一种用于固体储氢的设备的制作方法

本发明属于储氢，具体涉及一种用于固体储氢的设备。

背景技术：

1、氢气由于燃烧过程不释放二氧化碳等温室气体且燃烧热值高，被认为是最为清洁高效的能源之一。氢气的利用离不开氢气的存储，目前储氢一般有气态储氢、液态储氢、固态储氢三种方式。固态储氢是将氢气存储在固体储氢合金材料(如稀土类化合物(lani5)等)晶格中，并在一定的温度和压力条件下通过改变温度和气压实现物理可逆的加氢和放氢过程。相比气态储氢和液态储氢，固态储氢过程不需要消耗过多的能量，具有体积储氢密度较大、安全高效、放氢速率平稳等优点，已成为前景较好的储氢技术。

2、由于固体储氢材料通常在吸收氢气时体积会膨胀、释放氢气时体积收缩，另外在吸收氢气时会放出大量热量、释放氢气时需要补充大量热量，并且温度对储氢材料的吸放氢速率影响较大，因此，为保证储氢材料的长期使用和吸放氢的快速高效进行，必须同时处理好吸放氢过程中热量和体积的变化，设计出具有高效换热性能、具有体积补偿的储氢装置。否则，固体储氢的吸放氢效率会降低，而且随着充放氢循环的进行，固体储氢合金材料膨胀、挤压将导致晶格发生变形，其容量将迅速衰减。另外，固体储氢材料膨胀导致储存外壳承受较大的应力，存在鼓包、破裂的风险。解决固体储氢吸放氢过程中热量吸放和体积变化问题是保证较高吸放氢速率的关键，还直接影响着储氢装置的成本和安全性。

3、专利cn117307953a公开了一种便于更换储氢材料的储放氢装置，在储氢合金充放氢能力衰退后，在整体装置不移动情况下，经由夹套入口灌入新的储氢合金来替换原来的储氢合金，操作便捷、成本低，但充放氢过程中储氢合金的体积膨胀吸收较差，固体储氢材料容量可能迅速衰减；专利cn103883874b公开了一种带有外换热结构的储氢罐，其结构简单、制作加工容易，成本低，具有较优的换热效果，放氢性能优异，但该储氢罐仅具有换热效果，无法吸收固体储氢材料在吸放氢过程中的体积膨胀，故无法同时解决体积膨胀和热量释放，罐体存在鼓包、破裂的风险。

技术实现思路

1、为了解决现有固体储氢设备存在的充放氢过程中体积膨胀的吸收效果差、无法同时解决吸收体积膨胀和热量释放等技术问题，本发明提供了一种用于固体储氢的设备，解决了固体储氢过程中的体积膨胀和热量释放的问题。

2、本发明提供了一种用于固体储氢的设备，包括圆筒状立式罐体、立式罐体内由上而下与立式罐体同轴设置的氢气分配收集箱、换热介质进口箱、储氢箱、换热介质出口箱；氢气分配收集箱呈圆筒状，由立式罐体顶板、立式罐体筒壁和氢气分配收集箱底板围成；换热介质进口箱呈圆筒状，由氢气分配收集箱底板、立式罐体筒壁和换热介质进口箱底板围成；换热介质出口箱呈圆筒状，由换热介质出口箱顶板、立式罐体筒壁和立式罐体底板围成；储氢箱呈圆筒状，位于换热介质进口箱底板下方，是由换热介质进口箱底板、储氢箱筒壁和换热介质出口箱顶板围成的封闭空间；储氢箱内、换热介质出口箱顶板上与储氢箱筒体同轴设置一固定不动的圆柱形中心轴，中心轴顶端与换热介质进口箱底板之间保留一间隙；

3、中心轴上呈交叉状设置有2n块转动分隔板，2n块转动分隔板呈合页式设置，均可绕中心轴转动并且彼此之间能产生相向或相背转动，均具有小于等于中心轴高度的相同高度，具有等于储氢箱半径的相同的径向宽度，每块转动分隔板的底边都处于同一水平面内；2n块转动分隔板将储氢箱腔体分隔为n个储氢材料存储区和n个非储氢材料存储区，储氢材料存储区内装填有固体储氢材料，储氢材料存储区内靠近每块转动分隔板的储氢箱内壁上均设有转动起点限位块，非储氢材料存储区内在相邻两块转动分隔板之间设置有撑开两块转动分隔板的弹性元件，弹性元件随两块转动分隔板相向或相背的转动产生相应的压缩或伸张形变；

4、每个储氢材料存储区对应的换热介质进口箱底板上均设有储氢材料进口管，储氢材料进口管穿过换热介质进口箱和氢气分配收集箱箱体伸至立式罐体顶板外；每个储氢材料存储区对应的换热介质出口箱顶板上均设有储氢材料出口管，储氢材料出口管穿过换热介质出口箱箱体伸至立式罐体底板外；

5、氢气分配收集箱上设有氢气进口和氢气出口，氢气分配收集箱底板上设有向下延伸的氢气分布收集管，氢气分布收集管穿过换热介质进口箱箱体伸至储氢箱的储氢材料存储区内部并埋于固体储氢材料中，埋于固体储氢材料中的氢气分布收集管管腔壁上设有氢气孔，氢气孔的直径小于固体储氢材料的最小粒径，氢气分配收集箱通过氢气分布收集管与储氢箱相连通；

6、换热介质进口箱底板和换热介质出口箱顶板位于储氢材料储存区内的部分设置彼此对应的开孔，孔内安装换热管，换热管沿储氢箱轴向贯穿储氢箱并埋于固体储氢材料中，换热介质进口箱和换热介质出口箱通过换热管相连通；换热介质进口箱上设有换热介质进口，换热介质出口箱上设有换热介质出口；换热介质进口、换热介质进口箱、换热管、换热介质出口箱和换热介质出口组成封闭连通的腔体，供换热介质将热量从储氢材料存储区内填充的固体储氢材料撤出或将热量补充给固体储氢材料；

7、氢气分配收集箱与换热介质进口箱和换热介质出口箱均不连通，储氢箱与换热介质进口箱和换热介质出口箱均不连通。

8、所述每块转动分隔板的转动轴线处均设置有套筒，每块转动分隔板各自通过其套筒套装于中心轴上，每个套筒的高度均小于转动分隔板的高度，2n块转动分隔板的套筒高度之和等于转动分隔板的高度，每个套筒在其相应的转动分隔板上的位置沿中心轴自下而上逐步升高，升高的高度为上一块转动分隔板套筒的轴向高度，即后一块转动分隔板套筒的底端高度是上一块转动分隔板套筒的顶端高度，中心轴最下部的套筒的底端与其相应的转动分隔板的底边平齐，中心轴最上部的套筒的顶端与其相应的转动分隔板的顶边平齐，每块转动分隔板转动轴线上未设套筒之处保留一宽度等于套筒外径的台阶状缺口，每块转动分隔板的台阶状缺口与2n块转动分隔板中剩余的其它转动分隔板的套筒外壁接触处设置有转动密封；所述转动密封可以为填料密封，以避免固体储氢材料进入非储氢材料存储区内；所述2n中的n为大于零的自然数，作为优选方案，n可以为1、2、3或4。

9、安装时，套筒位置在最下边的转动分隔板先安装，套筒位置在上的转动分隔板后安装，后一块转动分隔板上套筒的底端与上一块转动分隔板的套筒的顶端接触重合，以使得各个转动分隔板套筒无缝隙的包裹于中心轴上，并且每块转动分隔板底部高度一致并均紧贴在换热介质收集箱顶板上端，每块转动分隔板顶部高度一致，每块转动分隔板均可以各自绕中心轴转动。

10、所述氢气分布收集管在储氢箱的储氢材料存储区的横截面上以环形、正三角形、或正四边形排布，氢气分布收集管直径宜为19～60mm。当氢气分布收集管以环形均布时，管与管在圆周方向的间隔宜为30～80mm，在径向方向的间隔宜为40～60mm。当氢气分布收集管以正三角形均布时，正三角形边长宜为20～60mm；当氢气分布收集管以正四边形均布时，正四边形边长宜为20～100mm。氢气分布收集管位于储氢箱内的高度宜为储氢箱高度的80～95％。氢气分布收集管管壁上沿圆周可开设一层或多层氢气孔，每层氢气孔的数量一般为2～6个，层与层之间的间距宜为50～150mm。氢气分布收集管可以更好在储氢箱轴线上将氢气导入和引出储氢箱。

11、所述弹性元件均为常规弹性元件。弹性元件可以为扭转弹簧、弹片等。弹性元件通常具有转动轴心和张开的两个呈一定角度的支撑臂，转动轴心与两个支撑臂固定连接。对于扭转弹簧而言，其转动轴心就是扭转弹簧的轴线；对于人字形弹片而言，其转动轴心就是两个支撑臂的连接处；对于鱼尾式弹片，其转动轴心就是顶端开口、截面呈三角形的弹片底边的中心线。在初始安装时，宜借助转动起点限位块，使得弹性元件保持一定的压缩变形，这样的好处是当固体储氢材料放氢后体积缩小，不再向转动分隔板提供推力后，弹性元件将向转动分隔板提供推力，使相邻两块转动分隔板产生相背转动，恢复到充氢前的状态。对于弹性元件，当固体储氢材料吸氢体积变大时，推动相邻两块转动分隔板产生相向转动，使储氢材料存储腔体积变大，并使弹性元件压缩并发生形变，弹性元件内部积攒弹性势能；当固体储氢材料放氢后体积变小时，弹性元件内部积攒的弹性势能释放，推动相邻两块转动分隔板产生相背转动，使储氢材料存储腔体积变小，使之回到初始状态并应对下一次充放氢过程。如果储氢箱轴线高度较高，为使转动分隔板受力更均匀，可以在与储氢箱轴线平行的方向上设置多个弹性元件。

12、弹性元件的固定方式主要有两种，一种方式为：弹性元件的转动轴心固定，两个支撑臂不固定；另一种方式为：弹性元件的两个支撑臂分别与相邻两块转动分隔板固定连接，其转动轴心不固定。

13、弹性元件为首末两端成一定角度的扭转弹簧时，扭转弹簧可以通过弹簧两端的支撑臂分别固定连接在相邻两块转动分隔板上来进行固定，也可以通过在换热介质出口箱顶板上方设置圆柱形弹簧轴，将扭转弹簧套装在弹簧轴上进行固定。

14、弹性元件为弹片时，可以为具有一定弧度的弹性元件。也可以为鱼尾式弹片，其为三角形弹片和推动杆的组合结构，推动杆即支撑臂，三角形弹片呈上部断开、下部连接的三角形结构，三角形弹片外侧设置为推动杆，推动杆一端与三角形的小端固定连接，另一端延长并伸出三角形弹片的大端并分别与相邻两块转动分隔板固定连接，当固体储氢材料吸氢体积变大时，推动相邻两块转动分隔板产生相向转动，使储氢材料存储腔体积变大，推动两推动杆相互距离变小并利用自身的杠杆使鱼尾的上部三角形小端变大，弹片内部积攒弹性势能；当固体储氢材料放氢后体积变小时，弹片内部积攒的弹性势能释放，推动相邻两块转动分隔板产生相背转动，使储氢材料存储腔体积变小，使之回到初始状态并应对下一次充放氢过程。

15、所述换热管在储氢材料存储区所在截面内以环形、正三角形、或正四边形排布，以保证储氢箱中各处的热量可以均匀的撤出或补入。换热管宜为圆管，外径宜为19～80mm。当换热管以环形均布时，换热管与换热管在圆周方向的间隔宜为30～100mm，在径向方向的间隔宜为40～150mm。当换热管以正三角形均布时，正三角形边长宜为25～150mm；当换热管以正四边形均布时，正四边形边长宜为30～150mm。

16、所述每块转动分隔板与其套筒可以采取一体成型方式加工成一体，也可以采用螺栓连接、粘接、焊接等固定方式进行密封连接，使转动分隔板和套筒可以共同绕中心轴转动。

17、为防止储氢材料在储氢材料存储区和非储氢材料存储区进行互窜，也为了防止转动导致固体储氢材料在有相对运动处的磨损，同时减小摩擦力，每块转动分隔板与储氢箱内壁接触处、以及与换热介质出口箱顶板上部接触处均设置转动密封，转动密封可以采用填料密封等方式实现。

18、每一个储氢材料存储区均设置有储氢材料进口管和储氢材料出口管，通过储氢材料进口管和储氢材料出口管将储氢材料加入和卸出储氢材料存储区。储氢材料从储氢材料进口管进入储氢箱内的储氢材料存储区，并堆积在换热介质出口箱顶板上方，通常情况下固体储氢材料存储的堆积高度应小于转动分隔板的高度；作为实现这一目标的优选方案，储氢材料进口管下端伸入储氢箱内部的位置应低于转动分隔板顶端的位置。为尽可能的利用用于固体储氢的设备的腔体容积，应使储氢材料存储区的容积大，非储氢材料存储区的容积小，储氢材料存储区的容积宜为非储氢材料存储区容积的2～6倍。

19、为确保每块转动分隔板在一定的区域内转动、保护储氢材料存储区内的内件，在非储氢材料存储区内靠近每块转动分隔板对应的转动起点限位块的一定范围内的储氢箱内壁上设置有与每块转动分隔板对应的转动终点限位块，确保每块转动分隔板只能在与其对应的转动起点限位块和转动终点限位块对应的角度内转动。

20、由于储氢材料存储区和非储氢材料存储区顶部连通，氢气可以从非储氢材料存储区进入储氢材料存储区；作为一种优选方案，为加快氢气向储氢材料存储区的流动，每块转动分隔板上均可以开连通孔，以使得氢气可以在非储氢材料存储区和储氢材料存储区之间流通。所述连通孔在转动分隔板上以环形、正三角形、或正四边形排布，连通孔宜为圆孔，直径小于固体储氢材料的最小粒径。当连通孔以环形均布时，孔与孔在圆周方向的间隔宜为20～80mm，在径向方向的间隔宜为40～60mm。当连通孔以正三角形均布时，正三角形边长宜为20～60mm；当连通孔以正四边形均布时，正四边形边长宜为20～50mm。

21、所述氢气进口和氢气出口可以设置为两个或多个，以提高充放氢的速度。当然，也可以将氢气进口和氢气出口合二为一，仅设置一个氢气进出口，既作为氢气进口又作为氢气出口。

22、作为一种优选方案，可以在连通孔上设置丝网等过滤网以避免破碎的细小固体储氢材料颗粒从连通孔进入非储氢材料存储区。过滤网的孔径小于固体储氢材料的最小粒径，宜为固体储氢材料最小粒径的10％～30％。为减少加入和排出固体储氢材料对过滤网可能造成的损坏，过滤网宜设置在位于非储氢材料存储区内的转动分隔板的一侧。

23、作为另一种可选方案，每块转动分隔板也可以用三角形筛网或v型筛网制成，三角形筛网或v型筛网对固体储氢材料同时起阻隔和对氢气起流通、分配作用。v形丝网的好处是刚度好、结构简单、制造方便。v形丝网截面为v形或三角形，其间隙为楔形间隙，楔形间隙的最窄处接触固体储氢材料，以确保内部的固体储氢材料不会从间隙中漏出，氢气可以从楔形间隙通过，并以更大的面积与固体储氢材料接触。楔形间隙的最窄处小于固体储氢材料的最小粒径，优选为固体储氢材料最小粒径的30％～80％。

24、装载固体储氢材料时，储氢材料出口管封闭，储氢材料进口管打开，储氢材料在重力的作用下，从储氢材料进口管进入并存储于储氢箱中的储氢材料存储区；当储氢材料寿命衰减需要更换储氢材料时，打开储氢材料出口管，在重力的作用下，储氢材料存储区中的储氢材料从储氢材料出口管离开储氢设备。储氢材料进口管、储氢材料出口管宜为圆筒形，直径宜为50～400mm。

25、根据充放氢的不同需要，充装氢气时，低温的换热介质从换热介质进口进入换热介质进口箱，通过换热介质进口箱的分配作用进入到换热管中，将储氢材料存储区中由于固体储氢材料吸收氢气而释放的热量吸收后，汇集到换热介质出口箱，经换热介质出口离开储氢设备，固体储氢材料温度得到降低；当需要从固体储氢材料中释放氢气时，高温的换热介质从换热介质进口进入换热介质进口箱，通过换热介质进口箱的分配作用进入到换热管中，将热量提供给储氢箱的固体储氢材料，使固体储氢材料吸收热量而释放出氢，释放热量后的换热介质汇集到换热介质出口箱，经换热介质出口离开储氢设备。通过换热介质将热量从储氢材料存储区中撤出或者将热量补充到储氢材料存储区中，保证吸放氢过程以较高的速率进行。换热介质可以选用水、氮气、空气等流体。

26、作为一种优选方案，为确保固体储氢材料均装填在储氢材料存储区内，避免固体储氢材料在储氢材料出口管内充氢膨胀而堵塞储氢材料出口管，可以在储氢材料出口管内设置储氢材料出口管塞堵。储氢材料出口管塞堵由挡板、填料密封、挡筒、把手和安装环组成；挡筒为一圆筒，圆筒外径小于储氢材料出口管内径，一般小4～10mm；挡筒一端用所述挡板封闭，挡筒另一端敞口，挡板端插入储氢材料出口管内部，阻止固体储氢材料在非卸料时进入储氢材料出口管；敞口端设置把手，把手可以为圆钢或是角钢等，以便安装和取出储氢材料出口管塞堵；储氢材料出口管和储氢材料出口管塞堵之间的空隙填充陶纤绳等填料密封，以阻止固体储氢材料进入二者之间的空隙，陶纤绳直径宜为5～11mm；为确保储氢材料出口管塞堵固定在储氢材料出口管内部，在敞口端端部设置一安装环，安装环为圆环，套装在挡筒外，在安装环上开圆孔，储氢材料出口管上相同位置处开螺纹孔，以便用螺钉将安装环固定在储氢材料出口管上。

27、作为一种优选方案，为避免储氢箱中的固体储氢材料板结或流动性差等问题带来卸出困难，可以在储氢材料存储区对应的储氢箱筒壁上设置松动风进口，在固体储氢材料卸料过程中，通入高压氮气、二氧化碳等惰性气体，使固体储氢材料更顺畅的排出。

28、在向储氢设备填充固体储氢材料时，打开储氢材料进口管，关闭储氢材料出口管，将固体储氢材料填充进入储氢箱中的储氢材料存储区中。在充放氢过程中保持储氢材料进口管和储氢材料出口管的关闭。储氢设备卸出固体储氢材料时，打开储氢材料出口管，将固体储氢材料从储氢箱中的中储氢材料存储区中卸出。卸出固体储氢材料时，也可以打开储氢材料进口管作为通风口，打开储氢材料进口管的目的是保持储氢箱的压力平衡，防止固体储氢材料快速卸出时在储氢箱内形成负压，难以将固体储氢材料卸出、或是负压把储氢箱压瘪。如果固体储氢材料因为板结、挤压等原因导致流动性较差无法卸出，可以将松动风进口打开并通入氮气等惰性气体，对固体储氢材料进行松动，将固体储氢材料更顺畅的从储氢箱中卸出。

29、本发明用于固体储氢的设备在充氢时，打开氢气进口，关闭氢气出口、储氢材料进口管、储氢材料出口管，使储氢箱形成一个只进不出的密闭腔体。氢气从氢气进口进入氢气分配收集箱，然后经氢气分布收集管和氢气孔进入储氢箱中并进入到储氢材料存储区。在压力的作用于下，氢气储存于储氢箱中的固体储氢材料中，充氢过程中固体储氢材料体积增大，相邻两块转动分隔板向非储氢材料存储区相向转动，储氢材料存储区的体积增大，补偿固体储氢材料体积的增加，固体储氢材料之间的挤压变小，储氢箱避免了鼓包的风险，此过程中弹性元件受到压缩，弹性势能增加；由于固体储氢材料吸收氢气过程中将释放热量，充氢释放的热量达到一定程度后，储氢箱内温度升高，此时，从换热介质进口将低温介质输入换热介质进口箱，并通过换热介质进口箱的分配作用进入与换热介质进口箱相连的换热管中，经换热管的传热作用，将储氢箱中由于固体储氢材料吸收氢气而释放的热量吸收后，汇集到换热介质出口箱，并经换热介质出口离开储氢设备，储氢箱中的固体储氢材料温度得到降低，使充氢以较高速率进行。

30、本发明用于固体储氢的设备在放氢时，打开氢气出口，关闭氢气进口、储氢材料进口管、储氢材料出口管，使储氢箱形成不能进、只能出的一个密闭的腔体，氢气从固体储氢材料内释放后并充满储氢箱，形成一定压力后，经氢气孔和氢气分布收集管进入氢气分配收集箱，最后由氢气出口离开储氢设备，供下游装置或外部设备使用。固体储氢材料释放氢气后，体积减小，弹性元件内存储的弹性势能逐渐释放，推动相邻两块转动分隔板向储氢材料存储区相背转动，弹性元件逐渐释放弹性势能，储氢材料存储区的体积减小，使转动分隔板恢复到充氢前的状态，以应对下一次充放氢过程。由于固体储氢材料需要吸收热量才能释放储存在内部的氢气，此时，高温换热介质经换热介质进口进入换热介质进口箱，并通过换热介质进口箱的分配作用进入与换热介质进口箱相连的换热管中，经换热管的传热作用，将储氢箱中由于固体储氢材料释放氢气所需的热量输入后，汇集到换热介质出口箱，并经换热介质出口离开储氢设备，使放氢以较高速率进行。

31、充放氢过程中可以使用同一种介质，通过在外部设置加热器或冷却器等方式在充氢过程中对换热介质进行降温，在放氢过程中对换热介质进行升温，达到循环使用的目的。

32、本发明具有以下有益效果：

33、1)通过将氢气存储在固态储氢材料中，无需要高压或低温等苛刻条件，储氢过程不需要消耗过多的能量，安全高效、放氢速率平稳；

34、2)通过设置转动元件和换热元件，同时解决了充放氢过程中的热量和体积补偿问题，使充放氢以较高速率进行；转动元件使固体储氢材料存储区域可以随充放氢过程中固体储氢材料体积的变化增大或减小，使固体储氢材料的相互膨胀挤压少，固体储氢合金材料内部晶格在更多充放氢循环后仍能保持较好的形态，使储氢容量更慢的衰减、固态储氢材料寿命更长；

35、3)通过转动元件使储氢材料存储区域的体积可以发生变化，将体积膨胀引起的施加到储氢壳体上的应力大大降低，避免固体储氢外壳发生鼓包、破裂等风险，并通过设置限位装置，提高固体储氢的安全性和可靠性，降低固体储氢的成本。