CN114440124B - 一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置及方法，储氢时，向导液管中注入冷却液体，并通过泵使冷却液体在导液管中循环流动，对储氢床体内的储氢材料进行降温，同时向储氢罐体内充入氢气，氢气经过滤后进入储氢罐体内，在低温下实现储氢；放氢时，通过无线温度传感器采集储氢材料内的温度，根据需要确定放氢速度和放氢温度，以确定导液管内的液体温度和流动速度，实现加热放氢。
Description
技术领域
本发明涉及储氢放氢技术领域，具体涉及一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置及方法，用于为氢燃料电动车提供动力。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
氢气的储存方法主要有高压气态储存、低温液态储存和固体储氢。其中，固体储氢是通过物理吸附或者化学反应的方式将氢储存在固体材料中。
目前固体储氢技术尚未成熟，仍存在许多问题，如常规固体储氢系统通过设置恒定温度条件进行吸放氢，当吸放氢速率要求变化时，无法实时调节温度，进而不易控制储氢材料的吸放氢速率，难以保障储氢罐内的温度达到最佳吸放氢温度，以提高工作效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置及方法。在对储氢罐进行充放氢过程时，通过温度控制器对温度进行调控来控制充放氢的速率，气体流量计测量氢气流量大小，提供多样化的吸放氢状态，在相应的情况下达到充放氢反应的合适效率完成吸放氢工作。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置，包括：储氢罐体、若干层储氢床体和氢气过滤片，其中，
储氢床体固定设置于储氢罐体内，其筒体内填充有储氢材料，且分层设置，储氢材料层上分布有细密气体通道；
筒体底部设置有无线温度传感器，筒体由导热材料制成，且筒体外表面涂覆有高导热镀层；
导液管缠绕于筒体外侧，导液管的进口端和出口端均通过进口延伸出储氢罐体；
柔性包裹材料层包裹于筒体外壁上，层间床体侧壁上设置用通孔；
氢气过滤片设置于储氢罐体的进口处。
第二方面，本发明提供一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的方法，储氢时，向导液管中注入冷却液体，并通过泵使冷却液体在导液管中循环流动，对储氢床体内的储氢材料进行降温，同时向储氢罐体内充入氢气，氢气经过滤后进入储氢罐体内，在低温下实现储氢；
放氢时，通过无线温度传感器采集储氢材料内的温度，根据需要确定放氢速度和放氢温度，以确定导液管内的液体温度和流动速度，实现加热放氢。
上述本发明的一个或多个实施例取得的有益效果如下：
无线温度传感器、储氢床体、泵与导液管组成的温度可控系统可对储氢罐体内的温度实时传递与快速改变，在对储氢材料吸放氢反应中的温度进行测量与控制，通过调节反应温度达到控制吸放氢反应的目的，对于在不同情况下对氢气需求的不同，选择合适的反应速率，释放合适的气体量来达到适用于不同状况。
储氢床体的筒体设置为圆筒形，其中空位置用于放置储氢材料，每层间设有若干通孔通道进出气体，增大气体与储氢材料的接触面积，提高储氢材料吸放氢速率，筒体外壁上涂覆有高导热镀层，可以有效提高导热效率，以提高储氢材料与导液管内液体之间的换热效率。
筒体外壁上包裹有柔性包裹材料，一方面可以起到保温作用，避免储氢材料与周围环境之间的热交换；另一方面可以起到缓冲和保护作用，减少储氢材料吸热膨胀与筒体之间的硬接触，减缓储氢罐在车辆等应用工况下振动对储氢材料的影响。
导液管以蛇形缠绕于储氢床体上，可通过导液管输送热流体与冷却液通过热交换对储氢床体内的储氢材料的温度进行调节，温度调节较为均匀，且升降温较快。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一个或多个实施例中的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置的整体结构示意图；
图2为本发明一个或多个实施例中控制器的界面示意图；
图3为本发明一个或多个实施例中的储氢床体横向切面的结构示意图；
图4为本发明一个或多个实施例中的密封装置的结构示意图；
图5为本发明一个或多个实施例中的基于温度反馈的储放氢流程图；
图6为本发明实施例中的放氢过程中一定压力条件下温度与反应耗时之间的关系；
图7为本发明实施例中的吸氢过程中一定压力条件下温度与反应耗时之间的关系；
图8为本发明实施例中的冷却液流速对温度场演化的影响。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1-储氢罐体；2-储氢床体；3-无线温度传感器；4-氢气过滤片；5-密封板；6-导液管进口；7-导液管出口；8-气体流量计；9-电机；10-温度控制器；11-控制器显示屏；12-控制器按键；13-高导热镀层；14-柔性包裹材料；15-衬套。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
第一方面，本发明提供一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置，包括：储氢罐体、若干层储氢床体和氢气过滤片，其中，
储氢床体固定设置于储氢罐体内，其筒体内填充有储氢材料，且分层设置，储氢材料层上分布有细密气体通道；
筒体底部设置有无线温度传感器，筒体由导热材料制成，且筒体外表面涂覆有高导热镀层；
导液管缠绕于筒体外侧，导液管的进口端和出口端均通过进口延伸出储氢罐体；
柔性包裹材料层包裹于筒体外壁上，层间床体侧壁上设置用通孔；
氢气过滤片设置于储氢罐体的进口处。
储氢床体元件设置为圆筒形，其多层空间均匀放置有储氢材料进行吸放氢，在层间设置有若干通孔进出气体，提高吸放氢效率。
氢气过滤片用于对氢气进行过滤，以防止对储氢材料造成污染。
在一些实施例中，所述氢气过滤片为500目铜网。
在一些实施例中，所述储氢材料层上的气体通道的直径为2-5mm。
在储氢材料层上设置气体通道可以有效提高氢气与储氢材料的接触面积，以提高储氢或放氢的效率。
在一些实施例中，还包括密封板，密封板设置于储氢罐体的横截面上，且位于过滤片与储氢床体之间，密封板上设置有若干通孔，通孔直径小于储氢材料的粒径。
经过过滤片过滤后的氢气通过密封板上的微孔流入储氢床体进行储氢。此外，该密封板上的微小通孔的内径小于储氢材料的粒径，所以可以有效防止储氢材料的流失。
由于氢气中可能携带有少量固体颗粒，如果不将这部分固体颗粒过滤除去，流经密封板时，有可能造成密封板的堵塞，进而无法实现储氢和防氢过程。
优选的，所述导液管的进液管端和出液管端均穿过所述密封板设置，并通过衬套固定于密封板上。以防止滑脱。
优选的，密封板与过滤片之间的距离为100-200mm。
密封板与过滤片之间留有一定距离，密封板、过滤片和储氢罐体内壁之间围成一个腔体，在供氢时腔体作为氢气缓存空间，防止放氢不及时导致的氢燃料电池堆不能起堆问题。
在一些实施例中，储氢罐体的进口设置有气体流量计。气体流量计放置在储氢罐口处，对进出气体进行的流量进行相应测量，得到相应数据反馈到温度控制器，当气体流量速率达到相应稳定时，温度保持恒定，工作放出的气体速率保持稳定。
储氢罐体1的直径为102-1020mm，优选的133-560mm，高为300-1000mm，优选的500-900mm；
储氢床体2，其储氢材料为AB、AB2 、A2B、AB5 或者BCC型固态储氢合金材料，其直径为储氢罐体1直径减去导热管直径和柔性包裹材料厚度，高为储氢罐体1高度减去过滤片与密封板之间的距离；
氢气过滤片4为500目铜网，与密封板之间的距离为150mm；
高导热镀层13，其材质为金属基纯铜热镀层；
柔性包裹材料14 ，其材质为硅酸铝纤维，厚度为15mm，优选的12mm。
第二方面，本发明提供一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的方法，储氢时，向导液管中注入冷却液体，并通过泵使冷却液体在导液管中循环流动，对储氢床体内的储氢材料进行降温，同时向储氢罐体内充入氢气，氢气经过滤后进入储氢罐体内，在低温下实现储氢；
放氢时，通过无线温度传感器采集储氢材料内的温度，根据需要确定放氢速度和放氢温度，以确定导液管内的液体温度和流动速度，实现加热放氢。
在一些实施例中，导液管内的液体为导热油，优选的导热油凝点小于-20℃。
在一些实施例中，储氢时，优选的导液管内的液体温度为-10℃至20℃，流速为1-3m/s。
优选的，放氢时，优选的导液管内的液体温度为60℃-100℃，流速为1-3m/s。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的方法和装置包括储氢罐体1、储氢床体2、无线温度传感器3、氢气过滤片4、密封装置5、导液管进口6、导液管出口7、气体流量计8、电机9、温度控制器10、控制器显示屏11、控制器按键12、高导热镀层13、柔性包裹材料14、衬套15。
储氢罐体1为圆柱体壳体，其上端开口处放置有气体流量计8控制气体进出，并设置有电机装置9控制导液管6达到液体进出目的，储氢床体元件2为圆筒形放置在储氢罐体1内，在储氢床体元件2上方有密封板5，储氢罐体罐口处有氢气过滤片4。
温度控制器由控制器显示屏11和控制器按键12组成，通过将图5、图6、图7导入控制器，编写相应控制程序，在无线温度传感器3实时监测储氢罐1体内温度并反馈到控制器10，选定合适温度后，控制器10通过操纵电机装置9控制导液管6内液体流速的大小完成对储氢罐1体内的温度调控。
如图2所示，储氢床体元件2由铝箔构成，以圆筒形放置在储氢罐体1内，储氢材料放置在储氢床体元件2中，储氢床体元件2由外到内依次为无限温度传感器3、铝箔、高导热镀层13、导液管6、柔性包裹材料14，且每层间有通孔进出气体，导液管6均匀缠绕在储氢床体元件2的高导热镀层13上，当温度进行变化时，导液管6通过热流体与冷却液实现对储氢材料进行加热或冷却，完成吸放氢工作。
如图3所示，密封板5上有微小通孔，在气体进入时首先通过氢气过滤片过滤其中杂质，若过滤不彻底将会导致通孔堵塞，无法完成吸放氢工作，保证使用过程的安全。进行放气工作，通孔仅允许气体通过，防止储氢材料发生泄露，影响使用效果。在密封层上同时装有衬套15用以固定导液管，防止导液管位置发生偏移，影响储氢材料的吸放氢工作。
如图4所示，当储氢装置开始工作时，气体通过气体流量计8进入储氢罐体1内，经过氢气过滤片4保证气体纯洁性，通过储氢床体元件2的通孔进入储氢材料完成吸氢过程。进行放氢工作，通过无线温度传感器3获得罐体内的温度数据传输到温度控制器10，控制电机装置9通过导液管6进行水浴调控温度，控制反应进行程度，气体流量计8测量输出气体的速率，在相应的情况下，在输出速率达到需要值后，温度保持恒定，放氢速率达到所需要求，气体通过通孔和氢气过滤片4完成放氢工作。
在使用时，打开储氢罐，将储氢材料装填入储氢床体中，无线温度传感器封闭在储氢床体内，依次将密封板与氢气过滤片放置在储氢罐体内，导液管以蛇形缠绕在储氢床体元件，电机装置与温度传感器连接温度控制器。
温度传感器感受储氢罐体内的温度，将信号传递给温度控制器在显示屏显示读数。
在不同情况下需要对储氢罐体内温度进行变化调控时，控制器操控电机装置改变导液管内液体的流速。
通过导液管内的液体对储氢罐体内的温度进行调节，在达到相应的温度时，观察气体流量计数据，放出气体速率达到相应值后，稳定储氢罐内温度，保证反应速率保持一定，放出适量的气体，满足工作情况的需要。
储氢罐体1的直径为560mm，高为700mm；
储氢床体2，其储氢材料为BCC型固态储氢合金材料，其直径为储氢罐体1直径减去导热管直径和柔性包裹材料厚度；
氢气过滤片4为500目铜网，与密封板之间的距离为150mm；
高导热镀层13，其材质为金属基纯铜热镀层；
柔性包裹材料14 ，其材质为硅酸铝纤维，厚度为15mm。
图6为放氢过程中一定压力条件下温度与反应耗时之间的关系，可见，温度越高，放氢速度越快，罐体内压强越小，放氢速度越快。
图7为吸氢过程中一定压力条件下温度与反应耗时之间的关系，可见，温度越低，吸氢速度越快，罐体内压强越大，吸氢速度越快。
图8为冷却液流速对温度场演化的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置，其特征在于：包括：储氢罐体、若干层储氢床体和氢气过滤片，其中，
储氢床体固定设置于储氢罐体内，其筒体内填充有储氢材料，且分层设置，储氢材料层上分布有细密气体通道；
筒体底部设置有无线温度传感器，筒体由导热材料制成，且筒体外表面涂覆有高导热镀层；
导液管缠绕于筒体外侧，导液管的进口端和出口端均通过进口延伸出储氢罐体；
柔性包裹材料层包裹于筒体外壁上，层间床体侧壁上设置通孔；
氢气过滤片设置于储氢罐体的进口处；
还包括密封板，密封板设置于储氢罐体的横截面上，且位于过滤片与储氢床体之间，密封板上设置有若干通孔，通孔直径小于储氢材料的粒径；
所述储氢材料层上的气体通道的直径为2-5mm；
所述导液管的进液管端和出液管端均穿过所述密封板设置，并通过衬套固定于密封板上。
2.根据权利要求1所述的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置，其特征在于：所述氢气过滤片为500目铜网。
3.根据权利要求1所述的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置，其特征在于：密封板与过滤片之间的距离为100-200mm。
4.根据权利要求1所述的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置，其特征在于：储氢罐体的进口设置有气体流量计。
5.一种利用权利要求1-4任一所述基于温度反馈调节的固体储氢放氢的装置进行的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的方法，其特征在于：储氢时，向导液管中注入冷却液体，并通过泵使冷却液体在导液管中循环流动，对储氢床体内的储氢材料进行降温，同时向储氢罐体内充入氢气，氢气经过滤后进入储氢罐体内，在低温下实现储氢；
放氢时，通过无线温度传感器采集储氢材料内的温度，根据需要确定放氢速度和放氢温度，以确定导液管内的液体温度和流动速度，实现加热放氢。
6.根据权利要求5所述的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的方法，其特征在于：导液管内的液体为导热油，凝点小于-20℃。
7.根据权利要求5所述的基于温度反馈调节的固体储氢放氢的方法，其特征在于：储氢时，导液管内的液体温度为-10℃至20℃，流速为1-3m/s；
或，放氢时，导液管内的液体温度为60℃-100℃，流速为1-3m/s。
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