CN220957921U - 一种夹套换热式储放氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及储氢容器技术领域，具体涉及一种夹套换热式储放氢装置，包括用于放置储氢合金颗粒的环形的储料腔、用于流动氢气的输氢通道和用于改变储氢合金颗粒温度的换热机构，储料腔与输氢通道之间设置有氢气能穿过而阻碍储氢合金颗粒通过的多个透气孔。与现有技术相比，采用环形的储料腔来放置储氢合金颗粒，结合换热机构改变储氢合金颗粒的温度，储氢通道中的氢气可经过透气孔与储料腔中的储氢合金颗粒接触而储存起来，或储料腔中释放的氢气经过透气孔从输氢通道排出。储氢合金颗粒分布均匀，与氢气接触面积大，加氢和放氢效率高。

Description

一种夹套换热式储放氢装置

技术领域

本实用新型涉及储氢容器技术领域，具体涉及一种夹套换热式储放氢装置。

背景技术

随着社会的发展，煤、石油、天然气等化石燃料已无法满足人类日益增长的需求，同时化石燃料的使用又造成了生态环境的恶化，如温室效应。另外，煤、石油、天然气等为不可再生资源，且在地球上的储量有限，人类不可能一直依赖于它们。因此许多国家都在研究和开发新的替代能源，如氢能、风能、太阳能、核能、生物质能、水能、海洋能等。氢的燃烧热值高，每千克氢燃烧后的能量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；氢燃烧的产物是水，对环境零污染；氢是宇宙中分布最广泛的物质，其构成了宇宙总质量的75％，在地球的储量极其丰富，可再生和重复利用，因此氢能被认为是人类理想的能源，得到了全世界的广泛关注。

燃料电池是氢能应用的重要方式，具有高效、环保、重量轻、噪音小等诸多优点，在交通运输、分布式发电以及备用电源等领域具有良好的应用前景。燃料电池采用氢气作为燃料，需要有稳定可靠的氢源。目前对氢能的研究主要分为制氢、储氢和氢应用三个方面。其中储氢一般分为气态储氢、液态储氢、固态储氢等。而高压气态储氢其主要缺点是贮氢密度小，所需钢瓶体积大，存在着很大的安全隐患；液态储氢虽具有较高的储氢密度，但是需要低温维持，氢气液化(21K)所消耗的能量相当于被液化氢气能量的三分之一，同样存在安全问题；固态储氢材料储存氢气则具有体积储氢密度较大以及安全高效等优点。因此，固态储氢成为目前氢能研究最为活跃的储氢技术。

如公开号为CN 103883874A的中国专利文献公开了一种带有外换热结构的储氢罐，属于氢能领域的储氢技术领域。储氢罐的结构为：裙座位于罐体的底部；储氢材料床体位于罐体内；导气管位于罐体内部中心位置，并从罐体的底部直通罐口；罐口内部安装有过滤片，罐口外部安装有氢气瓶阀；外壳位于所述的罐体的外部，外壳的两端分别设有导热液入口和导热液出口；在外壳与罐体之间的环形腔体内设有换热结构。换热结构为直流形、折流形、单螺旋形或多螺旋形；储氢材料床体为储氢材料与导热纤维的均匀混合体。提供的储氢罐结构简单、制作加工容易，成本低；与现有的储氢罐相比具有更佳的换热效果，放氢性能更优异。

与化学催化反应的“吸氢”、“脱氢”不同，固态储氢合金材料(如稀土类化合物(LaNi₅))在一定的温度和压力条件下，LaNi₅与气态H₂可逆反应生成氢化物LaNi₅H_x。将压力(P)，金属氢化物成分(C)和温度(T)之间的关系绘制成曲线，在一定的温度条件下，当H₂压力超过合金的吸氢反应压力时，合金就开始吸氢，随着氢气压力增加，合金吸氢量逐渐增加，直到合金的吸氢反应达到饱和时，即使再增加压力，合金也不能再吸氢；当H₂压力降低到放氢压力之下时，金属氢化物便开始逐渐放出氢气；在合金吸放氢过程中通常都存在一个平台区，在此区域，吸氢量会随着H₂压力增加而迅速增加；平台区的宽度与温度有关，温度越高其平台宽度越窄，甚至平台区消失；在同一温度下的吸氢曲线和放氢曲线并不重合，放氢压力低于吸氢压力，这种现象被称为滞后性。不同温度下，要达到同样的吸氢量，高温时需要更高的压力，放氢时亦如此，即高温下具有更高的平台压；LaNi₅吸氢反应存在明显的平台区，随着温度升高，吸放氢曲线压力也随之升高。

储氢材料吸放氢过程为多相体系：氢气-储氢合金(α相)-金属氢化物(β相)，在吸放氢相变时，存在氢气压力、相变温度两个自由度，即在吸氢过程，给定不同氢气压力时体系存在不同的相变温度。

以LaNi₅储氢合金为例，其反应温度T与对应的氢气压力P如下；吸氢过程描述为：使储氢合金(α相)与氢气接触，并不断增加氢压，此时发生α-β相变，放出热量，系统温度升高，随温度升高，需要给定更高的氢气压力以维持相变的继续进行，直至系统升温至60-80℃左右，此时需要的氢气压力为1.8--2.4MPa，如果氢气压力不再升高，则需要将放出的热量快速导出，使系统温度维持在60-80℃，反应(相变)才可继续进行；相反，如果热量导出不及时，在外界给气压力继续升高的情况下，系统温度会继续升高；放氢过程描述为：对氢化物相(β相)进行加热，在密闭系统内(氢气不流出)，容器内的压力随温度增加不断增高，如30-50℃，容器内压力为0.4-0.8MPa，升至60-80℃后，容器内压力为1-1.5MPa；如在80℃维持放氢，随氢气的释放，系统需要不断补充热量，如热量补充不及时，系统内温度下降则出气口压力下降，无法维持恒定的放氢压力；饱和吸氢后形成LaNi₅H₆氢化物相。

以上固态合金储氢材料，总而言之即通过改变温度和气压来实现物理可逆过程的加氢和放氢，具体可参考公开号为CN 215951102 U的中国专利文献所公开的一种储氢装置，包括长壳体和封头，所述长壳体底部设置有支座；所述长壳体两端分别密封焊接有第一管板和第二管板；所述第一管板和第二管板于长壳体外部一体制成有第一法兰盘；所述封头正对第一法兰盘一体制成有第二法兰盘；所述第一法兰盘和第二法兰盘通过螺栓和螺母密封固定；一所述封头和第二法兰盘之间一体制成有短壳体；所述第一管板和第二管板之间穿过有阵列式的换热管；储氢装置，利用过渡金属或合金(LaNi₅)、能有效克服高压气态和低温液态两种储氢方式的不足，且储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全等，适合体积要求较严格的场合。

现有的储氢装置，还可参考公开号为CN102649565A、CN202752008U、CN113955110A、CN114151719A的中国专利文献，基本是在罐内填装固态储氢合金，通过位于罐体外壁或者穿插进罐体内的换热管进行换热，也有在换热管内装固态储氢合金，但是氢气从换热管两端进出。

以上现有技术存在技术问题：固态储氢合金堆积，加氢时氢气从罐体的瓶口进入，难以渗透进罐底的储氢合金，而且氢气从瓶口到罐底的压力相差甚远，加上堆积的储氢合金与换热管的热传递效率差距较大，位于内部深层的储氢材料加氢脱氢效果差，而且不均匀。同理，放氢过程中，罐底的储氢合金释放的氢气需要经过漫长曲折的路径才能到达瓶口出来，中途还可能被储氢合金重新吸附。如此可知不管是加氢还是脱氢过程，堆积的储氢合金的利用率有待提高。

实用新型内容

针对现有技术存在上述技术问题，本实用新型提供一种夹套换热式储放氢装置。

为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

提供一种夹套换热式储放氢装置，包括用于放置储氢合金颗粒的环形的储料腔、用于流动氢气的输氢通道和用于改变储氢合金颗粒温度的换热机构，储料腔与输氢通道之间设置有氢气能穿过而阻碍储氢合金颗粒通过的多个透气孔。

具体的，包括夹套管，夹套管包括内管和外管，内管穿设在外管中，从而在内管的外壁与外管的内壁之间围成所述储料腔。

具体的，外管之外还套设有包围管，包围管的内壁与外管的外壁之间围成环形的外通道；多个所述透气孔布置在内管的管壁，内管作为所述输氢通道，而外通道用于流通导热介质作为所述换热机构；或多个所述透气孔布置在外管的管壁，外通道作为所述输氢通道，而内管用于流通导热介质作为所述换热机构。

具体的，多个所述透气孔布置在内管的管壁，内管作为所述输氢通道，换热机构包括贴合于外管的外壁的用于流通导热介质的换热管，换热管为直管或螺旋绕在外管之外。

具体的，包括筒体和管板，管板固定于筒体的端部从而共同围成壳程，筒体设置有壳程入口和壳程出口，多条夹套管布置在壳程中，内管的两端部固定于管板且连通至壳程外；多个所述透气孔分布在内管的管壁，内管作为所述输氢通道，而壳程用于流通导热介质作为换热机构；或多个所述透气孔分布在外管的管壁，壳程作为所述输氢通道，而内管用于流通导热介质作为换热机构。

具体的，夹套管为直管，内管的两端分别固定于不同的管板；或夹套管为U形管，内管的两端固定于同一块管板；或夹套管为连续弯曲的S形管道。

具体的，外管对应套在整条内管外；或外管仅对应套在内管的局部节段之外；或多节外管分隔套在内管之外。

具体的，管板外设置有管箱，多条夹套管的内管穿过管板后均连通管箱。

具体的，所述透气孔覆盖有过滤膜。

具体的，沿夹套管轴向所述储料腔的横截面积处处相等；或沿夹套管轴向所述储料腔的横截面积是变化的。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的一种夹套换热式储放氢装置，与现有技术相比，采用环形的储料腔来放置储氢合金颗粒，结合换热机构改变储氢合金颗粒的温度，储氢通道中的氢气可经过透气孔与储料腔中的储氢合金颗粒接触而储存起来，或储料腔中释放的氢气经过透气孔从输氢通道排出。储氢合金颗粒分布均匀，与氢气接触面积大，加氢和放氢效率高。

附图说明

图1为第一实施例中的一种夹套换热式储放氢装置的结构示意图。

图2为图1的局部放大视图。

图3为第二实施例中的一种夹套换热式储放氢装置的结构示意图。

图4为第三实施例中的一种夹套换热式储放氢装置的结构示意图。

附图标记：

密封壳体1、筒体11、管板12、壳程13、壳程入口14、壳程出口15、管箱16；

夹套管2、内管21、外管22、储料腔23、透气孔24；

包围管3、外通道31；

储氢合金颗粒4。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本实用新型进行详细说明。

本实施例的一种夹套换热式储放氢装置，如图1和图2所示，包括密封壳体1和多条夹套管2，每条夹套管2包括内管21和外管22，内管21穿设在外管22中，从而在内管21的外壁与外管22的内壁之间围成用于放置储氢合金颗粒4的环形的储料腔23。内管21的管壁密布有连通储料腔23的多个透气孔24，透气孔24的孔径满足于：氢气能穿过而阻碍储氢合金颗粒4通过，具体透气孔24的孔径可以为储氢合金颗粒4的0.1～0.9倍，或者在透气孔24覆盖有过滤膜，这样透气孔24能做大一点便于加工，过滤膜是透气的更能阻碍储氢合金颗粒4通过。具体的，密封容器包括筒体11和管板12，管板12固定于筒体11的端部从而共同围成壳程13，筒体11设置有壳程入口14和壳程出口15，多条夹套管2布置在壳程13中，内管21的两端部固定于管板12且连通至壳程13外，内管21作为用于流动氢气的输氢通道，内管21一端口作为输入端用于加氢过程输入预设压力的氢气，放氢时关闭；另一端口作为输出端用于放氢过程输出氢气，加氢时关闭。当然改为内管21一端口为盲端，加氢和放氢均通过同一端口亦可。壳程13用于流通预设温度的导热介质作为换热机构，经由外管22管壁热传递改变储氢合金颗粒4温度，通过流通不同温度的导热介质，使储料腔23中的储氢合金颗粒4达到所需的温度。

实际中密封壳体1可改为其它结构，例如一体式的箱体，或方形的箱体，只要是密封的能够流通换导热介质的容器即可。

作为本实用新型的另一实施例，与上述不同的是，可将图1改为多个所述透气孔24分布在外管22的管壁，壳程13作为所述输氢通道，而内管21用于流通导热介质作为换热机构。即在内管21流动所需温度的热水，经由内管21的管壁热传递改变储氢合金颗粒4的温度，让壳程13中的氢气被吸附进储料腔23的储氢合金颗粒4，或储料腔23的储氢合金颗粒4释放的氢气排到壳程13中。

以上实施例的夹套管2为直管，内管21的两端分别固定于不同的管板12；实际可改为夹套管2为U形管，内管21的两端固定于同一块管板12；或改为夹套管2为连续弯曲的S形管道。

如图1所示至图3所示，外管22对应套在整条内管21外，每条夹套管2形成较长的环形储料腔23；或外管22仅对应套在内管21的局部节段之外，增加了外管22端部的换热面积；或实际中还可以改为多节外管22分隔套在内管21之外；或这些结构的共存合集。实际中可在内管21的两端设置阀门，自动化控制开闭。

如图3所示，管板12外设置有管箱16，多条夹套管2的内管21穿过管板12后均连通管箱16，管箱16连接有接管，可经由管箱16同时向多条夹套管2内加入氢气，以及同时排出氢气；实际可改为在多条夹套管2的内管21穿过管板12后连通独立的加氢系统。

本实施例中，沿夹套管2轴向所述储料腔23的横截面积处处相等，即内外管22的匀径的金属管。实际可改为沿夹套管2轴向所述储料腔23的横截面积是变化的，如较靠近壳程13出入口位置导热介质流动速度快，换热程度高，对应储料腔23的横截面可相对大一点，而壳程13内换热程度低的位置，则储料腔23的横截面可相对小一点。

本实用新型的又一实施例如图4所示，内管21和外管22是直径比较大的筒节，在外管22之外还套设有包围管3，包围管3的内壁与外管22的外壁之间围成环形的外通道31；多个所述透气孔24布置在内管21的管壁，内管21作为所述输氢通道，而外通道31用于流通导热介质作为所述换热机构；或多个所述透气孔24布置在外管22的管壁，外通道31作为所述输氢通道，而内管21用于流通导热介质作为所述换热机构。

作为图4另一实施例的变形，多个所述透气孔24布置在内管21的管壁，内管21作为所述输氢通道，换热机构包括贴合于外管22的外壁的用于流通导热介质的换热管(图中未示出)，换热管为多条直管，或为螺旋管，螺旋绕在外管22之外。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种夹套换热式储放氢装置，其特征在于，包括用于放置储氢合金颗粒的环形的储料腔、用于流动氢气的输氢通道和用于改变储氢合金颗粒温度的换热机构，储料腔与输氢通道之间设置有氢气能穿过而阻碍储氢合金颗粒通过的多个透气孔；包括夹套管，夹套管包括内管和外管，内管穿设在外管中，从而在内管的外壁与外管的内壁之间围成所述储料腔。

2.根据权利要求1所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：外管之外还套设有包围管，包围管的内壁与外管的外壁之间围成环形的外通道；多个所述透气孔布置在内管的管壁，内管作为所述输氢通道，而外通道用于流通导热介质作为所述换热机构；或多个所述透气孔布置在外管的管壁，外通道作为所述输氢通道，而内管用于流通导热介质作为所述换热机构。

3.根据权利要求1所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：多个所述透气孔布置在内管的管壁，内管作为所述输氢通道，换热机构包括贴合于外管的外壁的用于流通导热介质的换热管，换热管为直管或螺旋绕在外管之外。

4.根据权利要求1所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：包括筒体和管板，管板固定于筒体的端部从而共同围成壳程，筒体设置有壳程入口和壳程出口，多条夹套管布置在壳程中，内管的两端部固定于管板且连通至壳程外；多个所述透气孔分布在内管的管壁，内管作为所述输氢通道，而壳程用于流通导热介质作为换热机构；或多个所述透气孔分布在外管的管壁，壳程作为所述输氢通道，而内管用于流通导热介质作为换热机构。

5.根据权利要求4所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：夹套管为直管，内管的两端分别固定于不同的管板；或夹套管为U形管，内管的两端固定于同一块管板；或夹套管为连续弯曲的S形管道。

6.根据权利要求4所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：外管对应套在整条内管外；或外管仅对应套在内管的局部节段之外；或多节外管分隔套在内管之外。

7.根据权利要求4所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：管板外设置有管箱，多条夹套管的内管穿过管板后均连通管箱。

8.根据权利要求1所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：所述透气孔覆盖有过滤膜。

9.根据权利要求1所述的一种夹套换热式储放氢装置，其特征是：沿夹套管轴向所述储料腔的横截面积处处相等；或沿夹套管轴向所述储料腔的横截面积是变化的。