一种基于相变储热的金属氢化物储氢罐及固-气耦合储氢系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于相变储热的金属氢化物储氢罐及固

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变储热的金属氢化物储氢罐及固
‑
气耦合储氢系统


[0001]本专利技术属于相变储热及储氢
，具体涉及一种直立式金属氢化物储氢罐及固
‑
气耦合储氢系统。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]对于固定式或移动式储氢场合，目前大多数采用气态储氢或液态储氢方式，其中气态氢常以高压气瓶的方式存储，其存储压力一般为35MPa和70MPa，而液态氢的储存压力更高。为达到储存压力，气态储氢或液态储氢都需要气体压缩机的压缩，根据已有研究结果，氢气的压缩过程将带来大量的寄生功率损耗，同时这也是目前储氢、运氢成本较高的重要因素之一。金属氢化物储氢是一种固态储氢的方式，其材料的储氢体积能量密度通常可达到100kg/m
‑3，因此这种储氢方式具有体积能量密度高、存储压力较低、安全性高等优点。金属氢化物吸附氢气的化学反应过程是放热的，脱附氢气的过程是吸热的。因此，金属氢化物的储氢过程需要外部的热管理，此外，金属氢化物的储氢速率与温度密切相关。这意味着，即使金属氢化物罐发生泄漏问题，氢气的泄漏速率也会受到环境温度的限制，这降低了安全风险。
[0004]相变储热技术可有效减少金属氢化物储氢过程中带来的热量耗散，相变储热材料能够实现热量的存储和再次利用，实现金属氢化物储氢过程的热管理。但传统的基于相变储热技术的金属氢化物储氢系统存在诸多缺陷，首先，金属氢化物的储氢速率较低，其主要原因是储氢结构中的换热面积较小，多为内部填充金属氢化物、外部填充相变材料的双层结构形式；其次，由于大多数相变材料的热导率低，在储氢过程的后期，储氢速率大大降低，极大的限制了这种储氢方式的广泛应用；再者，对于传统的具有相变材料的直立式金属氢化物储氢系统，由于受到重力作用，相变材料在自然对流作用下会出现熔化状态的分布不均匀现象，导致储氢罐上部的相变材料先熔化，下部后熔化的问题。如图1所示，储氢过程所用的时间主要受限于储氢过程的后期阶段；最后，由于相变材料的热导率低，单个金属氢化物储氢罐的体积不宜过大，不适宜大容量存储，适用范围有限。因此，单个金属氢化物储氢罐的储氢容量难以满足氢气存储或用氢设备的需求，而目前，国内外学者对具有相变储热材料的金属氢化物储氢系统的集成问题未提出相应的解决方案或展开相关研究。

技术实现思路

[0005]为了解决上述
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中存在的技术问题，本专利技术提供一种新型的直立式金属氢化物储氢罐，设计了包含相变材料区、氢气缓冲区和金属氢化物储氢区的三层式分布结构，并提出其与气态储氢装置相结合的储氢系统设计方法，具体提供以下技术方案：
[0006]本专利技术第一方面，提供一种直立式金属氢化物储氢罐，所述储氢罐主体包括外层罐及内层罐，通过顶部入口管道实现氢气的流通，所述外层罐及内层罐的夹层中充满第一相变材料，所述夹层的径向厚度自顶部向底部尺寸逐渐缩小；所述内层罐腔体的下部为填充区，具有金属氢化物及第二相变材料填充，所述金属氢化物填充在第一相变材料与第二相变材料之间，填充厚度自顶部向底部尺寸逐渐增大，所述填充区与入口管道之间空腔作为氢气缓冲区，所述氢气缓冲区的体积占内层罐除第二相变材料外空间体积的30％及以下。
[0007]上述储氢罐的设计中，所述氢气缓冲区用来稳定氢气的压力，进而保证储氢反应的稳定。所述金属氢化物填充区是具有一定的孔隙率的多孔介质，氢气通过缓冲区后进入金属氢化物中实现氢气的吸附过程，吸附过程中释放的热量由相变材料吸收。上述储氢罐中，相变材料位于金属氢化物储氢罐腔体的外层和中间层下部，将金属氢化物夹在相变材料中，有效增加了金属氢化物与相变材料的换热面积，以提高换热效率，进而提高储氢速率。储氢罐中相变材料的总体积与金属氢化物的体积比例取决于相变材料的密度、相变的潜热、相变温度、金属氢化物的密度、化学反应焓等；第一相变材料和第二相变材料的体积分配，取决于第一、第二相变材料与金属氢化物的接触面积，两者的体积分配应当保证第一相变材料和第二相变材料具有相同的熔化时间。
[0008]考虑到直立式金属氢化物储氢罐，在重力作用下受到自然对流的影响，相变材料上部的熔化速率大于下部，因此，第一相变材料填充的腔体厚度自罐体顶部向底部尺寸逐渐缩小，第二相变材料填充的腔体自顶部向底部径向尺寸逐渐缩小，夹在两相变材料中的金属氢化物填充厚度自顶部至底部尺寸逐渐增大。采用这种设计方式，能够使得金属氢化物吸附氢气的过程所释放的热量被相变材料均匀吸收；优选的，为了进一步增加相变材料与金属氢化物的接触面积，上述第一相变材料与金属氢化物的接触面、第二相变材料的金属氢化物的接触面为具有一定曲率的曲面，从而保证第二相变材料的中心处或第一相变材料的外边缘处熔化时间一致，进而提高整体的储氢速率。所述曲面的曲率根据金属氢化物储氢罐的高度、直径、氢气缓冲区的体积、相变材料和金属氢化物的物性参数及其占据的体积等因素进行调整。
[0009]进一步的，上述储氢罐中，所述第一相变材料与第二相变材料为包括但不限于石蜡、脂肪酸、脂肪醇、酯类物质以及各类高分子PCM等材料中的一种或其组合，所述第一相变材料和第二相变材料可以为相同材料或不同材料，本专利技术提供的一种具体的实施方式中，所述第一相变材料与第二相变材料均为石蜡。
[0010]优选的，上述直立式金属氢化物储氢罐，储氢罐的外层罐主体为上下等径的柱体，内层罐为从顶部至底部呈扩径结构的罐体，两罐体的材料为金属材料，金属氢化物材料为包括但不限于LaNi5，Mg，Mg2Ni或MgH2等材料中的一种或其组合。所述储氢罐通过顶部的入口管道实现氢气的流通，一种具体的实施方式中，所述入口管道还具有电磁阀用于控制氢气流入或流出。
[0011]优选的，所述金属氢化物储氢罐中，所述氢气缓冲区的体积可以为0，即内层罐腔体中充满金属氢化物及第二相变材料。
[0012]优选的，所述金属氢化物储氢罐在吸收氢气及储存氢气的过程中会不可避免的散失部分热量，在金属氢化物释放氢气的过程时，可使用外部辅助加热器或其他辅助加热措
施的补充热量。
[0013]本专利技术第二方面，提供一种固
‑
气耦合储氢系统，包括固态储氢罐及气态储氢罐，两者并联；其中，固态储氢罐为第一方面所述直立式金属氢化物储氢罐。
[0014]上述固
‑
气耦合储氢系统中，所述固态储氢罐的数量为一个或多个，彼此间并联设置；所述气态储氢罐的数量为一个或多个，彼此间并联设置；
[0015]优选的，气态储氢罐可采用15MPa以下的储氢钢瓶。
[0016]优选的，所述固态储氢罐与气态储氢罐的上游具有三通阀和电磁阀用于控制氢气的流动方向和流量，本专利技术优选的实施方式中，电磁阀设置于三通阀及储氢罐之间，当储氢系统中固态储氢罐达到一定的储氢容量后，三通阀可控制剩余的氢气存储至气态储氢罐中。
[0017]上述固
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直立式金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述储氢罐主体包括外层罐及内层罐，通过顶部入口管道实现氢气的流通，所述外层罐及内层罐的夹层中充满第一相变材料，所述夹层的径向厚度自顶部向底部尺寸逐渐缩小；所述内层罐腔体的下部为填充区，具有金属氢化物及第二相变材料填充，所述金属氢化物填充在第一相变材料与第二相变材料之间，填充厚度自顶部向底部尺寸逐渐增大；所述填充区与入口管道之间留有空腔作为氢气缓冲区，所述氢气缓冲区的体积占内层罐除第二相变材料外空间体积的30％及以下。2.如权利要求1所述直立式金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述金属氢化物为具有放热特性的储氢材料，其包括但不限于LaNi5，Mg，Mg2Ni或MgH2中的一种或其组合；所述储氢罐中第一、第二相变材料的总体积与金属氢化物的体积比例取决于相变材料的密度、相变的潜热、相变温度、金属氢化物的密度、化学反应焓；第一相变材料和第二相变材料的体积分配，主要取决于相变材料与金属氢化物的接触面积，两者的体积分配应使得第一相变材料和第二相变材料具有相同的熔化完成时间。3.如权利要求1所述直立式金属氢化物储氢罐，其特征在于，第一相变材料填充的腔体厚度自顶部向罐体底部尺寸逐渐扩大缩小，第二相变材料的径向尺寸自顶部向罐体底部延伸并且尺寸逐渐缩小，夹在两相变材料中的金属氢化物自顶部延伸至罐体底部尺寸逐渐增大；优选的，所述第一相变材料与金属氢化物的接触面、第二相变材料的金属氢化物的接触面为具有一定曲率的倾斜曲面；所述曲面的曲率根据金属氢化物储氢罐的高度、直径、氢气缓冲区的体积、相变材料和金属氢化物的物性参数及其占据的体积等因素进行调整。4.如权利要求1所述直立式金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述第一相变材料与第二相变材料包括但不限于石蜡、脂肪酸、脂肪醇、酯类物质以及各类高分子PCM材料中的一种或其组合，所述第一相变材料和第二相变材料可以为相同材料或不同材料，具体的实施方式中，所述第一相变材料与第二相变材料均为石蜡；所述直立式金属氢化物储氢罐，储氢罐的主体为上下等径的柱体，所述罐体的材料为金属材料，具体的实施方式中，所述金属氢化物材料为LaNi5。5.如权利要求1所述直立式金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明，王宇航，代慧，何锁盈，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：