一种固体吸附型储氢罐及其应用方法与流程

本发明涉及储氢设备相关，具体而言，涉及一种固体吸附型储氢罐及其应用方法。

背景技术：

1、氢能源具有众多优异的特性，被誉为人类终极清洁能源。氢燃料电池能源动力系统具备噪音低、启动快捷等优点，通过温控设计的燃料电池电源系统，可以在炎热及寒冷状态下稳定工作。氢能储运是氢能产业链中的关键且限制性环节，提高氢能储运效率，降低氢能储运成本，是氢能储运技术的发展重点。目前氢气储存方式主要有四种：高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固体吸附储氢。其中固体吸附储氢具有储氢密度高、压力低、安全性好、氢气纯度高等优点，是储氢技术发展的一个重要方向。

2、目前固态储氢技术还存在以下技术难题：1.吸氢过程的快速散热要求。固体吸附型储氢罐在实际应用中需要频繁地充放气，充气过程伴随着氢吸附放出的吸附热以及氢压缩带来的压缩功，罐内温度会急速上升，固体材料的吸氢平衡压将随之升高，从而导致固体材料的吸附速率下降甚至停止吸附。因此，如何设计储氢罐内胆的换热机构，满足快速散热要求是固体吸附型储氢罐需要主要解决的技术问题之一。2.释氢过程的升温要求。储氢罐内的固体材料在释放氢气时，固体材料的放氢反应需要吸收热量，如lani5储氢材料将吸收30.8kj/molh2的反应热，若不能及时供给所需热量，储氢罐内部温度下降，储氢材料的放氢平衡压将随之降低，放氢速率减慢直至停止放氢。因此，储氢罐的传热特性将是影响储氢罐性能的主要因素，如何设计储氢罐的升温机构，满足储氢罐的释放氢气的快速温升要求，是固态储氢罐需要解决的主要技术问题之一。

3、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，许多学者做出了相应的研究和发明。如cn116697261a公开了一种固体吸附储氢装置及其应用方法如图7所示，储氢罐内采用螺旋换热管且设置有螺旋翅片与内胆空间充分接触，通过77k液氮流经螺旋管实现储氢罐内的快速降温。利用双层真空壁及铁氟龙内衬极大地提升了储氢罐的便携性，同时减少了罐体的漏热，保证了氢气的固态吸附稳定处于最佳吸附条件。如cn111720725a公开了一种由多个储氢床体元件叠放组合而成的储氢罐如图8所示。设计的储氢罐结构可提高其传热性能，加快充、放氢速度，同时可阻止储氢材料粉末迁移，保证储氢材料粉末在罐内均匀分布，避免了储氢材料吸氢膨胀导致在罐体上产生的应力集中，提高固态储氢罐的使用寿命和安全性。又如cn114883594a提供一种以带翅片的固态储氢罐为氢源的燃料电池叉车电源系统如图9所示。该叉车电源系统的储氢罐内在换热管之间设置有散热翅片，增大了换热管的换热面积，提高储氢罐内部的传热性能，增强换热的作用，进而增强罐体内部的热管理，从而解决了现有储氢罐热管理效果不佳的问题。

4、上述发明专利针对吸氢过程的温升问题均做了相应的换热结构设计与优化。cn116697261a公开的固体吸附储氢装置采用77k液氮流经带有螺旋翅片的螺旋热管的方法对储氢罐内进行散热。但该发明液氮流通管道太长，会导致液氮的流速过慢不能及时带走储氢罐内的温度，螺旋翅片所需耗材量大且并未充分接触罐内空间。cn111720725a公开的由多个储氢床体元件叠放组成而成的储氢罐，可阻止储氢材料粉末迁移，保证储氢材料粉末在罐内的均匀分布，但并未有设计相应的降温和升温系统，热力学性能在升温方面未有改善。cn114883594a带有翅片的固态储氢罐中所设置的散热翅片整体为类似管状的结构，虽然增大了换热面积，但是其所涉及到的散热区域比较集中，并不能及时为其他距离较远的区域散热，同样未能充分接触罐内空间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种固体吸附储氢罐及其换热系统的设计，改善罐内温度分布不均匀的情况，克服储氢罐吸氢过程罐内升温导致的吸氢速率下降问题和放氢过程罐内降温释氢速率下降问题。

2、本发明的第一技术方案是：提供了一种固体吸附型储氢罐及其应用方法，该固体吸附型储氢罐包括：罐体、换热翅片、氢气管道和液氮管道；

3、罐体内部设置储氢空腔，换热翅片设置在储氢空腔内，氢气管道设置在罐体的端部，且与储氢空腔接通以充放氢气，液氮管道由罐体端部的中心位置贯穿储氢空腔为其散热；

4、液氮管道包括中央液氮管，中央液氮管由罐体两端中心位置贯穿储氢空腔，换热翅片包括换热肋片、树形散热翅片和电热膜，换热肋片设置在罐体的内壁上，树形散热翅片与中央液氮管连接为罐内散热，电热膜设置在树形散热翅片上为罐内供热。

5、进一步地，树形散热翅片为具有仿生树形横截面的柱状结构，树形散热翅片的未分叉端与中央液氮管连接，分叉端向罐体内壁的方向延申，其中，树形散热翅片具有三个分叉节点，且节点处分为两个分叉，树形散热翅片分叉端为四个分叉，换热翅片包括多个树形散热翅片，且以均匀分布的方式与中央液氮管连接；

6、罐体包括长筒段，长筒段为罐体的中间部分，换热翅片包括多个换热肋片，换热肋片以分层的方式、呈圆周式分布在长筒段的内壁上，且相邻层之间留有间隔，每层等距离设置多个换热肋片。

7、进一步地，罐体还包括上封头和下封头，上封头和下封头分别连接在长筒段的两端，罐体形成储氢空腔；

8、上封头、长筒段和下封头均为双层真空壁结构，罐体内壁上设置用于绝热的内衬。

9、进一步地，液氮管道用于循环流通液氮，液氮管道还包括进口液氮管、出口液氮管、进口阀门和出口阀门；

10、中央液氮管由上封头和下封头的中心位置贯穿罐体内部的储氢空腔，进口液氮管安装在中央液氮管靠近上封头的一端，且与中央液氮管接通，进口阀门设置在进口液氮管上，出口液氮管安装在中央液氮管靠近下封头的一端，且与中央液氮管接通，出口阀门设置在出口液氮管上。

11、进一步地，氢气管道包括进氢管、出氢管、第一电磁阀和第二电磁阀，进氢管安装在上封头上，且与储氢空腔接通，第一电磁阀设置在进氢管上，出氢管安装在上封头上，且与储氢空腔接通，第二电磁阀设置在出氢管上。

12、进一步地，固体吸附型储氢罐还包括吸附材料、第一温度计、第二温度计和第三温度计，吸附材料填充在罐体内部的储氢空腔中，用于吸附或释放氢气，第一温度计安装在上封头上，其温度探头穿过上封头伸入储氢空腔以检测罐内温度，第二温度计安装在进氢管的、第一电磁阀与上封头之间的管道上，第三温度计安装在出氢管的、第二电磁阀与上封头之间的管道上。

13、进一步地，应用方法包括：

14、步骤1，向液氮管道通入液氮后静置储氢罐，使罐体内部预冷却；

15、步骤2，预设第一压力阈值，向储氢罐中充入氢气，液氮管道流通液氮对储氢罐内部散热，当储氢罐内部压力达到压力阈值时，执行步骤3；

16、步骤3，预设第二温度阈值，打开氢气出口并继续充入氢气，液氮管道继续流通液氮对储氢罐内部散热，当罐体内部温度低于第二温度阈值时，执行步骤4；

17、步骤4，关闭氢气进出口，液氮管道继续流通液氮直至储氢罐完全冷却，完成储氢操作；

18、步骤5，将储氢后的储氢罐安装在动力系统中，预设第三温度阈值，对储氢罐内部加热，当储氢罐内部温度达到第三温度阈值时，执行步骤6；

19、步骤6，预设第二压力阈值，打开氢气出口释放氢气，继续对储氢罐内部加热，当储氢罐内部压力小于第二压力阈值时，关闭氢气出口停止释放氢气，完成释氢操作。

20、进一步地，应用方法包括：向液氮管道中通入液氮后，液氮通过液氮管道的中央液氮管，将低温传递至与中央液氮管连接的树形散热翅片，树形散热翅片与储氢罐内部的吸附材料进行热量交换，并将吸附材料的高温通过中央液氮管传递至液氮，使得储氢罐内部温度降低。

21、进一步地，步骤2中，根据储氢罐储氢后内部能够承受气压的范围预设第一压力阈值，持续通入液氮使得液氮在液氮管道内流通，对储氢罐内部降温；

22、步骤3中，根据储氢罐充入氢气后的安全温度范围预设第二温度阈值，打开氢气出口，继续通过向储氢罐中充入氢气，通过输出的氢气将储氢罐内部的余热带出为储氢罐降温。

23、进一步地，步骤5中，根据储氢罐释放氢气需要达到的温度范围预设第三温度阈值，通过树形散热翅片上设置电热膜对储氢罐内部进行加热，电热膜将产生的热量传递至吸附材料，储氢罐内部温度升高；

24、步骤6中，根据储氢罐完全释氢后罐内压力范围预设第二压力阈值，打开氢气出口释放氢气，储氢罐内部压力逐渐减小，当储氢罐内部压力小于第二压力阈值时，关闭氢气出口停止释放氢气。

25、本发明的有益效果是：

26、第一、本发明的技术方案对现有技术中的换热结构进行改进，将储氢罐内部的换热片设计为具有仿生树形横截面的柱状结构，仿生树形散热翅片与中心液氮管道连接，中心液氮管道内流动的液氮通过仿生树形散热翅片与储氢罐内部进行热量交换，相比现有技术中的散热结构，本发明的技术方案能够更加快速的散热，克服储氢罐吸氢过程罐内升温导致的吸氢速率下降问题，具体体现在：1、仿生树形散热翅片与中心液氮管道连接的结构，不会增加储氢罐内部液氮管的长度，相比现有技术中的螺旋翅片，避免了因液氮流速过慢而导致的不能及时降低储氢罐内温度的问题；2、仿生树形散热翅片在储氢罐内部分布的范围更大，不会集中于每一处，相比现有技术中散热区域比较集中的翅片，可以更加有效、大范围的进行换热，提高散热的效率；3、仿生树形散热翅片的结构增大了其分布范围和与氢罐内部吸附材料的接触面积，能够将换热过程延申至距离储氢罐中心较远的位置，利用其自身的高传热特性能够加快换热效率，使得罐内温度分布更加均匀。

27、第二、本发明的技术方案将用于对储氢罐内部加热的电热膜设置在仿生树形散热翅片上，通过电热膜加热后将热量传递给吸附材料实现氢气的释放，相比现有技术中的加热的结构，电热膜借助仿生树形散热翅片的结构优势，增大了在储氢罐内的分布范围和与储氢罐内部吸附材料的接触面积，能够更加快速的加热，克服放氢过程罐内降温释氢速率下降问题。

28、第三、本发明的技术方案在储氢罐的内壁上设置换热肋片，增大了储氢罐内壁与罐内部吸附材料的接触面积，从而增加换热的表面积，提高热量传递效率，使得吸氢过程中产生的热量能够快速、均匀的传递到罐内其他位置，使得罐内温度更加均匀，改善了罐内温度分布不均匀的情况。

29、第四、本发明的技术方案将储氢罐的管壁设计成双层真空壁，优化了传统吸附储氢罐需要浸泡在液氮中保温的设计，极大地提高了储氢罐的便携性；同时，与普通单层高压氢罐相比，真空夹层使得罐体的保温性能显著提高，并有效消除了普通罐体极易产生的热应力。

30、第五、本发明的技术方案中，罐体的上、下封头采用半球形封头，该设计显著提高了罐体强度，并增大了固体材料填充体积，同时半球形封头内侧为流线型的球形形状，没有尖锐的边缘和角落，能使上下内部空间温度场在横截面上分布均匀，提高储氢罐内部的热力学性能。