固态储氢容器、台架与循环储放氢系统的制作方法

1.本发明涉及固态储氢技术领域，尤其涉及一种中型固态储氢容器、承载其的台架，以及循环储放氢系统与方法。


背景技术：

2.在“双碳”目标的美好愿景下，应稳妥推进能源结构优化和能源转型，积极发展非化石能源。氢能作为一种非化石能源，其与氧气的燃烧产物仅为水，完全清洁绿色。
3.目前氢气储存、运输、分配以及加注等环节尚存在诸多技术难点。主流储放氢技术路线分为：1.高压储氢；2.低温液态储氢；3.常温常压固态储氢；4. 有机物储氢。
4.高压储氢虽然技术成熟，但储氢密度低约为1～3wt.％左右，为了得到更高的储氢密度，势必增加氢气瓶压力。现今高压氢气瓶主要以35mpa、70mpa作为储氢压力，高压气瓶与燃料电池匹配应用极大的增加安全风险，并且此种风险无法避免，难以被市场、大众接受。
5.低温液态储氢是使氢气在零下253℃以下低温液化。此技术储氢密度达到 10wt.％以上，但是主要应用于航空、航天领域，民用无法应用，因为成本太高。
6.有机物储氢储氢密度约为5～10wt.％左右，把氢气储存在常温常压的有机物中，该储氢技术放氢氢气纯度低，现阶段无法在不提纯的情况下直接与燃料电池电堆匹配应用，并且提纯设备昂贵。
7.常温常压固态储氢是采用金属氢化物储存氢气的技术。储氢密度约为1～ 8wt.％左右，储氢密度较高；且容器内常温常压，仅储、放氢时需要加热，因此较为安全。安全高密度储、放氢是氢能应用的关键瓶颈，需要解决氢能安全存储与快速输配体系问题，突破安全高效经济储、放氢系统。
8.镁基固态储氢材料具有资源丰富、价格低廉、储氢密度高(可达7.6wt.％)、压力低、储放过程稳定等优点，是优良的固态储氢材料。目前，对小型镁基固态储氢系统的试验与研究较多，它们的储、放氢气的量常在1m3以下，无法满足用氢气量相对较大的用户需求，限制了固态储氢规模化商业发展与运用。
9.因此，本领域的技术人员致力于提供一种更大容量的储、放氢循环系统，实现单个储氢容器储、放氢气的质量达到5kg的循环使用系统，为镁基固态储氢材料更大规模化商业发展与运用提供支持。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题是：目前固态储、放氢系统储、放氢气的质量达到5kg的循环系统还是一片空白，制约了固态储氢行业整体的发展。
11.为了解决上述技术问题，本发明的第一方面，提供了一种固态储氢容器，包括：
12.壳体，其内部用于充填固态储氢材料；
13.套管，其由壳体的第一端伸入壳体内部；套管与壳体连接的部位被密封，套管的底
部封闭；
14.加热部件，其安装在套管内；
15.隔热部件，其包裹在壳体外部；隔热部件与壳体之间具有冷却介质流道，在隔热部件带有冷却介质入口和冷却介质出口。
16.在一些实施例中，套管与壳体的第二端内壁之间留有间隙。
17.在一些实施例中，加热部件与套管之间留有间隙。
18.在一些实施例中，加热部件包括管壳和电热丝，电热丝位于管壳内。
19.在一些实施例中，壳体和套管都由316不锈钢制成。
20.在一些实施例中，隔热部件是三层结构，包括：
21.内壁，其采用耐热材料制成；
22.隔热层，其采用隔热材料制成；
23.外壁，其采用硬质材料制成。
24.在一些实施例中，壳体的第二端面平整，壳体的第二端面带有向外延伸的硬质隔热材料。
25.本发明的第二方面，提供了一种固态储氢容器的台架，用于承载上述固态储氢容器。台架由型材连接而成；台架的上层用于承托固定固态储氢容器的上部；台架的中层用于承载固态储氢容器的底部，并且带有供固态储氢容器底部的管路和接口向下延伸的缺口；台架的下层与台架的中层之间的空间的层高为 15厘米以上。
26.在一些实施例中，台架的底部带有滚轮。
27.本发明的第三方面，提供了一种循环储放氢系统，包括供氢气单元、供氩气单元、管路单元、电控单元、储氢单元、抽真空单元、冷却单元、台架单元；
28.供氢气单元用于提供氢气源，供氢气单元连接至管路单元并受电控单元控制，供氢气单元通过管路单元向储氢单元进行供氢；
29.供氩气单元用于提供氩气，主要作用是排出系统中所有的空气，供氩气单元连接至管路单元并受电控单元控制，供氩气单元通过管路单元向整个循环储放氢系统充入氩气排出空气；
30.管路单元包括多个管子和多个管路元器件；
31.电控单元用于控制和监控整个循环储放氢系统的运行；
32.储氢单元采用上述固态储氢容器；
33.抽真空单元用于排除被充入循环储放氢系统中的氩气，抽真空单元主要包括真空泵；
34.冷却单元用于降低储氢单元放氢过程中的氢气温度，冷却单元由冷却器及恒温水箱组成；
35.台架单元主要由铝合金型材组成，用于承载储氢单元、管路单元、电控单元、冷却单元。
36.本发明的有益效果：相对于传统的氢气瓶储氢压力14.5mpa，本发明的储氢单元是一种常温、常压的装置，运输过程中安全、可靠。储氢单元自带加热部件和冷却流道，用于使其中的固态储氢材料迅速加热或冷却，这样可以储存更多固态储氢材料，释放更多氢气。本发明填补了固态储、放氢系统每次储、放氢气的量达到5kg的空白领域，为固态储氢向更大
范围的应用提供了可能。
附图说明
37.图1是本发明一个较佳具体实施例中的循环储放氢系统整体结构示意图。
38.图2是本发明一个较佳具体实施例中的循环储放氢系统的工作流程示意图。
39.图3是本发明一个较佳具体实施例中的固态储氢容器及台架的外观结构示意图。
40.图4是本发明一个较佳具体实施例中的固态储氢容器的内部结构示意图。
41.图5是本发明一个较佳具体实施例中的电控单元和台架单元的外观结构示意图。
42.以上各图中的附图标记如下：
43.101 氢气瓶
44.102 氢气用双表活塞减压器
45.201 氩气瓶
46.202 氩气用双表活塞减压器
47.301 管子
48.302 阻火器
49.303 球阀
50.304 电磁阀
51.305 压力变送器
52.306 单向阀
53.307 电磁阀
54.308 流量计(小于等于10l/min时使用)
55.309 电磁阀
56.310 流量计(大于10l/min时使用)
57.311 电磁阀
58.312 单向阀
59.313 压力变送器
60.314 球阀
61.315 过滤器
62.316 电磁阀
63.317 单向阀
64.318 电磁阀
65.319 单向阀
66.320 压力变送器
67.321 球阀
68.322 阻火器
69.323 安全阀
70.400 储氢单元
71.411 壳体
72.412 上端盖
73.413 下端盖
74.413a 下端盖顶面
75.414 套管
76.414a 套管底部
77.420 加热器
78.420a 加热器底面
79.430 隔热部件
80.431 保温套
81.432 冷却介质入口
82.433 保温垫
83.440 储氢容器台架
84.441 型材
85.442 档板
86.443 滚轮
87.501 真空泵
88.502 单向阀
89.503 电磁阀
90.504 球阀
91.601 冷却器
92.602 热电偶
93.603 热电偶
94.700 电控单元
95.800 管路及电控单元台架
具体实施方式
96.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
97.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、
“”
和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
98.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
99.在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。
100.本实施例提供了一种中型镁基固态循环储放氢系统，氢气可达5kg。参见图1 所示，镁基固态循环储放氢系统包括供氢单元、供氩气单元、管路单元、储氢单元、抽真空单元、冷却单元、电控单元、台架单元。在一些应用实例中，固态循环储放氢系统可以适用于用氢场合，向用氢设备供应氢气，此时参与工作的主要单元包括：管路单元、电控单元、储氢单元、台架单元、冷却单元。在一些应用实例中，固态循环储放氢系统可以适用于固态储氢运输场合，此时参与工作的主要是储氢单元，相对于传统的氢气瓶，固态储氢单元是一种常温常压的装置，运输过程中安全可靠。
101.供氢气单元由氢气瓶101及氢气用双表活塞减压器102组成，为整个系统提供氢气源。供氢气单元连接至管路单元并受电控单元控制，通过管路单元向储氢单元400进行供氢。
102.供氩气单元由氩气瓶201及氩气用双表活塞减压器202组成，用于提供氩气。供氩气单元连接至管路单元并受电控单元控制，通过管路单元向整个系统充入氩气，排出系统中的空气。
103.管路单元包括管子301与连接在其中的各种管路系统元器件，包括：阻火器 302、球阀303、电磁阀304、压力变送器305、单向阀306、电磁阀307、流量计 308(小于等于10l/min时使用)、电磁阀309、流量计310(大于10l/min时使用)、电磁阀311、单向阀312、压力变送器313、球阀314、过滤器315、电磁阀316、单向阀317、电磁阀318、单向阀319、压力变送器320、球阀321、阻火器322、安全阀323等。
104.电控单元用于控制和监控供氢气单元、供氩气单元、管路单元、储氢单元、抽真空单元、冷却单元的协调运行，使整个储、放氢系统在一定的条件下安全稳定运行。
105.抽真空单元用于排除系统中的氩气，由真空泵501、单向阀502、电磁阀503、球阀504组成。
106.冷却单元用于降低储氢单元放氢过程中的氢气温度，由冷却器601及热电偶 602、热电偶603、恒温水箱(图中未示出)组成。
107.台架单元用于承载固定储氢单元、管路单元、电控单元、冷却单元，主要材质为铝合金型材。
108.储氢单元400是本专利的重点。储氢单元400用于使氢气与固态金属材料结合或分离，是固态金属与氢气进行反应的设备，主要由储氢反应容器、加热部件、隔热部件等组成，储氢反应容器内可填充镁基固态储氢材料。
109.储氢反应容器由壳体411、上端盖412和下端盖413焊接而成，它们优选316 不锈钢材料。壳体411是圆管状，高1米左右。上端盖412、下端盖413的直径都大于壳体411直径，这样使竖直放置的储氢反应容器重心更稳。除了圆管状，储氢反应容器可以是其他形状。
110.储氢反应容器带有一根套管414，它的底端封闭，上端开口，如图4所示。套管414上端穿过上端盖412，它与上端盖412接触的部分是密封的，防止氢气泄露。套管414内放置加热器420，加热器420由管壳和位于管壳内的电热丝(图中未示出)组成。
111.电热丝通电加热时，基于热胀冷缩原理，管壳会延长。因此，加热器底面420a 与套
管底部414a之间留有间隙，加热器420的壁面与套管内壁之间也留有空隙。套管414受热后也会膨胀，套管底部414a与下端盖顶面413a之间也留有间隙。套管414接受加热器420的热量，再把热量传导至储氢反应容器内的固态储氢材料。
112.为了阻止热量散失，在储氢反应容器外包裹有隔热部件430，它的形状与储氢反应容器外观形状匹配。隔热部件430的主体是一个保温套431，它由轻质隔热保温材料制成，例如发泡隔热材料、气凝胶复合材料等。储氢反应容器加上内部填充的固态储氢材料的总重量很大，一般轻质隔热保温材料难以承受重压，很容易压坏而减损保温性能。因此，储氢反应容器底部采用一个硬质的保温垫433，它的大小比下端盖413的直径更大一些。保温垫433既能够承受很大的重量，又有较好的隔热保温。
113.固态储氢材料需要加热才能分解释放出氢气，位于储氢反应容器内的加热器 420加上位于储氢反应容器外的隔热部件430，两者结合很好解决了固态储氢材料的加热问题。电加热方式可以精确控制发热时间和发热量。
114.为了使固态储氢材料停止放氢，必须及时为其降温，使分解放氢反应停止。为此，保温套431采用了三层复合结构。保温套431的内壁由耐热材料制成，保温套 431的外壁由硬质材料制成。内壁和外壁都可以选用金属材料，内壁较薄，外壁较厚具有合适强度。保温套431的中层是隔热层，采用发泡隔热材料制成。在保温套内壁和壳体411之间设有冷却介质流道，供冷却介质通过。在保温套431上开设冷却介质入口432和冷却介质出口(图中未示出)。优选地，采用冷空气作为冷却介质。当需要停止放氢时，冷空气从冷却介质入口432流入，经过冷却介质流道时带走储氢反应容器外壁的热量，内部的热量再向外壁传导，这样使固态储氢材料迅速降温后停止放氢。
115.储氢容器配有一个储氢容器台架440，如图3所示。这个储氢容器台架440由若干条纵横的型材441连接而成，可以使其焊接成型或者依靠紧固件连接。型材 441选用铝合金或者不锈钢型材。储氢容器台架440分为上中下三层，各有不同的功能。储氢容器台架440最底部带有四个滚轮443，储氢反应容器总重很大，滚轮 433使储氢容器台架440能够带着储氢反应容器移动。
116.储氢容器台架440的上层用于固定储氢反应容器。储氢反应容器放置到位后，依靠左右两个档板442将其夹紧，此时上端盖412恰好位于档板442之上。储氢容器台架440的中层用于承载储氢反应容器，保温垫433位于台架中层底部的上表面，面积宽大的保温垫433平稳放置。台架中层底部由型材制成镂空结构，储氢反应容器底部的气体出入管口等零部件从镂空缺口处延伸入储氢容器台架440的下层。台架下层的层高度大于15厘米，方便操作者双手进入，然后对出入管口等进行连接或维护。
117.参见图2所示，本发明还提供一种采用上述系统进行储、放氢气的方法，包括如下步骤：
118.第一步：由于在储氢气之前，系统管路单元及储氢单元中含有大量空气，需要对空气进行置换排空操作，具体步骤如下：
119.i.充氩气：系统连接上氩气瓶201，氩气瓶201输出压力为0.4mpa；
120.ii.打开球阀303、球阀314、电磁阀304、电磁阀307、电磁阀309、电磁阀 311、电磁阀316，对储氢单元400进行充氩气；
121.iii.放氩气：当储氢单元400充满氩气后，关闭电磁阀304，打开球阀321、电磁阀
318进行放气；
122.iv.抽真空：当氩气释放完毕后，启动真空泵，对系统进行抽真空，打开球阀 504和电磁阀503，真空泵抽20分钟左右，同时观察压力变送器305、压力变送器 313、压力变送器320是否都为-0.1mpa左右。抽真空完毕后，先关闭球阀504，再关闭真空泵；
123.v.下一轮氩气冲洗：充氩气时打开电磁阀304；放氩气时关闭电磁阀304，打开电磁阀318，抽真空时打开电磁阀503，打开球阀504和真空泵，抽真空完毕，需先关闭球阀504，再关闭真空泵，如此循环；
124.vi.系统需要氩气清洗3次。
125.第二步：经过氩气置换之后，系统管路及储氢单元400中含有氩气，此时需要排出系统装置的氩气。为了排出系统中的氩气，需要进行氢气置换氩气操作，具体步骤如下：
126.i.充氢气：系统连接上氢气瓶101，氢气瓶101输出压力为0.4mpa。打开球阀 303、球阀314、电磁阀304、电磁阀307、电磁阀309、电磁阀311、电磁阀316，对储氢单元400进行充氢气；
127.ii.放氢气：关闭电磁阀304，打开球阀321、电磁阀318进行放气；
128.iii.抽真空：当氢气释放完毕后，关闭电磁阀，对系统进行抽真空，打开球阀 504和电磁阀503，真空泵抽20分钟左右，同时观察压力变送器305、压力变送器 313、压力变送器320是否都为-0.1mpa左右。抽真空完毕后，先关闭球阀504，再关闭真空泵；
129.iv.下一轮氢气冲洗：充氢气时打开电磁阀304；放氢气时关闭电磁阀304，打开电磁阀318，抽真空时打开电磁阀503，打开球阀504和真空泵，抽真空完毕，需先关闭球阀504，再关闭真空泵；
130.v.系统需要氢气清洗3次。
131.第三步：经过氢气置换氩气之后，此时可以进行储气过程操作，具体步骤如下：
132.i.启动加热器420，主要区域加热至280℃；
133.ii.打开氢气用双表活塞减压器102，使氢气瓶101输出压力为0.4mpa。打开球阀303、球阀314，打开电磁阀304、电磁阀311。同时当流量大于10l/min时，自动打开电磁阀309，关闭电磁阀307；当流量小于10l/min时，关闭电磁阀309，打开电磁阀307。观察压力变送器305、压力变送器313压力为0.4mpa，保持这个压力5min；
134.iii.调节氢气用双表活塞减压器102，使氢气瓶101输出压力至0.7mpa。观察压力变送器305、压力变送器313压力稳定在0.7mpa时，保持这个压力5min；
135.iv.调节氢气用双表活塞减压器102，使氢气瓶输出压力至1mpa，观察压力变送器305、压力变送器313，压力稳定在1mpa时，保持这个压力；
136.v.当流量计308、流量计310累计流量总和等于5kg时，或管路系统中的氢气流速为零时，关闭电磁阀304、电磁阀307、电磁阀311，关闭球阀303、球阀314，充氢结束。
137.第四步：当用户端需要用氢，可以通过此系统对用户进行供氢，具体步骤如下。
138.i.把储氢单元400加热至320℃，打开电磁阀316。当流量大于10l/min时，自动打开电磁阀309，关闭电磁阀307；当流量小于10l/min时，关闭电磁阀309，打开电磁阀307，打开电磁阀318。
139.ii.当流量计308流速为零或者流量计308、流量计310两者累积之和等于5kg 时，关闭电磁阀316、流量计308、流量计310、电磁阀318，关闭球阀314、球阀 321，放氢试验结
束。
140.iii.关闭加热器402，放氢结束。
141.本发明采用镁基固态合金材料作为氢气的储、放载体，填补了固态储、放氢系统每次储、放氢气的量达到5kg的空白领域。本发明在管路系统中采用双流量计, 计量氢气的瞬时和累计流量，克服了单一氢气流量计无法全量程覆盖的问题，使氢气的计量更为准确。同时本发明还可以满足单独储存氢气、单独释放氢气的要求。单独的储氢单元，以常温常压更安全可靠的转运氢气的方式，为后期固态储氢向更大范围的应用提供了可能。
142.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。