一种储氢装置、氢气储运系统及加氢、放氢方法

技术领域

本发明涉及氢气储运技术领域，特别涉及一种储氢装置、氢气储运系统及加氢、放氢方法。

背景技术

根据氢气存在形态不同，氢气储存的技术分为三类：气态储存、液态储存和固态储存，这三类又细化为高压储氢、低温液化储氢、有机液体储氢、氨储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢及其它储氢技术。加氢站作为燃料电池汽车加注所需的燃料的基础设施，在氢能行业中具有重要的地位，目前国际上加氢站主要的氢气储运技术是高压储氢。虽然高压储氢的设备结构简单、制备能耗较低、可实现快速充放等优点，但由于高压储氢密度较低、设备笨重，导致储运效率较低；另外，高压储氢设备一般都在几十个MPa的环境下使用，储存着大量的能量，因超温、充装过量等原因，设备有可能强度不足而发生超压爆炸，安全性较低。

发明内容

鉴于上述问题，有必要提出一种储氢装置以解决或部分解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种储氢装置，包括储氢罐、电控系统，所述储氢罐包括罐体，以及设置于罐体中的至少一个储氢模块，所述储氢模块包括储氢管、设置于所述储氢管中的电加热密闭套管、与电加热密闭套管连接的电加热器、放置于所述储氢管内的储氢介质，其中：

所述罐体设置有氢气出口和氢气入口；

所述储氢管，与所述氢气入口连通，用于储存通过所述氢气入口输入的氢气与储氢介质反应得到的金属氢化物，还用于将金属氢化物加热后得到的氢气释放到氢气出口；

所述电加热器，用于当需要输出氢气时，通过所述电加热密闭套管对储存在所述储氢管内的金属氢化物进行加热，使所述金属氢化物转化为氢气并通过所述氢气出口输出；

电控系统，与所述电加热器连接，用于控制电加热器的工作。

进一步的，所述罐体包括通过两个分隔挡板分隔开的氢气区、取热区和电加热检修区；

所述氢气区设置所述氢气出口和氢气入口；

所述取热区设置所述储氢管，所述储氢管开口端位于所述氢气区，以便通过氢气入口输入的氢气区中的氢气进入储氢管，或储氢管中的氢气进入氢气区通过氢气出口输出，所述储氢管封闭端位于所述电加热检修区；

所述电加热检修区设置有所述电控系统和电加热器，所述电加热密闭套管与电加热器的连接位置位于所述电加热检修区。

进一步的，所述罐体还包括：

设置在所述取热区的进水口和水蒸气出口，分别作为冷水进入取热区的入口和所述冷水气化为水蒸气后的出口；所述水蒸气为所述冷水进入取热区后吸收氢气与储氢介质反应时产生的热量后气化得到。

进一步的，所述储氢装置还包括：设置在所述罐体上且位于氢气区和取热区的安全阀，用于当罐体内部氢气压力或者水蒸气压力超出设计压力时，泄放部分氢气或水蒸气以降低罐体内部氢气压力或者水蒸气压力。

进一步的，所述电控系统包括调频器、控制器、配电箱，所述配电箱与调频器连接，调频器一端与控制器连接，另一端与电加热器连接，用于在控制器控制下调节电加热器功率，使储氢管温度控制在预设放氢温度范围。

进一步的，所述储氢装置还包括温度控制系统；

所述温度控制系统包括安装于每个储氢管上的远传温度表，所述远传温度表用于检测储氢管中的温度。

进一步的，所述储氢装置还包括压力控制系统，用于将储氢罐压力控制在设定范围内。

进一步的，所述储氢装置还包括：

出口过滤器，设置在外部氢气输出管道和所述氢气出口之间，用于过滤从罐体中输出的氢气中的粉尘；和/或

入口过滤器，设置在外部氢气输入管道和所述氢气入口之间，用于过滤输入罐体中的氢气中的杂质。

第二方面，本发明提出了一种氢气储运系统，包括如上面所述的储氢装置和增压预热能量回收单元，增压预热能量回收单元包括压缩机、预热器、汽包系统，其中：

压缩机，分别与外部氢气输入管道、所述预热器连接，用于使输入的氢气压缩至预设压强后进入到预热器；

预热器，分别与所述压缩机、罐体连接，用于将压缩后的氢气加热到预设温度并使氢气进入到罐体的氢气入口；

汽包系统，与罐体连接，用于回收加氢过程中储氢介质与氢气反应放出的热量加热冷水产生的水蒸气，并向罐体补充冷水。

第三方面，本发明提出了一种加氢方法，适用于上面所述的氢气储运系统，包括：

对输入储氢装置的氢气进行压缩和预热；

将压缩和预热后的氢气输入到储氢装置的储氢管中，在所述储氢管中与储氢介质进行反应，得到金属氢化物并储存。

第四方面，本发明提出了一种放氢方法，适用于上面所述的氢气储运系统，包括：

对储氢装置的储氢管中储存的金属氢化物进行加热，释放出氢气并输出。

基于上述技术方案，本发明较现有技术而言的有益效果为：

本发明公开了一种储氢装置，当需要储存氢气时，待储存的氢气进入到储氢罐，在储氢管中氢气与储氢介质反应生成金属氢化物进行储存，当需要释放储存的氢气时，通过电加热器和电加热密闭套管对储氢管中金属氢化物进行加热，使金属氢化物转化为氢气，使用该储氢装置实现氢气的储存和运输时，氢气以金属氢化物的状态进行储存和运输，储存和运输过程中储氢罐内无需保持高压和高温环境，在常温常压下即可实现氢气的储存和运输，运输方便，且避免因高温高压导致的爆炸风险，提高了安全性，当需要释放氢气时只需将储氢管加热到即可将金属氢化物转化为氢气，加氢和放氢速度快，且以金属氢化物的形式进行储存，单位体积内能够储存的氢气量更大，提高了氢气的储运效率。

附图说明

图1是本发明实施例一中，一种储氢装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二中，一种氢气储运系统的结构示意图；

图3是本发明实施例三中，一种加氢方法的流程示意图；

图4是本发明实施例四中，一种放氢方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例提出了一种储氢装置，如图1所示，包括储氢罐1、电控系统2，所述储氢罐1包括罐体11，以及设置于罐体11中的至少一个储氢模块12，所述储氢模块12包括储氢管123、设置于所述储氢管123中的电加热密闭套管121、与电加热密闭套管121连接的电加热器124、放置于所述储氢管123内的储氢介质122，其中：

所述罐体11设置有氢气出口和氢气入口。在一些实施例中，所述罐体11包括通过两个分隔挡板114分隔开的氢气区111、取热区112和电加热检修区113，所述氢气区111设置所述氢气出口和氢气入口；所述取热区112设置所述储氢管123，取热区112内还存有冷水；所述电加热检修区113设置有所述电控系统和电加热器124。本实施例实现了储氢介质122、水、电加热器124三者完全隔离，三者互不干扰，保障了加氢和放氢的可靠性。

所述储氢管123，与所述氢气入口连通，用于储存通过所述氢气入口输入的氢气与储氢介质122反应得到的金属氢化物，还用于将金属氢化物加热后得到的氢气释放到氢气出口。储氢管123可以是一端开口、一端封闭的圆管，贯穿两个分隔挡板114且与分隔挡板114间无缝隙，所述储氢管123开口端位于所述氢气区111，以便通过氢气入口输入的氢气区111中的氢气进入储氢管123，或储氢管123中的氢气进入氢气区111通过氢气出口输出，所述储氢管123封闭端位于所述电加热检修区113。

电加热密闭套管121插入所述储氢管123中。电加热密闭套管121可以为一端封闭、一端未封闭的圆管，其封闭端从储氢管123封闭端中心开孔纵穿整个储氢管123至储氢管123开口端，其未封闭端与储氢管123封闭端相连处焊接密封，其未封闭端凸出所述储氢管123封闭端并插入电加热器124中。

储氢介质122放置于储氢管123和电加热密闭套管121间的环空区域，用于与储氢管123内的氢气反应得到金属氢化物。

所述电加热器124，用于当需要输出氢气时，通过所述电加热密闭套管121对储存在所述储氢管123内的金属氢化物进行加热，使所述金属氢化物转化为氢气并通过所述氢气出口输出。

电控系统2，与所述电加热器124连接，用于控制电加热器124的工作。具体的，所述电控系统包括调频器21、控制器22、配电箱23，所述配电箱23与调频器21连接，调频器21一端与控制器22连接，另一端与电加热器124连接，用于在控制器22控制下调节电加热器124功率，使储氢管123温度控制在预设放氢温度范围。

该金属氢化物的储氢装置的工作原理是：氢气加工厂的氢气进入到储氢罐1，在储氢罐1中氢气与储氢介质122反应生成金属氢化物完成加氢，然后通过车辆运输至加氢站或用氢地点，通过调节电加热器124功率将储氢管123温度控制在预设放氢温度范围内，使金属氢化物转化为氢气，连接出口管线即可完成放氢过程，接着储氢罐1经车辆运输至氢气加工厂去加氢，循环往复。

本实施例公开的储氢装置，运输过程中以金属氢化物的状态存储氢气，质量储氢密度、体积储氢密度均很高，放氢时只需将储氢管123加热到预设放氢温度即可将金属氢化物转化为氢气，加氢和放氢速度快，提高了氢气的储运效率；金属氢化物常温常压即可储存，不仅方便运输，同时避免了高压储氢可能发生的爆炸危险，提高了安全性。

在一些实施例中，为了防止放氢过程中储氢介质122产生的粉末进入到产品氢气，所述储氢装置还包括出口过滤器3，所述出口过滤器3设置在外部氢气输出管道和所述氢气出口之间，用于过滤从罐体中输出的氢气中的粉尘，防止储氢介质122产生的粉末进入到产品氢气中，保障产品氢气的纯净度。

在一些实施例中，为了防止加氢过程中输入的氢气中的杂质进入到储氢管123，所述储氢装置还包括入口过滤器4，入口过滤器4设置在外部氢气输入管道和所述氢气入口之间，用于过滤输入罐体中的氢气中的杂质，防止杂质影响氢气与储氢介质122的化学反应，保证金属氢化物的纯净度。

在一些实施例中，储氢装置还包括温度控制系统，温度控制系统包括安装于每个储氢管123上的远传温度表，以检测每个储氢管123中储氢介质122的温度。

在一些实施例中，储氢装置还包括压力控制系统，用于将储氢罐压力控制在设定范围内。储氢罐压力的设定范围一般在2.0-2.2MPa。

在一些实施例中，所述储氢罐1的氢气区111和取热区112上还设置有安全阀，用于储氢罐1内部氢气压力或者水蒸汽压力超出设计压力时进行泄放，以确保储氢罐1的安全。

在一些实施例中，为了对氢气和储氢介质122反应发出的热量进行回收，罐体11还包括设置在所述取热区112的进水口115和水蒸气出口116，分别作为冷水进入取热区112的入口和所述冷水气化为水蒸气后的出口；所述水蒸气为所述冷水进入取热区112后吸收氢气与储氢介质122反应时产生的热量后气化得到。冷水经进水口115进入取热区112，在储氢罐1中，氢气与储氢介质122反应并释放出热量并生成金属氢化物，热量通过储氢管123外管壁加热取热区112的冷水，冷水汽化后形成的水蒸气经水蒸气出口116进入外部蒸汽回收官网，从而对热量进行回收。

本发明实施例提供的储氢装置，氢气加工厂的氢气进入到储氢罐，在储氢罐中氢气与储氢介质反应生成金属氢化物完成加氢，然后通过车辆运输至加氢站或用氢地点，通过加热电加热密闭套管将储氢管温度控制在预设放氢温度范围内，使金属氢化物转化为氢气，连接出口管线即可完成放氢过程，接着储氢罐经车辆运输至氢气加工厂去加氢，循环往复。本发明公开的储氢装置，运输过程中以金属氢化物的状态存储氢气，质量储氢密度、体积储氢密度均很高，放氢时只需将储氢管加热到预设放氢温度即可将金属氢化物转化为氢气，加氢和放氢速度快，提高了氢气的储运效率；金属氢化物常温常压即可储存，不仅方便运输，同时避免了高压储氢可能发生的爆炸危险，提高了安全性。

实施例二

本实施例提出了一种氢气储运系统，如图2所示，包括实施例一中的储氢装置，以及增压预热能量回收单元，增压预热能量回收单元可以放置在氢气加工厂，储氢装置可以放置于运输车辆上，所述增压预热能量回收单元包括压缩机5、预热器6、汽包系统7，其中：

压缩机5，分别与外部氢气输入管道、所述预热器6连接，用于使输入的氢气压缩至预设压强后进入到预热器6。预设压强一般为2.0-2.2MPa。

预热器6，分别与所述压缩机5、罐体连接，用于将压缩后的氢气加热到预设温度并使氢气进入到罐体的氢气入口。预设温度一般为200-250℃。

汽包系统7，与罐体11连接，用于回收加氢过程中储氢介质与氢气反应放出的热量加热冷水产生的水蒸气，并向罐体11补充冷水。具体的，汽包系统7与罐体11的进水口115和水蒸气出口116连接，在储氢罐1中，氢气与储氢介质反应并释放出热量并生成金属氢化物，热量通过储氢管123外管壁加热储氢罐1中的水，水汽化后形成的水蒸气经水蒸气出口116进入到汽包系统7，通过控制蒸汽的外排压力控制储氢罐1内的水温，产生的蒸汽进入到相应压力的蒸汽管网进行回收，汽包系统7内的水可以通过进水口115到达罐体中，补充罐体的水。

该金属氢化物的氢气储运系统的工作原理是：在氢气加工厂，压缩机5将氢气压缩至预设压强后进入到预热器6，预热器6将氢气加热到预设温度后使氢气进入到储氢罐1，在储氢罐1中氢气与储氢介质反应并释放出热量并生成金属氢化物，完成加氢后通过车辆运输至加氢站或用氢地点，通过调节电加热器124功率将储氢管123温度控制在预设放氢温度范围内，保证氢气平稳释放，完成放氢过程，接着储氢罐1经车辆运输至氢气加工厂去加氢，循环往复。具体的加氢过程、放氢过程见说明书的实施例三、实施例四。

本实施例公开的氢气储运系统，运输过程中以金属氢化物的状态存储氢气，质量储氢密度、体积储氢密度均很高，放氢时只需将储氢管123加热到预设放氢温度即可将金属氢化物转化为氢气，加氢和放氢速度快，提高了氢气的储运效率；金属氢化物常温常压即可储存，不仅方便运输，同时避免了高压储氢可能发生的爆炸危险，提高了安全性；另外，增压预热能量回收单元放置在氢气加工厂，运输时只需要运输储氢装置即可，储运设备更加小巧灵活，加氢站只需要一个氢气出口管线即可将储氢装置的氢气转移到加氢站，不占用加氢站的空间，节省了加氢站的用地成本。

在一些实施例中，汽包系统7上安装有安全阀，保证汽包系统7不超压。安全阀用于汽包系统7内水蒸汽压力超出设计压力时进行泄放，以确保汽包系统7的安全，进一步提高整个储氢系统的安全性。

在一些实施例中，所述汽包系统7上还可以设有除氧水补给线，用于补充因产蒸汽而损失的水，保障汽包系统7内的水量在合适范围内。除氧水补给线将水输送至汽包系统7中，汽包系统7与罐体的进水口115连接，汽包系统7内的水通过进水口115进去罐体中，补充了汽包系统7和储氢罐1内的水，保障了加氢时水的供应，确保了加氢过程热量可以被带走，提高了加氢过程的稳定性。

实施例三

本实施例提出了一种加氢方法，应用于实施例二所述的氢气储运系统，可以对输入储氢装置的氢气进行压缩和预热；将压缩和预热后的氢气输入到储氢装置的储氢管中，在所述储氢管中与储氢介质进行反应，得到金属氢化物并储存。

上述方法的一个具体实现流程如图3所示，包括：

步骤S101：预先在氢气加工厂将预热器两端分别与压缩机和入口过滤器连接。

步骤S103：将储氢装置运输至氢气加工厂，储氢装置包括储氢罐、电控系统，将储氢罐分别与入口过滤器和汽包系统连接，将储氢罐的安全阀出口和汽包系统的安全阀出口连接至火炬管网，给电控系统供电，将储氢装置接地，检查无误后，进行汽包系统和储氢罐充水。储氢装置与入口过滤器、汽包系统的管线连接方式为快速连接头，方便快捷，储氢装置对外连接管线少，减少泄漏风险。

步骤S103：电控系统控制打开压缩机，氢气经过压缩机压缩至预设压强后进入到预热器。预设压强一般为2.0-2.2MPa。

步骤S104：预热器将氢气加热到预设温度后使氢气进入到储氢罐，储氢罐压力稳定在预设范围。预设温度一般为200-250℃，储氢罐压力的设定范围一般在2.0-2.2MPa

步骤S105：在储氢罐中氢气与储氢介质反应并释放出热量并生成金属氢化物，热量通过储氢管外管壁加热储氢罐中的水，水汽化后进入到汽包，通过控制蒸汽的外排压力控制储氢罐内的水温，产生的蒸汽进入到相应压力的蒸汽管网进行回收，除氧水根据汽包系统中的液位自动进行补充。

步骤S106：当储氢管储氢材料温度不再降低时，即加氢反应结束，关停压缩机，回收储氢罐剩余氢气(亦可带压运输)，关闭储氢装置与汽包系统间的阀门，放净储氢罐中的水，关闭其他连接阀门，拆卸连接管线、电缆及接地。

本实施例提出的加氢方法，车辆将储氢装置运输至氢气加工厂，压缩机将氢气压缩至预设压强后进入到预热器，预热器将氢气加热到预设温度后使氢气进入到储氢罐，在储氢罐中氢气与储氢介质反应并释放出热量并生成金属氢化物，完成加氢后通过车辆运输至加氢站或用氢地点。本实施例公开的加氢方法，氢气与储氢介质反应生成金属氢化物，通金属氢化物储运氢气，质量储氢密度、体积储氢密度均很高，加氢速度快，提高了氢气的储运效率；而且，金属氢化物常温常压即可储存，不仅方便运输，同时避免了高压储氢可能发生爆炸的危险，提高了安全性。

实施例四

本实施例提出了一种放氢方法，应用于实施例二所述的氢气储运系统，对储氢装置的储氢管中储存的金属氢化物进行加热，释放出氢气并输出。

上述方法的一个具体实现流程如图4所示，包括：

步骤S201：储氢装置在加氢站加氢完毕后，到达加氢站或者用氢地点，将出口过滤器一端预先与储氢装置储氢罐的氢气区连接，另一端与加氢站或者用氢地点的氢气输出管道连接，连接安全阀排放管线，给电控系统供电，将储氢装置接地。

步骤S202：电控系统控制打开电加热器，通过调节电加热器功率将储氢管温度控制在预设放氢温度范围内。预设放氢温度范围一般为300-320℃。

步骤S203：当储氢罐的压力不再减少时，氢气释放结束，关闭相关阀门，拆卸管线、电缆和接地线。

本实施例提出的放氢方法，储氢装置完成加氢后通过车辆运输至加氢站或用氢地点，通过调节电加热器功率将储氢管温度控制在预设放氢温度范围内，保证氢气平稳释放，完成放氢过程。本实施例公开的放氢方法，通金属氢化物储运氢气，质量储氢密度、体积储氢密度均很高，只需将储氢管加热到预设放氢温度范围，即可使氢气释放，放氢速度快，提高了氢气的储运效率；金属氢化物常温常压即可储存，不仅方便运输，同时避免了高压储氢可能发生爆炸的危险，提高了安全性。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。