一种自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法

技术领域

本发明涉及氢能源储存技术领域，具体为一种自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法。

背景技术

氢气作为一种能源载体，已日益引起各国学术界和工业界的极大兴趣，其具有高能量热值密度、循环利用、且排放无污染的优点，已成为现阶段替代碳氢燃料的最佳选择，特别是能为氢燃料电池汽车提供动力，大幅降低对燃油的依赖，具有广泛的应用前景。

目前具有代表性的储氢方式主要有三种，包括高压气态储氢、液态存储以及固态储氢，高压气态储氢技术成熟，结构简单、成本低、充放氢方便，但其质量储氢密度低，且氢气瓶内部高压，具有泄露或爆炸的安全隐患；液态储氢是将液化后的氢气储存在低温绝热的容器中，其质量储氢密度较高，但氢气需要压缩和降温并保存在绝热低温箱内，耗能极大，维护成本高。固态储氢将氢气存储在固体材料中，加热后氢气会从合金材料中释放出来。固态储氢爆炸风险低、储存压力低、体积储氢密度更高。

在中国专利公开号为CN114001274B的发明专利中，提出用了一种外加热式固态储氢系统及其充氢放氢的方法，本申请的固态储氢容器使用外部加热形式，这样虽然能提供容器放氢所需的温度，但会提高整个系统的复杂程度；在中国专利公开号为CN114709444A的发明专利中，提出用了一种基于快速自加热固态储氢装置的燃料电池系统及启动方法，本申请中当固态储氢容器放氢在200℃以上时，使用水浴加热的方式则满足不了需要的温度，且在不具有加热条件的场合下，环境温度难以达到放氢所需的温度，这种情况下难以使用固态储氢容器。

发明内容

(一)解决的技术问题

为解决上述问题，本发明提出一种自热型金属氢化物快速放氢装置，该装置可在无外部加热状态下，通过氢气和氧气在催化剂的作用下进行反应产生热量，达到储氢合金需要的放氢温度，进而完成放氢。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，包括储氢罐体，所述储氢罐体内填充有用以储氢的储氢合金和氢氧反应催化剂，所述罐体设置有五层的同心不锈钢管，所述同心不锈钢管的上下两端通过底板、底端盖板、上层盖板进行连接，所述底板上设置有凹槽，同心不锈钢管和卡槽对接后通过焊接连接，底板下端留有同心凹槽，底板和底端盖板连接后存在一个圆形凹槽空间，底板和底端盖板使用螺栓连接。所述上层盖板上设置有凹槽，同心不锈钢管的前四层和上层盖板卡槽对接后使用垫片进行密封并用螺柱进行连接封闭，同心不锈钢管的第五层与上层盖板凹槽对接后通过环形焊接进行连接，所述同心不锈钢管每两层之间的空间达到密封，储氢罐体的底部设有下端法兰盘，储氢罐体的顶部设有上端法兰盘，下端法兰盘和上端法兰盘之间设置有螺柱和螺栓。

优选的，所述同心不锈钢管的第一、三和五层放置用以储氢的储氢合金材料，第二和四层放置用以催化氢气和氧气进行反应放热的催化剂材料，所述两部分分别作为氢气管路和催化剂管路。

优选的，所述第一、三和五层的同心不锈钢管环形空间和上层盖板接触处都进行打孔并安装过滤网，过滤网包括上端过滤网和下端过滤网，所述三层空间和一个进出氢口阀门通过一个四通接头连通，进出氢口阀门后端安装过滤器，所述结构作为氢气管路。

优选的，所述催化剂管路包括空气单向阀、氢气单向阀、空气微调阀、氢气微调阀和三通接头，第二和四层的同心不锈钢管环形空间和上层盖板接触处进行打孔并安装过滤网，所述空气管路和氢气管路通过一个三通和第二层环形空间盖板开孔连接，所述第二、四层的空间底部连通，和底板下的圆形凹槽空间连通。

优选的，所述储氢罐体和管路均使用不锈钢材质，储氢罐体的底板和底端盖板、底板和上层盖板之间使用螺柱进行连接固定。

优选的，所述储氢罐体的每层空间中都使用波浪夹层结构，且在每层空间中都焊接一个可插温度传感器的温度传感器套管。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，具备以下有益效果：

1、该自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，固态储氢容器在完成充氢后，将氢气和空气引入催化剂层通过反应进行放热，为自身的放氢反应提供所需的热量，无需使用外部加热装置进行加热，减少了能源的损耗。

2、该自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，固态储氢容器为多层套管式结构，将储氢合金放置在三层空间内，提高了充放氢时合金和氢气的反应面积，提高了充放氢的反应速率。

3、该自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，固态储氢容器内部设置波浪夹层，有效提高反应的接触面积，减少反应过程中粉末的堆积效应。

4、该自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，固态储氢容器的每两层储氢合金之间夹一层进行放热反应的催化剂层，避免了反应热的流失，最大程度地提高了反应热的利用率。

5、该自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法，本固态储氢容器由于采用多个空间放置储氢合金材料，储氢容器工作压力比较低，相比现有技术中的高压储氢安全可靠、氢气能长期存储等，本储氢系统可直接为低压工作动力源提供氢气，如为氢燃料乘用车的氢燃料电池补充氢源等。

附图说明

图1为本发明内部充氢自热型金属氢化物快速放氢装置的示意图；

图2为本发明内部充氢自热型金属氢化物快速放氢装置罐体的示意图；

图3为本发明外部充氢自热性金属氢化物快速放氢装置；

图4为本发明罐体底板的纵向剖视图；

图5为本发明罐体上层盖板的纵向剖视图；

图6为本发明自热型金属氢化物快速放氢装置的侧面剖视图。

图中：1-储氢罐体，11-同心不锈钢管，12-下端法兰盘，121-螺柱，122-螺栓，123-下端过滤网，13-底盖，14-上端法兰盘，141-上端过滤网，15-温度传感器套管，2-系统管路，21-氢气管路，211-四通接头，212-过滤器，213-进出氢口阀门，22-催化管路，221-空气单向阀，222-氢气单向阀，223-空气微调阀，224-氢气微调阀，225-三通接头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-6，本实施例提出一种自加热金属氢化物储氢装置包括1-储氢罐，11-同心不锈钢管，12-下端法兰盘，121-螺柱，122-螺栓，123-下端过滤网，13-底盖，14-上端法兰盘，141-上端过滤网，15-温度传感器套管，2-系统管路，21-氢气管路，211-四通接头，212-过滤器，213-进出氢口阀门，22-催化管路，221-空气单向阀，222-氢气单向阀，223-空气微调阀，224-氢气微调阀，225-三通接头。

储氢罐体1设置了五层同心不锈钢管11，每两层同心不锈钢管11之间构成储料空间，储氢材料放置于第一、三和五层氢气空间中，氢气进出阀门213通过一个四通211与第一、三和五层氢气空间接通，用于向储氢罐体1内部输入氢气和储氢材料反应进行储氢，还用于向外输出存储的氢气，第一、三和五层氢气空间和管路连接处安装过滤网141，氢气进出阀门213后端安装过滤器212其中带有过滤片，防止放氢过程中储氢合金进入管路当中。

催化剂材料放置于第二和四层催化剂空间中，催化剂空间夹在三个氢气空间中，催化剂管路22由空气单向阀221、氢气单向阀222、空气微调阀223、氢气微调阀224、过滤器212组成，空气单向阀221、氢气单向阀222用一个三通和第二层催化剂空间进行连接，催化反应的氢气由外部通过管路提供，流量可以通过氢气微调阀224进行调节，范围为5-10L/min，催化反应的空气由外部通过管路提供，通过空气微调阀223进行流量调节，范围为3-5L/min。第二和四层催化剂空间底部打孔并安装滤网123，和圆形凹槽空间连通，第四层催化剂空间的上层法兰盘14打孔并安装滤网141和大气连通，便于废气排出。

催化反应使用呈粉末状催化剂，便于装填在催化剂空间中，并能增加和反应所需氢气氧气的接触面积更充分地进行反应，反应温度范围最高可达300℃，反应能稳定进行放热，达到储氢合金的放氢温度。

储氢罐的五层同心不锈钢钢管11组成的储料空间分别为0.6L、0.78L、0.78L、1.2L、1.4L，合金和催化剂填充2/3的储料空间。

该自加热金属氢化物储氢装置的工作原理是：打开氢气进出阀门213后，使用压力为3MPa的气源将氢气通过氢气进出阀门输入到第一、三和五层氢气空间中，与储氢材料发生反应生成金属氢化物，一段时间后关闭氢气进出阀213完成加氢。需要放氢时从空气单向阀221、氢气单向阀222分别通入空气和氢气，通过空气微调阀223、氢气微调阀224将气体调整至合适的流量，在三通225处进行混合并输入到第二层催化剂空间，并通过下端过滤网123和孔洞通往第4层催化剂空间，气体通过上端法兰盘14上的上端过滤网141流出第四层进入大气排出废气，生成的水一部分跟随废气排出，一部分沉积在下端法兰盘12和下层盖板之间的圆形凹槽空间内。由于每两层储氢合金之间都夹一层催化剂，氢气和氧气经过催化反应生成的热量能高效地传递给储氢合金层，给储氢合金提供放氢反应需要的温度，最后打开氢气管路的氢气进出阀门213开始放氢，完成充放氢流程。

本实施例中的固态储氢结构，采用镧镍基稀土合金作为储氢材料，在第二和四层空间中都装填催化剂，使氢氧反应更加充分，释放更多的热量，温度可达100-400℃，在放氢需求比较大时足够提供放氢所需的热量，可以实现稳定快速地放氢，解决了在无外部加热条件下因储氢材料温度低放氢困难的问题，有效提高了固态储氢容器的实用性。

实施例2：

当放氢速率要求低时，采用和实例1不同的填料方式，第一、三和五层氢气空间填装储氢合金，第二层空间填装催化剂，第四层不装料，管路和阀门的设计参考实例1。

在第二层装填催化剂，第四层不装填催化剂，降低氢气和氧气通入的速率，氢气和氧气只在第二层发生催化反应放热，由废气将反应热代入到第四层中，温度在50-80℃之间，足够满足固态储氢容器较低的放氢要求，可节省反应气体的消耗，减少成本。

实施例3：

参考图6，当外界无法对储氢罐体1输入氢气进行催化反应加热时，改变管路的布置，使用储氢罐体1储氢合金储存的氢气和外界的空气通入催化层进行催化反应，给自身进行加热，使储氢合金层达到放氢的温度，进行对外放氢。

将第五层氢气空间的管路连接一个三通，一边和氢气管路21相连，一边和催化剂管路22的氢气单向阀222相连。由于储氢罐体1充氢结束后，不需加热也可以放出少量的氢气，当外界没有氢气输入时，打开催化剂管路22的氢气微调阀224放出氢气，和外界的空气混合进入催化剂层，进行催化反应放热达到储氢罐体1内储氢合金的放氢温度要求，正常向外放氢，第五层是使用三通连接，所以第五层和第一、三层由氢气管路21向外放氢不会受到影响。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。