一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器。整体结构为圆柱形壳体，外面包覆一层保温层，里面装有方便拆卸的层级多孔状托盘，以放置复合压块，顶部固定着氢气的进口和出口管道。顶部采用大法兰密封，且为了防止复合压块粉末化进入进出口管路，在层级托盘顶部和底部分别固定有仅供气体通过的滤网，在托盘底部装有搅拌装置。复合压块由外圆的金属氢化物和内圆的想变材料组成。储氢材料吸氢时，放出的热量将被相变材料吸收，进行潜热储存；当反应器放氢时，相变材料提供热量给储氢材料，使其完成脱氢反应。本发明专利技术回收利用反应热，无需额外换热器，结构紧凑，操作简单，适用于车载、无人机、机器人等便携式紧凑化的氢能动力系统应用场合。 1

A gas solid hydrogen storage reactor with composite briquetting phase change heat storage

The invention discloses a gas solid hydrogen storage reactor with composite briquetting phase change heat storage. The whole structure is a cylindrical shell with a layer of insulation layer outside, which is equipped with a multi - hole pallet, which is conveniently disassembled to place compound pressure blocks, and the inlet and outlet pipe of hydrogen is fixed at the top. The top is sealed with large flange, and in order to prevent the powder into the inlet and outlet pipeline, the filter net is fixed only for the gas through the top and bottom of the level pallet, and the bottom of the tray is equipped with a stirring device. The compound briquetting is made up of outer metal hydride and inner circular material. When hydrogen storage material absorbs hydrogen, the heat released will be absorbed by the phase change material and stored in the latent heat. When the reactor is hydrogen, the phase change material provides the heat to the hydrogen storage material to complete the dehydrogenation reaction. The invention is suitable for portable compact hydrogen power system applications, such as vehicle, unmanned aerial vehicle, robot and so on, without additional heat exchanger, compact structure and simple operation. One

【技术实现步骤摘要】
一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器
本专利技术涉及一种基于相变材料储热的气固储氢反应器，特别适用于车载、无人机、机器人等便携式紧凑化的氢能动力系统，属于化工反应器设计

技术介绍
目前国内外针对应用于氢能动力系统中的储氢反应器或储罐主要有以下几种分类：1、多层高压氢气储罐——储罐由双层半球形封头、接管、加强箍、绕带筒体和健康诊断系统组成，筒体和半球形封头采用焊接方式固定，封头采用双层半球形，两层的厚度相同。该多层高压氢气储罐具有承压能力高、抑爆抗爆性能、生产效率高，可作为固定式或移动式高压氢气储罐等特点，但由于高压储氢的质量储氢量和体积密度都较小，当储氢量较大时，往往需要较大的高压储氢罐，造成氢能动力系统装置过重或过大，且所用的罐体材料在承受高压时普遍使用碳纤维等昂贵材料，成本高，不适合应用于移动式的氢能动力系统。(中国，CN.200510050470.X)。2、多层真空绝热高压低温液氢储罐——储罐分内外两层，内罐由纤维缠绕铝内胆组成，外罐为纤维增强环氧树脂基复合材料，内外罐中间为真空绝热夹层。该专利技术相当于高压储氢技术，提高了储氢密度；此外，降低了液氢蒸发量，避免了液氢出现超压的情况，保证了结构的安全性。但由于装置对绝热要求高，额外增加了蒸发气体收集和压缩回流装置，增大了系统体积，增加了成本，且只适用于固定式的氢能动力系统应用场合，不太适用于移动式或便携式的氢能应用场合(中国，CN.201710406536.7)。3、有机液态氢源储氢反应器——为了提高质量储氢量和体积密度，将有机液态氢源材料作为储氢介质，装填于高温反应器，通过泵将液态氢源材料充入反应器中进行吸氢反应，当需脱氢时，通过外置加热装置给反应器加热进行氢气的释放。该装置具有结构简单、储氢量高、体积密度大，操作方便的优点，但操作过程中额外添加了加热装置和泵等设备，成本高，系统质量和体积都较大，且有机液态吸放氢反应过程中副产物多，反应受温度和压力等影响较大，无法精准控制反应路径，因而限制了其规模化的应用(中国，CN.201510167958.4)。4、高压金属氢化物复合式储氢反应器——为了在不继续升压的前提下提高高压储氢罐的储氢能力，将储氢介质金属氢化物沉积在金属基质的合金片上，储氢金属结构占罐体体积小于50％，导气金属隔离过渡板将合金片结构分隔为两部分，导热管均匀分布在储氢金属基质之间的缝隙中。该反应器虽然提高了高压储氢的储氢能力，达到同规格高压储罐的1.5倍以上，且导热性能良好，但由于增加了储氢金属装置，系统质量变大，且反应器性能受高压储氢和固态金属氢化物储氢两种过程控制，操作过程复杂，稳定脱氢性能无法保障(中国，CN.201710543578.5)。5、直管式、翅片直管式和螺旋盘管式热交换器耦合的气固金属氢化物储氢反应器——固态储氢技术比高压储氢和低温液态储氢具有高的质量储氢量和体积储氢密度，且经济、安全，但金属氢化物储氢过程中往往伴随着热量的释放和吸收，通常将热交换器耦合到反应器中，强化反应器床层的传热效果，加快吸放氢反应进程，螺旋盘管式热交换器由于管内的二次环流作用，具有更优良的传热传质效果，更适用于气固储氢反应器。但由于金属氢化物吸放氢过程中产生的热应力，易损坏导热管，且换热流体需外置的加热装置提供，造成系统体积庞大，重量较重，不方便携带，不适合应用于无人机、机器人、航空航天等需紧凑化的氢能动力系统中(InternationalJournalofHydrogenEnergy,2016,41(36):16108-16121)。由此可见，上述现有的各类储氢反应器都存在一些缺陷，在实际产业应用中存在限制。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于相变材料储热的气固储氢反应器，其利用相变材料潜热将氢化物吸放氢过程中的热量回收利用，无需额外的换热和加热装置，节约能量，传热性能好，适用温度范围宽，操作简单，简化了反应器系统结构，使其紧凑化，便于携带，以满足车载、无人机、机器人等移动式设备内氢能动力系统对氢源反应器的轻质、高效等要求。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器，包括反应器壳体、包覆在反应器外的保温层及嵌在反应器内部的层级多孔状托盘，反应器顶部采用法兰盖、法兰密封垫圈进行密封，反应器顶部与层级多孔状托盘最顶部之间的空腔构成气相缓冲区，反应器底部与层级多孔状托盘最底部之间的空腔构成气流搅拌区，气相缓冲区和气流搅拌区之间的区域为反应床层区；在反应床层区嵌有层级多孔状托盘，托盘上放置着复合式压块作为反应和传热床层，托盘最顶端和最低端，分别固定有滤网；在气流搅拌区中安装有搅拌器。在法兰盖顶部上端面开有氢气进口管路、进气阀门、出气管路、出气阀门、轴对称的两个温度测量热电偶、压力传感器和安全阀，压力传感器和安全阀通过三通阀和管线连接反应器床层。反应器壳体通过法兰、法兰盖和法兰密封垫圈进行密封。层级多孔状托盘由多个单层托盘、支架、挡板和底部搅拌器组成，最顶层托盘上面和最底层托盘下面固定有仅供氢气进出的滤网，滤网的厚度为0.5～1mm，孔径为400～500目。单层多孔状托盘上密布若干气相孔道，气相孔道以同轴环状形式绕托盘轴中心呈圆弧形分布，孔径为5～8mm，每层多孔状托盘上由挡板均匀分成6个宫格，独立放置具有相同直径的复合式压块。层级多孔状托盘外径与反应器内径相同，单层多孔状托盘上分布的气相孔道直径与温度热电偶外管外径相同。复合式压块由储氢材料压块、隔膜、相变材料压块呈同心圆形状由外向内分布，隔膜厚度为0.5～1mm，压块直径在1～10cm范围内，相变材料的相变温度区间从室温～500℃。本专利技术还公开了由复合压块式相变储热的气固储氢反应器构成的氢燃料电池动力系统，包括储氢反应器、氢源气瓶和燃料电池模块，氢源气瓶与储氢反应器相连的管路上依次设有减压阀、压力变送器及进气阀；储氢反应器与燃料电池模块相连的管路上依次设有流量控制阀、流量计、压力表；真空泵通过管路与三通阀相连，负责对整个系统抽真空。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：由于金属氢化物储氢反应器在储氢过程中氢化/脱氢反应伴随着热量的释放和吸收，这部分热量若加以回收利用，将氢化反应释放出来的热量储存在相变材料中，当需为燃料电池产生阳极燃料氢气，提供于金属氢化物，使其发生脱氢反应。因此本专利技术公开的基于复合压块式相变储热的气固储氢反应器，将相变材料和储氢材料复合在一起，形成复合式压块，利用相变材料储存储氢材料吸氢过程中产生的热量，并回收利用这部分热量，用于储氢材料脱氢反应；以相变储热回收利用反应热的方式替代传统的热交换器或导热管，不需额外的加热或换热装置，不仅降低了成本，而且极大地简化了装置结构，大幅压缩了装置的体积和减轻了装置的重量，适用于移动便携式的应用场合。同时，本专利技术用易拆卸的层级多孔状托盘装填块状复合材料，方便压块材料的更新、托盘的维修和更换。与目前已有的高压储氢、低温液氢、有机液氢储存、高压复合金属氢化物、耦合热交换器等反应器相比，本专利技术具有操作简单、易更换、结构简单紧凑、重量轻、可模块化处理、适用温度范围宽、使用寿命长、节能等特点，可满足固态储氢反应器在车载、无人机、机器人等移动便携式设备的氢能动力系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器，其特征在于，包括反应器壳体(1)、包

【技术特征摘要】
1.一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器，其特征在于，包括反应器壳体(1)、包覆在反应器外的保温层(2)及嵌在反应器内部的层级多孔状托盘(3)，反应器顶部采用法兰盖(6)、法兰密封垫圈(13)进行密封，反应器顶部与层级多孔状托盘(3)最顶部之间的空腔构成气相缓冲区(14)，反应器底部与层级多孔状托盘(3)最底部之间的空腔构成气流搅拌区(16)，气相缓冲区(14)和气流搅拌区(16)之间的区域为反应床层区(15)；在反应床层区(15)嵌有层级多孔状托盘(3)，托盘上放置着复合式压块(4)作为反应和传热床层，托盘最顶端和最低端，分别固定有滤网(20)；在气流搅拌区(16)中安装有搅拌器(21)。2.根据权利要求1所述的一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器，其特征在于，在法兰盖(6)顶部上端面开有氢气进口管路(7)、进气阀门(8)、出气管路(9)、出气阀门(10)、轴对称的两个温度测量热电偶(5)、压力传感器(11)和安全阀(12)，压力传感器(11)和安全阀(12)通过三通阀和管线连接反应器床层。3.根据权利要求1所述的一种复合压块式相变储热的气固储氢反应器，其特征在于，反应器壳体(1)通过法兰(18)、法兰盖(6)和法兰密封垫圈(13)进行密...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴震，张早校，尧兢，朱鹏飞，任佳伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61