一种小型固态储氢装置及使用方法与流程

本发明涉及氢储能，特别涉及一种小型固态储氢装置及使用方法。

背景技术：

1、现阶段的储氢方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态储氢四种。固态储氢尤其是金属储氢材料储氢，由于具有储能密度大、体积小、便于携带、生成的化合物安全稳定等优势被视为最有应用前景的储氢方式之一。金属储氢材料储氢在吸氢过程中需要放出热量，在放氢过程中需要吸收热量，对储氢反应器进行热管理是提高金属储氢材料储氢效率的一个重要因素。

2、传统强化换热技术——直管式、翅片管式和螺旋管式热管理方法，通过在反应器内通入换热流体介质来实现对于吸放氢过程中热量的管理，有效强化反应器床层与换热流体之间的传热效果，加快储氢反应器吸放氢过程。但由于换热流体需要外置的加热/冷却装置提供，升/降温时间长，换热系统复杂，且外置加热装置的存在导致换热系统体积庞大，重量较大，不方便携带，使用不便。显然不适用于无人机、机器人、水下航行器等需要便携紧凑氢能动力系统的小型用电设备。

3、cn 116281852 a公开了一种基于氢气自循环换热的固态储氢系统，利用氢气循环流动过程中与储氢材料反应床间的强制对流换热，对吸氢反应过程进行有效热管理，同时实现吸氢过程中氢气的有效传质与反应热传递，且避免了储氢系统中的复杂换热结构及其相关配套。然而，氢气与储氢材料间的强制对流换热系数较低，导致放氢速率上限低，无法支持如无人机、穿越机等用电设备的高功率运行。

4、cn 112978676 b公开了一种固态氢源反应器的热量控制方法，通过设置导热介质储罐，利用温度检测装置检测固态储氢罐和相变储热罐的温度来调控导热介质储罐的阀门开启与关闭，实现了吸氢时高温介质不进入固态储氢罐内，脱氢时低温介质不进入储热罐，在固态储氢罐和储热罐内设置温度检测装置，在实现固态氢源反应器吸氢放出热量回收的同时，能自动控制氢源反应器内热量，最大限度提高了热量利用程度。然而，系统换热效率较低，导致放氢速率上限低，且系统较复杂，不适合小型用电设备。

5、由此可见，固态储氢反应器通常都存在换热效率较低、结构设计复杂、不适用于需便携紧凑氢能动力系统的小型用电设备的问题，而且现有固态储氢装置中的储氢件和热管理系统都集成一体，不能拆装，不能更换，更不能进行模块化自由组合，进而导致移动式固态储氢装置的市场应用率受到影响。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小型固态储氢装置及使用方法，该装置及方法将相变材料代替传统的换热流体应用于金属氢化物储氢反应器中，节省外置换热流体加热/冷却装置所提供的能源，简化系统装置，有利于装置的轻量化和紧凑化，相变材料可以以相变潜热的方式储存或释放能量，且比显热储能的能量密度更高、吸热过程近似等温和过程易控制。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种小型固态储氢装置，包括固态储氢罐和控温箱；所述固态储氢罐包括储氢模块1和可替换的相变材料外套模块；所述储氢模块用于吸附并储存氢气；所述可替换的相变材料外套模块用于为储氢模块放氢过程提供热量；所述控温箱用于对可替换的相变材料外套模块进行加热和保温；

4、所述固态储氢罐通过控温箱实现加氢过程、放氢预热过程和放氢过程。

5、所述相变材料外套模块内部开有镂空的竖直凹槽，储氢模块设置在凹槽中。

6、所述储氢模块设置有隔热层、罐壁和储氢合金，其中储氢合金为最里层，罐壁为第二层，隔热层为最外层，层与层之间直接接触；储氢模块为柱状结构。

7、所述可替换的相变材料外套模块包括相变材料、导热翅片和壁面、隔热层，其中导热翅片和壁面紧贴罐壁，导热翅片和壁面外侧为相变材料，相变材料外层为隔热层；层与层之间直接接触。

8、所述导热翅片和壁面采用高导热率材料，如金属铜，导热翅片和壁面中，翅片厚0.2mm、壁面厚0.5mm，翅片轴向等距设置，与壁面相连，导热翅片等距的排列并固定于壁面上，与隔热层203相隔2mm。

9、所述导热翅片为金属薄片，应选择导热率高且具有一定延展性的材料，并选择合适的厚度以增加相变材料的导热系数。

10、所述的储氢模块和相变材料外套模块采用模块化分体设计，含不同储氢合金的储氢模块与含不同相变材料的相变材料外套模块任意组合，其组合方式为储氢模块插入相变材料外套模块的凹槽处。

11、所述储氢合金为ab5型的镧镍系、ab型钛铁系、ab2型锆系氢化物、a2b型镁基氢化物、a2b型钙基氢化物中的一种或多种。不同的储氢合金材料具有不同的储氢密度、吸放氢温度以及成本，可根据具体使用场景选择合适的储氢材料或者储氢材料组合。

12、所述相变材料为无机水合盐类、石蜡类、脂酸类、多元醇类、无机盐类、高分子类相变材料中的一种或多种。不同的相变材料具有不同的相变温度、相变潜热、密度以及成本，可根据具体使用场景选择合适的相变材料或者相变材料组合。

13、所述的隔热层和隔热层，根据使用环境温度选择密度小、隔热效果好且具有一定硬度的有机材料、无机材料、真空绝热材料、反射隔热保温涂料中的一种或多种，不同的隔热材料具有不同的热阻、适用温度范围、密度以及成本，可根据具体使用场景选择合适的隔热材料或者隔热材料组合。

14、所述的罐壁选择材料和壁厚需要满足安全承压1mpa的氢气压力。

15、所述控温箱设置有导热壁、控制台、隔热箱体、相变材料外套模块插槽、蓄电池和温控系统、储氢模块插槽和控温箱外壁；

16、其中隔热箱体与其余部件均直接接触，其余部件均安装在隔热箱体表面；

17、所述相变材料外套模块插槽与蓄电池和温控系统线路连接，其余部件互不接触，相变材料外套模块插槽外形与可替换的相变材料外套模块相契合，且相变材料外套模块插槽中心处有加热柱体为相变材料外套模块供热。

18、所述的控温箱表面具有四个凹槽，凹槽内壁为导热壁，导热壁具有加热和保温的作用。四个凹槽可同时插入两个储氢模块和两个可替换的相变材料外套模块，即装配两套固态储氢罐并为其加热、冷却。

19、所述的导热壁具备电加热装置，并与蓄电池和温控系统线路相连，由蓄电池和温控系统提供电能并控制其功率，能够均匀加热储氢模块1和可替换的相变材料外套模块。

20、所述的控制台配备一个触控屏，用户可以选择吸放氢过程需要保持的温度，并将信号传递给蓄电池和温控系统。

21、所述的隔热箱体在加氢过程、放氢预热过程中，减少储氢模块和可替换的相变材料外套模块与外界的热交换。

22、所述的相变材料外套模块插槽，插槽凹陷区域尺寸和相变材料外套模块紧密契合，使用时只需将相变材料外套模块插入相变材料外套模块插槽304。

23、所述的蓄电池和温控系统，储存的电量足够在极端环境下为所装配的两套固态储氢罐控制温度。

24、所述的储氢模块插槽尺寸和储氢模块紧密契合。

25、所述的控温箱外壁坚固且具有防静电或者接地功能。

26、一种小型固态储氢装置的使用方法，包括以下步骤；

27、包括加氢过程、放氢预热过程以及放氢过程；

28、所述加氢过程中，所述储氢模块插入储氢模块插槽，控制台选择加氢过程温度，所述蓄电池和温控系统开始工作并将冷能通过所述导热壁传导到储氢模块的储氢合金中；

29、所述放氢预热过程中，所述储氢模块插入储氢模块插槽同时相变材料外套模块插入相变材料外套模块插槽，所述控制台选择放氢预热过程温度；所述蓄电池和温控系统开始工作并将热能通过所述导热壁传导到储氢模块和相变材料外套模块；

30、所述放氢过程中，所述储氢模块插入相变材料外套模块，接入用电设备，放氢过程中相变材料外套模块向储氢模块提供热量，热量传导路径为相变材料、导热翅片和壁面、罐壁、储氢合金，储氢模块释放的氢气通过氢燃料电池向设备供电，并通过阀门调节压力改变供氢速率。

31、本发明的有益效果：

32、本发明的相变材料外套模块能够依靠相变材料的相变潜热保持足够高的温度，为储氢模块的放氢过程提供热量；控温箱能为插入的相变材料外套模块和储氢模块的放氢预热过程提供热量、为储氢模块的加氢过程提供低温条件。

33、本发明将相变材料代替传统的换热流体应用于金属氢化物储氢反应器中，利用相变材料在相变时释放的大量潜热为储氢材料供能，可以节省外置的换热流体加热/冷却装置所提供的能源，并且简化了系统装置，有利于装置的轻量化和紧凑化。

34、进一步的，模块化设计使用户可以根据环境温度、功率需求选择合适的相变材料外套模块。例如在低温环境下或者大功率需求下，选择相变温度高、相变潜热大的相变材料，而在小功率需求下选择密度小的相变材料，具体选择应根据实验得出。

35、进一步的，控温箱可以为相变材料外套模块和储氢模块加热或降温，并能存放两套固态储氢罐。对于充气方式，可以选择直接与气瓶对接，也可以设计配套的箱盖，箱盖有一定的厚度，储存足够的氢。

36、进一步的，相变材料外套模块结合了导热翅片结构，相变材料的热量通过热导率更高的导热翅片依次传递到罐壁和储氢合金，弥补了传统相变材料导热率低的缺陷。