CN116164229A - 箱体式集成固态储放氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种箱体式集成固态储放氢系统，主要包括箱体以及输气系统、电控系统、固态储氢容器，箱体用于承载和保护安装它们。固态储氢容器放氢完毕后能够快速替换。本发明采用常压固态储氢，安全、储氢量高，储氢率达到6％以上。整套箱体式集成固态储放氢系统体积小，便于携带；结构简单，替换方便；使用便捷，容易操作。

Description

箱体式集成固态储放氢系统

技术领域

本发明涉及一种固态储放氢系统，尤其涉及一种箱体式集成固态储放氢系统，属于固态储氢技术领域。

背景技术

氢气在工业、科研、医疗等领域有着广泛的使用场景。氢气通常储存在高压氢气瓶中，使用时氢气瓶位于装置附近，而人员也暴露在高压氢气瓶的不稳定危险范围内进行工作。氢气是极易燃易爆气体，高压氢气瓶属压力容器，储存和运输等必须严格防护，遵守安全规定，否则会发生危险事故。这些安全规定提高了氢气的使用门槛和使用成本。目前已采用了多种措施，可以在一定程度上减少危险的发生几率，但治标不治本。

公告号CN204989143U的实用新型专利“一种分析实验室载气系统装置”将载气瓶放在室外，这样势必使管路大为加长，进一步增加了气体从管路泄露的风险，位于室外的气瓶的管理维护是一个难题。

公告号CN208123894U的实用新型专利“一种气瓶柜”，在柜内增加了氢气浓度感应器和报警器，可以减少气体泄露以后发生进一步危险的可能性，但如何杜绝高压气体泄露也无能为力。

固态储氢作为一种新的储氢技术，近年来的表现愈发亮眼，具有体积储氢密度高、低压和储运安全等优点。氢原子以氢化物形式存在于固态储氢材料中，使用时分解产生氢气，这从根本上杜绝了存储和运输高压氢气的安全隐患。因此，固态储氢技术是一种很有前景的储氢技术。

因为有分解放氢过程，固态储氢系统结构相对复杂，目前在实验室等场合中的应用还不普及，本领域技术人员正努力改变上述现状。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：固态储放氢系统的集约化、小型化，以及用完后的快速替换。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种箱体式集成固态储放氢系统，包括：

箱体，用于承载和保护安装在其内部的零部件；

输气系统，安装在箱体内；

电控系统，安装在箱体内；

固态储氢容器，其被配置为：能够替换，且替换时与输气系统快接。

在一些实施例中，箱体由金属框架和面板组成。

在一些实施例中，箱体是立式形状。

在一些实施例中，箱体的至少一个侧面的面板可以拆卸。

在一些实施例中，固态储氢容器竖直安装在箱体内。

在一些实施例中，输气系统包括由管路组件连接的前缓冲罐、增压器、后缓冲罐，并被配置为：固态储放氢系统工作时，从固态储氢容器流出的氢气依次经过前缓冲罐、增压器、后缓冲罐。

在一些实施例中，电控系统的主体安装在电控箱内，电控箱竖直安装在箱体内的一侧。

在一些实施例中，电控系统的工作电压是220V交流电。

在一些实施例中，固态储氢容器的出氢口是公头，输气系统带有与出氢口配合的母头。

在一些实施例中，固态储氢容器自带电加热组件，电加热组件由电控系统供电，电加热组件包括能够与电控系统快接的电接插件。

本发明的有益效果：

(1)采用常压固态储氢，安全、储氢量高，储氢率达到6％以上；

(2)体积小，便于携带；结构简单，替换方便；使用便捷，容易操作。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例中的箱体式集成固态储放氢系统外观结构示意图。

图2为本发明一个较佳实施例中的箱体式集成固态储放氢系统的箱体拆解示意图。

图3为本发明一个较佳实施例中的箱体式集成固态储放氢系统的内部结构示意图。

图4为本发明一个较佳实施例中的箱体式集成固态储放氢系统的另一视角的内部结构示意图。

以上各图中的附图标记如下：

100 箱体

110 框架

120 面板

200 固态储氢容器

201 快接

310 前缓冲罐

320 增压器

321 压缩气体进气管

330 后缓冲罐

341 电磁阀

342 单向阀

343 压力变送器

344 单向阀

345 压力变送器

346 流量计

347 单向阀

348 阻火器

349 机械球阀

401 电控箱

402 显示屏

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，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。

本发明提供的箱体式集成固态储放氢系统，在它日常使用场景时不涉及充氢，为这个储放氢系统补充氢气的过程采用换罐思路，即：固态储氢容器中的氢气分解完后，直接更换下一个已充好氢的容器。被替换下的已完成释氢的容器，被运回氢气工厂重新充氢。每个固态储氢容器的循环次数≥500次。这个原理类似打印机，墨盒使用完直接更换，然后回收充墨。

以下结合附图，详细阐述本发明的构思。

本实施例中的箱体式集成固态储放氢系统的整体外观结构示意图如图1所示，其箱体100的拆解示意图如图2所示。箱体100的长、宽、高分别为520mm、220mm、560mm，这使得箱体100的底部占地面积很小，高度也不太高，甚至可以将其放在桌子上。箱体100由金属框架110和面板120组成，金属框架110是由金属型材切割连接形成，金属型材可以包括但不限于铝合金、不锈钢等。型材切割完成后，以焊接或者连接件(螺栓、螺钉、铆钉等)固定在一起，形成一个框架。然后在其各个表面附上面板，除了后面板之外的其他所有面板都以螺钉方式固定在金属框架上，便于内部设施的维护。

位于底部的面板必须采用较厚的金属，这样可以承载箱体内所有零部件的重量。整个固态储放氢系统的整体重量不超过24kg。位于顶部和侧部的面板材质不限，只要有适合的强度以及耐用性即可，材质可以包括但不限于铝合金板、玻纤板等。图1展示的箱体100底部是四个支脚；在其他的实施例中，也可以给底部配备可以锁定的万向轮，便于对箱体进行移动操作。箱体100的顶部面板开有一个方孔，在上安装一个显示屏402。箱体100前面板上下位置各开有一个孔，氢气出气管以及机械球阀349从上面的开孔伸出，压缩气体进气管321及其控制阀从下面的开孔伸出。箱体后面板打开后往内安装固态储氢容器，后面板以快拆方式连接在金属框架110，例如采用卡扣或磁吸方式，便于此处固态储氢容器的更换。

将顶部和侧部的面板、金属框架和内部的加强梁全部拆除后，得到如图3和图4所现，展示了箱体式集成固态储放氢系统内部零部件。它们主要包括三大部分：输气系统、电控系统、固态储氢容器。

输气系统包括前缓冲罐310、增压器320、后缓冲罐330，以及连接它们的管路、阀门、传感器等组成。

从固态储氢容器200中输出来的氢气，首先流经电磁阀341，再流经单向阀342，进入前缓冲罐310内。电磁阀341接收电控系统的控制，用于开启或关闭固态储氢容器200的氢气流。固态储氢容器200中分解产生的氢气并非高压气体，所以必须在前缓冲罐310前置一个单向阀342，它的作用是防止前缓冲罐310内的氢气流回到固态储氢容器200。前缓冲罐310作为氢气的暂存容器。氢气流入前缓冲罐310前释放速度不均匀，氢气的压力也不稳定，经过前缓冲罐310的过渡后，氢气的压力变稳定。

从前缓冲罐310流出的氢气首先流经压力变送器343，再流入增压器320进行增压。压力变送器343与电控系统通信，它用于监测氢气压力，并把压力数据传输给电控系统，电控系统据此控制增压器320的增压工作。在本实施例中，增压器320需连接压缩空气使用，压缩气体进气管321连接在空压机上。流过增压器320的氢气压力变大。除此以外，也可以采用其他增压设备和增压方式代替增压器320，本发明不作限定。

本发明的作用是代替现有的高压气瓶的供气方式。氢气的密度极小，为了在气瓶中尽可能储存更多氢气，瓶内气压很高(例如，高达35MPa)，必须配合减压阀输出氢气，这时的气压仍较高，氢气的气压大于1MPa。目前的用气设备大多以高压气瓶为气源，能适应这样的气压。固态储氢容器释放的氢气压力小(≤0.5MPa)，为了匹配上述这些用气设备，需对氢气进行增压，所以本发明的固态储放氢系统需要加装增压器320。

从增压器320流出的氢气先流过单向阀344，再流经压力变送器345，然后进入后缓冲罐330。单向阀344的作用是阻止增压后的氢气倒流回增压器320。压力变送器345与电控系统通信，它用于监测增压后的氢气压力，并把压力数据传输给电控系统。后缓冲罐330的作用与前缓冲罐310的作用类似，它作为增压氢气的暂存容器，使增压氢气气压变稳定。

从后缓冲罐330流出的增压氢气先流过流量计346，再依次流经单向阀347、阻火器348、机械球阀349，最后从氢气出气口输入。流量计346与电控系统通信，它用于监测氢气的流量。单向阀347阻止氢气回流。阻火器348是一个安全装置，用来阻止易燃气体火焰蔓延。如果氢气出气口着火，有了阻火器348的阻挡，火焰不会流入输气系统的其他位置造成安全事故。机械球阀349控制氢气的开闭，可以用电磁阀代替它。

电控系统主要功能是协调输气系统各功能单元的工作，接收外部的操作指令，输出各单元的控制指令。电控系统的工作电压是市电，例如220V交流电。集成固态储放氢系统工作时，电控系统通过插头插在室内的插座上。

电控系统的主要部件都集成在一个电控箱401内，电控箱401竖直安装在箱体100内的一侧，结构紧凑。电控系统还包括一个显示屏402，它被安装在箱体的顶部面板，并通过导线(图中未示出)连接至电控箱401，实现电连接和信号传输。显示屏402优选是触控显示屏，既能实时显示整个集成固态储放氢系统的工作，又能接受操作指令。

箱体100背面的面板可以拆卸，固态储氢容器200竖直安装在箱体内的这个位置。使用一块隔板将固态储氢容器200与其他零部件隔开，可以避免它们受到固态储氢容器200碰撞。

固态储氢容器200中存储了一定量镁基固态储氢材料，它可以与氢气反应生成氢化镁。固态储氢容器200可以储存约1立方米氢气(重量大约为90克)。固态储氢容器200的充氢在氢气工厂集中完成，在使用现场此容器仅用于放氢，这样使固态储氢容器200无需随附冷却系统，容器更加小型化。固态储氢容器200中的氢气释放完毕后，将这个容器整体从箱体100内取出，再换上满氢的固态储氢容器，继续使用。固态储氢容器200与输气系统采用快接201，因为固态储氢容器200初释氢气压力不高，这样的快接方式满足气密性要求。优选的，固态储氢容器200的出氢口是公头，公头向外凸；输气系统带有与出氢口配合的母头，母头向内凹。固态储氢容器200公头朝上，不易积灰且易于清洁。输气系统的母头往下套在公头上，方便快捷。固态储氢容器200自带电加热组件，电加热组件与电控系统通过电接插件快速实现导电，由电控系统向电加热组件供电。

以上详细描述了箱体式集成固态储放氢系统的构造，下面再简要描述其工作流程。

(1)充氢阶段

在氢气工厂中，将固态储氢容器连上冷却装置，连上氢气源，但先不开冷却。使用电加热把固态储氢容器中的镁基固态储氢材料加热到250～260℃，然后进行0.8～1MPa充氢。在此条件下，镁基固态储氢材料与氢气结合生成氢化镁，完成充氢。在充氢过程中会产生热量，此时让冷却装置工作为固态储氢容器散热，使充氢过程持续直至完成。

(2)运输阶段

将固态储氢容器从工厂运输至使用处。固态储氢容器内的金属氢化物在室温条件下很稳定，不会自然释放出氢气。这个储氢容器也并非压力容器，所以仅需普通的运输车辆和保管条件，而不需要危险品专用车辆。

(3)放氢阶段

固态储氢容器到达使用处后，将其安装在箱体内，出氢口快速连接至输气系统，电接插件快速连接至电控系统，压缩气体进气管连上空压机，最后将固态储放氢系统的外置插头插到插座上通电，就可以准备开机使用了。

打开电源开关，在触摸显示屏上操作，可以按照需要预设氢气的使用量。等待电加热组件把固态储氢容器中的氢化镁加热到290～300℃。在此条件下，氢化镁通过吸热分解为氢气和镁基固态储氢材料，完成常压下放氢。达到预设使用量后系统自动关机。关机后的整个固态储放氢系统都是很安全的，无需特别看护。

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)

1.一种箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，包括：

箱体，用于承载和保护安装在其内部的零部件；

输气系统，安装在所述箱体内；

电控系统，安装在所述箱体内；

固态储氢容器，其被配置为：能够替换，且替换时与所述输气系统快接。

2.根据权利要求1所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述箱体由金属框架和面板组成。

3.根据权利要求2所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述箱体是立式形状。

4.根据权利要求2所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述箱体的至少一个侧面的面板可以拆卸。

5.根据权利要求4所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述固态储氢容器竖直安装在所述箱体内。

6.根据权利要求1所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述输气系统包括由管路组件连接的前缓冲罐、增压器、后缓冲罐，并被配置为：所述固态储放氢系统工作时，从所述固态储氢容器流出的氢气依次经过所述前缓冲罐、所述增压器、所述后缓冲罐。

7.根据权利要求3所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述电控系统的主体安装在电控箱内，所述电控箱竖直安装在所述箱体内的一侧。

8.根据权利要求1所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述电控系统的工作电压是220V交流电。

9.根据权利要求7所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述固态储氢容器的出氢口是公头，所述输气系统带有与所述出氢口配合的母头。

10.根据权利要求1所述的箱体式集成固态储放氢系统，其特征在于，所述固态储氢容器自带电加热组件，所述电加热组件由所述电控系统供电，所述电加热组件包括能够与所述电控系统快接的电接插件。

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