一种内部带有换热结构的固态储氢罐及其制备方法

技术领域

本发明涉及储氢罐设计技术领域，具体而言，涉及一种内部带有换热结构的固态储氢罐及其制备方法。

背景技术

目前储氢方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢等，相比于高压气态储氢和低温液态储氢，固态储氢具有体积储氢密度高、不需要高压容器和隔热容器、安全性好、无爆炸危险、可获得高纯氢、操作方便等优点，而现有技术中，对于采用固态储氢技术的储氢罐，其内部一般都设计了复杂的换热结构，在正常手段下无法将换热结构从储氢罐的瓶口取出更换，以致出现换热结构损坏后整个储氢罐也随之报废的现象，导致造成不必要的资源浪费。

针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内部带有换热结构的固态储氢罐及其制备方法，换热组件能够从储氢罐瓶口处拆卸取出，便于维修和更换，有利于节约资源。

第一方面，本发明提供一种内部带有换热结构的固态储氢罐，包括：

罐体，所述罐体内设置有固态储氢材料；

换热组件，所述换热组件以可拆卸连接的连接方式安装在所述罐体其中一端的瓶口上，所述换热组件包括换热管组，所述换热管组通过瓶口伸入到所述罐体内并与所述固态储氢材料接触，所述换热管组用于与所述固态储氢材料进行热交换。

本发明提供的内部带有换热结构的固态储氢罐，采用可拆卸的换热组件，便于用户取出换热组件，实现对换热组件进行维修和更换，有利于节约资源，使产品本身更加环保。

进一步的，所述换热组件还包括第一瓶口转接头，所述换热管组插接固定在所述第一瓶口转接头上，所述第一瓶口转接头以螺纹连接的连接方式安装在所述罐体其中一端的瓶口上。

以螺纹连接的连接方式安装在瓶口上，一定程度上能够依靠螺纹之间的配合间隙提高储氢系统的密封性，进一步避免氢气泄露。

进一步的，所述第一瓶口转接头和所述罐体之间设置有密封垫。

设置密封垫能够进一步加强第一瓶口转接头和罐体之间的密封性，确保氢气不泄露。

进一步的，所述换热管组包括换热外管和换热内管，所述换热内管插接在所述换热外管内并与所述换热外管连通，所述换热内管用于把液体输入所述换热外管内，所述换热外管上设置有出水口。

换热内管和换热外管中持续注入液体形成循环回路，实现对固态储氢材料持续有效换热。

进一步的，所述固态储氢材料为固态储氢压块，所述罐体内设置有多个相互独立的所述固态储氢压块，相邻两个所述固态储氢压块之间设置有传热传质片。

进一步的，所述换热组件穿过所有所述固态储氢压块且与所有所述传热传质片接触。

进一步的，还包括导气组件，所述导气组件以可拆卸连接的连接方式安装在所述罐体另一端的瓶口上，所述导气组件用于输出氢气或输入氢气。

进一步的，所述导气组件包括阀门、导气管和第二瓶口转接头，所述阀门与所述导气管连接，所述导气管插接固定在所述第二瓶口转接头上，所述第二瓶口转接头以螺纹连接的连接方式安装在所述罐体另一端的瓶口上。

进一步的，所述第二瓶口转接头和所述罐体之间设置有密封垫。

第二方面，本发明提供了一种制备方法，用于制造上述的内部带有换热结构的固态储氢罐，所述内部带有换热结构的固态储氢罐还包括导气组件；所述换热组件还包括第一瓶口转接头；所述固态储氢材料为固态储氢压块，所述罐体内设置有多个相互独立的所述固态储氢压块，相邻两个所述固态储氢压块之间设置有传热传质片；包括以下步骤：

S1.沿所述罐体的径向方向将所述罐体切割成第一部分和第二部分；

S2.将所述换热管组插接在所述第一瓶口转接头上并通过焊接固定；

S3.从所述第一部分的瓶口将所述换热管组伸入到所述第一部分内并以螺纹连接的连接方式将所述第一瓶口转接头安装在所述第一部分的瓶口上；

S4.从所述第一部分的切口将多个所述固态储氢压块沿所述换热管组的轴向方向分层堆叠，相邻两层所述固态储氢压块之间放置所述传热传质片进行分隔；

S5.装填完所有所述固态储氢压块后，将所述第一部分和所述第二部分重新焊接成所述罐体；

S6.以螺纹连接的连接方式将所述导气组件安装在所述第二部分的瓶口上。

通过切分罐体的方式使用户更轻易地装填固态储氢压块，进而使整个制备过程更加便捷且高效，实施难度较低，因此实施成本也相对低廉。

由上可知，本发明提供的内部带有换热结构的固态储氢罐中换热组件通过可拆卸的连接方式与罐体连接，使得用户能够轻易地从罐体的瓶口处拆卸换热组件并将其取出，进而便于对换热组件进行维修和更换，有利于避免造成不必要的资源浪费，使产品本身更加环保。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的内部带有换热结构的固态储氢罐的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的内部带有换热结构的固态储氢罐的剖视图。

图3为本发明实施例中换热管组的结构示意图。

图4为本发明实施例中多个固态储氢压块和多个传热传质片的装配图。

图5为本发明实施例提供的制备方法的一种流程图。

标号说明：

100、罐体；110、第一部分；120、第二部分；200、换热组件；210、第一瓶口转接头；221、换热外管；222、换热内管；223、出水口；300、密封垫；400、固态储氢压块；500、传热传质片；600、导气组件；610、阀门；620、导气管；630、第二瓶口转接头；700、过滤片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1和附图2，图1是内部带有换热结构的固态储氢罐的结构示意图。该内部带有换热结构的固态储氢罐包括：

罐体100，罐体100内设置有固态储氢材料；

换热组件200，换热组件200以可拆卸连接的连接方式安装在罐体100其中一端的瓶口上，换热组件200包括换热管组，换热管组通过瓶口伸入到罐体100内并与固态储氢材料接触，换热管组用于与固态储氢材料进行热交换。

实际应用时，固态储氢材料在吸收氢气和释放氢气过程中都伴随较大的热效应，例如吸收氢气过程中，固态储氢材料会释放热量，释放氢气过程中，固态储氢材料会吸收热量，整个储氢系统所产生的热量或所消耗的热量都会改变储氢床体（储氢床体是储氢系统中的一个组成部分）温度，从而影响其压力平衡，以致吸收氢气和释放氢气的速度降低，甚至导致停止吸收氢气和释放氢气。

本实施例中，内部带有换热结构的固态储氢罐作为储氢系统，采用两端均设有瓶口的罐体100结构，以及采用结构紧凑的换热管组结构，使其能够通过罐体100的瓶口伸入到罐体100内部与固态储氢材料接触进行换热，同时整个换热组件200以可拆卸的方式安装在罐体100的瓶口处，当换热组件200受损时，用户可以轻易地将其从罐体100上拆卸并从瓶口处将其取出，进而便于用户对换热组件200进行维修或更换，装拆过程简单方便，且能够避免出现储氢系统因局部受损而不得不整体报废的现象，有利于减少不必要的浪费，有效节约资源，使产品本身更加环保。

在某些实施例中，固态储氢材料包括储氢材料和导热材料，储氢材料可以是钛铁系AB型、钛锰系AB2型、稀土系AB5型、钒基固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物等；导热材料可以是铝、铜或碳中的一种或几种的混合物。其中，储氢材料的质量比例为90%-99%，导热材料的质量比例为1%-10%。

在某些实施例中，参考附图1和附图2，换热组件还包括第一瓶口转接头210，换热管组插接固定在第一瓶口转接头210上，第一瓶口转接头210以螺纹连接的连接方式安装在罐体100其中一端的瓶口上。

本实施例中，换热管组可以通过焊接、粘接、铆钉连接等不可拆卸的连接方式固定在第一瓶口转接头210上，以此确保两者之间拥有足够的密封性，有利于避免氢气泄露。

而第一瓶口转接头210以螺纹连接的连接方式安装在瓶口上，一定程度上能够依靠螺纹之间的配合间隙提高储氢系统的密封性，进一步避免氢气泄露。

进一步的，参考附图2，第一瓶口转接头210和罐体100之间设置有密封垫300，设置密封垫300能够进一步加强第一瓶口转接头210和罐体100之间的密封性，确保氢气不泄露。

在某些实施例中，参考附图1、附图2和附图3，换热管组包括换热外管221和换热内管222，换热内管222插接在换热外管221内并与换热外管221连通，换热内管222用于把液体输入换热外管221内，换热外管221上设置有出水口223。

本实施例中，换热管组主要通过循环水与罐体100内的固态储氢材料进行换热，具体的，在释放氢气的过程中，通过往换热管组中注入循环流动的热水，固态储氢材料依靠吸收热水的热量实现稳定释放氢气；同理，在吸收氢气的过程中，通过往换热管组中注入循环流动的冷水，依靠冷水吸收固态储氢材料释放的热量实现稳定释放氢气。

在实际应用时，用户通过往换热内管222持续注入液体，由于换热内管222与换热外管221连通，液体流入到换热外管221中，最后经出水口223流出，以此形成循环回路，实现对固态储氢材料持续有效换热。

需要说明的是，注入换热管组中用于换热的介质仅限于水，也可以是其他具有良好导热能力的液体介质。

在某些实施例中，换热内管222伸入换热外管221内的一端距离换热外管221伸入罐体100内的一端5-15mm。

在某些实施例中，固态储氢材料为粉末状颗粒。

在某些优选实施例中，参考附图2和附图4，固态储氢材料为固态储氢压块400，罐体100内设置有多个相互独立的固态储氢压块400，相邻两个固态储氢压块400之间设置有传热传质片500。

本实施例中，相比于粉末状的固态储氢材料，通过模压制成环状的固态储氢压块400更便于用户搬运和装填到罐体100内（在装填过程中，固态储氢压块400直接套设在换热外管221上即可），有效增加了氢气的扩散路径，提高储氢罐的响应速度，同时粉尘较少，有利于保持作业环境的洁净。

此外，设置在相邻两个固态储氢压块400之间的传热传质片500能够增加换热管组和固态储氢压块400之间的热交换能力，增加氢气在固态储氢压块400之间流通的通道，实现高效传热的效果。

在某些实施例中，传热传质片为扇形结构，由铝、铜、碳中的任一种材料制成。

在某些实施例中，参考附图2，换热组件200穿过所有固态储氢压块400且与所有传热传质片500接触。

换热组件200与固态储氢压块400接触能够直接对固态储氢压块400进行热交换，而换热组件200与传热传质片500接触则能够间接对固态储氢压块400进行热交换，两者同时兼顾则能够确保固态储氢压块400得到有效换热，从而有利于确保整个储氢系统稳定吸收氢气或释放氢气。

在某些实施例中，参考附图1和附图2，内部带有换热结构的固态储氢罐还包括导气组件600，导气组件600以可拆卸连接的连接方式安装在罐体100另一端的瓶口上，导气组件600用于输出氢气或输入氢气。

导气组件600通过可拆卸的连接方式安装在罐体100上，方便用户装拆导气组件600，从而有利于对导气组件600进行维修或更换，进一步避免出现储氢系统因局部受损而不得不整体报废的现象，有利于减少不必要的浪费，有效节约资源，使产品本身更加环保。

进一步的，参考附图1和附图2，导气组件600包括阀门610、导气管620和第二瓶口转接头630，阀门610与导气管620连接，导气管620插接固定在第二瓶口转接头630上，第二瓶口转接头630以螺纹连接的连接方式安装在罐体100另一端的瓶口上。

本实施例中，导气管620可以通过焊接、粘接、铆钉连接等不可拆卸的连接方式固定在第二瓶口转接头630上，以此确保两者之间拥有足够的密封性，有利于避免氢气泄露。

而第二瓶口转接头630以螺纹连接的连接方式安装在瓶口上，一定程度上能够依靠螺纹之间的配合间隙提高储氢系统的密封性，进一步避免氢气泄露。

在某些实施例中，第二瓶口转接头630和罐体100之间设置有过滤片700，过滤片700为多孔金属烧结体，过滤精度为50-150um，能够有效过滤氢气中的杂质，确保充入或输出的氢气足够纯净。

在某些实施例中，参考附图2，第二瓶口转接头630和罐体100之间设置有密封垫300，设置密封垫300能够进一步加强第二瓶口转接头630和罐体100之间的密封性，确保氢气不泄露。

请参照图5，图5是制备方法的流程图。该制备方法，用于制造上述实施例中的内部带有换热结构的固态储氢罐，内部带有换热结构的固态储氢罐还包括导气组件；换热组件还包括第一瓶口转接头；固态储氢材料为固态储氢压块，罐体内设置有多个相互独立的固态储氢压块，相邻两个固态储氢压块之间设置有传热传质片；包括以下步骤：

S1.沿罐体的径向方向将罐体切割成第一部分和第二部分；

S2.将换热管组插接在第一瓶口转接头上并通过焊接固定；

S3.从第一部分的瓶口将换热管组伸入到第一部分内并以螺纹连接的连接方式将第一瓶口转接头安装在第一部分的瓶口上；

S4.从第一部分的切口将多个固态储氢压块沿换热管组的轴向方向分层堆叠，相邻两层固态储氢压块之间放置传热传质片进行分隔；

S5.装填完所有固态储氢压块后，将第一部分和第二部分重新焊接成罐体；

S6.以螺纹连接的连接方式将导气组件安装在第二部分的瓶口上。

本实施例中，由于罐体瓶口的面积小于固态储氢压块的面积，因此为了方便装填固态储氢压块，可以先将罐体切割成两部分（参考附图2的切割位置，切割后分为第一部分110和第二部分120），进而再装填固态储氢压块，待固态储氢压块装填完成后再通过焊接的方式重新将两部分缝合为一体，以此确保罐体依然具有足够的密封性，有效避免氢气泄露，而采用这种切分罐体的方式，能够有效降低装填固态储氢压块的难度，使得整个制备过程更加便捷且高效，实施难度较低，因此实施成本也相对低廉。

在某些实施例中，对于采用粉末状的固态储氢材料时，则可以免除步骤S1、步骤S4和步骤S5，用户在步骤S3之后可以直接从罐体的另一端瓶口（即第二部分的瓶口）处往罐体内倒入粉末状的固态储氢材料，以此完成固态储氢材料的装填，并在固态储氢材料装填后执行步骤S6。

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。

参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。