一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢装置及方法

技术领域

本发明涉及储氢装置技术领域，具体涉及一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢装置及方法。

背景技术

相较于传统化石能源，氢气作为一种可再生的绿色能源，因其优越的特性，备受国际社会的关注。目前储氢合金仅在汽车领域应用较为成熟，其他领域有待发展。储氢合金的应用不仅仅需要储氢性能优异的储氢合金，同时还需要其发挥优异储氢性能的媒介，而这里的媒介正是储氢合金反应装置，两者耦合使用，协同发展。储氢合金反应过程中，晶格体积发生涨缩，合金涨缩产生的应力被合金反应装置消纳，具体表现为反应装置产生的轴向和周向应变，与此同时储氢合金吸放氢循环过程中，合金不断涨缩，经过多次循环后，合金粉化至微米级，加之循环压缩效应使得合金板结，进而造成吸放氢过程中合金更大的膨胀，产生更大的应力，同时，合金板结增大传热阻力，合金吸放氢过程的传热受阻，抑制吸放氢反应的发生。合金涨缩产生的应力影响反应装置使用寿命，合金板结增大热阻抑制了合金的快速反应。

储氢反应装置的性能取决于其材料、结构设计和运行方式，其中结构设计和运行方式是优化重点，从以上两方面缓解合金粉化团聚以及增强反应装置传热。现有储氢反应装置主要存在以下问题：合金颗粒由于自身沉降效应，沉积板结到反应装置空间底部，底部合金膨胀空间不足，导致底部塑变失效甚至断裂；合金整体存在受热不均不足现象储氢合金反应局部滞后甚至失效；合金颗粒在反应装置内的填充密度不均匀，导致合金颗粒的团聚板结，存在合金与氢气反应不充分的现象，影响了装置吸放氢性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢装置，能够使储氢反应装置应力缓解、传热改善措施，大幅度提升了反应装置的安全可靠性和快速响应性。

本发明的技术方案如下：

在本发明的第一方面，提供了一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢装置，包括电动旋转台和储氢反应装置，所述储氢反应装置通过可拆卸夹具固定在电动旋转台上，电动旋转台带动储氢反应装置旋转，所述储氢反应装置内设置有换热流体管和氢气管，其中所述换热流体管为螺旋搅拌桨，储氢反应装置内填充储氢合金，所述螺旋搅拌桨对储氢合金进行搅动，螺旋搅拌浆内的换热流体将热量传入或者传出储氢合金，在吸放氢的过程中，传热和传质同时进行。

在本发明的一些实施方式中，所述储氢反应装置为圆柱体结构，可拆卸夹具固定在储氢反应装置的侧壁上，电动旋转台带动储氢反应装置绕着径向进行旋转。

在本发明的一些实施方式中，所述氢气管经过旋转接头与高压储氢装置或者用氢仪器设备相连通，所述换热流体管经过旋转接头与换热流体循环集装箱相连且形成回路。

在本发明的一些实施方式中，所述氢气管包括氢气主管和氢气支管，所述氢气主管与多根氢气支管相连，多根氢气支管在储氢反应装置内均匀分布；所述换热流体管包括换热流体主管和换热流体支管，所述换热流体主管与多根换热氢气支管相连，多根换热流体支管在储氢反应装置内均匀分布。

在本发明的一些实施方式中，所述氢气主管和换热流体主管通过气液嵌套管与氢气支管和换热流体支管相连。

在本发明的一些实施方式中，所述气液嵌套管与氢气支管、换热流体支管之间设置有搅拌电机，所述搅拌电机设置在保护外壳内。

在本发明的一些实施方式中，所述电动旋转台通过支架安装在固定平板上，所述固定平板设置在绝热耐压外壳的内部。

在本发明的一些实施方式中，所述储氢反应装置的外壳设置加热保温设备，工作温度为-20-400℃。

在本发明的一些实施方式中，所述储氢反应装置内部管道之间填充储氢合金和润滑剂，所述储氢反应装置外部包裹相变材料。

在本发明的第二方面，提供了一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢方法，在吸放氢循环过程中，储氢反应装置处于外部旋转和内部搅动状态，内部储氢合金处于“旋转传热搅动”状态，使合金在反应装置内乱序无规则运动，并且即时传输反应热量，缓解反应装置承受的膨胀应力，提高合金吸放氢反应及时响应程度。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1、本发明中储氢反应装置为旋转传热搅动式，长径比约为0.2～0.5，在吸放氢工作过程中，储氢反应装置处于0.3～3.0r/min低速旋转状态，螺旋搅拌管呈1-100r/min低中速旋转状态，通过搅拌向体系内引入机械能，抑制合金板结，使得合金始终处于搅动乱序状态，合金在反应装置内无规则运动，实际上加速了微颗粒的下沉降，通过反应装置旋转，下部微颗粒位置发生变换，继续下沉降，颗粒在整个反应装置内做无规则运动，可快速的使得合金颗粒变换位置，充分占据反应装置内部空间，从原理上克服了静态合金反应装置吸放氢过程中产生的沉降效应和循环压缩效应；在吸放氢工作过程中，螺旋搅拌管内部换热流体呈15～25L/min匀速流动，运输吸氢反应热或提供放氢反应热，加快储氢合金反应传质过程，总而言之，储氢反应装置呈“外旋内转”和持续换热状态，有效抑制了合金的沉降板结，缓解了静置反应装置内普遍存在的由合金吸放氢涨缩引起的循环压缩效应、人工装填的不均匀度、微米级颗粒的沉降效应以及合金吸放氢过程传热不均不足现象，是新型、简单、可靠、高效的储氢反应装置应力缓解、传热改善措施，大幅度提升了反应装置的安全可靠性和快速响应性。

2、本发明中合金始终处于旋转传热搅动状态。合金在反应装置内保持无规则运动克服沉降效应和循环压缩效应，使得合金能够充分利用反应装置内部空间吸氢膨胀，同时反应装置通过旋转搅拌引入机械能，抵消合金的重力势能以及吸放氢循环过程涨缩产生的压缩能，从原理上克服沉降效应和循环压缩效应，其中反应装置配件间的摩擦力通过润滑剂涂层消解；同时合金在反应装置内始终与换热流体进行动态热量转移，保证反应热及时输出输入，从原理上解决传热不均不足，合金反应受阻的问题，相比于传统反应装置单一应力缓解技术(增加反应装置强度、牺牲系统储氢密度、严格控制储氢合金填充量和工作条件等)或改善传热(翅片、静态螺旋管、板式结构、冷却管、泡沫铝等)手段具有显著的综合性和优越性。

3、本发明通过将固定储氢反应装置的夹具与电动俯仰台连接以及储氢反应装置内部螺旋搅拌管与搅拌电机连接，使得反应装置内合金颗粒始终处于无规则“旋转传热搅动”状态，第一方面，克服合金颗粒自身沉降效应，有效防止微米级粉末沉积板结到反应装置空间底部，反应装置局部填充率更加均匀稳定，降低反应装置底部应力集中风险，合金颗粒在反应装置内部的均匀分布使得反应装置受力更加分散，提升了反应装置的整体安全性；第二方面，反应系统通过搅拌引入机械能，抑制合金颗粒的团聚板结，使得合金可以充分接触氢气完全反应，又由于合金颗粒不停的转换位置，充分占据反应装置内部空间，储氢合金自由膨胀，大大提高反应装置的安全填充率；第三方面，改善合金整体受热不均不足现象，有效缓解储氢合金反应局部滞后甚至失效问题，搅拌螺旋管内部换热流体提供或吸收热量，又由于螺旋管处于旋转搅动状态，其与合金充分接触完成换热，使得反应装置内部合金温度分布更加一致，更充分调动合金整体反应，提供反应装置整体吸放氢性能。最终可实现反应装置内合金颗粒安全填充率更高，填充密度更均匀稳定，粉化合金团聚板结现象明显好转，反应装置传热明显更加顺畅，合金整体温度分布更加一致，吸放氢热力学动力学得到改善，大幅度缓解反应装置局部应力过大引起的塑变失效以及传热不均不足引起的合金局部反应滞后失效现象，提高反应装置安全可靠性和快速响应性，不仅延长反应装置的循环使用寿命还提高了系统储氢密度、响应效率和安全填充率。

4、在本发明储氢合金反应装置设计中，床体内部应力得到极大缓解，安全填充率可实现55％以上。且由于储氢合金处于无规则“旋转传热搅动”状态，反应装置内储氢合金的整体填充密度均匀稳定，整体温度分布均匀一致，合金可快速充分吸氢膨胀，因此其安全填充率大幅增长，响应速度大幅增加，储氢密度、传热特性和反应装置的性价比得到明显提高。

附图说明

图1为本发明储氢合金快速反应装置的正视图；

图2为本发明储氢合金快速反应装置的侧视图；

图3为本发明储氢合金快速反应装置的俯视图；

图4为本发明实施例1中的储氢反应装置内部结构的俯视图；

图5为本发明实施例1中的储氢反应装置内部结构的正视图；

图6为本发明实施例2的储氢反应装置内部结构的俯视图；

图7为本发明实施例2中的储氢反应装置内部结构的正视图；

图8为本发明实施例1或实施例2的储氢反应系统的管道线路图；

图9为现有技术中静态竖置反应装置储氢合金涨缩粉化移动以及温度分布示意图；图中：红色区域为高温区(＞300℃)；黄色区域为中温区(100-300℃)；绿色区域为低温区(＜100℃)；

图10为现有技术中静态横置反应装置储氢合金涨缩粉化移动以及温度分布示意图；

图11为本发明储氢反应装置内储氢合金涨缩粉化位置变换以及温度分布示意图。

图中：1、旋转接头；2、电动旋转台；3、支架；4、旋转平台；5、可拆卸夹具；6、储氢反应装置；7、PLC控制单元；8、固定平板；9、下部自锁快开搭扣；10、上部自锁快开搭扣；11、氢气管路；12；换热流体管路；13、绝热耐压外壳；14、启停按钮；15、电源；16、螺旋搅拌管；17、储氢单元；18、相变材料；19、润滑剂；20、气液嵌套管；21、三向管接头；22、氢气支管；23、两向管接头；24、搅拌电机；25、电机保护外壳；26、特定转换管接头；27、螺旋桨；28、氢气主管；29、换热流体主管；30、外壳；31、换热流体循环集装箱；32、静态竖置反应装置；33、储氢合金颗粒；34、细颗粒；35、微细颗粒；36、静态横置反应装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢装置，如图1-图3所示，包括电动旋转台2和储氢反应装置6，所述储氢反应装置6通过可拆卸夹具5固定在电动旋转台2上，电动旋转台2带动储氢反应装置6旋转，所述储氢反应装置内设置有换热流体管和氢气管，其中所述换热流体管为螺旋搅拌桨，储氢反应装置内填充储氢合金，所述螺旋搅拌桨对储氢合金进行搅动，螺旋搅拌浆内的换热流体将热量传入或者传出储氢合金，在吸放氢的过程中，传热和传质同时进行。

具体的，电动旋转台2通过联轴器与旋转平台4相连，旋转平台上设置一组可拆卸夹具5，用于固定储氢反应装置，保证储氢反应装置6稳定运行，电动旋转台通过联轴器带动旋转平台进行旋转，进而带动固定储氢反应装置进行旋转。电动旋转台2通过PLC控制单元7进行方向和速度控制，保证储氢反应装置6能够稳定低速旋转。电动旋转台2通过支架3安装在固定平板8上，旋转接头1、电动旋转台2、支架3、旋转平台4、可拆卸夹具5和固定平板8共同组成电动俯仰台，所述电动俯仰台整体设置在绝热耐压外壳13的内部，具体的，固定平板8通过螺栓固定在绝热耐压外壳13上。

在本实施例中，所述储氢反应装置6为圆柱体结构，可拆卸夹具5固定在储氢反应装置的侧壁上，电动旋转台2带动储氢反应装置绕着径向进行旋转。具体的，可拆卸夹具5通过螺母固定在旋转平台4上，所述可拆卸夹具5可根据储氢反应装置6外观以及工作条件做出相应的调整和更换，包括尺寸大小、形状、运行方式等。

进一步地，所述储氢反应装置内的氢气管和换热流体管穿过的储氢反应装置的一端与旋转接头1连接，其中，所述氢气管路11经过旋转接头与高压储氢装置或者用氢仪器设备相连通，所述换热流体管路12经过旋转接头与换热流体循环集装箱31相连且形成回路，换热流体形成循环利用，保证快速的热量转移。

进一步地，如图4和图5所示，进入储氢反应装置的氢气管路11和换热流体管路12通过特定转换管接头26与储氢反应装置6内部气液嵌套管20连通，所述气液嵌套管包括内管和外管，内管为氢气管路，外管为换热流体管路，两者形成套管结构，特定转换管接头26实现氢气管路11和换热流体管路12同气液嵌套管20的转换。

储氢反应装置6的内部设有螺旋搅拌管16，所述螺旋搅拌管16包括螺旋桨27、气液嵌套管和氢气支管22，具体的，所述螺旋搅拌管16中的气液嵌套管的一端与搅拌电机24连接，气液嵌套管的另一端分成独立的氢气支路和换热流体支路，换热流体支路为螺旋桨27内部的换热流体通路，螺旋桨27的端部通过旋转接头并入外部换热流体管路，通过外部换热流体管路循环集装箱31中转，换热流体形成循环利用，保证快速的热量转移。

进一步的，所述氢气支管22、螺旋桨27内部换热流体通路经过气液嵌套管20与氢气主管28、换热流体主管29相连；具体的，氢气主管28、换热流体主管29通过特定转换管接头26与气液嵌套管20连接，气液嵌套管20通过三向管接头21或两向管接头23与搅拌电机24内部连通，实现氢气吸放和换热流体流动；两向管接头23设置在最外端搅拌电机24的顶端，三向管接头21设置在除最外端搅拌电机的其余搅拌电机的顶端。

在本实施例中，储氢反应装置内的氢气管包括氢气主管28和氢气支管22，所述氢气主管与多根氢气支管相连，多根氢气支管在储氢反应装置内均匀分布；储氢反应装置内的换热流体管包括换热流体主管29和换热流体支管，所述换热流体主管29与多根换热氢气支管相连，多根管热流体支管在储氢反应装置内均匀分布。

在本实施例中，所述螺旋搅拌管16与搅拌电机24相连，在搅拌电机的驱动下，螺旋搅拌管在储氢反应装置内进行搅动，所述搅拌电机24设置在电机保护外壳25内，隔离相变材料，保证搅拌电机稳定工作。

在本实施例中，所述储氢反应装置6的外壳30设置加热保温设备，为电加热器，工作温度为-20-400℃，并做绝热保温处理。

在本实施例中，所述储氢反应装置内部管道之间填充储氢合金和润滑剂19，所述储氢反应装置6外部包裹相变材料18。

在本实施例中，电动旋转台2电机为低速电机，与旋转平台4连接，固定在支架3上，保证储氢反应装置6稳定低速旋转运行；搅拌电机24为低中速电机，内部设置旋转接头与螺旋搅拌管16连接，保证传热传质旋转状态下稳定进行。

在使用时，储氢合金反应系统连通电源15，为电动旋转台2、储氢反应装置6、PLC控制单元7、搅拌电机24、储氢反应床的外壳30提供电能。

绝热耐压外壳13的侧面和盖板分别分布着若干个上部自锁快开搭扣10和下部自锁快开搭扣9，方便打开绝热耐压外壳13，换修储氢反应装置6内部构件，所述绝热耐压外壳13上设置PLC控制器，通过PLC控制器控制电动旋转台和搅拌电机24，实现储氢反应装置6的外部旋转和内部搅动；PLC控制显示单元能够实时监测储氢反应内部储氢压力、温度、装置应力、氢气流量、转速等主要参数，并具备自动记录历史数据、异常自动分析声光报警等功能；PLC控制单元7上设有就地启停按钮14，能够随时控制装置的启停。

在本实施例中，相变材料18为类表面镀铜或银的NaNO

进一步地，润滑剂19为胶体二氧化硅(Aerosil R805，由二氧化硅纳米颗粒组成)，储氢反应装置内部负载率为2.5～3.5wt％，前者为基础经辛基硅烷后处理的疏水型气相法二氧化硅，比表面积为125～175m

本实施例中，螺旋搅拌管除了搅拌功能外，还兼顾传热和传质功能，现对具体实现路径进行详述。

如图8所示，螺旋搅拌管16的螺旋浆和氢气支管通过顶部气液嵌套管20与搅拌电机24相连，转动部分与旋转接头连接，实现搅拌功能；氢气通过供氢端进入氢气管路11，然后进入氢气主管，换热流体通过换热流体循环集装箱31进入换热流体管路12，然后进入换热流体主管，氢气主管和换热流体主管在特定转换接头26处汇入气液嵌套管20，气液嵌套管20经过两向管接头23或者三向管接头21将气液嵌套管从搅拌电机24延伸出，并且延伸出的气液嵌套管在管路分支点分支成氢气管路和换热流体管路，其中氢气管路为氢气支管22设置在搅拌轴位置，氢气由氢气支管末端通入反应装置内部，与储氢合金接触反应，完成吸放氢过程，实现传质功能，而换热流体管路为设置在螺旋桨27内部的换热流体通路，螺旋桨27末端一体连接换热流体管路，换热流体由换热流体出口端排出，换热流体出口端设置在储氢反应装置外部，经过换热流体汇流管道进入换热流体循环集装箱，形成热量传输循环，实现传热功能。

本实施例中，储氢反应装置6为圆柱形，高径比约0.2～0.5，储存容量可按照不同场合需氢量设计，在此不再赘述。

储氢反应系统通过换热流体和相变材料18实现热量传递和循环，同时利用螺旋搅拌管16搅动储氢反应装置6内部储氢合金颗粒33，储氢合金颗粒33始终处于“旋转传热搅动”状态，另外储氢反应装置6内部填充的润滑剂19可大幅降低储氢合金颗粒33、储氢反应装置6内壁以及螺旋搅拌管16之间的摩擦力，减小能量损耗，使得反应装置内储氢合金的整体填充密度均匀稳定，整体温度分布均匀一致，合金可快速充分吸氢膨胀，提高反应装置安全可靠性和快速响应特性，延长反应装置的循环使用寿命，提高系统储氢密度、安全填充率以及吸放氢效率。

实施例2

作为本发明的另一个实施例，与实施例1的不同之处在于，如图6-7所示，储氢反应装置6内包含若干个标准储氢单元17，具体数量视实际情况而定，储氢单元为标准单元氢气罐内部填充有储氢合金颗粒33、导热剂，标准单元氢气罐外部与储氢反应装置6之间填充包裹相变材料18，标准单元氢气罐顶部设置过滤密封垫片，防止管道堵塞，然后搅拌螺旋管通过带密封结构的固定接头与搅拌电机24连通，进一步的，搅拌电机24内部设置旋转接头，衔接搅拌螺旋管16和气液嵌套管20，实现吸放氢反应过程。

所述螺旋搅拌管16包括螺旋桨27、螺旋轴、气液嵌套管和氢气支管22，具体的，所述螺旋搅拌管16中的气液嵌套管的一端与搅拌电机24连接，其中气液嵌套管的另一端分成独立的氢气支路和换热流体支路，换热流体支路为螺旋轴内部的换热流体通路，螺旋轴的底部设置一体合成的换热流体管路，通过外部换热流体管路循环集装箱31中转，换热流体形成循环利用，保证快速的热量转移。

将现有技术中的静态竖置反应装置32、静态横置反应装置36和实施例1或者实施例2中的储氢反应装置6内的储氢合金涨缩粉化移动以及温度分布进行对比分析：

如图9所示，静态竖置反应装置32的应力集中在反应装置底部1/4高度向下部分，储氢合金初始位置状态和温度分布见图9中的(1)，合金吸放氢循环中合金颗粒开始粉化，部分金属颗粒粉化为细颗粒34和微细颗粒35，粉化后合金在自身重力以及循环压缩效应的共同作用下沉积在反应装置底部，导致底部局部合金密度持续增加，合金吸放氢循环过程中，底部膨胀空间越来越有限，由于合金持续累积并伴随板结，储氢反应装置6底部出现应力累计，反应装置承受的膨胀应力越来强，最终突破承受界限，竖置储氢反应装置6或标准竖置单元储氢罐底部最先出现形变，最终塑变失效甚至破裂；同时，因为合金之间的传热性能差，反应装置内温度梯度明显，中心位置的热量不能及时得到疏散，导致反应装置内部温度累积，形成高温区，反过来抑制吸氢反应的进行，随着合金粉化堆积板结，反应装置底部传热阻力进一步增加，最终导致储氢合金颗粒33丧失原有的储氢性能，减缓了吸放氢速率甚至使得反应进程终止。

如图10所示，静态横置反应装置36的应力集中在反应装置下表面，合金密度由开口端沿轴向升高2.5～6％不等，储氢合金初始位置状态和温度分布见图10中的(1)，合金吸放氢循环中合金颗粒开始粉化，部分金属颗粒粉化为细颗粒34和微细颗粒35，粉化后合金在自身重力以及循环压缩效应的共同作用下沉积在反应装置下表面，导致下表面局部合金密度持续增加，合金吸放氢循环过程中，下表面膨胀空间越来越有限，由于合金持续累积并伴随板结，储氢反应装置6下表面出现应力累计，反应装置承受的膨胀应力越来强，最终突破承受界限，横置储氢反应装置6或标准竖置单元储氢罐底部最先出现形变，最终塑变失效甚至破裂；同时，因为合金之间的传热性能差，反应装置内温度梯度明显，中心位置的热量不能及时得到疏散，导致反应装置内部温度累积，形成高温区，反过来抑制吸氢反应的进行，随着合金在下表面粉化堆积板结，反应装置下表面传热阻力进一步增加，高温区下移，最终导致高温区内储氢合金颗粒33丧失原有的储氢性能甚至失效。

如图11所示，本实施例的储氢反应装置66，吸放氢过程中外部呈低速旋转状态，内部呈搅动传热状态，即“外旋内转”状态，储氢反应装置6或标准单元储氢罐内部合金颗粒处于无规则“旋转传热搅动”状态，合金初始位置以及温度分布见图11中的左图，其中储氢合金颗粒33吸放氢循环中破碎粉化不可避免，但通过“外旋内转”可以克服合金颗粒分化后的沉降堆积以及板结成块，从根本上消解沉降效应和循环压缩效应带来的不利影响；同时，螺旋搅拌管16内换热流体输入/输出热量，螺旋管转动使得传热更加全面，储氢合金颗粒33温度分布更加一致，高温区向低温区转移，成功解决合金吸放氢过程中热量集聚无法及时疏散的问题，最终实现储氢反应装置6内合金颗粒乱序“搅动传热”终状态，大大提高储氢反应装置的安全填充率和快速响应性。

综上所述，本实施例的旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢装置以及方法，最终可实现反应装置内合金颗粒安全填充率更高，内部空间利用更充分，粉化沉降堆积板结现象明显改善，大幅降低反应装置局部应力过高造成的塑变失效；反应装置内热量及时输送，温度分布更加均匀一致，吸放氢反应进程更加快速，不仅提高反应装置的安全可靠性和循环寿命，同时提高了反应装置的反应效率和稳定性。

实施例3

本实施例提供了一种旋转螺旋搅拌储氢合金快速吸放氢方法，包括：在吸放氢循环过程中，储氢反应装置处于外部旋转和内部搅动状态，内部储氢合金处于“旋转传热搅动”状态，使合金在反应装置内乱序无规则运动，并且即时传输反应热量，缓解反应装置承受的膨胀应力，提高合金吸放氢反应及时响应程度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。