CN220305082U - 储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，包括氢气供给装置、第一质量流量控制器、减压阀、第一气体流量计、储氢测试罐、第一可控恒温装置、第二质量流量控制器、第二气体流量计、储放氢装置、第二可控恒温装置和抽气阀，包含储氢材料恒流吸氢性能测试线、储氢材料恒压吸氢性能测试线、储氢材料恒流放氢性能测试线和储氢材料恒压放氢性能测试线。本实用新型能够针对目标储氢材料的实际应用环境，有效测试出氢化物反应床在恒定氢压和恒定流量两种不同情况下的吸放氢反应情况，为实际固态储氢系统的传热传质性能优化提供可靠参考。
Description
技术领域
本实用新型涉及储氢材料吸放氢性能测试领域，具体涉及一种储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置。
背景技术
氢气是新时代替换传统化石能源的最理想能源，故而氢能的发展必然是大势所趋。氢的储运主要有物理储氢和化学储氢两大类，其中物理储氢主要有高压气态储氢、低温液态储氢和高压液态储氢等方式，化学储氢则主要指金属氢化物储氢和有机液体储氢等等。相比于液态和气态储氢，固态金属氢化物储氢事实上会更加安全，维护成本低，在体积储氢密度上也表现出非常明显的优势。
固态储氢装置应用的最大问题在于吸放氢过程中需要大量换热，换热效率直接决定着系统的吸放氢速率，这就要求固态金属氢化物反应床体也需要具备不错的热传输性能。不同类型反应床体之间的热传输能力差异以及该差异对反应床整体吸放氢速率的影响都需要得到准确的测试与验证。
现有的储氢材料性能测试装置大多数用来测量储氢材料的吸放氢PCT曲线，动力学曲线和循环性能。公开号为CN102928315A的专利说明书公开了一种表征储氢材料吸放氢PCT曲线的测试装置，其技术方案中高压氢气瓶、高压氦气瓶经减压阀和减压阀接过滤器，接着分别通过阀门与质量流量控制计、压力传感器连接，然后并联接入真空泵，样品室经四通与并联管路上的气路连接，测试系统主体部分被放置在恒温箱内，样品室外套接加热套，光电隔离驱动模块与数据采集卡连接，数据采集卡连接计算机。该专利技术中的压力传感器和质量流量控制计是用于记录在吸放氢过程中样品室中压力变化和累积氢流量。
现有的储氢材料性能测试装置，为了热量快速扩散，填充材料的反应器容量很小，因此并不能真正表现出反应床内的温度场分布状况，不同条件下的吸放氢速率差异也不明显。其次，现有的包括但不限于加氢站在内的固态储氢装置，一般需要在接近恒压/恒流的工况下吸氢，在不断改变的氢背压条件下放氢。针对这种实际存在的应用环境，需要设计一种特殊的测试装置模拟不同类型反应床在类似条件下的吸放氢反应情况，为实际固态储氢系统的传热传质性能优化提供可靠参考。
实用新型内容
本实用新型提供了一种储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，能够针对目标储氢材料的实际应用环境，有效测试出氢化物反应床在恒定氢压和恒定流量两种不同情况下的吸放氢反应情况，为实际固态储氢系统的传热传质性能优化提供可靠参考。
一种储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，包括氢气供给装置、第一质量流量控制器、减压阀、第一气体流量计、储氢测试罐、第一可控恒温装置、第二质量流量控制器、第二气体流量计、储放氢装置、第二可控恒温装置和抽气阀；
储氢测试罐内装有第一储氢材料，受第一可控恒温装置控温；
储放氢装置内装有第二储氢材料，受第二可控恒温装置控温；储放氢装置与所述氢气供给装置连接；
所述氢气供给装置、第一质量流量控制器和储氢测试罐依次连接形成储氢材料恒流吸氢性能测试线；第一质量流量控制器可控制储氢材料恒流吸氢性能测试线中进入储氢测试罐的氢气流量恒定；
所述氢气供给装置、减压阀、第一气体流量计和储氢测试罐依次连接形成储氢材料恒压吸氢性能测试线；减压阀可控制储氢材料恒压吸氢性能测试线中进入储氢测试罐的氢气压力恒定；第一气体流量计可实时记录储氢材料恒压吸氢性能测试过程流经的氢气流量变化情况并统计流经的氢气总量；
储氢测试罐、第二质量流量控制器和储放氢装置依次连接形成储氢材料恒流放氢性能测试线；第二质量流量控制器可控制储氢材料恒流放氢性能测试线中进入储放氢装置的氢气流量恒定；
储氢测试罐、第二气体流量计和储放氢装置依次连接形成储氢材料恒压放氢性能测试线；第二气体流量计可实时记录储氢材料恒压放氢性能测试过程流经的氢气流量变化情况并统计流经的氢气总量；
所述储氢材料恒流吸氢性能测试线、所述储氢材料恒压吸氢性能测试线、所述储氢材料恒流放氢性能测试线、所述储氢材料恒压放氢性能测试线均与抽气阀连接，可通过抽气阀对各测试线进行抽真空。
储氢测试罐内的第一储氢材料为待测样品，包括但不限于稀土系合金、钛系合金、锆系合金、钒基固溶体和轻金属基合金，装填方式包括但不限于纯合金粉末填充，Al纤维掺杂填充，粉末压块填充等等。
储放氢装置内的第二储氢材料优选为吸氢平台斜率较低的储氢合金，包括但不限于稀土系、钛系等在内的储氢合金。
储放氢装置受第二可控恒温装置控温，可通过加热和冷却来实时调节内部氢压，进而实现储氢测试罐在不同氢背压条件下的恒压/恒流放氢。
在一优选例中，储放氢装置的容积以及其内第二储氢材料的饱和吸氢总量均大于甚至远远大于储氢测试罐，可更好地实现恒压放氢。
储放氢装置与所述氢气供给装置连接，可保证储放氢装置的氢气需求以及压力恒定。
在一实施例中，所述储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置还包括第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门；
所述氢气供给装置、第二阀门、第三阀门、第一质量流量控制器、第五阀门和储氢测试罐依次连接形成储氢材料恒流吸氢性能测试线；
所述氢气供给装置、第二阀门、第四阀门、减压阀、第一气体流量计、第五阀门和储氢测试罐依次连接形成储氢材料恒压吸氢性能测试线；
储氢测试罐、第七阀门、第二质量流量控制器和储放氢装置依次连接形成储氢材料恒流放氢性能测试线；
储氢测试罐、第六阀门、第二气体流量计和储放氢装置依次连接形成储氢材料恒压放氢性能测试线。
在一实施例中，储放氢装置通过第八阀门与第二阀门、第三阀门之间的管路以及第二阀门、第四阀门之间的管路连接，可尽可能将储氢测试罐释放的高纯氢气进一步回用于吸氢性能测试，节省氢气成本。
进一步的，储放氢装置与第八阀门之间可设有第四压力传感器。
在一实施例中，所述氢气供给装置和第二阀门之间设有第一压力传感器。
在一实施例中，第五阀门和储氢测试罐之间设有第二压力传感器。
第六阀门和第二气体流量计组成恒压放氢组件，第七阀门和第二质量流量控制器组成恒流放氢组件，在一实施例中，所述恒压放氢组件和所述恒流放氢组件并联后两端分别接入第一放氢主路和第二放氢主路，所述第一放氢主路连接储氢测试罐，所述第二放氢主路连接储放氢装置。所述第一放氢主路上可设有第三压力传感器。所述第二放氢主路上可设有第五压力传感器。
各个氢气入口和出口分别设置压力传感器，可检测各装置部件中的氢气压力，最大程度降低管路中存在的氢气压降给实验带来的影响。
在一实施例中，所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，所述第一放氢主路上设有抽气支路，抽气阀设置在所述抽气支路上。
所述储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置还可包括可获取储氢测试罐内不同位置处温度变化情况的温度探测记录仪。
在一实施例中，所述氢气供给装置包括依次连接的氢气源、第一阀门和氢气净化装置，氢气净化装置的放氢口与第一质量流量控制器、减压阀以及储放氢装置连接。氢气净化装置可实现实验用氢的进一步净化与提纯，防止测试过程中样品被污染。
进一步的，氢气净化装置内可装有第三储氢材料，具有可控吸放氢功能。在一实施例中，氢气净化装置可控吸放氢功能的实现可通过对其温度的调节达成。
本实用新型与现有技术相比，有益效果有：
本实用新型的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，能够针对目标储氢材料的实际应用环境，有效测试出氢化物反应床在恒定氢压和恒定流量两种不同情况下的吸放氢反应情况，为实际固态储氢系统的传热传质性能优化提供可靠参考。
附图说明
图1为实施例的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
参见图1，一种储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，包括氢气供给装置、第一质量流量控制器18、减压阀17、第一气体流量计20、储氢测试罐3、第一可控恒温装置4、第二质量流量控制器19、第二气体流量计21、储放氢装置6、第二可控恒温装置7、抽气阀16、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11、第五阀门12、第六阀门13、第七阀门14和温度探测记录仪5(TDR)。所述氢气供给装置包括依次连接的氢气源1(本实施例中氢气源1具体可以是氢气瓶)、第一阀门8和氢气净化装置2。氢气净化装置2内装有第三储氢材料，具有可控吸放氢功能。氢气净化装置2可控吸放氢功能的实现可通过对其温度的调节达成。氢气净化装置2可实现实验用氢的进一步净化与提纯，防止测试过程中样品被污染。温度探测记录仪5可获取储氢测试罐3内不同位置处温度变化情况。
储氢测试罐3内装有第一储氢材料，受第一可控恒温装置4控温。
储放氢装置6内装有第二储氢材料，受第二可控恒温装置7控温，可通过加热和冷却来实时调节内部氢压，进而实现储氢测试罐3在不同氢背压条件下的恒压/恒流放氢。
本实施例中，储放氢装置6的容积以及其内第二储氢材料的饱和吸氢总量均远大于储氢测试罐3，例如，储放氢装置6可以是储氢测试罐3的3倍以上容积，储放氢装置6内的第二储氢材料的饱和吸氢总量可以是储氢测试罐3的3倍以上，可更好地实现恒压放氢。
氢气净化装置2、第二阀门9、第三阀门10、第一质量流量控制器18、第五阀门12和储氢测试罐3依次连接形成储氢材料恒流吸氢性能测试线。第一质量流量控制器18可控制储氢材料恒流吸氢性能测试线中进入储氢测试罐3的氢气流量恒定。
氢气净化装置2、第二阀门9、第四阀门11、减压阀17、第一气体流量计20、第五阀门12和储氢测试罐3依次连接形成储氢材料恒压吸氢性能测试线。减压阀17可控制储氢材料恒压吸氢性能测试线中进入储氢测试罐3的氢气压力恒定。第一气体流量计20可实时记录储氢材料恒压吸氢性能测试过程流经的氢气流量变化情况并统计流经的氢气总量。
储氢测试罐3、第七阀门14、第二质量流量控制器19和储放氢装置6依次连接形成储氢材料恒流放氢性能测试线。第二质量流量控制器19可控制储氢材料恒流放氢性能测试线中进入储放氢装置6的氢气流量恒定。
储氢测试罐3、第六阀门13、第二气体流量计21和储放氢装置6依次连接形成储氢材料恒压放氢性能测试线。第二气体流量计21可实时记录储氢材料恒压放氢性能测试过程流经的氢气流量变化情况并统计流经的氢气总量。
储放氢装置6通过第八阀门15与第二阀门9、第三阀门10之间的管路以及第二阀门9、第四阀门11之间的管路连接，一方面可保证储放氢装置6的氢气需求以及压力恒定，另一方面可尽可能将储氢测试罐3释放的高纯氢气进一步回用于吸氢性能测试，节省氢气成本。
储放氢装置6与第八阀门15之间设有第四压力传感器25。
氢气净化装置2和第二阀门9之间设有第一压力传感器22。
第五阀门12和储氢测试罐3之间设有第二压力传感器23。
第六阀门13和第二气体流量计21组成恒压放氢组件，第七阀门14和第二质量流量控制器19组成恒流放氢组件，所述恒压放氢组件和所述恒流放氢组件并联后两端分别接入第一放氢主路和第二放氢主路，所述第一放氢主路连接储氢测试罐3，所述第二放氢主路连接储放氢装置6。所述第一放氢主路上设有第三压力传感器24。所述第二放氢主路上设有第五压力传感器26。所述第一放氢主路上设有抽气支路，抽气阀16设置在所述抽气支路上。所述储氢材料恒流吸氢性能测试线、所述储氢材料恒压吸氢性能测试线、所述储氢材料恒流放氢性能测试线、所述储氢材料恒压放氢性能测试线均与抽气阀16连接，可通过抽气阀16对各测试线进行抽真空。
各个氢气入口和出口分别设置压力传感器，可检测各装置部件中的氢气压力，最大程度降低管路中存在的氢气压降给实验带来的影响。
储氢测试罐3内的第一储氢材料为待测样品，包括但不限于稀土系合金、钛系合金、锆系合金、钒基固溶体和轻金属基合金，装填方式包括但不限于纯合金粉末填充，Al纤维掺杂填充，粉末压块填充等等。
储放氢装置6内的第二储氢材料优选为吸氢平台斜率较低的储氢合金，包括但不限于稀土系、钛系等在内的储氢合金。
使用上述储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置进行固态金属氢化物恒压/恒流吸放氢性能测试的方法，包括步骤：
(1)将待测固态储氢粉末或粉末压制成型的块状样品填充于储氢测试罐3内，打开抽气阀16抽真空一小时。
(2)关闭抽气阀16，同时打开第二阀门9、第四阀门11和第五阀门12，根据填充材料的吸放氢热力学特性调整氢气减压阀17的设定压力，利用氢气净化装置2给储氢测试罐3供氢。
(3)重复上述操作三到五次，保证样品充分活化，对于难活化样品可考虑增加吸放氢循环次数。
(4)恒压吸氢：将第一可控恒温装置4设定为目标待测温度，打开第二阀门9和第四阀门11，设定好氢气减压阀17的压力参数，待一切稳定后再打开第五阀门12，此时储氢测试罐3开始恒压吸氢。利用第一气体流量计20记录管路中氢气流量，以此计算出整个恒压吸氢过程中储氢测试罐3吸氢量随时间变化曲线，另根据温度探测记录仪5获取储氢测试罐3内不同位置处的温度演变曲线。
恒流吸氢：将第一可控恒温装置4设定为目标待测温度，打开第二阀门9和第三阀门10，设定好第一质量流量控制器18参数，待一切准备就绪后打开第五阀门12，此时储氢测试罐3开始恒流吸氢。利用第二压力传感器23和第三压力传感器24记录吸氢过程中罐内压力变化情况，第一质量流量控制器18也可实时记录氢气的流通情况，基于此可计算氢化床恒流吸氢条件下容量随时间变化曲线，另根据温度探测记录仪5获取储氢测试罐3内不同位置处的温度演变曲线。
(5)恒压放氢：设定第二可控恒温装置7的温度参数来调整储放氢装置6的压力至目标氢背压参数，待储氢测试罐3完成吸氢后，打开第六阀门13让储氢测试罐3在恒定氢背压条件下充分释放氢气。第二气体流量计21帮助获取放氢容量随时间变化情况，温度探测记录仪5继续测量金属氢化物反应床(即储氢测试罐3)不同位置的温度演变情况。
恒流放氢：设定第二可控恒温装置7的温度参数来调整储放氢装置6的压力至目标氢背压参数，待储氢测试罐3完成吸氢后，打开第七阀门14，设置第二质量流量控制器19参数让储氢测试罐3在固定氢背压和恒流条件下充分释放氢气。利用第二压力传感器23和第三压力传感器24记录放氢过程中储氢测试罐3内压力变化情况，第二质量流量控制器19也可实时记录氢气的流通情况，基于此可计算氢化床恒流放氢条件下放氢容量随时间变化曲线，另根据温度探测记录仪5获取储氢测试罐3内不同位置处的温度演变曲线。
此外应理解，在阅读了本实用新型的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，包括氢气供给装置、第一质量流量控制器(18)、减压阀(17)、第一气体流量计(20)、储氢测试罐(3)、第一可控恒温装置(4)、第二质量流量控制器(19)、第二气体流量计(21)、储放氢装置(6)、第二可控恒温装置(7)和抽气阀(16)；
储氢测试罐(3)内装有第一储氢材料，受第一可控恒温装置(4)控温；
储放氢装置(6)内装有第二储氢材料，受第二可控恒温装置(7)控温；储放氢装置(6)与所述氢气供给装置连接；
所述氢气供给装置、第一质量流量控制器(18)和储氢测试罐(3)依次连接形成储氢材料恒流吸氢性能测试线；第一质量流量控制器(18)可控制储氢材料恒流吸氢性能测试线中进入储氢测试罐(3)的氢气流量恒定；
所述氢气供给装置、减压阀(17)、第一气体流量计(20)和储氢测试罐(3)依次连接形成储氢材料恒压吸氢性能测试线；减压阀(17)可控制储氢材料恒压吸氢性能测试线中进入储氢测试罐(3)的氢气压力恒定；第一气体流量计(20)可实时记录储氢材料恒压吸氢性能测试过程流经的氢气流量变化情况并统计流经的氢气总量；
储氢测试罐(3)、第二质量流量控制器(19)和储放氢装置(6)依次连接形成储氢材料恒流放氢性能测试线；第二质量流量控制器(19)可控制储氢材料恒流放氢性能测试线中进入储放氢装置(6)的氢气流量恒定；
储氢测试罐(3)、第二气体流量计(21)和储放氢装置(6)依次连接形成储氢材料恒压放氢性能测试线；第二气体流量计(21)可实时记录储氢材料恒压放氢性能测试过程流经的氢气流量变化情况并统计流经的氢气总量；
所述储氢材料恒流吸氢性能测试线、所述储氢材料恒压吸氢性能测试线、所述储氢材料恒流放氢性能测试线、所述储氢材料恒压放氢性能测试线均与抽气阀(16)连接。
2.根据权利要求1所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，所述储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置还包括第二阀门(9)、第三阀门(10)、第四阀门(11)、第五阀门(12)、第六阀门(13)和第七阀门(14)；
所述氢气供给装置、第二阀门(9)、第三阀门(10)、第一质量流量控制器(18)、第五阀门(12)和储氢测试罐(3)依次连接形成储氢材料恒流吸氢性能测试线；
所述氢气供给装置、第二阀门(9)、第四阀门(11)、减压阀(17)、第一气体流量计(20)、第五阀门(12)和储氢测试罐(3)依次连接形成储氢材料恒压吸氢性能测试线；
储氢测试罐(3)、第七阀门(14)、第二质量流量控制器(19)和储放氢装置(6)依次连接形成储氢材料恒流放氢性能测试线；
储氢测试罐(3)、第六阀门(13)、第二气体流量计(21)和储放氢装置(6)依次连接形成储氢材料恒压放氢性能测试线。
3.根据权利要求2所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，储放氢装置(6)通过第八阀门(15)与第二阀门(9)、第三阀门(10)之间的管路以及第二阀门(9)、第四阀门(11)之间的管路连接。
4.根据权利要求3所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，储放氢装置(6)与第八阀门(15)之间设有第四压力传感器(25)。
5.根据权利要求2所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，所述氢气供给装置和第二阀门(9)之间设有第一压力传感器(22)。
6.根据权利要求2所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，第五阀门(12)和储氢测试罐(3)之间设有第二压力传感器(23)。
7.根据权利要求2所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，第六阀门(13)和第二气体流量计(21)组成恒压放氢组件，第七阀门(14)和第二质量流量控制器(19)组成恒流放氢组件，所述恒压放氢组件和所述恒流放氢组件并联后两端分别接入第一放氢主路和第二放氢主路，所述第一放氢主路连接储氢测试罐(3)，所述第二放氢主路连接储放氢装置(6)；
所述第一放氢主路上设有第三压力传感器(24)；
所述第二放氢主路上设有第五压力传感器(26)。
8.根据权利要求7所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，所述第一放氢主路上设有抽气支路，抽气阀(16)设置在所述抽气支路上。
9.根据权利要求1所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，所述储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置还包括可获取储氢测试罐(3)内不同位置处温度变化情况的温度探测记录仪(5)。
10.根据权利要求1所述的储氢材料恒压/恒流吸放氢性能测试装置，其特征在于，所述氢气供给装置包括依次连接的氢气源(1)、第一阀门(8)和氢气净化装置(2)；
氢气净化装置(2)内装有第三储氢材料，具有可控吸放氢功能；
氢气净化装置(2)的放氢口与第一质量流量控制器(18)、减压阀(17)以及储放氢装置(6)连接。
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