一种用于低压氢气储存及增压的装置及方法与流程

1.本发明涉及氢能源利用的技术领域，涉及一种固态储氢系统，提供一种用于低压氢气储存及增压的装置及方法。


背景技术：

2.氢气作为一种能源载体，具有高能量热值密度、循环利用、且排放无污染的优点，是现阶段替代碳氢化石燃料的最佳选择，已日益引起各国学术界和工业界的极大兴趣。氢燃料电池技术领域近些年在汽车、轨道交通、船舶等行业中已得到推广与应用，大幅降低高负荷交通对燃油的依赖，具有广泛的应用前景。
3.氢气的储运是影响氢能有效开发的关键问题，其中固态储氢方式的原理是氢气可与合金储氢材料发生反应，反应过程中采用冷却或升压操作，最终形成金属氢化物来对氢气进行储存，而储存后的氢气则可以通过加热或降压等操作，将氢气从氢化物中被释放出来。固态储氢方式储氢压力相比于气态储氢大大降低，安全性能高，同时缩小储氢容器的体积，提高整体的体积储氢密度，运输便利。
4.储氢材料在吸放氢过程中的平台压力与温度相关，符合van’t hoff方程，在较低的温度和较低的压力下吸氢后，将材料温度升高到较高温度，则放氢压力相应提高，依此原理可完成对氢气的压缩。相比于其他压缩方式，金属氢化物增压方法利用热驱动，可以回收利用工业过程中的废热，提高能量利用率。另外，固态储氢的储氢材料具有高选择性，能在储氢与放氢的过程中同时纯化氢气。
5.我国当前碱性电解水制氢技术的水平及装置规模居于世界前列，一般的碱性电解水制氢的压力低于1.6mpa，甲醇重整制氢的制氢压力约在0～2.5mpa。然而大部分的氢气储存设备或使用装置终端的压力需求都比较大，一般需求3mpa以上，上述方法生产的氢气往往不能直接应用，需要经过处理如压缩机加压等步骤才能向应用终端供给，增加了设备的成本与能耗。针对上述问题，提出了一种用于低压氢气储存及增压的装置及方法。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出了一种用于低压氢气储存及增压的装置，所述装置第一部分包括用于收集氢源氢气的低压缓冲器(11)、用于将低压氢气进行压缩的增压设备(2)以及用于收集压缩氢气的高压缓冲器(12)，整体为压缩部分用于将低压气源产生的氢气进行压缩。第二部分包括用于氢气储存的固态储氢罐(3)、恒温槽(5)以及用于固态储氢罐换热的恒温循环器(4)，整体作为储氢部分用于对压缩后的氢气进行储存或向外输出。
7.所述装置将各个所述部件集成在一个模块内，可根据需要进行整体运输或存放。模块提供快速接头，便于同氢气输入装置或氢气使用装置的连接。
8.所述低压缓冲器(11)与高压缓冲器(12)为不锈钢压力容器，低压缓冲器(11)用于收集氢源所输入的低压氢气，高压缓冲器(12)用于收集增压设备所输出的高压氢气，使得压缩部分的氢流稳定。高压缓冲器(12)的构型异于低压缓冲器，便于区分。
9.进一步，所述低压缓冲器(11)与高压缓冲器(12)进口分别设置有压力传感器，用于检测增压前后管道内氢气的压力。
10.所述增压设备(2)连接于低压缓冲器(11)与高压缓冲器(12)之间，用于将低压缓冲器(11)收集的氢气进行压缩并输出到高压缓冲器(12)。
11.进一步，增压设备(2)使用金属氢化物压缩机，通过冷、热换热介质的切换，实现金属氢化物的吸放氢循环，同时将氢气从低压压缩至高压。
12.进一步，氢气输送管道上还包括直接连接低压气源与固态储氢罐(3)的氢气旁通管路。增压设备设置有氢气旁通管路，用于3mpa以上氢气的直接储存。
13.所述固态储氢罐(3)的材质选用s31603、s31608与6061铝合金的其中一种，储氢罐内部装填储氢合金材料，以固态储氢方式对氢气进行储存与释放。
14.进一步，所述固态储氢罐(3)外部焊接有安装定位板，便于多个储氢罐的排列布置及固定。
15.进一步，所述固态储氢罐(3)上皆设置有鞍座，便于在恒温槽(5)内固定。
16.进一步，所述固态储氢罐(3)的一端上有氢气出入口，用于氢气进入固态储氢罐(3)与储氢合金材料反应，也用于储氢合金材料释放的氢气排出储氢罐；出入口安装带有过滤片的针阀。氢气出入口前端通过过滤器、汇流四通汇入气路主管路，所述汇流四通接有截止阀。
17.进一步，所述固态储氢罐(3)的另一端设置装料口，装料口采用堵头密封，便于储氢合金材料的装填或卸载，堵头上设有测温套管，用于伸入热电偶，测量储氢罐内部温度。
18.优选的，所述储氢合金材料为稀土系ab5或钛铬系ab2合金，储氢合金材料内混合铜粉，改善储氢材料的导热性能及其粉化现象。
19.所述恒温槽(5)设置有入液口与出液口，用于换热介质的流入与流出；同时设置有氢气进出入管口，用于内部储氢罐通过管口与气路主管路汇接；设置有温度传感器接口，用于监测恒温槽(5)内部的换热介质温度。
20.进一步，所述恒温槽(5)上部设置有密封盖，防止换热介质泄露及灰尘、污物进入；
21.进一步，所述恒温槽(5)内部设置有固定挡板，用于同储氢罐上安装定位板配合，固定储氢罐。
22.所述恒温循环器(4)主要包括液槽、循环泵、温度传感器、加热管、制冷器组成。所述恒温循环器(4)同时具有控制温度与流体循环的功能，可根据需求将换热介质通过恒温槽进行循环，为储氢罐提供稳定的工作温度。
23.优选的，所述加热管为不锈钢加热管，所述制冷器为全铜管风冷式制冷，恒温循环器(4)可提供的工作温度范围为-35℃～200℃。
24.优选的，所述液槽内使用的换热介质为汽车防冻液(8℃以下)、水(8～80℃)以及二甲基硅油(80～200℃)。
25.进一步，其中缓冲器可以起到对固态储氢中的吸放氢环节的稳流作用，避免因压力波动而引起氢气供给量的减少。其次，该装置使用恒温循环器，集加热、冷却、循环为一体，能有效处理固态储氢过程当中的热效应，大幅度提高了储氢材料吸氢与放氢过程的稳定性。
26.本发明的有益效果：
27.本发明提供了一种用于低压氢气储存及增压的装置及方法，通过压缩与固态储氢的方式将来自低压气源(0.01～3.0mpa)的氢气增压至需要的氢气压力(3.0～10.0mpa)并最终实现氢气固态储存。该方法通过增压设备将低压氢气压缩至所需压力，将所述固态储氢罐、恒温槽、低压缓冲器、高压缓冲器、增压设备与恒温循环器集成制作成模块装置，利于固态储氢装置的模块一体化以及其在实际工程中的应用。
附图说明
28.图1为装置的示意流程图。
29.图2为金属氢化物压缩机的示意图。
30.图中，过滤器13，低压缓冲器11，增压设备2，高压缓冲器12，入口电磁阀22，出口电磁阀23，入口压力传感器24，出口压力传感器25，气体控制阀31，控制阀32，固态储氢罐3，恒温循环器4，恒温槽5，入液口41，出液口42，增压固态储氢罐211，高温循环器212，低温循环器213，入口电磁阀214，出口电磁阀215。
具体实施方式
31.本发明提供一种用于低压氢气储存及增压的装置，所述装置包括低压缓冲器11，增压设备2，高压缓冲器12，固态储氢罐3，恒温循环器4，恒温槽5以及相对应的流体管路，阀门与测控设备。通过增压设备将低压氢气压缩，压缩后的氢气存入储氢部分，并能对其进行后续利用。
32.实施例一
33.参考图1，一种用于低压氢气储存及增压的装置，主要包括通过氢气输送管道依次相连的低压缓冲器11、增压设备2、高压缓冲器12、固态储氢罐3，相邻单元之间的氢气输送管道上均设置有氢气控制阀；
34.所述氢气输送管道的入口端连接低压氢气气源，低压气源是电解制氢、甲醇重整制氢或低压氢气瓶的残余内部氢气，氢气入口压力范围0.01～3.0mpa，适用于中低压程度的氢气压缩；所述氢气输送管道的出口端与外部用氢系统相连接，出口压力范围3.0～10.0mpa；
35.氢气输送管道的入口端设有过滤器13。
36.所述低压缓冲器11与高压缓冲器12为不锈钢压力容器，包括球形封头与筒体，并排放置于支座上，支座上设置有定位板与加强肋板，固定于装置中，用于对低压缓冲器11与高压缓冲器12的定位与约束。两个缓冲器的长度不一致，以便于区分。
37.下面对压缩部分进行具体说明。
38.低压氢气由进口进入，经过过滤器13经过过滤器汇入到低压缓冲器11内，过滤器13的精度小于1μm。低压缓冲器11可对由氢源而来的氢气进行收集，为下一步的压缩提供连续的氢气输入。
39.具体的，低压气源可以是电解制氢、甲醇重整制氢、及低压氢气罐内部氢气。
40.在其中一个实施例中，过滤器13后设置有氢气旁通管路，无需进行压缩的气源氢气可经由氢气旁通管路直接通入固态储氢罐3。
41.由低压缓冲器11汇入的氢气通过增压设备2进行氢气压缩。
42.在其中一个实施例中，增压设备2选用金属氢化物压缩机。
43.所述金属氢化物压缩机21的结构和运行方式为，将两个增压固态储氢罐211组合，增压固态储氢罐211采用换热器结构，内部填充增压用储氢材料，外部具有流体空间。吸氢与解吸时，由入口电磁阀214，出口电磁阀215切换流道方向，使氢气进入或流出相对应的增压固态储氢罐，以能够完成连续压缩。增压固态储氢罐211工作时，材料吸氢或放氢时产生的热效应由循环加热与冷却介质处理，循环加热介质由高温循环器212提供，循环冷却介质由低温循环器213提供，循环介质的流动方向由连接在储氢罐外部流体空间通路上的水阀控制。
44.具体的，增压用储氢材料为ab2储氢材料，在80℃左右的温度下提供的出口氢气压力大于8mpa。
45.在其中一个实施例中，增压用储氢材料为ab5储氢材料，在80℃左右的温度下提供的出口氢气压力大于2mpa。
46.由增压设备2压缩后形成的高压氢气汇入高压缓冲器12，高压缓冲器12收集压缩后的高压氢气，用作后续固态储氢部分的气源。
47.所述增压部分在增压设备2前后设置有入口电磁阀22和出口电磁阀23、入口压力传感器24，出口压力传感器25，用于监测装置内部的压力，并相应的进行阀门的开关控制。当压缩部分将低压氢气增压到设定值后，会有声光报警提示，并自动关闭阀门。
48.实施例二
49.参考图1，一种用于低压氢气储存及增压的装置，其储氢部分主要包括固态储氢罐3、恒温槽5、与恒温循环器4。固态储氢罐3用作对压缩部分处理后的高压氢气进行储存，并能将储存的氢气输出至氢气负载。储氢罐3放置于恒温槽5中，恒温槽5为长方体结构，由不锈钢板焊接成型，其侧壁分别留有换热介质出入口，氢气进出入口以及测温口。恒温循环器4用作对固态储氢罐进行换热处理。
50.下面对储氢部分进行具体说明。
51.进一步，所述储氢罐3内部装接隔板，隔板长度与储氢罐筒体长度一致，利于储氢罐的传热性能。
52.当高压缓冲器12内部储存的高压氢气达到指定要求后，打开气体控制阀31，氢气由高压缓冲器12进入固态储氢罐3，并与储氢罐内部的储氢合金材料发生吸氢反应，此时打开恒温循环器4的入液口41、出液口42，为恒温槽5提供低温循环换热介质，带走固态储氢罐3内部储氢合金材料吸氢反应产生的热量。当储氢合金材料吸氢达到饱和后，关闭控制阀，高压氢气即被储存于储氢合金材料中。
53.当氢气使用端需要高压氢气时，打开恒温循环器4的入液口41、出液口42，为恒温槽5提供高温循环换热介质，此时储氢合金材料会发生放氢反应，释放出储存的高压氢气，随后打开控制阀32，即可向氢气使用端输出高压氢气。
54.在其中一个实施例中，可以将固态储氢罐3的个数按模块方式进行累加组合，以满足不同氢气负载量的要求。
55.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。

技术特征：
1.一种用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于：该装置包括通过氢气输送管道依次相连的低压缓冲器(11)、增压设备(2)、高压缓冲器(12)、固态储氢罐(3)，相邻单元之间的氢气输送管道上均设置有氢气控制阀；所述氢气输送管道的入口端连接低压氢气气源，低压气源是电解制氢、甲醇重整制氢或低压氢气瓶的残余内部氢气，氢气入口压力范围0.01～3.0mpa，适用于中低压程度的氢气压缩；所述氢气输送管道的出口端与外部用氢系统相连接，出口压力范围3.0～10.0mpa。2.根据权利要求1所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，所述氢气输送管道上还包括直接连接低压气源与固态储氢罐(3)的氢气旁通管路。3.根据权利要求1所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，所述装置还包括恒温循环器(4)、恒温槽(5)以及相对应的流体管路，阀门与测控设备，固态储氢罐(3)设置在恒温槽(5)内。4.根据权利要求3所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，所述恒温槽(5)采用循环制冷与加热介质进行冷却或加热，运行温度区间：-30～200℃。5.根据权利要求1所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，所述增压设备(2)、高压缓冲器(12)、固态储氢罐(3)上均设置有安全泄放设备。6.根据权利要求1所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，增压设备(2)使用金属氢化物压缩机。7.根据权利要求1所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，所述固态储氢罐(3)的一端上有氢气出入口，出入口安装带有过滤片的针阀，氢气出入口前端通过过滤器、汇流四通汇入氢气输送主管路，所述汇流四通接有截止阀。8.根据权利要求1所述的用于低压氢气储存及增压的装置，其特征在于，氢气输送管道的入口端设有过滤器(13)。9.利用上述任一项权利要求所述的装置对低压氢气增压的方法，其特征在于，包括下列步骤：低压氢气由进口进入，经过过滤器(13)经过过滤器汇入到低压缓冲器(11)内，由低压缓冲器(11)汇入的氢气通过增压设备(2)进行氢气压缩；由增压设备(2)压缩后形成的高压氢气汇入高压缓冲器(12)，高压缓冲器(12)收集压缩后的高压氢气，用作后续固态储氢部分的气源；当高压缓冲器(12)内部储存的高压氢气达到指定要求后，打开气体控制阀(31)，氢气由高压缓冲器(12)进入固态储氢罐(3)，并与储氢罐内部的储氢合金材料发生吸氢反应，此时打开恒温循环器(4)的入液口(41)、出液口(42)，为恒温槽(5)提供低温循环换热介质，带走固态储氢罐(3)内部储氢合金材料吸氢反应产生的热量；当储氢合金材料吸氢达到饱和后，关闭控制阀，高压氢气即被储存于储氢合金材料中；当氢气使用端需要高压氢气时，打开恒温循环器(4)的入液口(41)、出液口(42)，为恒温槽(5)提供高温循环换热介质，此时储氢合金材料会发生放氢反应，释放出储存的高压氢气，随后打开控制阀(32)，即可向氢气使用端输出高压氢气。

技术总结
本发明公开了一种用于低压氢气储存及增压的装置及方法，该装置包括通过氢气输送管道依次相连的低压缓冲器(11)、增压设备(2)、高压缓冲器(12)、固态储氢罐(3)，相邻单元之间的氢气输送管道上均设置有氢气控制阀。本发明提供的用于低压氢气储存及增压的装置及方法，可以将来自低压气源(0.01～3.0MPa)的氢气通过增压设备压缩至需要的氢气压力(3.0～10.0MPa)并通过固态储氢的方式最终实现氢气储存，且将固态储氢罐、恒温槽、低压缓冲器、高压缓冲器、增压设备与恒温循环器集成制作成模块装置，利于固态储氢装置的模块一体化以及其在实际工程中的应用。程中的应用。程中的应用。


技术研发人员：刘学武 纪佳欣 刘炳言 高健 曹学磊 靖秀明
受保护的技术使用者：海德威科技集团（青岛）有限公司 海德威氢能科技（山东）有限公司
技术研发日：2023.06.03
技术公布日：2023/9/9