CN213982983U

CN213982983U - 一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置

Info

Publication number: CN213982983U
Application number: CN202023012947.4U
Authority: CN
Inventors: 常景彩; 董泽正; 马春元; 吴浩然; 李一帆; 孙悦
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2030-12-15

Abstract

本发明涉及一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，属于储氢合金装置技术领域。上述装置包括装置外壳和设置在所述装置外壳内部的热能回收室、储氢材料床体和气体室，所述热能回收室设置在所述储氢材料床体和装置外壳之间，与所述储氢材料床体紧密接触，便于热能的提供和回收；所述储氢材料床体内部填充储氢材料；所述储氢材料床体顶部连通所述气体室。本发明装置具有弱化应力分布不均、保障传热和气体流动等功能优势，而且还具有热能回收、轻质反应床的能源节约作用。

Description

一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置

技术领域

本实用新型涉及储氢合金装置技术领域，具体提供一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置。

背景技术

随着社会经济的不断发展，人类对化石燃料过度使用的弊端逐渐显露，不仅导致了传统能源储量下降，而且引发了温室效应等严重的环境问题。氢能由于其热值高、来源广、无污染，在车载、储能等方面具有广阔的应用前景，逐渐成为最具有活力的研究领域之一。

现今氢气储存方式大多采用物理储氢的方式，如高压气态储氢或低温液态储氢，但储氢密度低，对容器质量有较高的要求，且存在一定的安全隐患，而化学储氢中金属氢化物储氢技术，具有储氢压力低、吸放氢过程简单、理论储氢密度高等优点，成为储氢技术的研究热点。

但是目前金属氢化物储氢技术还存在以下关键性难点：

1.金属氢化物吸氢过程中会释放大量反应热，若不及时将热量移除，将会严重影响吸氢速率，此外随着吸放氢过程中晶格膨胀/收缩，储氢合金会进一步粉化，会降低导热系数和堵塞氢气通道，故需确保储氢合金反应床内高效传质传热。

2.金属氢化物释氢过程需依靠热源提供稳定的启动热，依靠储氢合金利用氢能的同时，需要消耗大量热能，有可能造成资源浪费，成为低效率的氢能储存利用，若能利用吸氢过程中的热能来弥补释氢所需热能，将大大提高储氢合金的使用效率，故需探索循环式热源管理模式。

3.由于储氢合金粉末循环压缩效应的存在，储氢合金反应床将在局部(尾端、角端)受到极大的应力，在若干次吸放氢过程过后会导致床体塑性变形甚至产生裂纹，发生爆炸事故，故需寻找合适的基体，限制或负载储氢合金粉末，尽量减少局部堆积或壁面接触。

基于此，为了改善上述三个问题，应对吸放氢过程需释放和消耗大量反应热进行热管理措施，并弱化合金粉末堆积造成的应力分布不均现象，保障氢气通道畅通。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，具有弱化应力分布不均、保障传热和气体流动等功能优势，而且还具有热能回收、轻质反应床的能源节约作用。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

本实用新型提供一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，包括装置外壳和设置在所述装置外壳内部的热能回收室、储氢材料床体和气体室，所述热能回收室设置在所述储氢材料床体和装置外壳之间，与所述储氢材料床体紧密接触，便于热能的提供和回收；所述储氢材料床体内部填充储氢材料；所述储氢材料床体顶部连通所述气体室。

进一步的，所述热能回收室内部装填相变材料，所述相变材料内部设置有加热装置，所述加热装置高度与所述相变材料的填装高度一致，用于均匀加热相变材料，快速启动释氢过程。

优选的，所述相变材料为NaOH、FeCl₃、NaNO₃中的一种或多种的混合物，所述相变材料粒径为60-120目。

进一步的，所述储氢材料为Mg-Ni基储氢合金和活性炭的混合物，所述Mg-Ni基储氢合金和活性炭填充质量比为6:1-3:1。

优选的，所述活性炭为稻壳制生物质活性炭，平均孔径为3.5-5.0nm，所述Mg-Ni基储氢合金目数为80-120目。

优选的，所述活性炭活化温度为600℃，比表面积＞3000m²/g，介孔率为75％，微孔率为15％，在8Mpa氢气氛围和常温环境下质量储氢密度为1.0～1.3wt％。

进一步的，所述装置外壳包括金属外壳和设置在所述金属外壳外表面的保温套，以及设置在所述金属外壳与热能回收室之间的隔热石棉。

进一步的，所述储氢材料床体顶部设置封头，所述封头底部设置有过滤片；所述储氢材料床体顶部通过双边外丝接头与所述气体室连通。

进一步的，所述气体室通过管道连通外界储氢装置，所述气体室与储氢装置之间依次设置有截止阀、解压阀和流量控制器；所述解压阀设置在所述装置外壳的内部，所述解压阀和流量控制器设置在所述装置外壳的外部。

进一步的，所述装置还连接电源，为加热装置供电。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置的储氢材料床体与相变材料区域紧密结合，可充分利用Mg-Ni基合金吸放氢产生的高反应热，降低储氢装置运行所需额外能耗，具有节约能源、强化传热的优点。

同时，本实用新型储氢材料床体装填方式为活性炭与储氢合金均匀混合装填，活性炭自身可少量储氢，与储氢合金形成双储氢载体模式，其多孔结构能够与储氢合金粉末行成聚合体，并弱化局部堆积，降低吸放氢反应对床体的损耗，其孔径作为氢气通道，保障气体通畅，无需加设床内导气管路，具有使用寿命长、储氢量大的优点。

本实用新型中气体室与储氢材料床体通过双边外丝接头连接，能够快速更换储氢材料床体，不对床体造成损伤，且床体较轻薄，具有节约成本、便于拆装的优点。

附图说明

图1为本实用新型可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置的结构示意图；

图2为可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置的横截面图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例进行详细描述。

本实用新型所用材料如无特殊说明，均可经过商业途径得到。

如图1-2所示，本实用新型提供一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，包括装置外壳1和设置在装置外壳1内部的热能回收室4、储氢材料床体5和气体室9，热能回收室4设置在储氢材料床体5和装置外壳1之间，与储氢材料床体5紧密接触，便于热能的提供和回收；储氢材料床体5内部填充储氢材料；储氢材料床体5顶部连通气体室9。

本实用新型气体室在储氢材料吸氢过程中，可连通储氢装置，提供氢气；在释氢过程中，释放的氢气可经气体室传至外界装置，为储氢材料床体吸放氢提供稳定流量；在吸释氢过程中，热能回收室与气体室紧密接触，方便在储氢材料吸放氢过程中进行热量的快速传导，并通过热能回收室将吸氢过程中产生的高反应热存储，释氢过程启动后，储存的热能可保证释氢过程的继续，降低了储氢装置运行所需的额外能耗。

进一步的，热能回收室4内部装填相变材料，相变材料内部设置有加热装置3，加热装置3高度与相变材料的填装高度一致，用于均匀加热相变材料，快速启动释氢过程。优选的，加热装置可以为镍铬加热丝，且相变材料内部设置热电偶，用于实时监测温度。加热丝启动温度＞350℃，用于补充热量流失。

为了达到最大接触面积，减少无用相变材料的效果，如图2所示，经过计算热容量后的相变材料均匀环绕在储氢材料床体5四周，吸收和传导反应热，镍铬加热丝均匀置于相变材料层间，高度与相变材料装填高度一致，用于快速启动。

优选的，相变材料为NaOH、FeCl₃、NaNO₃中的一种或多种的混合物，相变材料粒径为60-120目，相变材料均匀装填在热能回收室4中，与储氢材料床体5以最大面积接触。为了提高储氢材料床整体效率，储氢材料床体5材质为304冷拔不锈钢，厚度为2～4mm，储氢材料床体5的超薄外壳确保了较高的传热效率，镍铬加热丝用于弥补少量热流失，高温工作下不易变形，温度设定稍高于相变材料的相变温度(＞350℃)，需要释氢时短暂启动加热丝，保障相变材料释放反应热。相变材料装填热容量应大于储氢合金吸放氢反应热所需容量的5％～10％，融化温度和凝固温度应分别高于和低于储氢合金解吸温度。

进一步的，储氢材料为Mg-Ni基储氢合金和活性炭的混合物，Mg-Ni基储氢合金和活性炭填充质量比为6:1-3:1，优选的，填充比为4:1-5：1。优选的，活性炭为稻壳制生物质活性炭，平均孔径为3.5-5.0nm，Mg-Ni基储氢合金目数为80-120目。活性炭应与Mg-Ni基合金粉可采取高温真空烧结或使用少量粘结剂充分混合。

生物质活性炭能够有效将储氢合金包围在一定区域内，形成合金-活性炭结合体，一方面降低合金粉末的局部堆积，能够有效缓解应力不均，另一方面活性炭拥有丰富的比表面积，可在微孔隙间通过分子力吸附氢气，不需活化能，单纯高压氢气氛围下即可依托多余空间大量吸附氢气，由于活性炭的低密度、高表面积和高微孔体积，整体质量储氢含量达到5wt％左右，且活性炭孔径可作为氢气通道，能够有效保证气体流动畅通。

优选的，活性炭活化温度为600℃，比表面积＞3000m²/g，介孔率为75％，微孔率为15％，在8Mpa氢气氛围和常温环境下质量储氢密度为1.0～1.3wt％。

进一步的，装置外壳1包括金属外壳和设置在金属外壳外表面的保温套，以及设置在金属外壳与热能回收室之间的隔热石棉2，以减少装置整体热流失，金属外壳材质为304不锈钢。

进一步的，储氢材料床体5顶部设置封头7，封头7底部设置有过滤片6；储氢材料床体5顶部通过双边外丝接头8与气体室9连通。过滤片6安装在储氢材料床体5的入口处，孔径小于2μm，能够有效防止吸放氢过程中产生的合金粉末流出。

进一步的，气体室9通过管道连通外界储氢装置，气体室9与储氢装置之间依次设置有截止阀11、解压阀10和流量控制器12；解压阀10设置在装置外壳1的内部，解压阀10和流量控制器12设置在装置外壳的外部。

为了达到储氢装置稳定吸放氢的效果，气体室9连接若干储氢材料床体5，储氢过程中，通过解压阀10和截止阀11的开关控制安全进气，释氢过程中，通过解压阀10和流量控制器12的开关出氢压力、流量参数，可调节适应不同应用需求。

为了保障储氢装置整体气密性，截止阀11安置于流量控制器12与解压阀10之间，伸出装置外壳1之外，能够有效保障储氢装置的气密性。

为了保障储氢装置整体安全性，解压阀10安置于气体室9与截止阀11之间，位于装置外壳1之内，延伸至装置外壳1外部设置有解压阀控制开关，控制气体室9进气压力，能够有效防止储氢装置因进气压力过大而损坏。

为了简化装置整体拆装流程，储氢材料床体5与气体室9之间的连接均采用标准M5式螺纹接头，便于快速安装以及增加配套设施，能够有效提高本实用新型的使用效率及使用范围。

进一步的，装置还连接电源，为加热装置供电。

综上可知，本实用新型中储氢材料床体与相变材料紧密结合，可充分利用Mg-Ni系合金吸放氢产生的高反应热，降低储氢装置运行所需额外能耗，具有节约能源、强化传热的优点。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，其特征在于，包括装置外壳和设置在所述装置外壳内部的热能回收室、储氢材料床体和气体室，所述热能回收室设置在所述储氢材料床体和装置外壳之间，与所述储氢材料床体紧密接触，便于热能的提供和回收；所述储氢材料床体内部填充储氢材料；所述储氢材料床体顶部连通所述气体室。

2.根据权利要求1所述的可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，其特征在于，所述热能回收室内部装填相变材料，所述相变材料内部设置有加热装置，所述加热装置高度与所述相变材料的填装高度一致，用于均匀加热相变材料，快速启动释氢过程。

3.根据权利要求2所述的可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，其特征在于，所述装置外壳包括金属外壳和设置在所述金属外壳外表面的保温套，以及设置在所述金属外壳与热能回收室之间的隔热石棉。

4.根据权利要求1所述的可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，其特征在于，所述储氢材料床体顶部设置封头，所述封头底部设置有过滤片；所述储氢材料床体顶部通过双边外丝接头与所述气体室连通。

5.根据权利要求1所述的可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，其特征在于，所述气体室通过管道连通外界储氢装置，所述气体室与储氢装置之间依次设置有截止阀、解压阀和流量控制器；所述解压阀设置在所述装置外壳的内部，所述解压阀和流量控制器设置在所述装置外壳的外部。

6.根据权利要求1所述的可进行热能回收的轻质金属氢化物混填储氢装置，其特征在于，所述装置还连接电源，为加热装置供电。