一种低温高压氢气储存和运输管束装置

技术领域

本发明涉及低温高压储氢的技术领域，特别涉及一种低温高压氢气储存和运输管束装置。

背景技术

氢是最有前途的清洁能源之一，应用潜力巨大，但现阶段储氢仍然是一个重大挑战，阻碍了氢气的广泛应用，常见的储氢方式有：

1、气态储氢

气态存储是对氢气加压，以高压气体形式储存于特定容器中。常温下高压气态储氢是应用最广泛的储氢方式，充放气速度快，目前运氢车和加氢站一般采用常温钢制压力罐运输和储存氢气。常温气态储氢最大的缺点是氢气储量小。

2、液态储氢

液态储氢是将氢气压缩成低温液体，储存在高真空的绝热容器中的储氢方法,具有很高的体积能量密度。但是由于氢气液化要消耗很大的冷却能量，增加了储氢和用氢的成本。另外液氢储存必须使用超低温条件下高度绝热的储氢容器，而绝热不完善容易导致较高的蒸发损失，所以很少使用液态储氢。

3、固态储氢

一些储氢合金如钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金等，可以以金属氢化物或引入金属晶格的方式储氢，在热输入条件下放氢。金属储氢安全、储氢质量密度高，可以在较低的工温度和压力下进行。但储氢合金在吸氢时放热，在放氢时需高温加热，另外合金自重大、循环性低，限制了其广泛应用。

4、液态有机储氢

液态有机物储氢技术原理是借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气的一对可逆反应来实现加氢和脱氢，储氢材料为液态有机物，可以实现常温常压运输，储氢量大，方便安全。但其加氢和脱氢分别是通过放热催化氢化和吸热催化脱氢反应进行的，放氢条件苛刻，需要高温、高压和催化剂，并且常常释放有机物杂质，应用并不广泛。

即上述的四种储氢方式均各有优劣，但是根据技术的发展需求，低温高压储氢已经成为本领域的重要研究方向；譬如在专利申请号为CN202210540454.2的技术方案中，记载了一种Pd纳米颗粒多孔复合材料的制备方法及其低温和常温储氢应用，该方案便介绍了用于实现低温高压储氢的低温储氢材料，能够实现气态氢气的高效存储，但是此类低温储氢材料需要维持于低温才能确保发挥最佳效果，而目前的气态氢气均是利用压力罐进行存储，此类压力罐仅能实现常温气态储氢，并不能满足此类低温储氢材料需要维持低温的应用需求。

为此，研发一种能够维持低温储氢材料低温的压力罐已经成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温高压氢气储存和运输管束装置，以解决现有压力罐无法维持低温储氢材料低温的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低温高压氢气储存和运输管束装置，包括储氢罐、冷却机构和低温储氢材料；所述储氢罐包括内胆和外壳；所述内胆设于所述外壳内部，所述内胆外壁与所述外壳内壁分离形成夹层，所述夹层内填充有绝热材料；所述外壳上设有与所述内胆内部接通的氢气进口、氢气出口和投料口；所述冷却机构包括冷却管道、冷却剂进口和冷却剂出口；所述冷却管道设于所述夹层的内部，所述冷却管道与所述内胆的外壁抵接，所述冷却管道接通所述冷却剂进口，所述冷却剂进口设于所述外壳外，所述冷却管道用于存储或循环流动冷却剂；所述低温储氢材料填充于所述内胆内。

在其中一个实施例中，多个所述内胆设于同一个所述外壳内，所述冷却管道同时与多个所述内胆的外壁抵接。

在其中一个实施例中，所述冷却管道接通有泄压管道，所述泄压管道从所述夹层内部延伸至所述外壳外部、并接通有冷却剂泄压阀。

在其中一个实施例中，所述外壳外设有抽真空口，所述抽真空口与所述夹层接通。

在其中一个实施例中，所述外壳设有温度计和压力计，所述温度计用于检测所述内胆的内部温度，所述压力计用于检测所述内胆的内部压力。

在其中一个实施例中，所述外壳外还设有手动排气阀，所述手动排气阀与所述内胆的内部接通。

在其中一个实施例中，所述内胆内设有换气滤网，所述换气滤网的过滤部位遮盖所述氢气进口、所述氢气出口和所述手动排气阀。

在其中一个实施例中，所述储氢罐设有内胆泄压阀，所述内胆泄压阀与所述内胆内部接通，所述内胆泄压阀置于所述内胆内部的进气处设有泄压滤网。

在其中一个实施例中，所述低温储氢材料为多孔材料。

在其中一个实施例中，所述多孔材料包括Pd@Ce-H-UiO-66、Pd@Ce-UiO-66或Pd@H-UiO-66。

本发明的有益效果如下：

由于所述冷却管道设于所述夹层的内部，所述冷却管道与所述内胆的外壁抵接，所述冷却管道用于存储或循环流动冷却剂，所述低温储氢材料填充于所述内胆内，所以在冷却管道内注入或循环流动冷却剂后，则可透过内胆实现对低温储氢材料的冷却控温处理，而所述内胆设于所述外壳内部，所述内胆外壁与所述外壳内壁分离形成夹层，所述夹层内填充有绝热材料，也确保了低温储氢材料能够在内胆内更好的维持于低温状态，从而切实解决了现有压力罐无法维持低温储氢材料低温的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一个实施例提供的结构示意图；

图2是本发明第二个实施例提供的结构示意图；

图3是本发明第三个实施例提供的结构示意图；

图4是本发明第四个实施例提供的结构示意图；

图5是本发明第五个实施例提供的结构示意图；

图6是本发明第六个实施例提供的俯视透视结构示意图；

图7为Pd@Ce-H-UiO-66复合材料的H

附图标记如下：

10、储氢罐；11、内胆；111、承托柱；112、换气滤网；113、泄压滤网；12、外壳；121、氢气进口；122、氢气出口；123、投料口；124、温度计；125、压力计；126、手动排气阀；127、内胆泄压阀；128、抽真空口；13、支撑柱；14、夹层；15、绝热材料；

20、冷却机构；21、冷却管道；22、冷却剂进口；23、泄压管道；24、冷却剂泄压阀；25、冷却剂出口；

30、低温储氢材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

现有的氢气运输主要是采用20MPa的压缩气体运输，常温下运氢管束车储氢量小，一辆数十顿重的大型管束车单次运氢量仅有300～500kg，运氢量太少导致运氢成本居高不下。

而低温储氢材料在低温高压下储氢质量密度可达到10wt％以上，可使氢气储运量成倍增加，可大大减少运输成本，即可对现有技术实现完美替代；但是目前的氢气储罐一般是常温高压气态或低温常压液态条件，不能满足低温高压下气态储氢的需要，所以为了与低温储氢材料匹配应用，本发明在提供了一种低温高压氢气储运装置，等同于在压力罐上实现了低温维持功能；为更具体的对本发明进行阐述，下文提供了多个实施例进行解释，可实现温度>20.38K下高密度储氢。

实施例一

本发明的第一个实施例如图1所示，该低温高压氢气储运装置包括储氢罐10、冷却机构20和低温储氢材料30。

有关该储氢罐10，此实施例的储氢罐10包括内胆11和外壳12；该内胆11采用厚壁低温合金钢焊接成圆筒状，保证低温条件下具有足够的耐压强度，该外壳12采用碳钢或不锈钢等材质，其外表面喷漆或其他防腐蚀防锈处理，并且内胆11设于外壳12内部，内胆11的外壁与外壳12的内壁之间连接有多条支撑柱13，以使得内胆11外壁与外壳12内壁分离形成夹层14，夹层14内填充有绝热材料15；其中，该绝热材料15可以选择传统绝热材料，如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等，也可以选择新型绝热材料，如气凝胶毡、真空板等；而该外壳12上设有与内胆11内部接通的氢气进口121、氢气出口122和投料口123，氢气进口121用于输入氢气至内胆11内，氢气出口122用于将内胆11内的氢气排出内胆11，投料口123则用于在内胆11添加低温储氢材料30；另外，该氢气进口121、氢气出口122和投料口123上均可设置相关的开闭控制结构，如电动阀门或手动阀门等，以便于在无需使用时保持其关闭状态。

有关该冷却机构20，此实施例的冷却机构20包括冷却管道21和冷却剂进口22，冷却管道21由厚壁耐压低温合金钢制作、并设于夹层14的内部，冷却管道21与内胆11的外壁抵接，冷却管道21接通冷却剂进口22，冷却剂进口22设于外壳12外，冷却管道21用于存储冷却剂，譬如此实施例的冷却管道21除了与冷却剂进口22接通，其余部位均为封闭结构，所以冷却剂可以经冷却剂进口22流入至冷却管道21内存储；其中，冷却管道21沿储氢罐10的长度方向延伸布置，譬如在图示方向中，冷却管道21从左往右覆盖内胆11底部的整个区域，从而确保能通过内胆11对各处的低温储氢材料30均能实现及时降温；另外，由于此实施例冷却管道21的左侧与储氢罐10之间连接固定，所以为实现对冷却管道21的稳定支撑承托，只需在冷却管道21的底部设置相应的承托柱111，则可维持冷却管道21在夹层14内的稳定放置；更进一步的，该冷却剂进口22上可设置相关的开闭控制结构，如电动阀门或手动阀门等，以便于在无需使用时保持其关闭状态。

有关该低温储氢材料30，此实施例的低温储氢材料30填充于内胆11内；其中，低温储氢材料30无需完全填满内胆11的内部，以便内部留有适当的空间供氢气充入，从而加快氢气在低温储氢材料30中的存储。

另外，低温储氢材料30的种类繁多，譬如低温储氢材料30可以是沸石、分子筛、金属有机框架材料(MOF)、多孔配位聚合物、多孔共价聚合物、氢键聚合物、分子笼、石墨烯、碳纳米管、石墨、Mxene烯以及金属材料如纳米钯金属颗粒、钯合金、镍合金、铂金与多孔复合材料等等，以及包含这些材料的混合材料等，所以选择合适低温储氢材料30对提高储氢效果有重要帮助；具体的，此实施例的低温储氢材料30为多孔材料，如Pd纳米颗粒多孔复合材料则为一种较优的低温储氢材料30，其可具备多种选择，如Pd纳米颗粒多孔复合材料可以为Pd@Ce-H-UiO-66、Pd@Ce-UiO-66或Pd@H-UiO-66；而此实施例优选设置了低温储氢材料30为Pd纳米颗粒多孔复合材料，且该Pd纳米颗粒多孔复合材料为Pd@Ce-H-UiO-66，此时图7为Pd@Ce-H-UiO-66复合材料在低温77K、0-90bar H

还需指出，由于该低温储氢材料30在低温下性能优良，所以除储氢罐10需要利用冷却管道21辅助保持储氢罐10内的低温，还应同时充入冷却过的氢气，以此进一步增加储氢量，而且低温下氢气充气速度远大于常温，所以也大大缩短了氢气的装载时间。此外，在低温高压的情况下，若增加压力，低温储氢材料30的储氢量也会显著增加，故在条件允许的情况下，压力也应尽可能的增加。

综合上文可知，在进行低温高压氢气储运装置的应用时，可以利用投料口123往内胆11内部填充低温储氢材料30，待低温储氢材料30填充完毕后，在冷却管道21内填充存储冷却剂，便可实现通过内胆11对低温储氢材料30的冷却处理，而且低温储氢材料30的低温状态还能在绝热材料15的作用下实现稳定维持，即切实解决了现有压力罐无法维持低温储氢材料30低温的问题；最后，在前置操作处理完毕后，便可利用氢气进口121往内胆11内部填充氢气，以获得储氢质量密度远优于现有技术的氢气存储效果。

实施例二

本发明的第二个实施例如图2所示，其与本发明的第一个实施例基本一致，区别在于，对低温高压氢气储运装置进行了多处的优化处理，以提高低温高压氢气储运装置的综合性能。

第一，此实施例在内胆11外壁覆盖有纤维层，纤维层由纤维缠绕内胆11外壁形成，由于纤维层较为细小，故未在图中显示；需要指出，纤维层可以利用强度较高的纤维缠绕而成，如碳纤维，而且在进行缠绕时，应尽量均匀缠绕形成多层纤维层，以确保能对内胆11实现全面的强度加强。

第二，此实施例的外壳12设有温度计124和压力计125，温度计124用于检测内胆11的内部温度，压力计125用于检测内胆11的内部压力；在设置温度计124时，由于需要在储氢罐10上设置开孔，以使得温度计124和压力计125的检测部位能够设于内胆11内，以及温度计124和压力计125的数值显示部位能够置于外壳12外，从而实现对内胆11内部的温度和压力观察，所以为避免出现泄漏现象，还应设置温度计124、压力计125和储氢罐10之间为密封连接。

第三，此实施例在外壳12外还设有手动排气阀126，手动排气阀126与内胆11的内部接通，所以在需要手动排空内胆11的内部气体时，只需手动打开手动排气阀126即可，从而满足了特殊情况下的使用需求。

第四，此实施例在内胆11内设有换气滤网112，换气滤网112的过滤部位遮盖氢气进口121、氢气出口122和手动排气阀126，所以在采用此设置方式后，无论内胆11需要进行充气或排气操作，换气滤网112均可对气体进行过滤，从而避免了外界杂质进入至内胆11内，也防止了堵塞现象的出现，为氢气的纯净存储提供了重要保障。

第五，此实施例优选设置储氢罐10设有内胆泄压阀127，内胆泄压阀127与内胆11内部接通，内胆泄压阀127置于内胆11内部的进气处设有泄压滤网113，所以在采用此设置方式后，当内胆11的内部压力过高，则可利用内胆泄压阀127进行及时泄压，而且泄压滤网113的设置也避免了杂质进入至内胆11内，也防止了堵塞现象的出现，同样为氢气的纯净存储提供了保障。

实施例三

本发明的第三个实施例如图3所示，其与本发明的第二个实施例基本一致，区别在于，冷却管道21接通有泄压管道23，泄压管道23从夹层14内部延伸至外壳12外部、并接通有冷却剂泄压阀24。

譬如此实施例的泄压管道23为一横向布置的直管，其左端与冷却管道21接通，其右端穿出至外壳12外，并接通冷却剂泄压阀24；所以一旦冷却管道21内部压力过高，则可打开冷却剂泄压阀24，以便对冷却管道21内部进行及时的压力释放。

具体的，在进行应用时，可以利用液氮罐与冷却管道21接通，以往冷却管道21内填充液氮；若冷却管道21内的液氮升温，将会产生大量的氮气，即冷却管道21内的压力也随之升高，此时冷却剂泄压阀24则可对冷却管道21进行及时泄压，而且液氮罐也能利用自身的内部压力实现对冷却管道21自动充液氮，也提高了使用便捷性。

实施例四

本发明的第四个实施例如图4所示，其与本发明的第三个实施例基本一致，区别在于，此实施例的外壳12外设有抽真空口128，抽真空口128与夹层14接通；所以在采用此设置方式后，则可实现对夹层14的抽真空处理，譬如此实施例采用了经过干燥的膨胀珍珠岩作为绝热材料15，待膨胀珍珠岩压实后，利用抽真空设备与抽真空口128接通，以实现对夹层14内部的抽真空处理，此时的真空环境将可进一步提高了内胆11与外壳12之间的绝热效果。

实施例五

本发明的第五个实施例如图5所示，其与本发明的第四个实施例基本一致，区别在于，此实施例的冷却管道21为U形管道，冷却管道21的两端口分别接通有冷却剂进口22和冷却剂出口25，所以在进行应用时，可以外接制冷设备往冷却管道21输送冷却剂，并利用循环泵控制冷却剂在冷却管道21内进行循环流动，同样能够实现对低温储氢材料30的冷却处理。

其中，该冷却剂出口25上可设置相关的开闭控制结构，如电动阀门或手动阀门等，以便于在无需使用时保持其关闭状态。

还需指出，冷却剂在经冷却剂进口22进入冷却管道21内时，其温度一般较低，而冷却剂在经冷却剂出口25流出冷却管道21时，其温度一般会有所升高，即邻近冷却剂出口25处的压力一般会大于邻近冷却剂进口22处的压力，所以此实施例还将冷却剂泄压阀24改为设于冷却剂出口25处，从而使得冷却剂泄压24能够进行更准确和高效的泄压操作。

实施例六

本发明的第六个实施例如图6所示，其与本发明的前述实施例基本一致，区别在于，此实施例设置了四个内胆11设于同一个外壳12内，冷却管道21同时与四个内胆11的外壁抵接。

在采用此设置方式后，即四个内胆11共同应用了一套冷却机构，所以随着冷却剂在冷却管道21内的流动，一套冷却机构便能实现四个内胆11的内部同步降温，不但能够以较低的难度保持内胆11内部温度的一致性，更大幅降低了多个内胆11共同冷却时的投入成本。

当然，内胆11的数量也并非仅限于设置为四个，可根据实际需求设置多个内胆11设于同一个外壳12内，冷却管道21同时与多个内胆11的外壁抵接，此时只需合理布置冷却管道21的布置轨迹便可满足此需求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。