CN116906806A - 固态储氢设备 - Google Patents

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CN116906806A CN202311105821.7A CN202311105821A CN116906806A CN 116906806 A CN116906806 A CN 116906806A CN 202311105821 A CN202311105821 A CN 202311105821A CN 116906806 A CN116906806 A CN 116906806A
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Abstract

本发明公开了一种固态储氢设备。该固态储氢设备包括罐体、导热扇片和储氢材料；所述导热扇片和所述储氢材料均设置在所述罐体内；所述导热扇片包括本体部和扇片部；所述本体部竖向设置于所述罐体内，至少在所述本体部的一侧连接有所述扇片部，所述扇片部至少与所述罐体的内壁的一部分相贴合；所述导热扇片至少设置一片，其将所述罐体分隔成至少两个容纳空间；所述储氢材料填充在所述容纳空间内。本发明的固态储氢设备可以增大换热面积，能够改善储氢设备内部传热，提升固态储氢设备吸、放氢量和吸、放氢速率。

Description

固态储氢设备
技术领域
本发明涉及一种固态储氢设备。
背景技术
氢能作为终极绿色能源深受关注，同时也是实现“双碳”目标的有效途径。氢能的存储和运输是掣肘氢能发展的关键环节，固态储氢作为当下可以实用化的一种重要的储氢形式，具有高安全性、高体积储氢密度和高放氢纯度等独特优势。固态储氢是通过储氢合金与氢气发生可逆反应，形成金属氢化物，来实现氢气的存储。该反应在吸氢时会放出大量热量，放氢时需要吸收大量热量，如不能及时将吸氢放出的热量导出，或补充放氢所需的热量，反应都会受限，甚至停止。储氢合金在吸放氢过程中由于氢原子在晶格中的进出，会产生晶格膨胀和收缩，宏观上导致合金粉化，粉化后的储氢合金导热性能很差，一般不超过1W/(m·K)，是热的不良导体，进一步影响了储氢设备内部的热量传递。
CN116428515A公开了一种便于装卸料的固态储氢罐，包括储氢罐、螺旋换热管与导气过滤装置，储氢罐具有一罐口，罐口处设置有罐口凸环，储氢罐一侧设置有罐体凸台，罐体凸台设置有与储氢罐内部连通的换热管通孔，螺旋换热管呈螺旋结构绕设在储氢罐内，储氢罐内填充有储氢材料，螺旋换热管的管壁与储氢材料接触，螺旋换热管具有进液管口与出液管口，进液管口与出液管口贯穿设置在换热管通孔内，导气过滤装置可拆卸安装在储氢罐内，导气过滤装置包括过滤器端头、过滤器护罩与导气管，过滤器端头与罐口凸环可拆卸连接，过滤器护罩与导气管位于储氢罐内。该固态储氢罐是采用换热管导热模式来提高换热效果和储氢材料充放氢速率。
CN111720725A公开了一种固态储氢罐，包括罐体、储氢床体元件、导气管、过滤片和阀门。多个储氢床体元件在罐体内部叠放，每个储氢床体元件包括储氢材料层，导热层和柔性包裹层；储氢床体元件上设置有纵向的通孔，导气管放置于通孔内。导热层、柔性包裹层均为金属材质，起到增强储氢床体传热和稳定床体的作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种固态储氢设备，该固态储氢设备可以提高吸、放氢性能。
本发明通过如下技术方案实现上述技术目的。
本发明提供一种固态储氢设备，包括：罐体、导热扇片和储氢材料；
所述导热扇片和所述储氢材料均设置在所述罐体内；
所述导热扇片包括本体部和扇片部；所述本体部竖向设置于所述罐体内，至少在所述本体部的一侧连接有所述扇片部，所述扇片部至少与所述罐体的内壁的一部分相贴合；所述导热扇片至少设置一片，其将所述罐体分隔成至少两个容纳空间；所述储氢材料填充在所述容纳空间内。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，所述罐体设置为圆筒形结构；所述扇片部设置为弧形结构，其与所述罐体的内壁相贴合。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，所述本体部为第一本体部，所述扇片部为第一扇片部；所述第一本体部设置为片状结构，在所述第一本体部的两侧分别设置有朝向相反的所述第一扇片部，所述第一扇片部与所述第一本体部之间平滑过渡连接；
所述导热扇片为两个以上；两个以上的第一本体部之间交叉设置。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，所述本体部为第二本体部，所述扇片部为第二扇片部；所述第二本体部设置为片状结构，仅在所述第二本体部的一侧设置有所述第二扇片部，所述第二扇片部与所述第二本体部之间平滑过渡连接；
所述导热扇片为两个以上；两个以上的第二本体部之间交叉或相交设置。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，还包括导热材料；所述导热材料分布于所述储氢材料之间；所述导热材料选自铝、铜及其合金中的一种。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，还包括过滤装置，其设置在所述罐体的顶部，用于防止所述储氢材料和导热材料被所产生的氢气带出至所述罐体外。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，所述过滤装置包括滤芯、阀门、第一固定件和第二固定件；所述阀门通过第一固定件与所述罐体相连；所述阀门内部设置有空腔，所述滤芯通过所述第二固定件固定于所述空腔内。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，所述滤芯的材质选自多孔的金属烧结体、无机材料或耐热塑料中的一种，其孔隙尺寸不超过0.5μm。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，所述储氢材料选自稀土系储氢合金、钛系储氢合金、镁系储氢合金、钒基固溶体、配位氢化物中的一种或几种。
根据本发明的固态储氢设备，优选地，还包括水浴装置；所述罐体设置于所述水浴装置中；所述水浴装置用于在吸氢时对所述罐体进行散热或用于在放氢时对所述罐体进行加热。
本发明的固态储氢设备设置的导热扇片可以与罐体内壁保持紧密接触，增大了换热面积，加上导热材料的辅助，起到改善储氢设备内部传热，提升固态储氢设备吸、放氢量和吸、放氢速率。
附图说明
图1为本发明的固态储氢设备的主视示意图。
图2为本发明的实施例1的导热扇片的结构示意图。
图3为本发明的实施例2的导热扇片的结构示意图。
图4为本发明的实施例1与比较例1的放氢量对比图。
图5为本发明的实施例1与比较例1的放氢速率对比图。
附图标记说明：
1-罐体；
2-导热扇片，21-第一本体部，22-第一扇片部，23-第二本体部，24-第二扇片部；
3-储氢材料；
4-过滤装置，41-滤芯，42-阀门，43-第二固定件；
5-导热材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明的固态储氢设备可以包括罐体、导热扇片、储氢材料、过滤装置、导热材料和水浴装置。下面进行详细描述。
罐体
本发明的罐体为固态储氢设备的本体，内部形成了容纳空间，用于容纳各部件及提供反应的空间。
在本发明中，罐体可以为圆筒形结构，这样的结构更有利于储氢反应的进行。
导热扇片
在本发明中，导热扇片至少设置一片，将罐体分成至少两个容纳空间。当罐体设置为圆筒形结构时，导热扇片的端部设置为弧形结构，其与罐体的内壁相贴合。导热扇片可以设置为金属薄片，其厚度不超过0.5mm，优选为不超过0.3mm，更优选为不超过0.2mm。这样能提高固态储氢设备吸、放氢量和吸、放氢速率。
在本发明中，导热扇片包括本体部和扇片部；本体部可以设置为片状结构，至少在所述本体部的一侧连接有扇片部，扇片部设置可以设置为弧形结构，扇片部与本体部平滑过渡连接。扇片部至少与罐体的内壁的一部分相贴合，优选为与罐体的内部完全紧密贴合。这样能加快传热面积，从而提高固态储氢设备吸、放氢量和吸、放氢速率。
根据本发明的一些实施方式，本体部可以为第一本体部，扇片部可以为第一扇片部。第一本体部可以设置为片状结构，在第一本体部的高度方向的两侧分别设置有朝向相反的第一扇片部，第一扇片部设置为弧形结构，其与第一本体部形成了夹角，且第一扇片部与第一本体部平滑过渡连接。这样导热扇片形成了一个基本呈“Z”字形的结构。第一扇片部具有一定的柔韧性，这样可以保持与罐体内壁紧密接触。导热扇片可以仅设置一片，这样导热扇片和罐体形成了两个容纳空间。导热扇片还可以设置两片，两片之间可以采用交叉插入的方式相连。在每片导热扇片的第一本体部宽度方向的顶部沿中心线开二分之一的开口，再将两片导热扇片的开口相互交错，然后将交错的两片导热扇片置入罐体内，这样将罐体分成了四个容纳空间。导热扇片还可以设置三片，三片之间可以采用交叉插入的方式相连，在其中两片的导热扇片的第一本体部宽度方向的顶部沿中心线开三分之二的开口，在剩余一片的导热扇片的第一本体部宽度方向的顶部和底部沿中心线分别开三分之一的开口，再将三片导热扇片的开口相互交错，然后将交错的三片导热扇片置入罐体内，这样将罐体分成了六个容纳空间。导热扇片的数量可以根据罐体的大小进行设置，当导热扇片的数量较多时，可以直接将导热扇片之间焊接。这样的方式形成的容纳空间均为偶数个。
根据本发明的一些实施方式，本体部可以为第二本体部，扇片部可以为第二扇片部；第二本体部设置为片状结构，仅在第二本体部的高度方向的一侧设置有第二扇片部，第二扇片部设置为弧形结构，且与第二本体部平滑过渡连接。这样导热扇片形成了一个基本呈“L”形的结构。第二扇片部具有一定的柔韧性，这样可以保持与罐体内壁紧密接触。导热扇片至少设置两片，这样的设置方式形成的容纳空间可以为偶数个，也可以为奇数个，具有更好的适应性。
储氢材料和导热材料
储氢材料和导热材料均可以填充在导热扇片和罐体形成的容纳空间内。储氢材料和导热材料可以以一定的比例混合后填充在容纳空间内，这样可以防止其在反应的过程中发生移动。
在本发明中，储氢材料与导热材料均可以为粉末、颗粒、块状或压型及烧结、粘结成型形式，优选为块状或压型及烧结、粘结成型形式。
在本发明中，储氢材料和导热材料的重量比为10～100：1；优选为50～100：1；更优选为100：1。这样能更好的提高固态储氢设备吸、放氢量和吸、放氢速率。
在本发明中，导热材料可以设置为金属碎屑，例如丝状、刨花状等形式。根据本发明的一些实施方式，导热材料选自铝、铜及其合金中的一种；优选为铝或铜；更优选为铝；再优选为长丝铝屑。这样更有利于传热。
根据本发明的一些实施方式，储氢材料可以选自稀土系储氢合金、钛系储氢合金、镁系储氢合金、钒基固溶体、配位氢化物中的一种或几种；优选为稀土系储氢合金、钛系储氢合金、钒基固溶体、配位氢化物中的一种或几种；更优选为稀土系储氢合金。
过滤装置
过滤装置可以设置在罐体的顶部入口处，用于防止所述储氢材料和导热材料被所产生的氢气带出至所述罐体外，以提高固态储氢设备吸、放氢量和吸、放氢速率。
根据本发明的一些实施方式，过滤装置包括滤芯、阀门、第一固定件和第二固定件；阀门通过第一固定件与罐体相连；阀门内部设置有空腔，滤芯通过第二固定件固定于空腔内。第一固定件和第二固定件均可以为螺栓或螺钉。这样可拆卸的连接方式便于对滤芯进行清洗或更换。
根据本发明的一些实施方式，滤芯的材质选自多孔的金属烧结体、无机材料或耐热塑料中的一种；优选为金属烧结体；更优选为不锈钢烧结体。滤芯孔隙尺寸不超过0.5μm。
水浴装置
为了能更好的提高设备的传热效率，还可以设置水浴装置。罐体设置于水浴装置中。
当发生吸氢反应时会放热，可以将罐体置于水浴装置中，采用冷水浴对罐体进行散热。
当发生放氢反应时会吸热，可以将罐体置于水浴装置中，采用热水浴对罐体进行加热。
下面详细描述测试方法：
(1)准备两个相同的罐体，耐压等级为10MPa。其中一个按照本发明的方式填充，另一个罐体中放入相同的储氢合金粉，不做任何特殊处理。
(2)充氢阶段：采用40L/15MPa氢气钢瓶作为气源，通过减压阀控制输出压力，均在5MPa氢压下使两个罐体中的材料完全吸氢，以达到相同的起始状态。
(3)放氢阶段：充氢结束后待罐体温度稳定，在同样的温度条件下(50℃)开始测试放氢性能，放氢截止压力0.1MPa，通过氢气质量流量计记录两个罐体的放氢量(SL)和放氢速率(SLM)数据，根据测试数据绘制对比曲线。
实施例1
图1为本发明的固态储氢设备的结构示意图。图2为本发明的导热扇片的结构示意图。
如图1所示，本实施例的一种固态储氢设备，包括：罐体1、导热扇片2、储氢材料3、过滤装置4和导热材料5。罐体1设置为圆筒形结构，其内部设置有导热扇片2、储氢材料3和导热材料5，其顶部入口处设置有过滤装置4。这样形成的固态储氢设备能提高固态储氢设备吸氢、放氢量和吸氢、放氢的速率。
如图2所示。导热扇片2包括本体部和扇片部；本体部竖向设置于罐体1内，至少在本体部的一侧连接有扇片部，扇片部至少与罐体1的内壁的一部分相贴合；导热扇片至少设置一片，其将罐体1分隔成至少两个容纳空间。具体地，本体部设置为第一本体部21，扇片部设置为第一扇片部22。第一本体部21设置为片状结构，在第一本体部21的高度方向的两侧分别设置有朝向相反的两个第一扇片部22，第一扇片部22设置为弧形结构，并具有一定柔韧性，这样可以与罐体1的内壁紧密贴合，增大了换热面积。第一扇片部2与第一本体部21平滑过渡连接。如图2中的2b和2c所示，导热扇片2基本呈“Z”字形。本实施例中，导热扇片2设置三片，三片之间采用交叉插入的方式相连，在其中两片的导热扇片2的第一本体部21宽度方向的顶部沿中心线开三分之二的开口，在剩余一片的导热扇片2的第一本体部21宽度方向的顶部和底部沿中心线分别开三分之一的开口，再将三片导热扇片2的开口相互交错，然后将交错的三片导热扇片2置入罐体1内，这样将罐体1分成了六个容纳空间。导热扇片2的材质为铝片，厚度为0.2mm。
如图1所示。储氢材料3和导热材料5填充在导热扇片2和罐体1形成的容纳空间内。具体地，储氢材料3与导热材料5以重量比为100：1混合后填充在容纳空间内。储氢材料3为稀土系储氢合金，导热材料5为长丝铝屑。这样能够保证储氢材料3和导热材料5始终能与导热扇片2相接触，提高了传热的效率。
过滤装置4设置在罐体1的顶部开口处，用于防止储氢材料3和导热材料5进入罐体1的外部。过滤装置4包括滤芯41、阀门42、第一固定件和第二固定件43。阀门42通过第一固定件与罐体1相连；阀门42内部设置有空腔，滤芯41通过第二固定件43固定于空腔内。这样滤芯41可以可拆卸地清洗或者替换。第一固定件和第二固定件43均可以为螺栓或者螺钉。滤芯41为直径为7mm，厚度为3mm的不锈钢烧结体，孔隙尺寸不超过0.5μm。
实施例2
如图3所示。本实施例与实施例1的区别在于：导热扇片2的本体部为第二本体部23，扇片部为第二扇片部24；第二本体部23设置为片状结构，在第二本体部23的高度方向的一侧设置有第二扇片部24，第二扇片部24设置为弧形结构，且与第二本体部23平滑过渡连接。导热扇片2设置成类似于“L”型结构，同时导热扇片2与罐体1形成的容纳空间的数量为三个。这样导热扇片2与罐体1形成的容纳空间的数量可以为任意数量(实施例1的布置方式只能为偶数)。
实施例3
与实施例1的区别在于：还设置有水浴装置；罐体1设置于水浴装置中；水浴装置用于在吸氢时对罐体1进行散热或用于在放氢时对罐体1进行加热。
比较例1
与实施例1的区别在于，仅采用纯的储氢合金装填，其余同实施例1。
实施例1和比较例1的放氢量和放氢速率如图4和图5所示。
由图4和图5可知，实施例1的固态储氢设备的放氢量和放氢速率均高于比较例1。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种固态储氢设备，其特征在于，包括罐体、导热扇片和储氢材料；
所述导热扇片和所述储氢材料均设置在所述罐体内；
所述导热扇片包括本体部和扇片部；所述本体部竖向设置于所述罐体内，至少在所述本体部的一侧连接有所述扇片部，所述扇片部至少与所述罐体的内壁的一部分相贴合；所述导热扇片至少设置一片，其将所述罐体分隔成至少两个容纳空间；所述储氢材料填充在所述容纳空间内。
2.根据权利要求1所述的固态储氢设备，其特征在于，所述罐体设置为圆筒形结构；所述扇片部设置为弧形结构，其与所述罐体的内壁相贴合。
3.根据权利要求2所述的固态储氢设备，其特征在于，所述本体部为第一本体部，所述扇片部为第一扇片部；所述第一本体部设置为片状结构，在所述第一本体部的两侧分别设置有朝向相反的所述第一扇片部，所述第一扇片部与所述第一本体部之间平滑过渡连接；
所述导热扇片为两个以上；两个以上的第一本体部之间交叉设置。
4.根据权利要求2所述的固态储氢设备，其特征在于，所述本体部为第二本体部，所述扇片部为第二扇片部；所述第二本体部设置为片状结构，仅在所述第二本体部的一侧设置有所述第二扇片部，所述第二扇片部与所述第二本体部之间平滑过渡连接；
所述导热扇片为两个以上；两个以上的第二本体部之间交叉或相交设置。
5.根据权利要求1所述的固态储氢设备，其特征在于，还包括导热材料；所述导热材料分布于所述储氢材料之间；所述导热材料选自铝、铜及其合金中的一种。
6.根据权利要求5所述的固态储氢设备，其特征在于，还包括过滤装置，其设置在所述罐体的顶部，用于防止所述储氢材料和导热材料被所产生的氢气带出至所述罐体外。
7.根据权利要求6所述的固态储氢设备，其特征在于，所述过滤装置包括滤芯、阀门、第一固定件和第二固定件；所述阀门通过第一固定件与所述罐体相连；所述阀门内部设置有空腔，所述滤芯通过所述第二固定件固定于所述空腔内。
8.根据权利要求7所述的固态储氢设备，其特征在于，所述滤芯的材质选自多孔的金属烧结体、无机材料或耐热塑料中的一种，其孔隙尺寸不超过0.5μm。
9.根据权利要求1～8任一项所述的固态储氢设备，其特征在于，所述储氢材料选自稀土系储氢合金、钛系储氢合金、镁系储氢合金、钒基固溶体、配位氢化物中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的固态储氢设备，其特征在于，还包括水浴装置；所述罐体设置于所述水浴装置中；所述水浴装置用于在吸氢时对所述罐体进行散热或用于在放氢时对所述罐体进行加热。
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