一种储氢容器 |
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| 申请号 | CN202311798506.7 | 申请日 | 2023-12-25 | 公开(公告)号 | CN117869774A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 中国原子能科学研究院; | 发明人 | 刘丽飞; 叶一鸣; 胡石林; | ||||
| 摘要 | 本 申请 实施例 提供了一种储氢容器，包括内容器、外容器和导热系统，内容器内部形成用于填装储氢材料的容纳腔；外容器套设在内容器外侧并与内容器之间形成冷媒容纳空间；导热系统包括加热装置、冷媒管路和 截止 阀 ，加热装置设置于容纳腔内，冷媒管路包括与冷媒容纳空间连通的冷媒管线以及与冷媒管线连通的旁通管线， 截止阀 用于控制冷媒管线的通断，旁通管线用于排放冷媒容纳空间内的冷媒。本申请的储氢容器提升了储氢材料的吸/放氢速率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种储氢容器，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种储氢容器技术领域背景技术[0002] 氢能是一种理想的二次能源。目前，氢的存储方式主要有高压储氢、液态储氢及金属氢化物储氢等。其中，金属氢化物储氢具有储存密度高、吸放速度快、可逆性好和安全性好等优点，而得到广泛应用。金属储氢材料具有吸氢速率快的基本特征，但快速吸氢的高放热速率，将使温度快速升高，进而会阻止吸氢反应的进程，所以金属储氢材料向外部的热传导速率往往成为吸氢过程的关键指标，显著影响吸氢速率。同时，金属氢化物的传热、传质特性较差，一般储氢材料吸氢粉化后，有效热导率会急剧下降，造成吸氢过程中难以及时对外释放热量，脱氢过程中又无法快速从外界吸收热量，从而低热传导效率成为限制反应速率的瓶颈。 [0003] 目前主要通过添加铜、泡沫铝、石墨等高导热系数材料来增加金属储氢体系的热传导能力。但此类方法仅能加强容器内储氢材料粉体间的热传导，对于热量在储氢容器与冷/热源之间的传递效率助益并不大，而热量在储氢容器与冷/热源之间的传递效率对于整体吸放氢效率影响往往更为显著。发明内容 [0004] 有鉴于此，本申请实施例期望提供一种能够提升储氢材料的吸/放氢速率的储氢容器。 [0005] 为达到上述目的，本申请一实施例提供了一种储氢容器，包括： [0006] 内容器，内部形成用于填装储氢材料的容纳腔； [0007] 外容器，套设在所述内容器外侧并与所述内容器之间形成冷媒容纳空间； [0008] 导热系统，包括加热装置、冷媒管路和截止阀，所述加热装置设置于所述容纳腔内，所述冷媒管路包括与所述冷媒容纳空间连通的冷媒管线以及与所述冷媒管线连通的旁通管线，所述截止阀用于控制所述冷媒管线的通断，所述旁通管线用于排放所述冷媒容纳空间内的冷媒； [0009] 所述容纳腔内的所述储氢材料处于吸氢状态下，所述加热装置处于非加热状态，所述截止阀导通所述冷媒管线，以使所述冷媒在所述冷媒容纳空间内流动； [0010] 所述容纳腔内的所述储氢材料处于放氢状态下，所述截止阀截止所述冷媒管线，所述冷媒容纳空间内的所述冷媒通过所述旁通管线排出，所述加热装置处于加热状态。 [0011] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括顶板，所述顶板用于密封所述内容器和所述外容器，所述加热装置穿过所述顶板伸入所述容纳腔内；和/或，所述冷媒管线穿过所述顶板与所述冷媒容纳空间连通。 [0012] 一种实施方式中，所述冷媒管线包括与所述冷媒容纳空间连通的进口管线和出口管线，所述旁通管线与所述进口管线或所述出口管线连通，且所述进口管线和所述出口管线均设置有所述截止阀。 [0013] 一种实施方式中，所述冷媒为气态冷媒，所述冷媒管线包括与所述冷媒容纳空间连通的进口管线和出口管线，所述进口管线的一端从所述冷媒容纳空间的顶部伸入所述冷媒容纳空间中并延伸至所述冷媒容纳空间的底部，且所述进口管线至少具有靠近所述冷媒容纳空间底部的出气孔，所述出口管线的一端从所述冷媒容纳空间的顶部伸入所述冷媒容纳空间中并靠近所述冷媒容纳空间的顶部。 [0014] 一种实施方式中，所述进口管线的侧壁上设置有多个所述出气孔。 [0015] 一种实施方式中，至少部分所述出气孔朝向所述内容器；和/或，至少部分所述出气孔沿所述冷媒容纳空间的高度方向间隔设置；和/或，所述进口管线靠近所述冷媒容纳空间的一端封堵。 [0016] 一种实施方式中，沿所述高度方向间隔设置的各所述出气孔的孔径从所述冷媒容纳空间的顶部至所述冷媒容纳空间的底部逐渐增大。 [0017] 一种实施方式中，所述冷媒为液态冷媒，所述冷媒管线包括与所述冷媒容纳空间连通的进口管线和出口管线，所述出口管线的一端从所述冷媒容纳空间的底部伸入所述冷媒容纳空间中，并靠近所述冷媒容纳空间的底部，所述进口管线的一端从所述冷媒容纳空间的顶部伸入所述冷媒容纳空间中并靠近所述冷媒容纳空间的顶部。 [0018] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括设置于所述容纳腔内的散热装置，所述散热装置和所述加热装置均为可从所述容纳腔内移除的结构。 [0019] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括设置于所述容纳腔中的介入套管，所述散热装置和所述加热装置可替换地伸入所述介入套管内。 [0020] 一种实施方式中，所述散热装置为与外部冷源连接的换热管。 [0021] 一种实施方式中，所述加热装置包括第一加热丝；和/或，所述储氢容器还包括设置于所述容纳腔中的介入套管，所述加热装置包括伸入所述介入套管内的第一加热丝以及填充在所述介入套管内的导热粉体材料。 [0022] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括环绕于所述内容器外壁面的加热件。 [0023] 一种实施方式中，所述储氢容器包括外部测温元件、内部测温元件和测温套管，所述外部测温元件设置于所述冷媒容纳空间，所述测温套管位于所述容纳腔，所述内部测温元件设置于所述测温套管内部。 [0024] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括可用于设置所述加热装置的介入套管，所述介入套管为多个且间隔分布于所述容纳腔内，所述测温套管与所述介入套管一一对应布置。 [0025] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括可用于设置所述加热装置的介入套管，所述介入套管为一个，所述测温套管为多个，多个所述测温套管环绕在所述介入套管周侧。 [0026] 一种实施方式中，所述储氢容器还包括设置在所述容纳腔中的分隔支撑结构，所述分隔支撑结构将所述容纳腔分隔成多个区域，各所述区域分别容纳所述储氢材料。 [0027] 本申请实施例提供了一种储氢容器，储氢容器包括用于填装储氢材料的内容器、外容器和导热系统，外容器套设在内容器外并与内容器之间形成冷媒容纳空间，导热系统包括加热装置、冷媒管路和截止阀，加热装置设置于容纳腔内，冷媒管路包括与冷媒容纳空间连通的冷媒管线以及与冷媒管线连通的旁通管线，截止阀用于控制冷媒管线的通断，旁通管线用于排放冷媒容纳空间内的冷媒。在储氢材料处于吸氢状态时，可以通过冷媒容纳空间内的冷媒与储氢材料进行换热，以加强热传导效率，快速释放热量，避免储氢材料因温度过高而影响吸氢反应的进程，而在储氢材料处于放氢状态时，可以通过加热装置对储氢材料进行加热，同时，通过排出冷媒容纳空间内的冷媒，以提供真空隔热环境，避免储氢材料因热量流失而影响放氢反应的进程。本申请实施例的储氢容器可以有效加强储氢材料在吸/放氢过程中与冷/热源之间的热传导效率，显著提升储氢材料的吸/放氢速率。附图说明 [0028] 图1为本申请实施例的一种储氢容器的结构示意图。 [0029] 附图标记说明 [0030] 10、内容器；10a、容纳腔；20、外容器；20a、冷媒容纳空间；30、顶板；40、介入套管；50、测温套管；60、冷媒管线；61、进口管线；61a、出气孔；62、出口管线；70、分隔支撑结构； 80、加热装置。 具体实施方式[0031] 在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“高度方向”为基于附图1所示的方位或位置关系。这些方位术语仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。 [0032] 本申请实施例提供了一种储氢容器，请参阅图1，储氢容器包括内容器10、外容器20和导热系统，内容器10的内部形成用于填装储氢材料的容纳腔10a。外容器20套设在内容器10外侧并与内容器10之间形成冷媒容纳空间20a。导热系统包括加热装置80、冷媒管路和截止阀，加热装置80设置于容纳腔10a内，冷媒管路包括与冷媒容纳空间20a连通的冷媒管线60以及与冷媒管线60连通的旁通管线，截止阀用于控制冷媒管线60的通断，旁通管线用于排放冷媒容纳空间20a内的冷媒。 [0033] 冷媒可以是气态冷媒，也可以是液态冷媒。 [0034] 加热装置80的结构形式不限，示例性地，加热装置80可以为第一加热丝，或者，储氢容器可以在容纳腔10a内设置介入套管40，加热装置80可以包括伸入介入套管40内的第一加热丝以及填充在介入套管40内的导热粉体材料。 [0035] 容纳腔10a内的储氢材料处于吸氢状态下，储氢材料对外释放热量，加热装置80处于非加热状态，截止阀导通冷媒管线60，以使冷媒在冷媒容纳空间20a内流动，也就是说，加热装置80不加热，冷媒容纳空间20a内的冷媒通过与储氢材料进行换热，以吸收储氢材料吸氢产生的热量，从而控制容纳腔10a内的温度的升高，以使储氢材料能够维持高速率的吸氢反应。 [0036] 容纳腔10a内的储氢材料处于放氢状态下，截止阀截止冷媒管线60，冷媒容纳空间内的冷媒通过旁通管线排出，加热装置80处于加热状态，也就是说，加热装置80对容纳腔10a内的储氢材料进行加热，而冷媒容纳空间20a内的冷媒通过旁通管线排出冷媒管线60，以提供真空隔热环境，最大限度的防止热量流失，从而控制容纳腔10a内的温度的降低，使储氢材料能够维持高速率的放氢反应。 [0037] 也就是说，本申请实施例的储氢容器在储氢材料处于吸氢状态时，可以通过冷媒容纳空间20a内的冷媒与储氢材料进行换热，以加强热传导效率，快速释放热量，避免储氢材料因温度过高而影响吸氢反应的进程，而在储氢材料处于放氢状态时，可以通过加热装置80对储氢材料进行加热，同时，通过排出冷媒容纳空间20a内的冷媒，以提供真空隔热环境，避免储氢材料因热量流失而影响放氢反应的进程。本申请实施例的储氢容器可以有效加强储氢材料在吸/放氢过程中与冷/热源之间的热传导效率，显著提升储氢材料的吸/放氢速率。 [0038] 一实施例中，请参阅图1，储氢容器还包括位于内容器10和外容器20的顶部的顶板30，顶板用于密封所述内容器10和所述外容器20，也就是说，内容器10和外容器20可以共用同一个顶板30，顶板30将容纳腔10a和冷媒容纳空间20a密封。 [0039] 示例性地，加热装置80可以穿过顶板30伸入容纳腔10a内以进行对储氢材料的加热工作。 [0040] 示例性地，请参阅图1，冷媒管线60可以穿过顶板30与冷媒容纳空间20a连通。 [0041] 一实施例中，请参阅图1，冷媒管线60包括与冷媒容纳空间20a连通的进口管线61和出口管线62，旁通管线可以与进口管线61连通，也可以与出口管线62连通，进口管线61和出口管线62可以均设置有截止阀，容纳腔10a内的储氢材料处于放氢状态下，需要对容纳腔10a进行加热保温，此时截止阀关闭，通过旁路管线抽空冷媒容纳空间20a内的冷媒，形成真空氛围，隔断散热路径，大幅降低环境热损耗，提升加热效率。容纳腔10a内的储氢材料处于吸氢状态下，需要对容纳腔10a进行散热降温，此时截止阀打开，冷媒容纳空间20a内的冷媒通过进口管线61和出口管线62实现流通散热。 [0042] 为了保证冷媒在冷媒容纳空间20a内的良好流通路径，示例性地，进口管线61的轴线与出口管线62的轴线以内容器10为中心呈对称分布。 [0043] 需要说明的是，进口管线61和出口管线62的设置方式可以根据冷媒种类及冷媒来源确定，如采用循环冷却方式，则进口管线61连接至冷却器出口，出口管线62连接至冷却器入口，若采用自然空气冷却，则进口管线61和出口管线62可与外界环境连通，即空气可排至外界环境中。 [0044] 一实施例中，请参阅图1，当冷媒为气态冷媒时，为了控制气态冷媒在冷媒容纳空间20a内的流向，进口管线61的一端可以从冷媒容纳空间20a的顶部伸入冷媒容纳空间20a中并延伸至冷媒容纳空间20a的底部，且进口管线61至少具有靠近冷媒容纳空间20a底部的出气孔，出口管线62的一端可以从冷媒容纳空间20a的顶部伸入冷媒容纳空间20a中并靠近冷媒容纳空间20a的顶部，也就是说，气态冷媒可以从冷媒容纳空间20a的底部进入冷媒容纳空间20a，且从冷媒容纳空间20a的顶部流出。由于气态冷媒具有向冷媒容纳空间20a的顶部聚集的趋势，因此，气态冷媒从冷媒容纳空间20a的底部进入冷媒容纳空间20a，可以使气态冷媒快速且充分地填充整个冷媒容纳空间20a，以保证了冷媒容纳空间20a的导热效果，而气态冷媒从冷媒容纳空间20a的顶部流出，也可以便于通过旁通管线快速排出气态冷媒。 [0045] 示例性地，请参阅图1，进口管线61的侧壁上可以设置多个出气孔61a，也就是说，气态冷媒可以从各个出气孔61a处流出，以增大进口管线61的出气范围。 [0046] 请参阅图1，至少部分出气孔61a可以沿冷媒容纳空间20a的高度方向间隔设置，使气态冷媒能够在高度方向快速填充整个冷媒容纳空间20a。 [0047] 此外，由于进气气压自顶部向底部渐低，为保证出气量的一致性，沿高度方向间隔设置的各出气孔61a的孔径可以从冷媒容纳空间20a的顶部至冷媒容纳空间20a的底部逐渐增大。 [0048] 请参阅图1，至少部分出气孔61a可以朝向内容器10，也就是说，进口管线61内的气态冷媒可以通过朝向内容器10的出气孔61a向内容器10出气，气态冷媒可以在第一时间接触待冷却内容器10的外壁，快速降低内容器10周围的温度，大幅提升换热效率。 [0049] 请参阅图1，进口管线61靠近冷媒容纳空间20a的一端可以封堵，使进口管线61内的气态冷媒全部由其侧壁上的出气孔61a出气，以保证了进口管线61内的气压。 [0050] 进一步的，进口管线61位于冷媒容纳空间20a内的部分可以为直线型，即沿高度方向竖直插入至接近冷媒容纳空间20a的底部，也可以为螺旋形，即等间距环绕内容器10，有利于更均匀的对整个内容器10进行散热。 [0051] 另一实施例中，当冷媒为液态冷媒时，由于液态冷媒会自动从冷媒容纳空间20a的底部开始存积，为了保证散热时液态冷媒充分填充整个冷媒容纳空间20a且加热时完全排空，出口管线62的一端可以从冷媒容纳空间20a的底部伸入冷媒容纳空间20a中并靠近冷媒容纳空间20a的底部，进口管线61的一端可以从冷媒容纳空间20a的顶部伸入冷媒容纳空间20a中并靠近冷媒容纳空间20a的顶部。 [0052] 一实施例中，储氢容器还包括设置于容纳腔10a内的散热装置，散热装置和加热装置80均为可从容纳腔10a内移除的结构，当容纳腔10a内的储氢材料处于放氢状态时，容纳腔10a内只设置加热装置80，拆除散热装置。当容纳腔10a内的储氢材料处于吸氢状态下时，容纳腔10a内只设置散热装置，拆除加热装置80，即散热装置与冷媒容纳空间20a内的冷媒配合，以共同对储氢材料进行散热。 [0053] 示例性地，请参阅图1，对于设置有介入套管40的储氢容器，散热装置和加热装置80可以是可替换地伸入介入套管40内，也就是说，散热装置和加热装置80均可以放置在介入套管40内，也可以从介入套管40内取出，从而可以在保持容纳腔10a密封的前提下，更换散热装置和加热装置80，另外，当散热装置或加热装置80出现故障时，工作人员也能够在储氢容器外进行便捷更换。 [0054] 介入套管40的数量可以是一个，也可以是多个，优选为多个，采用多点导热设计，多个介入套管40互为冗余，某一导热点失效，不影响储氢容器正常使用，提高热功率分散性、加热效率、热传导效率及整体可靠性。 [0055] 散热装置可以为与外部冷源连接的换热管，换热管在外部冷源与容纳腔10a之间传导热量，从起到给容纳腔10a内部降温的作用，换热管内换热工质种类与储氢容器吸氢过程的温升程度相匹配，即换热工质相变温度低于吸氢过程最低温度。 [0056] 加热装置80当加热装置80为第一加热丝时，较优选地，可采用外径与介入套管40内径相同的第一加热丝，直接接触传热。 [0057] 一实施例中，储氢容器还可以包括环绕于内容器10外壁面的加热件，储氢材料处于吸氢状态下时，加热件处于非加热状态，储氢材料处于放氢状态下时，加热件处于加热状态，也就是说，加热件可以与加热装置80配合进行加热，以进一步提高加热效果。 [0058] 加热件可以是第二加热丝，也可以是其它具有加热功能的结构。 [0059] 可选的，加热件和加热装置80也可以分别单独使用，互不干涉影响。 [0060] 一实施例中，请参阅图1，储氢容器还可以包括外部测温元件、内部测温元件和测温套管50，外部测温元件设置于冷媒容纳空间20a，测温套管50位于容纳腔10a，内部测温元件设置于测温套管50内部，内部测温元件通过测温套管50深入储氢材料中，可以方便发生故障时及时更换。 [0061] 示例性地，请参阅图1，对于具有多个介入套管40的储氢容器，多个介入套管40可以间隔分布于容纳腔10a内，测温套管50与介入套管40一一对应布置，各内部测温元件和外部测温原件同步监测不同部位温度情况，并且根据不同的工作热源点数及位置，以相应位置处的测温示值作为控温参数，其余位置作为温度监测点，即时观测容器不同位置储氢材料吸氢或放氢的情况。 [0062] 在另一种实施方式中，介入套管40也可以为一个，测温套管50为多个，多个测温套管50环绕在介入套管40周侧，可即时观测内容器10不同位置温度情况，温度测量的精度高。 [0063] 一实施例中，储氢容器还包括设置在容纳腔10a中的分隔支撑结构70，分隔支撑结构70将容纳腔10a分隔成多个区域，各区域分别容纳储氢材料，提高储氢材料与氢气的接触面积，同时避免储氢材料吸放氢时粉化压实，影响吸放能力。 [0064] 分隔支撑结构70的形态可以与测温套管50和介入套管40的数量相互适应，介入套管40为单个时分隔支撑结构70可采用中空盒状多孔隔离结构，盒状结构材料孔径与储氢材料粒径相适应，可适当增加壁厚，以增加氢透过能力，盒状外壁贴合内容器10的内壁，盒状内壁贴合介入套管40，储氢材料填装于盒内。介入套管40为多个时，分隔支撑结构70可采用直立式圆柱体多孔隔离结构，介入套管40与圆柱体的分隔支撑结构70一一对应，介入套管40大致位于圆柱体的分隔支撑结构70中心，在容纳腔10a内，多个圆柱体的分隔支撑结构70在圆周的径向可以相互接触拼接，以均匀分布热量，同时，多个圆柱体的分隔支撑结构70的圆周可以接触拼接部位以外的空间间隙，以大幅提高储氢材料与氢气的接触面积，提高吸氢效率。 [0065] 进一步的，根据储氢材料吸放氢过程的体积膨胀与粉化程度，能够确定分隔支撑结构70内储氢材料初始填装高度。当分隔支撑结构70采用中空盒状多孔隔离结构时，分隔支撑结构70在储氢容器内逐层累积，最上层可适当增加高度，以提高储氢材料填装高度，方便测温元件填埋至合适深度，以更真实反馈储氢材料粉体温度。 [0066] 在本申请的描述中，参考术语“一实施例中”、“在一些实施例中”、“另一些实施例中”、“又一些实施例中”、或“示例性”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合。 [0067] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。 |
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