一种卷曲型镁基高密度长寿命高效固态储氢器

本发明属于储氢，具体涉及一种卷曲型镁基高密度长寿命高效固态储氢器。

背景技术：

1、氢能因其洁净高效而被全球科研界和工业界视为极具潜力的次级能源，并引发了深度研究与广泛应用的热潮。然而，在氢能产业链中，储运环节的技术瓶颈明显制约了氢能的全面推广。为了突破这一限制，亟待解决的关键问题是提升储氢效率并削减储运成本，这已成为氢能储运技术研发的战略重心。

2、当前，业已投入实用的储氢方法主要包括高压气态储氢、低温液态储氢两大类以及日益受到关注的固态储氢技术。其中，固态储氢技术通过氢气与特定储氢材料间的化学或物理吸附反应，实现氢气的安全、稳定存储。相较于传统储氢方式，固态储氢技术展现出显著优势，如较高的储氢密度、较低的操作压力、卓越的安全性能以及优异的氢气纯度保障等，使其在众多储氢解决方案中脱颖而出，成为储氢技术未来发展的重要趋势。

3、在此背景下，聚焦于镁基高容量长寿命固态储氢器的研发规划。镁元素因其特有的电极电位、丰富的储量以及与氢气发生反应形成高容量储氢合金的可能性，为构建高效、持久的固态储氢系统提供了新的可能性。

4、然而，当前镁基固态储氢器的研究与应用虽已取得一定的进展，但仍面临一系列技术挑战和改进空间。首先，镁基储氢材料的吸放氢动力学性能有待优化，尤其是在吸氢速率和脱氢速率方面，现有的镁基储氢合金普遍存在吸氢慢、脱氢难的问题，影响其实现快速充放氢的需求。其次，镁基固态储氢器的循环稳定性尚不理想，经过多次吸放氢循环后，其储氢容量可能出现显著衰减，这严重制约了其长期服役的可靠性与经济效益。再者，镁基储氢材料与氢气反应过程中产生的氢化物结构复杂，可能导致储氢容量未能达到理论极限，同时也可能引发体积膨胀等副反应，影响器件的整体稳定性和安全性。

技术实现思路

1、为了克服以上现有技术存在问题，本发明的目的在于提供一种卷曲型镁基高密度长寿命高效固态储氢器，该固态储氢器在提升储氢容量的同时，保证其长效使用寿命，从而有力推动固态储氢技术迈向全新的技术水平。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种卷曲型镁基高密度长寿命高效固态储氢器，包括罐体，在罐体内侧底部设置热量收集层，在罐体内侧顶部设置过滤片，罐体内部设置有缓冲隔离层和卷曲储氢单元，所述缓冲隔离层和卷曲储氢单元间隔排布；

4、所述罐体内部竖直设置有高导热石墨烯管，所述高导热石墨烯管底部设置在热量收集层表面依次穿过缓冲隔离层和卷曲储氢单元，顶部位于最上层的卷曲储氢单元上方，且位于过滤片下方。

5、所述罐体表面设置有气阀，过滤片包括半透膜和催化柱，催化柱位于半透膜地面，且位于高导热石墨烯管上方。

6、所述卷曲储氢单元包括富镁合金储氢层、导热层为石墨烯导热层、过渡金属泡沫催化层和选择透过型包裹层；

7、将富镁合金储氢层置于中间位置，将石墨烯导热层置于富镁合金储氢层上部位置，将过渡金属泡沫催化层置于富镁合金储氢层底部位置，将三者叠层之后的带材沿及一端卷曲并在最终卷曲后的结构表面包裹选择透过型包裹层，最终形成卷曲储氢单元。

8、所述卷曲储氢单元中的石墨烯导热层在吸放氢过程中快速传导热量；过渡金属泡沫催化层在吸放氢过程中改善吸放氢热动力学性能；富镁合金储氢层可高密度安全储氢；选择透过型包裹层高效阻挡杂质(水分子、氧分子等)对储氢层的毒化，有助于改善系统活化特性。

9、所述富镁合金储氢层，导热层为石墨烯导热层、催化层为过渡金属泡沫催化层、选择透过型包裹层形成的卷曲结构中存在的间隙，为气体分子/原子快速迁移提供便捷通道或为吸放氢过程体积及应力缓冲提供空间。

10、所述富镁合金储氢层、石墨烯导热层、过渡金属泡沫催化层之间通过填充材料集成为一体。

11、罐体底部热量收集层(镁砖蓄热或者混凝土蓄热)、罐体中心高导热石墨烯热量收集棒、卷曲气体储存单元中的石墨烯导热层构成热量管理系统；

12、所述热量收集层由高比热容镁砖或者混凝土蓄热材料构成，可高效储存吸放氢反应过程中的热量，用以补偿后续储氢过程，以提高系统能效。

13、所述热量收集层为比热容大的多孔镁砖或者混凝土蓄热材料，高导热石墨烯管与每一个卷曲储氢单元中的石墨烯导热层相连接，热传导性能优异，可高效收集吸氢过程中每一个卷曲储氢单元中释放的热量，亦可在放氢过程中将热量收集层中的热量高效传递至每一个卷曲储氢单元中的储氢层。

14、罐体上部阀门、带有半透膜和催化柱的过滤片、卷曲储氢单元中的间隙及多孔缓冲隔离层中的孔道构成气体传输系统；

15、过滤片是与储氢瓶上部直径相同的圆形结构，其由高纯钛板(支撑作用)构成；高纯钛板上有直径相同的小圆孔，小圆口由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)膜覆盖；聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)膜用于过滤气体，获得高纯度氢气，高纯钛板下放垂直安装多个直径1cm的高纯镍催化柱，高纯镍催化柱用于催化解离氢气分子。

16、所述阀门安装在圆柱形罐体正上方位置。

17、所述缓冲隔离层具体的形状为与储氢罐体等直径的薄圆柱片，其内部结构为多孔泡沫结构，用于缓冲吸放氢过程中卷曲储氢单元之间的体积和应力。

18、所述卷曲储氢单元中的卷曲间隙、卷曲储氢单元外层的选择透过型包裹层、卷曲储氢单元之间的缓冲隔离层构成应力缓冲系统；所述缓冲隔离层是多孔薄圆柱片，其与卷曲储氢单元间隔排布，同时具备体积缓冲效应和应力缓冲效应。

19、所述卷曲储氢单元轴向的应力由各卷曲储氢单元之间的缓冲隔离层缓解，卷曲储氢单元径向的应力主要由全曲型储氢单元内部的卷曲间隙承担。

20、一种卷曲型镁基高密度长寿命高效固态储氢器的使用方法，包括以下步骤；

21、石墨烯导热层高效收集储氢过程中每一个卷曲储氢单元中富镁合金储氢层所释放的热量，并通过高导热石墨烯管，回收至固态储氢罐体底部的热量收集层。

22、在中间放置的石墨烯导热层具备良好的热导率，在吸氢放热过程中，将温度较高的富镁合金储氢层部位的热量传导至底下热量收集层；在放氢吸热过程中，将热量收集层中的热量传输至富镁合金储氢层；

23、最上层卷曲储氢单元吸氢接近饱和时，气体介质穿过该储氢段元内部卷曲间隙，再通过该储氢单元选择透过型包裹层，借助缓冲隔离层内部的管道传输至底下相邻的卷曲储氢单元。

24、本发明的有益效果：

25、第一方面：卷曲型储氢单元设计可高效利用富镁复合储氢带材，保证高传质和高导热环境的同时，可实现储氢材料的高密度填充，为高容量长寿命氢能源存储奠定优异的结构基础。

26、第二方面：将富镁储氢层、石墨烯导热层、过渡金属催化层高效集成，将承担储氢任务、催化任务、导热任务的功能层叠放，通过卷曲，实现高密度填充的同时，通过卷曲间隙设置，优化介质传输条件，实现结构功能一体化设计，即可最大程度呈现储氢材料优异的吸放氢热动力学性能，又能确保储氢单元中良好传热和传质条件，还有效缓解了应力和体积，为高容量长寿命氢气储存奠定基础。

27、第三方面：由卷曲储氢单元中的卷曲间隙、卷曲储氢单元外层的选择透过型包裹层、卷曲储氢单元之间的缓冲隔离层构成的应力缓冲系统，可有效缓冲吸放氢过程中的应力作用，最大程度降低其对储氢器内部单元及储氢层结构的破坏，实现长循环高容量固态储氢效果。

28、第四方面：由罐体底部热量收集层(镁砖蓄热或者混凝土蓄热)、罐体中心高导热石墨烯热量收集棒、卷曲气体储存单元中的石墨烯导热层构成的热量管理系统可高效调控、回收、管理、利用热量，确保固态储氢器安全储存氢气的同时，降低体系能耗，实现高效氢能源存储。