CN115111527A - 固态氢储存系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态氢储存系统。所述固态氢储存系统可以包括储存容器、容纳在储存容器中的多个微囊体、和线圈，每个微囊体是通过用铁磁材料涂覆固态氢储存材料的表面而形成的，所述线圈配置为向容纳在储存容器中的微囊体施加可变磁场。

Description

固态氢储存系统
技术领域
本发明涉及一种能够使用固态氢储存材料来储存氢的系统。
背景技术
通常，使用高压气体储存、低温液化储存和固态氢储存作为储氢方法。其中，固态氢储存是将氢物理储存在多孔固体材料中或通过固体材料与氢之间的原子结合来化学储存氢的技术。可以在近乎常压下储存氢，从而可以保证比高压气体储存技术更高的安全性。此外，可以在近乎常温下储存氢，从而与低温液化储存技术不同，不需要保持非常低的温度。
由于每单位体积的储存容量很大，因此通过氢与固体材料之间的原子结合来化学储存氢的技术具有高的空间利用率。目前正在积极研究的固态氢储存材料有氢储存合金(例如AB、AB2、AB5和BC)和复合金属氢化物(例如铝氢化物和氨基化合物)。
当氢通过吸留储存在固态氢储存材料中时，会产生反应热，即发生放热反应。当氢从固态氢储存材料中排出时，吸收环境热量，即发生吸热反应。
因此，当氢通过吸留储存在固态氢储存材料中时需要适当的冷却，而当氢从固态氢储存材料中排出时需要适当的加热。
为此，传统的固态氢储存系统包括加热装置和冷却装置。
包括在该发明的背景技术部分的信息仅仅用于加强对本发明的一般背景技术的理解，而不可以被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供一种固态氢储存系统，该固态氢储存系统配置为：通过吸留将氢储存在固态氢储存材料中，排出氢以用于氢燃料电池车辆或用于能量储存，并且在排出氢时同时加热储存有氢的氢储存材料，从而可以显著提高氢的排出效率。
根据本发明的一个方面，上述和其它目的可以通过提供一种固态氢储存系统来实现，该固态氢储存系统包括储存容器、容纳在该储存容器中的多个微囊体、和线圈，每个微囊体是通过用铁磁材料涂覆固态氢储存材料的表面而形成的，所述线圈配置为向容纳在储存容器中的微囊体施加可变磁场。
涂覆固态氢储存材料的表面的铁磁材料可以包括Ni或Co中的至少一种。
微囊体可以通过用导热材料涂覆固态氢储存材料的表面并用铁磁材料涂覆导热材料的表面而形成。
导热材料可以包括Cu、Al或Ag中的至少一种。
固态氢储存系统可以进一步包括冷却管，冷却剂在该冷却管中流动以冷却容纳在储存容器中的微囊体。
储存容器可以包括内筒和外筒，所述内筒配置为容纳微囊体，所述外筒设置为包裹内筒，其中在内筒和外筒之间具有间隙；并且线圈可以设置在内筒和外筒之间。
供冷却剂流动的冷却管可以设置在内筒和外筒之间以冷却容纳在内筒中的微囊体。
供冷却剂流动的冷却管可以设置为延伸穿过内筒的内部以冷却容纳在内筒中的微囊体。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于氢储存的微囊体，该微囊体包括固态氢储存材料和通过涂覆在固态氢储存材料的表面上形成的铁磁材料。
通过涂覆在固态氢储存材料的表面上形成的铁磁材料可以包括Ni或Co中的至少一种。
微囊体可以进一步包括设置在固态氢储存材料和铁磁材料之间的导热层，所述导热层由导热材料制成。
形成导热层的导热材料可以包括Cu、Al或Ag中的至少一种。
本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点将在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于解释本发明的某些原理的具体实施方式中变得显而易见或得以更详细地阐明。
附图说明
图1示例性地显示根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统的视图；
图2描述根据本发明的各种示例性实施方案的微囊体的结构的视图；
图3描述根据本发明的各种示例性实施方案的微囊体的变型的视图；以及
图4示出根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统的另一示例性实施方案的视图。
可以理解，附图并不必须按比例绘制，其示出了某种程度上简化表示的说明本发明基本原理的各个特征。在此所包括的本发明的特定的设计特征(包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状)将部分地由特定目的的应用和使用环境加以确定。
在这些图中，附图标记在贯穿附图的多幅图中指代本发明的相同或等同的部件。
具体实施方式
现在将详细提及本发明的各个实施方案，这些实施方案的实施例显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与本发明的示例性实施方案结合加以描述，但是应理解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。另一方面，本发明旨在不仅覆盖本发明的示例性实施方案，而且还覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替代形式、修改形式、等效形式及其它实施方案。
所提供的在本说明书或本公开内容中公开的本发明的示例性实施方案的具体结构或功能描述仅用于说明本发明的实施方案。本发明的实施方案可以以各种形式实现，并且不应被解释为限于在本说明书或本公开内容中公开的本发明的示例性实施方案。
由于本发明的示例性实施方案可以进行各种修改并且可以具有各种形式，因此特定实施方案将在附图中示出并且将在本说明书或本公开内容中详细描述。然而，根据本发明构思的示例性实施方案不限于这样的特定实施方案，并且应当理解，本发明包括落入本发明的思想和技术范围内的所有变化形式、等效形式和替代形式。
应理解，虽然本文中会使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但不应将相应的元件理解为受这些术语的限制，这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在本发明限定的范围内，第一元件可以称为第二元件，类似地，第二元件可以称为第一元件。
应理解，当组件被称为“连接至”或“联接至”另一组件时，它可以直接连接至或联接至另一组件，或者可以存在中间组件。相反，当组件被称为“直接连接至”或“直接联接至”另一组件时，不存在中间组件。描述组件之间关系的其它术语，例如“在······之间”和“直接在······之间”或“相邻于”和“直接相邻于”，可以以相同的方式解释。
所提供的在本说明书中使用的术语仅用于解释特定实施方案，并不旨在限制本发明。单数表示可以包括复数表示，除非它表示与上下文明显不同的含义。还将理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“具有”等指明存在所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件、组件或其组合，但不排除存在或添加一种或多种其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组件或其组合。
除非另有定义，否则本说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明的各种示例性实施方案所属领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。还将理解的是，诸如常用词典中定义的那些术语应解释为具有与其在相关技术和本发明的环境中的含义一致的含义，除非在本文明确如此定义，否则不应以理想化或过于正式的意义进行解释。
现在将详细提及本发明的示例性实施方案，其实施例在附图中示出。尽可能地在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。
参考图1、图2、图3和图4，根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统包括储存容器1、容纳在储存容器1中的多个微囊体7、和线圈9，每个微囊体是通过用铁磁材料5涂覆固态氢储存材料3的表面而形成的，所述线圈9配置为向容纳在储存容器1中的微囊体7施加可变磁场。
即，在根据本发明的各种示例性实施方案的氢储存系统中，在微囊体7(即每一者的表面都涂覆有铁磁材料5的固态氢储存材料3)容纳在储存容器1中的状态下，如上所述，氢通过吸留而储存在容纳于储存容器1的微囊体7中。当排出氢时，由于向线圈9供电而产生的磁场被施加至微囊体7，从而通过微囊体7的感应加热而容易且平稳地排出所吸留的氢。
当施加至微囊体7的磁场变化时，由于磁滞损耗，从每个微囊体7的铁磁材料涂层产生热量。
因此，为了产生磁滞损耗，必须周期性地改变施加至微囊体7的磁场。为此，可以使用向线圈9供应交流电的方法。
作为参考，图2示出了作为本发明的各种示例性实施方案的通过用铁磁材料5涂覆固态氢储存材料3的表面而形成的微囊体7的截面。微囊体7可以配置成具有各种不同结构中的任一种，例如粉末或丸粒。
此处，复合金属氢化物(包括氨基化合物(例如LiNH2或Mg(NH2)2)和铝氢化物(例如NaAlH4))或氢储存合金(例如AB5(LaNi5)、AB(TiFe)、AB2(TiMn2)或BCC)可以用作固态氢储存材料3。
图3示出了微囊体7的变型。图3的微囊体7是通过用导热材料涂覆固态氢储存材料3的表面并用铁磁材料5涂覆导热材料的表面而形成的。
即，在固态氢储存材料3和铁磁材料5之间进一步设置有由导热材料制成的导热层11。
导热材料可以包括Cu、Al或Ag中的至少一种。
即，作为导热材料，优选使用具有至少等同于Cu的高导热率的材料。
在微囊体7设置有由导热材料制成的导热层11的情况下，如上所述，从铁磁材料涂层产生的热量更顺利地传递到固态氢储存材料3，由此在固态氢储存材料3中吸留的氢可以更顺利地排出。
同时，除了由于周期性变化的磁力引起的磁滞损耗而产生热量之外，在微囊体7中还发生由于涡流(eddy current)而产生热量。
即，在铁磁材料涂层由铁磁材料5制成的情况下或在导热层11由导电金属制成的情况下，由于磁力的变化而产生涡流，从而材料由于其电阻而产生热量。
因此，当向根据本发明的各种示例性实施方案的微囊体7施加周期性变化的磁场时，除了由于磁滞损耗而产生热量之外，还发生由于涡流而产生热量，从而可以更有效地加热固态氢储存材料3。
作为参考，由于磁滞损耗产生的热量远大于由于涡流产生的热量，因此由磁场变化引起的感应加热是以磁滞损耗为主。
此外，在吸留氢时，导热层11也配置为由于其高导热性而有效地冷却微囊体7中的固态氢储存材料3。
由于容纳在储存容器中的微囊体7同时加热，因此不需要用于提高传热效率的常规传热结构，例如由单独的传热材料制成的翅片或网状件。此外，基于用于氢排出的能量输入而排出的氢的量增加，由此可以大大提高氢的排出效率。
由于施加至微囊体7的磁场仅引起加热反应，因此根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统优选进一步包括冷却管17，冷却剂在冷却管17中流动以冷却容纳储存容器1中的微囊体7。
即，在图1的示例性实施方案，储存容器1包括配置为容纳微囊体7的内筒13和设置为包裹内筒13的外筒15，线圈9在内筒13和外筒15之间以螺旋状设置成缠绕内筒13，内筒13和外筒15之间设置有供冷却剂流动的冷却管17以冷却容纳在内筒13中的微囊体7。
在根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统中，可以将各种装置例如泵(配置为将冷却剂泵送至冷却管17中)和阀连接至冷却管17，并且可以进一步设置有供电装置，所述供电装置配置为向线圈9供电。
图4示出了根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统的另一个示例性实施方案，其具有以下结构：供冷却剂流动的冷却管17设置为延伸穿过内筒13的内部以冷却容纳在内筒13中的微囊体7。
即，图4的系统在构造上与图1的系统相同，不同之处在于冷却管17的安装结构。
可替代地，该系统可以配置为兼具图1所示的冷却管17的安装结构和图4所示的冷却管17的安装结构，或者该系统可以配置成使得冷却剂围绕整个内筒13流动。
在根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统中，如上所述，通过向微囊体7施加磁场来进行非接触式加热，从而系统的形状和规模的设计自由度很高，有利于系统的容量增加和应用领域的多样化。
从上面的描述中可以明显看出，根据本发明的各种示例性实施方案，氢通过吸留而储存在微囊体(每个微囊体是通过用铁磁材料涂覆固态氢储存材料的表面而形成的)中，并且氢可被排出用于车辆等。当排出氢时，向微囊体施加磁场，同时通过感应加热对形成微囊体的固态氢储存材料进行加热，从而可以大大提高氢的排出效率。
此外，如上所述，由于固态氢储存材料涂覆有铁磁材料而以微囊体的形式使用，因此可以防止固态氢储存材料被与氢气一起引入的不纯气体污染，并且可以防止由于氢的反复吸留和排出而造成的微粒飞散。
此外，在根据本发明的各种示例性实施方案的固态氢储存系统中，通过向微囊体施加磁场来进行非接触式加热，从而系统的形状和规模的设计自由度很高，有利于系统的容量增加和应用领域的多样化。
为了方便解释和准确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前面”、“后面”、“背面”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“内部的”、“外部的”、“向前”和“向后”用于参考图中显示的这些特征的位置来描述示例性实施方案的特征。还将理解，术语“连接”或其派生词既指直接连接又指间接连接。
前面对本发明的特定示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。这些描述并非旨在是穷举的或将本发明限制为所公开的精确形式，显然根据上述教导可以进行很多修改和变化。选择并描述这些示例性实施方案以解释本发明的某些原理及它们的实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其各种不同的替代形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等效形式加以限定。

Claims (13)

1.一种固态氢储存系统，其包括：
储存容器；
容纳在所述储存容器中的多个微囊体，每个微囊体是通过用铁磁材料涂覆固态氢储存材料的表面而形成的；和
线圈，所述线圈配置为向容纳在所述储存容器中的微囊体施加可变磁场。
2.根据权利要求1所述的固态氢储存系统，其中，涂覆所述固态氢储存材料的表面的所述铁磁材料包括Ni或Co中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的固态氢储存系统，其中，所述微囊体是通过用导热材料涂覆所述固态氢储存材料的表面并用所述铁磁材料涂覆所述导热材料的表面而形成的。
4.根据权利要求3所述的固态氢储存系统，其中，所述导热材料包括Cu、Al或Ag中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的固态氢储存系统，其进一步包括冷却管，冷却剂在所述冷却管中流动以冷却容纳在所述储存容器中的微囊体。
6.根据权利要求1所述的固态氢储存系统，其中，
所述储存容器包括内筒和外筒，所述内筒配置为容纳所述微囊体，所述外筒设置为包裹内筒，其中在所述内筒和所述外筒之间具有间隙，并且
所述线圈在所述间隙中设置在所述内筒和所述外筒之间。
7.根据权利要求6所述的固态氢储存系统，其中，在所述内筒和所述外筒之间设置有供冷却剂流动的冷却管，以冷却容纳在所述内筒中的微囊体。
8.根据权利要求7所述的固态氢储存系统，
其中，所述冷却管呈螺旋状，并且
其中，所述线圈设置在螺旋状的螺距之间。
9.根据权利要求6所述的固态氢储存系统，其中，供冷却剂流动的冷却管设置为延伸穿过所述内筒的内部以冷却容纳在所述内筒中的微囊体。
10.一种用于氢储存的微囊体，所述微囊体包括：
固态氢储存材料；和
铁磁材料，其涂覆在所述固态氢储存材料的表面上。
11.根据权利要求10所述的用于氢储存的微囊体，其中，涂覆在所述固态氢储存材料的表面上的所述铁磁材料包括Ni或Co中的至少一种。
12.根据权利要求10所述的用于氢储存的微囊体，其进一步包括设置在所述固态氢储存材料和所述铁磁材料之间的导热层，所述导热层由导热材料制成。
13.根据权利要求12所述的用于氢储存的微囊体，其中，形成所述导热层的导热材料包括Cu、Al或Ag中的至少一种。
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