CN115451337A - 一种基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储氢和储热系统技术领域，具体涉及一种基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法，该系统包括金属氢化物储罐、氢气输送管路、氢储罐和换热装置，在进行储热时，高温介质经由换热装置对金属氢化物储罐内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由氢气输送管路储存至氢储罐内完成储热，在进行储氢时，低温介质经由换热装置对金属氢化物储罐进行降温，氢储罐内的氢气经由氢气输送管路进入金属氢化物储罐内与金属材料反应完成储氢。运用该系统实现了对太阳能热以及工业废氢/废热的储存及使用，解决了能源供给与需求的时间/空间差的问题，提高了能源利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及储氢和储热系统技术领域，具体涉及一种基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法。
背景技术
近年来随着双碳目标的提出和新能源电力的发展，氢能和储能行业得到了快速发展。氢气由于密度低、易燃等特点，其储存与运输问题成为制约氢能发展的关键因素之一。同时，一些工业废热以及太阳能热资源也由于储存技术的限制而白白浪费。发展储氢和储热技术，可以有效解决能源供给与需求的时间/空间差问题，大幅度提高能源利用效率，降低对一次能源的消耗，减少区域碳排放强度。
因此，亟需一种基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法。
发明内容
本发明为解决现有技术中无法对太阳能热以及工业废氢/废热进行储存及使用的问题，提供了一种基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法。
本发明为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种基于金属氢化物的储氢和储热系统，该系统包括金属氢化物储罐、氢气输送管路、氢储罐和换热装置；
在进行储热时，高温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由所述氢气输送管路储存至氢储罐内完成储热；
在进行储氢时，低温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐进行降温，氢储罐内的氢气经由所述氢气输送管路进入所述金属氢化物储罐内与金属材料反应完成储氢。
优选地，所述金属氢化物储罐的外部设置有换热罐，用于将所述金属氢化物储罐放置在所述换热罐内。
优选地，所述换热罐的表面包覆有高密度保温材料，所述高密度保温材料的表面设置有外护板；优选地，所述高密度保温材料选自硅酸铝、岩棉、聚乙烯和玻璃棉中的至少一种；所述外护板的材质选自镀锌铁皮、铝合金板和彩钢板中的至少一种。
优选地，所述换热装置包括缠绕在所述金属氢化物储罐表面的螺旋换热管；优选地，所述螺旋换热管的输入口和输出口均设置在所述换热罐的外部。
优选地，所述氢气输送管路包括管道、流量计和流通阀；所述管道的一端与所述金属氢化物储罐连接，另一端延伸至所述换热罐的外部并与氢储罐连接，所述流量计和所述流通阀均设置在所述管道上。
优选地，所述金属氢化物储罐由高导热材料或复合材料制成；优选地，所述高导热材料选自铜、铝、金、银、镁及其合金中的至少一种；所述复合材料选自陶瓷-金属基复合材料、金刚石-金属基复合材料、石墨烯-金属基复合材料和炭纤维-金属基复合材料中的至少一种。
本发明为了实现上述目的，本发明第二方面提供了一种基于金属氢化物的储氢和储热方法，该方法使用所述基于金属氢化物的储氢和储热系统实施，该方法包括：
在进行储热时，将高温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由所述氢气输送管路储存至氢储罐内完成储热；
在进行储氢时，将低温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐进行降温，氢储罐内的氢气经由所述氢气输送管路进入所述金属氢化物储罐内与金属材料反应完成储氢。
优选地，在所述换热罐内填充导热溶液；优选地，所述导热溶液选自有机高分子溶液和离子液体中的至少一种。
优选地，所述金属储氢材料选自镁基金属氢化物、钠基金属氢化物、钛基金属氢化物、氢化钙和稀土系氢化物中的至少一种。
优选地，在所述金属氢化物储罐内设置导热剂；优选地，所述导热剂选自碳基材料、金属材料和高分子材料中的至少一种；优选地，所述高分子材料选自不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂和热塑性聚合物中的至少一种。
根据上述技术方案，基于该系统，通过所述换热装置、所述金属氢化物储罐、所述氢气输送管路和氢储罐的配合使用，实现了对太阳能热以及工业废氢/废热的储存及使用，解决了能源供给与需求的时间/空间差的问题，提高了能源利用效率，具有良好的应用前景。
通过设置所述金属氢化物储罐的外部设置有换热罐，用于将所述金属氢化物储罐放置在所述换热罐内，在所述换热罐内填充有导热溶液，以用于使所述换热罐内热负荷分布更加均匀，增强系统安全性的同时，提高反应速率。
通过所述换热装置包括缠绕在所述金属氢化物储罐表面的螺旋换热管，以用于提高换热效率，加快反应速度。
通过设置所述金属氢化物储罐由高导热材料或复合材料制成，以用于更好的进行换热，加快反应速度。
通过设置在所述金属氢化物储罐内设置导热剂，以用于提高反应速率，加快反应速度。
附图说明
图1是基于金属氢化物的储氢和储热系统的结构示意图；
图2是基于金属氢化物的储氢和储热方法的流程图。
附图标记说明
换热罐1；螺旋换热管2；金属氢化物储罐3；
氢气输送管路4；管道5；流量计6；流通阀7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含、可能存在或添加一个或更多其他特征、单元、组件和/或其组合。
此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。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在本申请中的具体含义。
本发明第一方面提供了一种基于金属氢化物的储氢和储热一体化系统，如图1所示，该基于金属氢化物的储氢和储热系统包括金属氢化物储罐3、氢气输送管路4、氢储罐和换热装置；
在进行储热时，高温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐3内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由所述氢气输送管路4储存至氢储罐内完成储热；
在进行储氢时，低温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐3进行降温，氢储罐内的氢气经由所述氢气输送管路4进入所述金属氢化物储罐3内与金属材料反应完成储氢。
根据上述技术方案，基于该系统，通过所述换热装置、所述金属氢化物储罐、所述氢气输送管路和氢储罐的配合使用，实现了对太阳能热以及工业废氢/废热的储存及使用，解决了能源供给与需求的时间/空间差的问题，提高了能源利用效率，具有良好的应用前景。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热系统中，所述金属氢化物储罐3的外部设置有换热罐1，用于将所述金属氢化物储罐3放置在所述换热罐1内，以用于提高换热效率，提高反应速度。在具体的实施方式中，所述金属氢化物储罐3由高导热材料或复合材料制成。优选地，所述高导热材料选自铜、铝、金、银、镁及其合金中的至少一种；所述复合材料选自陶瓷-金属基复合材料、金刚石-金属基复合材料、石墨烯-金属基复合材料和炭纤维-金属基复合材料中的至少一种，以用于提高换热效率。进一步地，所述换热罐1的表面包覆有高密度保温材料，所述高密度保温材料的表面设置有外护板。具体地，所述高密度保温材料选自硅酸铝、岩棉、聚乙烯和玻璃棉中的至少一种；所述外护板的材质选自镀锌铁皮、铝合金板和彩钢板中的至少一种，以用于提高换热效率的同时，防止操作人员烫伤。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热系统中，所述换热装置包括缠绕在所述金属氢化物储罐3表面的螺旋换热管2，以用于提高换热效率，加快反应速度。优选地，如图1所示，所述螺旋换热管2的输入口和输出口均设置在所述换热罐1的外部。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热系统中，所述氢气输送管路4包括管道5、流量计6和流通阀7。优选地，所述管道5的一端与所述金属氢化物储罐3连接，另一端延伸至所述换热罐1的外部并与氢储罐连接，所述流量计6和所述流通阀7均设置在所述管道5上。较佳地，所述管道5连通所述金属氢化物储罐3的一端延伸至所述金属氢化物储罐3的底部。所述流量计6和所述流通阀7均设置在所述管道5位于所述换热罐1外的一端。其中，所述流量计6用于判断储热/储氢过程是否完成。
本发明第二方面提供了一种基于金属氢化物的储氢和储热方法，如图2所示，该方法使用所述基于金属氢化物的储氢和储热系统实施，该方法包括以下步骤：
S1、在进行储热时，将高温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐3内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由所述氢气输送管路4储存至氢储罐内完成储热；
S2、在进行储氢时，将低温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物罐3进行降温，氢储罐内的氢气经由所述氢气输送管路4进入所述金属氢化物储罐3内与金属材料反应完成储氢。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热方法中，其工作机理为：
其中，M为金属材料，具体选自镁镍/铁/钴合金、钠镁合金、钛基合金、钙或者稀土系金属中的至少一种，可在一定条件下吸收氢气变为金属储氢材料，并释放热量。该反应在很大温度范围内有着可逆性好、热值高、不易腐蚀、易于控制等特点。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热方法中，所述金属储氢材料选自镁基金属氢化物、钠基金属氢化物、钛基金属氢化物、氢化钙和稀土系氢化物中的至少一种。在具体的实施方式中，所述金属氢化物罐3内的所述金属储氢材料可根据高温介质温度范围的不同，选取不同的所述储氢材料。具体地，当高温介质温度范围在150～200℃之间时，可选用钠基金属氢化物如NaMgH3、Na3AlH6、钛基金属氢化物如TiCoH4；当高温介质温度范围在200～400℃之间时，可选用镁基金属氢化物如Mg2NiH4、Mg2FeH6、Mg2CoH4。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热方法中，在所述换热罐1内填充导热溶液。优选地，所述导热溶液选自有机高分子溶液和离子液体中的至少一种。在具体的实施方式中，有机高分子溶液为烷基联苯类导热油，离子液体为咪唑类离子液体[C16MMIM]Br，以用于使所述换热罐1内的热负荷分布更加均匀，在增强系统安全性的同时，提高反应速率。
在本发明所述的基于金属氢化物的储氢和储热方法中，在所述金属氢化物储罐3内设置导热剂。优选地，所述导热剂选自碳基材料、金属材料和高分子材料中的至少一种。在具体的实施方式中，所述碳基材料选自碳化硅、石墨烯、碳纳米管和碳纤维管中的至少一种；所述金属材料选自铜、铝、锌、铁、钛及其合金中的至少一种；所述高分子材料选自不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂和热塑性聚合物中的至少一种，以用于提高换热效率，加快反应速度。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
如图1所示，所述金属氢化物储氢和储热设备包括金属氢化物储罐3、氢气输送管路4、氢储罐和换热装置；所述金属氢化物储罐3的外部设置有换热罐1，用于将所述金属氢化物储罐3放置在所述换热罐1内；所述换热装置包括缠绕在所述金属氢化物储罐3表面的螺旋换热管2，所述螺旋换热管2的输入口和输出口均设置在所述换热罐1的外部；所述氢气输送管路4包括管道5、流量计6和流通阀7；所述管道5的一端与所述金属氢化物储罐3连接，另一端延伸至所述换热罐1的外部并与氢储罐连接，所述流量计6和流通阀7均设置在所述管道5上。
在进行储热时，将高温介质经由螺旋换热管2对金属氢化物储罐3内的MgH2-Nb2O5进行加热以释放氢气，氢气经由管道5储存至氢储罐内，其中，当管道5上的流量计6的氢气流量为零时，完成储热过程；
在进行储氢时，将低温介质经由螺旋换热管2对金属氢化物储罐3进行降温并带走反应热量，氢储罐内的氢气经由管道5进入金属氢化物储罐3内与金属材料反应，其中，当管道5上的流量计6的氢气流量为零时，完成储氢过程。
设定上述储热储氢过程的用时为单位“1”。
实施例2
参照实施例1实施，与之不同的是，换热罐1内填充有导热溶液，具体为烷基联苯类导热油。
经测定，相比实施例1，整个储热储氢过程效率提升达20％。
实施例3
在实施例2的基础上实施，与之不同的是，在金属氢化物储罐3内设置导热剂，具体为碳化硅。
经测定，相比实施例1，整个储热储氢过程效率提升达25％。
基于上述实施例可知，本发明不仅实现了对太阳能热以及工业废氢/废热的储存及使用，解决了能源供给与需求的时间/空间差的问题，而且进一步提高了储热储氢的效率，具有良好的应用前景。
本发明提供的基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法，通过所述换热装置、所述金属氢化物储罐、所述氢气输送管路和氢储罐的配合使用，实现了对太阳能热以及工业废氢/废热的储存及使用，解决了能源供给与需求的时间/空间差的问题，提高了能源利用效率，具有良好的应用前景。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于金属氢化物的储氢和储热系统，其特征在于，该系统包括金属氢化物储罐(3)、氢气输送管路(4)、氢储罐和换热装置；
在进行储热时，高温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐(3)内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由所述氢气输送管路(4)储存至氢储罐内完成储热；
在进行储氢时，低温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐(3)进行降温，氢储罐内的氢气经由所述氢气输送管路(4)进入所述金属氢化物储罐(3)内与金属材料反应完成储氢。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属氢化物储罐(3)的外部设置有换热罐(1)，用于将所述金属氢化物储罐(3)放置在所述换热罐(1)内。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热罐(1)的表面包覆有高密度保温材料，所述高密度保温材料的表面设置有外护板；
优选地，所述高密度保温材料选自硅酸铝、岩棉、聚乙烯和玻璃棉中的至少一种；所述外护板的材质选自镀锌铁皮、铝合金板和彩钢板中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热装置包括缠绕在所述金属氢化物储罐(3)表面的螺旋换热管(2)；
优选地，所述螺旋换热管(2)的输入口和输出口均设置在所述换热罐(1)的外部。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述氢气输送管路(4)包括管道(5)、流量计(6)和流通阀(7)；
所述管道(5)的一端与所述金属氢化物储罐(3)连接，另一端延伸至所述换热罐(1)的外部并与氢储罐连接，所述流量计(6)和所述流通阀(7)均设置在所述管道(5)上。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属氢化物储罐(3)由高导热材料或复合材料制成；
优选地，所述高导热材料选自铜、铝、金、银、镁及其合金中的至少一种；所述复合材料选自陶瓷-金属基复合材料、金刚石-金属基复合材料、石墨烯-金属基复合材料和炭纤维-金属基复合材料中的至少一种。
7.一种基于金属氢化物的储氢和储热方法，其特征在于，该方法使用权利要求1-6中任意一项所述的系统实施，该方法包括：
在进行储热时，将高温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐(3)内的金属储氢材料进行加热以释放氢气，氢气经由所述氢气输送管路(4)储存至氢储罐内完成储热；
在进行储氢时，将低温介质经由所述换热装置对所述金属氢化物储罐(3)进行降温，氢储罐内的氢气经由所述氢气输送管路(4)进入所述金属氢化物储罐(3)内与金属材料反应完成储氢。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述换热罐(1)内填充导热溶液；
优选地，所述导热溶液选自有机高分子溶液和离子液体中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属储氢材料选自镁基金属氢化物、钠基金属氢化物、钛基金属氢化物、氢化钙和稀土系氢化物中的至少一种。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述金属氢化物储罐(3)内设置导热剂；
优选地，所述导热剂选自碳基材料、金属材料和高分子材料中的至少一种；
优选地，所述高分子材料选自不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂和热塑性聚合物中的至少一种。
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