一种储放氢系统的制作方法

1.本实用新型涉及氢能与燃料电池领域技术领域，特别涉及到一种储放氢系统。


背景技术：

2.在氢能应用中，氢的按需储存和释放是影响用氢安全和成本的重要问题。目前应用最广泛的气态储氢存在安全性差、储氢密度低的问题，在大规模氢储能应用中，其爆炸危险性和超大体积储罐会造成占地和管理成本的大幅提升，且气氢储罐释放氢气不彻底，会造成一定的氢气余量损失，在释氢过程后期由于气瓶余压降低，导致释放速度变慢。
3.利用液态有机物和固态金属合金的吸放氢反应进行氢气存储和释放是目前储氢研究的热点方向，液态有机物和固态金属合金的储氢产物均为常压下稳定的化合物，大大提升了氢气存储的安全性，尤其是在涉及能源、发电等行业的氢储应用时，其安全优势更为重要。然而，目前行业内对于液态有机物和固态金属储氢与前端氢气生产和终端氢能利用需求的耦合还缺乏研究和认识，缺少能够指导实际生产运行的储放氢系统设计及操作方案。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，本实用新型实施例提供了一种储放氢系统，根据需求规模和储氢材料特性确定储放氢单元的容量配置，通过将储放氢系统分为不同储放氢模块，同时实现气源氢气的吸收、氢气的存储和终端氢气释放，以经济的容量配置满足生产需求。
5.有鉴于此，根据本实用新型实施例的一个方面提出了一种储放氢系统，包括储放氢单元，其包括多个并联的储放氢模块；所述储放氢模块包括设置氢气入口和氢气出口的反应器，所述反应器内设置储放氢材料用于吸收或释放氢气；所述氢气入口连接所述储放氢单元的输入端，所述氢气出口连接所述储放氢单元的输出端。
6.在一些实施例中，所述氢气入口和氢气出口上分别设置流量调节阀。
7.在一些实施例中，储放氢系统还包括：
8.制氢单元，其输出端连接所述储放氢单元的输入端，用于制备氢气并向所述储放氢单元输出氢气；和
9.用氢单元，其输入端与所述储放氢单元的输出端连接，用于消耗氢气。
10.在一些实施例中，所述储放氢材料的平均放氢速度小于其平均吸氢速度时，所述储放氢模块为两个，每个所述储放氢模块中所述储放氢材料的质量m0＝q/w1；
11.其中q为所述用氢单元平均时用氢流量，单位为kg/h；w1为所述储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h。
12.在一些实施例中，所述制氢单元的制氢能力q
p
＝q*w1/w2；
13.其中q为所述用氢单元平均时用氢流量，单位为kg/h；w1为所述储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h；w2为所述储放氢材料的平均吸氢速度，单位为kgh2/kg/h。
14.在一些实施例中，所述储放氢材料的平均放氢速度不小于其平均吸氢速度时，所述储放氢模块的数量为
15.n＝[(w1/w2+1)*a]]；
[0016]
所述储放氢模块中所述储放氢材料的质量为m0＝q/w1/a；
[0017]
其中其中m1/nm0《α；mina＝《m1/nm0》；
[0018]
其中w1为所述储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h；w2为所述储放氢材料的平均吸氢速度，单位为kgh2/kg/h；a为整数代表a个模块同时进行放氢时满足用氢需求；[]为向上取整值；《》为向下取整值；q为所述用氢单元平均时用氢流量，单位为kg/h；m1为所述储放氢单元中所述储放氢材料质量总和的最小值；α为所述储放氢材料质量的最小值与实际所述储放氢材料质量的偏差，取值为5％-10％。
[0019]
在一些实施例中，所述储放氢单元中所述储放氢材料的总质量为m＝n*m0；m0为单个所述储放氢模块中所述储放氢材料的质量；其中n为所述储放氢单元中所述储放氢模块的数量。
附图说明
[0020]
本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0021]
图1为本实用新型示例性实施例的一种储放氢系统的结构示意图。
[0022]
附图标记
[0023]
制氢单元1，储放氢单元2，用氢单元3，储放氢模块4，氢气入口5，氢气出口6，反应器7，流量调节阀8。
具体实施方式
[0024]
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0025]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0026]
实施例1
[0027]
如图1所示，根据本实用新型实施例的一个方面提出了一种储放氢系统，包括制氢单元1、储放氢单元2和用氢单元3，其中制氢单元1用于制备氢气，其输出端连接储放氢单元2的输入端，储放氢单元2用于接收制氢单元1的输送的氢气，吸入氢气将氢气进行暂时存储；用氢单元3输入端与储放氢单元2的输出端连接用于消耗氢气；用氢单元3消耗使用氢气时，储放氢单元2释放氢气用于供应用氢单元3。
[0028]
其中储放氢单元2包括多个并联的储放氢模块4；储放氢模块4包括设置氢气入口5和氢气出口6的反应器7，即多个反应器7相互并联，且每个反应器7的氢气入口5均连接制氢单元1的输出端；每个反应器7的氢气出口6均连接用氢单元3的输入端。有利的，每个氢气入口5和氢气出口6的直管上均有流量调节阀8，可以调节管路上氢气的流量或调节管路的开
关状态。
[0029]
其中反应器7内设置储放氢材料，根据反应器7内设置一定量的储放氢材料，可实现储放氢材料在一定温度和压力下对氢气的吸收或释放。可选的，储放氢材料为有储放氢能力的有机物液体或固体储氢合金。
[0030]
需要说明的是，储放氢单元2的储放氢材料的质量和储放氢模块4的数量均需要根据储放氢材料的性质如储氢密度、吸氢速度、放氢速度以及用氢单元3的需求进行确定。
[0031]
在一些实施例中，储放氢材料的平均放氢速度小于其平均吸氢速度时，储放氢模块4为两个，每个储放氢模块4中储放氢材料的质量m0＝q/w1；
[0032]
其中q为用氢单元3平均时用氢流量，单位为kg/h；w1为储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h。
[0033]
具体的储放氢材料的热力学和动力学特性为储放氢材料本身的性能，即：储放氢密度d1(wt％)，平均放氢速度w1(kgh2/kg/h和平均吸氢速度w2(kgh2/kg/h)；储放氢密度d1，平均放氢速度w1和平均吸氢速度w2等数据均可由材料生产方提供，或通过pct测试等方式获得。
[0034]
根据储放氢材料的性能，将储放氢材料分为两类，一类为平均放氢速度小于其平均吸氢速度；另一类为平均放氢速度大于或等于其平均吸氢速度；不同的储放氢材料，储放氢系统中储放氢模块4的数量以及储放氢单元2中设置的储放氢材料的总量并不相同。
[0035]
当储放氢材料的平均放氢速度小于其平均吸氢速度时，说明储放氢材料可存储足够供应用氢单元3的氢气量，因此储放氢模块4可为两个，每个储放氢模块4单独进行释放氢气时即可满足用氢单元3的用氢需求，每个储放氢模块4中储放氢材料的质量m0＝q/w1，
[0036]
制氢单元1的制氢能力q
p
＝q*w1/w2；
[0037]
其中q为用氢单元3平均时用氢流量，单位为kg/h；w1为储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h；w2为储放氢材料的平均吸氢速度，单位为kgh2/kg/h。
[0038]
利用储放氢材料的平均放氢速度小于其平均吸氢速度时的系统进行储放氢的方法为：
[0039]
计算储放氢模块4释放氢气的周期t
[0040]
t＝m0*d1/w1；
[0041]
其中m0为单个储放氢模块4中储放氢材料的质量，w1为储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h；d1为储放氢材料的密度单位为wt％；
[0042]
在一个周期t内，一个氢气饱和的储放氢模块4对用氢单元3释放氢气；在多个周期t内，两个氢气饱和的储放氢模块4依次对用氢单元3释放氢气。
[0043]
具体的，在t＝0时刻，所有储放氢模块4均处于氢气饱和状态，计算储放氢模块4释放氢气的周期t，在0-t时间内，一个储放氢模块4对用氢单元3释放氢气；在下一个周期t内即t-2t时间段内，另一个储放氢模块4对用氢单元3释放氢气，并在此时间段内，完成释放氢气的前一个储放氢模块4吸收制氢单元1输出的氢气，直至氢气饱和。
[0044]
调整充氢速度，调整储放氢材料的平均吸氢速度等于储放氢材料的平均放氢速度即使充氢速度等于w1，每一模块的充满时间为t；
[0045]
t＝m0*d1/w1＝t。
[0046]
其中t储放氢模块4释放氢气的周期；m0为单个储放氢模块4中储放氢材料的质量；
储放氢密度d1(wt％)；w1为储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h。
[0047]
因此在一个周期t内，只有一个氢气饱和的储放氢模块4对用氢单元3释放氢气，同时另一个储放氢模块4氢气不饱和时吸收制氢单元1输出的氢气，直至氢气饱和；在多个周期t内，两个氢气饱和的储放氢模块4依次对用氢单元3释放氢气。
[0048]
在一些实施例中，储放氢材料的平均放氢速度不小于其平均吸氢速度时，说明储放氢材料不能存储足够供应用氢单元3的氢气量，需要多个反应器7内的储放氢材料同时对应用氢单元3释放氢气，因此
[0049]
储放氢模块4的数量为
[0050]
n＝[(w1/w2+1)*a]]；
[0051]
储放氢模块4中储放氢材料的质量为m0＝q/w1/a；
[0052]
其中其中m1/nm0《α；mina＝《m1/nm0》；
[0053]
其中m1＝(w1/w2+1)*q/w1[0054]
w1为储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h；w2为储放氢材料的平均吸氢速度，单位为kgh2/kg/h；a为整数代表a个模块同时进行放氢时可满足用氢需求；[]为向上取整值；《》为向下取整值；q为用氢单元3平均时用氢流量，单位为kg/h；m1为储放氢单元2中储放氢材料质量总和的最小值；α为所述储放氢材料质量的最小值与实际所述储放氢材料质量的偏差，取值为5％-10％。
[0055]
储放氢单元2中储放氢材料的总质量为m＝n*m0；m0为单个储放氢模块4中储放氢材料的质量；其中n为储放氢单元2中储放氢模块4的数量。
[0056]
储放氢材料的平均放氢速度不小于其平均吸氢速度时的系统进行储放氢的方法为：
[0057]
将储放氢模块4分为k组，k＝[n/a]；其中a为整数代表a个模块同时进行放氢时可满足用氢需求；n为储放氢模块4的数量；[]为向下取整值；
[0058]
计算每组a个储放氢模块4释放氢气的周期t；
[0059]
t＝m0*d1/w1；
[0060]
其中m0为单个储放氢模块4中储放氢材料的质量，w1为储放氢材料的平均放氢速度，单位为kgh2/kg/h；d1为储放氢材料的密度单位为wt％；
[0061]
在一个周期t内，一组氢气饱和的a个储放氢模块4同时对用氢单元3释放氢气；在多个周期t内，多组储放氢模块4依次对用氢单元3释放氢气。
[0062]
具体的，在t＝0时刻，所有储放氢模块4均处于氢气饱和状态，将多个储放氢模块4分为k组，每组a个，
[0063]
k＝[n/a]；其中a为整数代表a个模块同时进行放氢时可满足用氢需求；n为储放氢模块4的数量；[]为向下取整值；
[0064]
其中第一组编号为1....a；第二组编号a+1....2a；...........第k组编号为ka+1,
…
,ka+n；
[0065]
计算每组a个储放氢模块4释放氢气的周期t；
[0066]
t＝m0*d1/w1；
[0067]
一组a个储放氢模块4的吸氢周期t＝m0*d1/w2，其中m0*d1/w2＝w1/w2t；
[0068]
其中m0为单个储放氢模块4中储放氢材料的质量，w1为储放氢材料的平均放氢速
度，单位为kgh2/kg/h；w2为储放氢材料的平均吸氢速度，单位为kgh2/kg/h；d1为储放氢材料的密度单位为wt％。
[0069]
在0-t时间内，第一组储放氢模块4对用氢单元3释放氢气；在下一个周期t内即t-2t时间段内，第一组储放氢模块4对用氢单元3释放氢气，并在此时间段内，完成释放氢气的第一组储放氢模块4吸收制氢单元1输出的氢气，直至氢气饱和。
[0070]
在(s-1)t-st(1《s《k)时间内，第s组储放氢模块4对用氢单元3释放氢气，并在此时间段内，完成释放氢气的第s-1及以前各组未充满状态的储放氢模块4吸收制氢单元1输出的氢气，直至氢气饱和。
[0071]
需要说明的是，(k-1)t-kt时间内，第k组的储放氢模块4数量小于a个时，从ka+1,
…
ka+n开始加上第一组的储放氢模块4中编号为1、2...等储放氢模块4直至数量为a个储放氢模块4同时对用氢单元3释放氢气。
[0072]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
[0073]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0074]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0075]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0076]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“实施例”、或“一些示例”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实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不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，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
[0077]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。