卧式固体储氢系统的制作方法

本发明属于储氢，具体涉及一种卧式固体储氢系统。

背景技术：

1、氢气由于燃烧过程不释放二氧化碳等温室气体且燃烧热值高，被认为是最为清洁高效的能源之一。氢气的利用离不开氢气的存储，目前储氢一般有气态储氢、液态储氢、固态储氢三种方式。固态储氢是将氢气存储在固体储氢合金材料(如稀土类化合物(lani5)等)晶格中，并在一定的温度和压力条件下通过改变温度和气压实现物理可逆的加氢和放氢过程。相比气态储氢和液态储氢，固态储氢过程不需要消耗过多的能量，具有体积储氢密度较大、安全高效、放氢速率平稳等优点，已成为前景较好的储氢技术。

2、由于固体储氢材料通常在吸收氢气时体积会膨胀、释放氢气时体积收缩，另外在吸收氢气时会放出大量热量、释放氢气时需要补充大量热量，并且温度对储氢材料的吸放氢速率影响较大，因此，为保证储氢材料的长期使用和吸放氢的快速高效进行，必须同时处理好吸放氢过程中热量和体积的变化，设计出具有高效换热性能、具有体积补偿的储氢装置。否则，固体储氢的吸放氢效率会降低，而且随着充放氢循环的进行，固体储氢合金材料膨胀、挤压将导致晶格发生变形，其容量将迅速衰减。另外，固体储氢材料膨胀导致储存外壳承受较大的应力，存在鼓包、破裂的风险。解决固体储氢吸放氢过程中热量吸放和体积变化问题是保证较高吸放氢速率的关键，还直接影响着着储氢装置的成本和安全性。

3、专利cn117307953a公开了一种便于更换储氢材料的储放氢装置，在储氢合金充放氢能力衰退后，在整体装置不移动情况下，经由夹套入口灌入新的储氢合金来替换原来的储氢合金，操作便捷、成本低，但充放氢过程中储氢合金的体积膨胀吸收较差，固体储氢材料容量可能迅速衰减；专利cn103883874b公开了一种带有外换热结构的储氢罐，其结构简单、制作加工容易，成本低，具有较优的换热效果，放氢性能优异，但该储氢罐仅具有换热效果，无法吸收固体储氢材料在吸放氢过程中的体积膨胀，故无法同时解决体积膨胀和热量释放，罐体存在鼓包、破裂的风险。

技术实现思路

1、为了解决现有固体储氢装置存在的充放氢过程中体积膨胀的吸收效果差、无法同时解决吸收体积膨胀和热量释放等技术问题，本发明提供了一种卧式固体储氢系统，解决了固体储氢过程中的体积膨胀和热量释放的问题。

2、本发明提供了一种卧式固体储氢系统，包括卧式储氢筒，储氢筒为左端小、右端大的圆锥形筒体，其左端与左端板固定连接，其右端与右端板固定连接，储氢筒筒壁上均匀设置两个以上数量的波纹状收缩环，收缩环长度方向沿储氢筒轴向伸展并与储氢筒等长；左端板和右端板整体均为圆形板，由三部分组成，由中心向外依次为圆形平板状中心板、圆环形膨胀环和圆环形固定密封圈，左端板和右端板各自通过其固定密封圈与储氢筒两端形成密封连接；储氢筒内装填固体储氢材料；

3、左端板上中心板的左侧设有换热介质分配收集箱，换热介质分配收集箱内沿左端板上中心板直径方向设置一分隔板，分隔板将换热介质分配收集箱分割成上下对称的换热介质进口箱和换热介质出口箱，换热介质进口箱和换热介质出口箱各自对应的中心板上对称的设置右端悬垂于储氢筒内的u形换热管，u形换热管埋于固体储氢材料中，换热介质进口箱和换热介质出口箱通过u形换热管相连通；储氢筒与换热介质进口箱和换热介质出口箱均不连通，储氢筒的左上端设有储氢材料进口管，储氢筒右下端设有储氢材料出口管，储氢筒筒壁上设有氢气进口和氢气出口；

4、换热介质进口箱设有换热介质进口，换热介质出口箱设有换热介质出口，换热介质进口、换热介质进口箱、u形换热管、换热介质出口箱和换热介质出口组成封闭连通的腔体，供换热介质将热量从储氢筒内填充的固体储氢材料撤出或将热量补充给固体储氢材料。

5、所述固定密封圈为任何形式的使左端板和右端板与储氢筒两端实现固定密封的连接件。

6、固定密封圈可以是截面为弧形的圆环形弧形圈，弧形圈的圆弧末端形状与储氢筒截面形状一致，弧形圈圆弧半径大于储氢筒半径的10％，左端板和右端板各自通过其弧形圈与储氢筒两端形成密封连接，密封连接可以通过将弧形圈的圆弧末端与储氢筒两端相焊接或粘接等方式实现。

7、固定密封圈也可以是圆环形平板，圆环形平板上开设圆环形凹槽，凹槽径向宽度大于收缩环高度，凹槽深度宜大于10mm，储氢筒端部伸入凹槽内，在储氢筒端部和凹槽之间填充填料形成填料密封，当储氢筒因固体储氢材料吸氢膨胀而直径增大时，在储氢筒直径增大的过程中将填料密封压得更实，密封效果更好，形成一种自紧式的效果。填料密封在储氢筒径向上的压缩和反弹量应至少为1.1倍储氢筒直径膨胀量，在储氢筒膨胀和收缩过程中，填料密封应保证和储氢筒端部接触紧密，储氢筒内的氢气和固体储氢材料不外泄。

8、所述u形换热管在储氢筒横截面上以环形、正三角形、或正四边形排布，以保证储氢筒中各处的热量可以均匀的撤出或补入。u形换热管宜为圆管，外径宜为19～80mm。当u形换热管以环形均布时，u形换热管与u形换热管在圆周方向的间隔宜为30～100mm，在径向方向的间隔宜为40～150mm。当u形换热管以正三角形均布时，正三角形边长宜为25～150mm；当u形换热管以正四边形均布时，正四边形边长宜为30～150mm。

9、所述氢气进口和氢气出口分别作为氢气进入储氢筒的通道和氢气离开储氢筒的通道。当然，也可以将氢气进口和氢气出口合二为一，仅设置一个氢气进出口，既作为氢气进口又作为氢气出口。当氢气进口或氢气出口在储氢筒轴线下方时，应在氢气入口或氢气出口内设置丝网或条缝筛网等支撑网，目的是防止固体储氢材料在重力的作用下进入氢气进口或氢气出口内。丝网宜为多层，以加强对固体储氢材料的支撑作用，丝网或条缝筛网的间隙小于固体储氢材料的最小粒径，宜为固体储氢材料最小粒径的30％～50％。

10、装载固体储氢材料时，储氢材料出口管封闭，储氢材料进口管打开，储氢材料在重力的作用下，从储氢材料进口管进入储氢筒并存储于储氢筒中。当储氢材料寿命衰减需要更换储氢材料时，打开储氢材料出口管，在重力的作用下，储氢筒中的储氢材料从储氢材料出口管离开储氢系统。储氢材料进口管、储氢材料出口管宜为圆筒形，直径宜为50～400mm。

11、根据充放氢的不同需要，充装氢气时，低温的换热介质从换热介质进口进入换热介质进口箱，通过换热介质进口箱的分配作用进入到u形换热管中，将储氢筒中由于固体储氢材料吸收氢气而释放的热量吸收后，汇集到换热介质出口箱，经换热介质出口离开储氢系统，固体储氢材料温度得到降低；当需要从固体储氢材料中释放氢气时，高温的换热介质从换热介质进口进入换热介质进口箱，通过换热介质进口箱的分配作用进入到u形换热管中，将热量提供给储氢筒中的固体储氢材料，使固体储氢材料吸收热量而释放出氢气，释放热量后的换热介质汇集到换热介质出口箱，经换热介质出口离开储氢系统。通过换热介质将热量从储氢系统中撤出或者将热量补充到储氢系统中，保证吸放氢过程以较高的速率进行。换热介质可以选用水、氮气、空气等流体。

12、当储氢筒由于固体储氢材料体积膨胀而需要直径变大时，膨胀环和收缩环将伸张，使储氢筒直径增大；当储氢筒由于储氢材料体积缩小、储氢筒不再膨胀时，膨胀环和收缩环将回缩还原，使储氢筒直径减小。膨胀环和收缩环通过伸张和回缩适应在充放氢过程中固体储氢材料带来的体积变化。当膨胀环和收缩环为单层制造时，宜采用弹性合金，使膨胀环和收缩环具有较好的回弹性能，弹性合金可采用铜基高弹性合金、铁基高弹性合金、镍基高弹性合金等，借助其弹性模量低并且弹性极限高的特点，使膨胀环和收缩环具有较高的回弹特性；当膨胀环和收缩环采用多层材料冲压复合而成时，可以采用按承压层和回弹层分开设置，用承压层承受储氢系统的压力、回弹层提供回弹性能的方式组合而成，回弹层宜采用弹性合金层。总之，目的是使膨胀环和收缩环具有较小的刚度，能够较容易的变形，并且具有一定的回弹性能。

13、为使得固体储氢材料在储氢筒内部更好的加入和卸出，储氢筒大端直径宜为小端直径的1.2～2倍，圆锥形筒的小端与储氢材料进口管连通，大端与储氢材料出口管相连，以便固体储氢材料在重力的作用下，沿着倾斜的筒壁向储氢材料出口管流动。

14、作为一种优选方案，为确保固体储氢材料均装填在可以膨胀的储氢筒内，避免固体储氢材料在储氢材料出口管内充氢膨胀而堵塞储氢材料出口管，可以在储氢材料出口管内设置储氢材料出口塞堵。储氢材料出口塞堵由挡板、填料密封、挡筒、把手和安装环组成；挡筒为一圆筒，圆筒外径小于储氢材料出口管内径，一般小4～10mm；挡筒一端用所述挡板封闭，挡筒另一端敞口，挡板端插入储氢材料出口管内部，阻止固体储氢材料在非卸料时进入储氢材料出口管，挡板与储氢筒底部形状一致；敞口端设置把手，把手可以为圆钢或是角钢等，以便安装和取出储氢材料出口塞堵；储氢材料出口管和储氢材料出口塞堵之间的空隙填充陶纤绳等填料密封，以阻止固体储氢材料进入二者之间的空隙，陶纤绳直径宜为5～11mm；为确保储氢材料出口塞堵固定在储氢材料出口管内部，在敞口端端部设置一安装环，安装环为圆环，套装在挡筒外，在安装环上开圆孔，储氢材料出口管上相同位置处开螺纹孔，以便用螺钉将安装环固定在储氢材料出口管上。

15、作为一种优选方案，为避免储氢筒中的固体储氢材料板结或流动性差等问题带来卸出困难，可以在储氢筒右下侧筒壁上设置松动风进口，在固体储氢材料卸料过程中，通入高压氮气、二氧化碳等惰性气体，使固体储氢材料更顺畅的排出。

16、在向储氢系统填充固体储氢材料时，打开储氢材料进口管，关闭储氢材料出口管，将固体储氢材料填充进入储氢筒中。在充放氢过程中保持储氢材料进口管和储氢材料出口管的关闭。储氢系统卸出固体储氢材料时，打开储氢材料出口管，将固体储氢材料从储氢筒中卸出。卸出固体储氢材料时，也可以打开储氢材料进口管作为通风口，打开储氢材料进口管的目的是保持储氢筒内的压力平衡，防止固体储氢材料快速卸出时在储氢筒内形成负压，难以将固体储氢材料卸出、或是负压把储氢筒压瘪。如果固体储氢材料因为板结、挤压等原因导致流动性较差无法卸出，可以将松动风进口打开并通入氮气等惰性气体，对固体储氢材料进行松动，将固体储氢材料更顺畅的从储氢筒中卸出。

17、本卧式固体储氢系统在充氢时，打开氢气进口，关闭氢气出口，使储氢筒内形成一个只进不出的密闭腔体。氢气从氢气进口进入储氢筒，在压力的作用于下，氢气储存于储氢筒中的固体储氢材料中，充氢过程中固体储氢材料体积增大，使收缩环和膨胀环伸张，储氢筒体积增加，补偿固体储氢材料体积的增加，储氢筒避免了鼓包的风险。由于固体储氢材料吸收氢气过程中将释放热量，充氢释放的热量达到一定程度后，储氢筒内温度升高，此时，从换热介质进口将低温介质输入换热介质进口箱，再从换热介质进口箱进入u形换热管，通过u形换热管将充氢过程释放的热量吸收，固体储氢材料温度得到降低，低温介质温度升高，通过u形换热管汇集到换热介质出口箱，然后经换热介质出口离开储氢系统。

18、本固体储氢系统在放氢时，打开氢气出口，关闭氢气进口，使储氢筒内形成不能进、只能出的一个密闭的腔体，氢气从固体储氢材料内释放后经氢气出口离开储氢系统，供下游装置或外部设备使用。固体储氢材料释放氢气后，体积减小，膨胀环和收缩环回缩，在回弹性作用下恢复初始状态，使储氢筒恢复到充氢前的状态。由于固体储氢材料需要吸收热量才能释放储存在内部的氢气，此时，高温导热介质经换热介质进口进入换热介质进口箱，再从换热介质进口箱进入u形换热管，通过u形换热管将热量输入储氢筒中的固体储氢材料，使之吸热升温、释放氢气，高温换热介质释放热量后经汇集到换热介质出口箱然后经换热介质出口离开固体储氢系统。

19、充放氢过程中可以使用同一种介质，通过在外部设置加热器或冷却器等方式在充氢过程中对换热介质进行降温，在放氢过程中对换热介质进行升温，达到循环使用的目的。

20、本发明具有以下有益效果：

21、1)通过将氢气存储在固态储氢材料中，无需要高压或低温等苛刻条件，储氢过程不需要消耗过多的能量，安全高效、放氢速率平稳；

22、2)通过设置膨胀环、收缩环等膨胀元件和导热元件u形换热管，同时解决了充放氢过程中的体积和热量补偿问题，使充放氢以较高速率进行；膨胀元件使固体储氢合金材料相互膨胀挤压少，固体储氢合金材料内部晶格在更多充放氢循环后仍能保持较好的形态，储氢容量更慢的衰减、固态储氢材料寿命更长；

23、3)通过膨胀元件形成内部体积变化，将体积膨胀引起的施加到储氢筒上的应力大大降低，避免固体储氢筒鼓包、破裂等风险，提高固体储氢的安全性和可靠性，降低固体储氢的成本。