔421，合金容器5放置于导热层板42上。导热架主体41与导热层板42之间形成若干分隔的空间，并在各空间内均放置合金容器5，使得合金材料能充分分散开，提高氢气和合金材料的接触面积，利用快速充放氢。充氢或放氢的过程中，氢气穿过导热层板42的通气孔421，从而避免氢气路径被阻挡的情况，保证充放氢管路3与合金材料之间具有氢气经过的通道。

更进一步，所述装置主体1的内壁上设置有沟槽，导热架4的边缘插入沟槽内。导热架4的边缘插入沟槽，加强导热架4与装置主体1接触，从而导热架4与装置主体1之间能更加可靠的传热。

其中，十字形的导热架主体41通过两片高导热的金属片按十字形卡装，各层导热层板42连接于导热架主体41上。

如图4所示，为了在充氢时分散氢气并在放氢时集中氢气，所述装置主体1上设置有分气阀6，分气阀6的一端与充放氢管路3连通，分气阀6上设置有若干分气口61。充氢的过程中，充放氢管路3中的氢气进入分气阀6，并从分气阀6上的若干分气口61排入装置主体1内部，使得氢气能经导热架4上的各个通气孔421进入合金容器5，保证氢气被合金材料充分吸收。放氢过程中，各个合金容器5中的氢气能经各分气口61集中到分气阀6内，再进入充放氢管路3。充氢时，分气阀6起到充分分散氢气的作用；放氢时，分气阀6起到集中氢气的作用。

具体地，所述充放氢管路3上包括连接管31，连接管31的一端连接装置主体1连接，连接管31上分别连接有充氢支路32和放氢支路33。充氢时，打开充氢之路上的阀门，关闭放氢之路上的阀门，将装置主体1内部的温度控制在充氢温度，则氢气从充氢之路进入后，合金材料能充分吸收氢气。放氢时，打开放氢之路上的阀门，关闭充氢之路上的阀门，将装置主体1内部的温度控制在放氢温度，则氢气能从合金材料中释放出来，并从放氢管路排出。充氢和放氢采用同一通道，可简化装置结构。

其中，所述放氢支路33上连接有若干控制管路34，控制管路34上依次安装有二通电磁阀341、减压阀342、流量控制器343和压力表344。放氢时，通过压力表344观察压力，通过流量控制器343控制氢气排出速度，通过减压阀342稳定压力，并通过二通电磁阀341调节各控制管路34的通断。

为了保证密封可靠，所述端盖13与外壳11之间、端盖13与内胆12之间均设置有密封垫圈131。密封垫圈131能将端盖13与外壳11之间的间隙和端盖13与内胆12之间的间隙进行密封，从而循环水腔体2的上端被可靠密封。

工作原理：

利用金属导热性高的特点，装置充氢时，内部空间的热量通过十字形的导热架主体41和导热层板42传递至内胆12，经内胆12传导至外部循环水系统进行热量散发。放氢时，所需的热量通过外壳11和内胆12之间的外部循环水系统反馈给固态储氢装置，通过装置内胆12经过导热架4传递至装置内部，从而完成装置内部高效传热。在装置的进出气口位置设计安装分气阀6，从而加强各腔室和进出气口的连接通道，增加进出气口处的气流通路，提升气体通过效率。导热架4实现的分层功效可使氢气通过分气阀6、导热层板42上的通气孔421传递至罐体底部，从而有效增加合金粉和氢气的接触面积，解决了装置内部的传质问题。该装置内部设计的导热架4可同时解决装置内部传热、传质的问题。导热架4可将罐体内部空间和装置外部热交换系统结构连为一体，从而实现提高装置内部传热的功效。导热构架实现的分层结构同时可以在不同的空间放置不同的合金粉，从而结合合金不同的储氢特性相互配合使用，大大增加了装置使用的灵活性和多用性。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，包括装置主体(1)，装置主体(1)上循环水腔体(2)，装置主体(1)上连通有充放氢管路(3)，装置主体(1)内部设置有导热架(4)，导热架(4)与装置主体(1)的内壁接触，导热架(4)上放置有合金容器(5)，合金容器(5)内装有合金材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述导热架(4)包括导热架主体(41)，导热架主体(41)上连接有若干层导热层板(42)，导热架主体(41)和导热层板(42)均与装置主体(1)的内壁接触，导热层板(42)上设置有若干通气孔(421)，合金容器(5)放置于导热层板(42)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述装置主体(1)的内壁上设置有沟槽，导热架(4)的边缘插入沟槽内。

4.根据权利要求1所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述装置主体(1)上设置有分气阀(6)，分气阀(6)的一端与充放氢管路(3)连通，分气阀(6)上设置有若干分气口(61)。

5.根据权利要求4所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述装置主体(1)上还安装有卡塞(7)，分气阀(6)安装于卡塞(7)内，卡塞(7)上设置有若干与分气阀(6)的分气口(61)连通的通孔。

6.根据权利要求1所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述充放氢管路(3)上包括连接管(31)，连接管(31)的一端连接装置主体(1)连接，连接管(31)上分别连接有充氢支路(32)和放氢支路(33)。

7.根据权利要求6所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述放氢支路(33)上连接有若干控制管路(34)，控制管路(34)上依次安装有二通电磁阀(341)、减压阀(342)、流量控制器(343)和压力表(344)。

8.根据权利要求1所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述装置主体(1)包括外壳(11)，外壳(11)内设置有内胆(12)，循环水腔体(2)位于外壳(11)与内胆(12)之间，导热架(4)设置于内胆(12)内；所述装置主体(1)还包括端盖(13)，端盖(13)与外壳(11)固定连接，充放氢管路(3)连接于端盖(13)上。

9.根据权利要求8所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述端盖(13)与外壳(11)之间、端盖(13)与内胆(12)之间均设置有密封垫圈(131)。

10.根据权利要求8所述的一种用于加氢站的固态储供氢装置，其特征在于，所述外壳(11)上分别设置有进水口(111)和出水口(112)，进水口(111)和出水口(112)分别与循环水腔体(2)连通，进水口(111)和出水口(112)分设于外壳(11)的上、下两侧。

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