CN114636091B - 一种环流型换热的固态储氢罐 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环流型换热的固态储氢罐，涉及储氢技术领域，包括：罐体，所述罐体具有进料口和氢气进出口；换热器，所述换热器设于所述罐体内，所述换热器具有液体出口和液体入口；导气管，所述导气管位于所述罐体内，所述导气管与所述氢气进出口连通，本发明公开一种环流型换热的固态储氢罐，散热管内外圈的螺旋管布置有效增大了散热面积，且其结构使罐内换热情况均匀，并通过导气管的结构和布置，使氢气与储氢合金材料接触均匀，有效保证吸氢反应放热均匀，提高了热管理效率，从而解决了现有储氢罐热管理效果不佳的问题。

Description

一种环流型换热的固态储氢罐

技术领域

本发明涉及储氢技术领域，特别涉及一种环流型换热的固态储氢罐。

背景技术

储氢合金反应容器是金属氢化物进行储氢的关键反应载体，是吸放氢过程中氢气的储存和输送的重要部件。目前，储氢合金反应容器主要由金属容器罐体、储氢合金材料、导气管、换热结构等几个部分组成，当前主要应用于氢燃料电池、储氢站、气体提纯和压缩设备等领域。由于储氢合金的热力学性能较差，同时随着容器内合金材料吸放氢反应的进行，也伴随着大量的热量放出与吸收。并且由于反复吸放氢的进行储氢合金也会随之体积膨胀和收缩，合金材料也会一定程度上出现粉化现象，其导热系数也会下降，导致储氢合金材料的利用率下降。其内部的热效应也会对容器内合金的吸放氢性能产生影响。因此，提高储氢合金容器内部的传热性能，变得尤为重要。

配备直管换热器的储罐——在储罐中配置直管换热器，通过传热流体将反应热带

出储罐或加热储罐，从而促进吸放氢反应的持续进行。储罐中的单根直管换热器结构简单，传热面积较小，添加翅片虽能增大换热面积，但其强化效果仍有限，因此传热性能较差，吸放氢反应速率较慢。而采用管束式换热器，其结构复杂，而且由于传热流体的直通性，换热器的两端都需要伸到储罐外，会导致储罐密封性变差，安全稳定性低。

配备微通道换热器的储罐——储罐内的微通道换热器由于其高比表面积特性，传

热性能好，且储罐内温度分布更均匀。但是微通道加工制作困难，成本较高。而且由于储氢材料吸放氢反应后会发生体积膨胀，会破坏微通道结构。因此配备微通道换热器的储罐实用性较低。

使用相变材料传热储热型储罐——将相变材料与储氢罐集成，不仅能够实现热量

的相互传递，而且可通过相变材料较大的潜热储存量实现反应热的回收利用，可提高储氢系统的能量利用效率。要使得吸氢反应完全进行，则需要足够量的相变材料以完全吸收反应热，会导致储罐体积和质量的倍增，大大降低了系统的质量或体积储氢量。而且由于实际过程的热损失和能量品味的变化，仅依靠相变材料传热储热也难以实现吸放氢反应的循环进行。目前大多数都采用相变材料围绕在储罐四周的方式进行传储热，考虑到储罐的耐压性，其壁厚较厚，导致传热热阻较大，降低了储罐的传热和反应速率较慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环流型换热的固态储氢罐，提高了储氢时的热管理效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种环流型换热的固态储氢罐，包括：罐体，所述罐体具有进料口和氢气进出口；换热器，所述换热器设于所述罐体内，所述换热器具有液体出口和液体入口；导气管，所述导气管位于所述罐体内，所述导气管与所述氢气进出口连通。

进一步地，所述罐体包括罐壁、端盖和法兰盖；所述端盖和所述法兰盖分别设于所述罐壁的两端，所述进料口设于所述端盖上。

进一步地，所述换热器包括第一螺旋管束、第二螺旋管束、换热输出管和换热输入管；所述第一螺旋管束的一端与所述换热输出管的一端连接，所述第二螺旋管束的一端与所述换热输入管的一端连接，所述第一螺旋管束的另一端与所述第二螺旋管束的另一端连接；所述法兰盖上设有两个通孔，所述换热输出管的另一端和所述换热输入管的另一端分别伸入至两个所述通孔内。

进一步地，所述第一螺旋管束在竖直方向上的投影的半径大于所述第二螺旋管束在竖直方向上的投影的半径；所述第二螺旋管束位于所述第一螺旋管束内。

进一步地，所述罐体还包括封盖，所述封盖与所述法兰盖连接，所述封盖与所述法兰盖之间设有密封间隙，所述密封间隙与所述罐体的内部连通，所述氢气进出口设于所述封盖上，且所述氢气进出口与所述密封间隙连通。

进一步地，所述导气管包括第一导气管和多个第二导气管；所述第一导气管和所述第二导气管均贯穿所述法兰盖并与所述密封间隙连通；所述第一导气管位于所述第一螺旋管束内，所述第二导气管设于所述第一螺旋管束和所述第二螺旋管束之间；多个所述第二导气管围绕所述第一螺旋管束环形排列，所述第一导气管的轴线和所述罐体的轴线位于同一条直线上。

进一步地，还包括密封阀帽，所述密封阀帽设于所述进料口上，通过所述密封阀帽能够密封所述进料口。

进一步地，所述导气管上设有开孔，所述开孔在所述导气管上均匀分布。

进一步地，所述导气管通过螺栓与所述法兰盖连接。

分析可知，本发明公开一种环流型换热的固态储氢罐，散热管内外圈的螺旋管布置有效增大了散热面积，且其结构使罐内换热情况均匀，并通过导气管的结构和布置，使氢气与储氢合金材料接触均匀，有效保证吸氢反应放热均匀，提高了热管理效率，从而解决了现有储氢罐热管理效果不佳的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1本发明一实施例的结构主视示意图。

图2本发明一实施例的结构剖视示意图。

附图标记说明：1、密封阀帽；2、端盖；3、罐壁；4、第一螺旋管束；5、第二螺旋管束；6、第一导气管；7、第二导气管；8、法兰盖；9、封盖；10、换热输出管；11、换热输入管；12、氢气进出口；13、螺栓；14、密封间隙。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1-图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种环流型换热的固态储氢罐，包括：罐体，罐体具有进料口和氢气进出口12；换热器，换热器设于罐体内，换热器具有液体出口和液体入口；导气管，导气管位于罐体内，导气管与氢气进出口12连通，储氢合金材料填充于第一螺旋管束4和第二螺旋管束5之间，氢合金材料储存氢气的过程中产生的热量通过换热器吸收，通过换热器的液体出口和液体入口流通冷凝液，从而带走热量。

优选地，罐体包括罐壁3、端盖2和法兰盖8；端盖2和法兰盖8分别设于罐壁3的两端，进料口设于端盖2上，端盖2和法兰盖8通过法兰连接的方式与罐壁3连接，通过法兰连接的方式便于罐体的组装与生产。

优选地，换热器包括第一螺旋管束4、第二螺旋管束5、换热输出管和换热输入管；第一螺旋管束4的一端与换热输出管的一端连接，第二螺旋管束5的一端与换热输入管的一端连接，第一螺旋管束4的另一端与第二螺旋管束5的另一端连接；法兰盖8上设有两个通孔，换热输出管的另一端和换热输入管的另一端分别伸入至两个通孔内，第一螺旋管束4和第二螺旋管束5以螺旋的方式设置能够在节省空间的情况下尽可能增加换热面积，从而提升换热器的换热效率，提升储氢罐的热稳定性。

优选地，第一螺旋管束4在竖直方向上的投影的半径大于第二螺旋管束5在竖直方向上的投影的半径；第二螺旋管束5位于第一螺旋管束4内，第一螺旋管束4贴近罐体的内壁，第二螺旋管束5贴近罐体的中心，第一螺旋管束4和第二螺旋管束5的尺寸不同，从而形成了内外环的螺旋结构，第一螺旋管束4和第二螺旋管束5相接通，第一螺旋管束4贴近罐体的罐壁，第二螺旋管束5设置于罐体的中心，换热介质从第一螺旋管束4输入，由第二螺旋管束5输出，一方面提高了换热面积，另一方面使罐体内部的换热效果更加均匀，提升了储氢罐的换热稳定性。

优选地，罐体还包括封盖9，封盖9与法兰盖8连接，封盖9与法兰盖8之间设有密封间隙，密封间隙与罐体的内部连通，氢气进出口12设于封盖9上，且氢气进出口12与密封间隙连通，法兰盖8与封盖9之间设置一定密封间隙，主要是便于通入反应气体前将罐体内气体抽出，保证反应气体纯度，以及调节罐体内气压。

优选地，导气管包括第一导气管6和多个第二导气管7；第一导气管6和第二导气管7均贯穿法兰盖8并与密封间隙连通；第一导气管6位于第一螺旋管束4内，第二导气管7设于第一螺旋管束4和第二螺旋管束5之间；多个第二导气管7围绕第一螺旋管束4环形排列，第一导气管6的轴线和罐体的轴线位于同一条直线上，通过设置第一导气管6的位置和第二导气管7的位置使氢气的进入更加均匀。

优选地，还包括密封阀帽1，密封阀帽1设于进料口上，通过密封阀帽1能够密封进料口，进料口用于向罐体内加入储氢合金材料，通过密封阀帽1能够强化罐体的密封性。

优选地，导气管上设有开孔，开孔在导气管上均匀分布，导气管为外壁开孔的不锈钢导管，这样有利于氢气在储氢合金材料(通常为粉末状)之间的流通，避免了因为储氢合金材料的堆积而引起的吸收氢气不均匀的现象。

优选地，导气管通过螺栓13与法兰盖8连接，导气管通过螺栓13连接的方式能够更加便捷安装于罐体内。

在进行应用时，储氢合金材料由密封阀帽1导入，存储于罐体中，储氢合金材料用于存储氢气，在这个过程中产生的热量将由以下方式实现管理：通过在第一螺旋管束4和第二螺旋管束5内流动的液体(如水或导热油等)进行热量交换，以此带走或带入热量；通过内外圈布置的第一螺旋管束4和第二螺旋管束5增大了换热面积提高了热管理效率，从而解决了粉状储氢合金材料在储氢罐内热管理效果不佳的问题。

在法兰盖8上通过螺栓13连接导气管，导气管设置与第一螺旋管束4和第二螺旋管束5之间，中部的第一导气管6既可作抽真空使用也可作通常的导气管使用，导气管采用外壁开孔的不锈钢导管，这样有利于氢气在储氢合金材料之间的流通，避免了因为储氢合金材料的堆积而引起的吸收氢气不均匀的现象。端盖2中部设有密封阀帽1，便于将储氢合金材料导入和导出罐体。法兰盖8与封盖9之间设置一定密封间隙，主要是便于通入反应气体前将罐内气体抽出，保证反应气体纯度，以及调节储氢罐内气压。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环流型换热的固态储氢罐，其特征在于，包括：

罐体，所述罐体具有进料口和氢气进出口；

换热器，所述换热器设于所述罐体内，所述换热器具有液体出口和液体入口；

导气管，所述导气管位于所述罐体内，所述导气管与所述氢气进出口连通；

所述罐体包括法兰盖，所述罐体还包括封盖，所述封盖与所述法兰盖连接，所述封盖与所述法兰盖之间设有密封间隙，所述密封间隙与所述罐体的内部连通，所述氢气进出口设于所述封盖上，且所述氢气进出口与所述密封间隙连通；

所述换热器包括第一螺旋管束、第二螺旋管束、换热输出管和换热输入管；

所述导气管包括第一导气管和多个第二导气管；

所述第一导气管和所述第二导气管均贯穿所述法兰盖并与所述密封间隙连通；

所述第一导气管位于所述第一螺旋管束内，所述第二导气管设于所述第一螺旋管束和所述第二螺旋管束之间；

所述第一螺旋管束的一端与所述换热输出管的一端连接，所述第二螺旋管束的一端与所述换热输入管的一端连接，所述第一螺旋管束的另一端与所述第二螺旋管束的另一端连接；

所述第一螺旋管束在竖直方向上的投影的半径大于所述第二螺旋管束在竖直方向上的投影的半径；

所述第二螺旋管束位于所述第一螺旋管束内；

多个所述第二导气管围绕所述第一螺旋管束环形排列，所述第一导气管的轴线和所述罐体的轴线位于同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的一种环流型换热的固态储氢罐，其特征在于，所述罐体包括罐壁、端盖；

所述端盖和所述法兰盖分别设于所述罐壁的两端，所述进料口设于所述端盖上。

3.根据权利要求2所述的一种环流型换热的固态储氢罐，其特征在于，

所述法兰盖上设有两个通孔，所述换热输出管的另一端和所述换热输入管的另一端分别伸入至两个所述通孔内。

4.根据权利要求1所述的一种环流型换热的固态储氢罐，其特征在于，还包括密封阀帽，所述密封阀帽设于所述进料口上，通过所述密封阀帽能够密封所述进料口。

5.根据权利要求1所述的一种环流型换热的固态储氢罐，其特征在于，所述导气管上设有开孔，所述开孔在所述导气管上均匀分布。

6.根据权利要求2所述的一种环流型换热的固态储氢罐，其特征在于，所述导气管通过螺栓与所述法兰盖连接。