一种储氢瓶加氢系统及方法与流程

1.本发明涉及气体存储技术领域，具体是一种储氢瓶加氢系统及方法。


背景技术：

2.氢气化学式为h2，常温常压下，是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味且难溶于水的气体；氢作为能源，有着无可比拟的优势：氢的燃烧热值高，每千克氢燃烧后的能量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；氢燃烧的产物是水，对环境零污染；氢在地球的储量极其丰富(从海水制备)，并可再生和重复利用。
3.从氢的制取到氢的具体应用，氢的存储是必不可少环节，但由于氢是易燃易爆物质，如何安全、低廉、长时地储氢成为氢能利用的关键。现有的氢气是直接存放在氢气瓶装置，通过导出及导入装置实现氢气的导入及排出；无法根据需要进行氢气的存储及释放。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种储氢瓶加氢系统及方法，以解决背景技术的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种储氢瓶加氢系统，包括氢瓶、散热系统、总控器和氢气导入器，所述氢气导入器连接氢瓶进气口并用于向氢瓶内导入氢气；所述散热系统包括冷却换热管线、冷却物质导入器和冷却物质导出模组，所述冷却换热管线设在氢瓶内部并且内部导流冷却物质，冷却换热管线能够与氢瓶内部进行热交换并降低氢瓶内部温度；所述冷却物质导入器连接冷却换热管线的一端并向冷却换热管线内导入冷却物质；所述冷却物质导出模组连接冷却换热管线的另一端并将冷却换热管线内的冷却物质导出；所述冷却物质导入器上具有控制其内部冷却物质流入量的冷却物质口流量控制器，所述氢气导入器上具有控制其内部的氢气流入量的氢气入口流量控制器，所述总控器与氢气入口流量控制器及冷却物质口流量控制器均相电性连接并控制两者工作状态。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
8.在一种可选方案中：所述氢瓶内还安装有温度测量器，所述温度测量器与总控器相电性连接，温度测量器用于器量氢瓶内部的温度并将之信号传递至总控器。
9.在一种可选方案中：所述冷却换热管线具有多股换热管道并且每股换热管道均呈波浪状布线。
10.在一种可选方案中：所述冷却物质为水或油。
11.一种基于权利要求所述的储氢瓶加氢系统的储氢瓶加氢方法，包括以下步骤：
12.步骤：采用温度测量器器量氢瓶内部温度并将器量的数据传送至总控器；
13.步骤：根据温度测量器传递的数据调节冷却物质口流量控制器的冷却物质流入量的设定值以及调节氢气入口流量控制器中的氢气流入量的设定值。
14.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
15.1、本发明通过在氢瓶内设置冷却换热管线，通过调节氢瓶内的冷却温度，可快速
实现导入的氢气与金属形成金属氢化物，产生大量吸氢现象；进而实现氢气的大量存储；
16.2、本发明通过冷却物质口流量控制器和氢气入口流量控制器可实现对进入氢瓶内的氢气以及冷却物质依据氢瓶内进行控制，适应氢瓶内的温度以及氢瓶吸氢效率。
附图说明
17.图1为本发明的一个实施例中的该系统结构示意图。
18.图2为在储氢合金吸氢过程中所能吸收之最大氢气含量与氢气浓度关系的示意图。
19.图3为储氢合金吸放热之反应焓与反应熵变化示意图。
20.图4为储氢合金吸氢释氢过程中相变变化示意图。
21.附图标记注释：氢瓶1、冷却换热管线2、总控器3、冷却物质导入器6、冷却物质导出模组7、冷却物质口流量控制器8、氢气导入器9、氢气入口流量控制器91、温度测量器10。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明；在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在实际应用中，各部件的形状、厚度或高度可扩大或缩小。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
23.储氢合金吸氢概述
24.当气态氢分子接触储氢合金表面时，氢分子先分解成氢原子，再以扩散方式进入金属晶格间隙位置，当晶格内氢原子增高到一定浓度时，氢原子即与金属形成金属氢化物，产生大量吸氢现象。
25.1、储氢合金吸氢动力学性质
26.储氢合金为合金属(m)与氢气分子(h2)产生反应，生成金属氢化物(mhn)，储存氢气，为一可逆反应。反应式如下所示：
[0027][0028]
(m为储氢合金；mhn为金属氢化物；
△
h为反应热)
[0029]
从上述反应，进一步探讨得知其吸氢反应过程可大致分为：
[0030]
1)物理吸附(physisorption)：
[0031]
储氢合金与氢气接触后，合金表面与氢分子(h2)之间产生凡得瓦耳力(van der waals force)，使气体吸附于合金表面。
[0032][0033]
2)化学吸附(chemisorption)：
[0034]
合金表面上氢分子分解成氢原子，并产生化学吸附热。
[0035][0036]
3)表面渗透(surface penetration)：
[0037]
表面吸附氢原子藉由合金表面缺陷，渗透至储氢材料内部，并进入晶体结构之四面体与八面体格隙位置，形成α相固溶体；
[0038]
4)扩散(diffusion)：
[0039]
当反应持续进行，固溶于合金中的氢原子克服了化学吸附至合金内部的活化能障后，持续往合金内部扩散，此过程将使大量氢气储存于合金内部。
[0040]
5)金属氢化物(hydrideformation)：
[0041]
随着氢原子大量的储存于合金格隙位置，使得α相固溶体趋近于饱和，部分的氢原子会与固溶体产生反应，形成高含氢量之β相，即为稳定之储氢合金；
[0042]
2、储氢合金吸氢速率
[0043]
氢气吸收(absorption)速率表示式为：
[0044][0045]
其中ca与ea分别为各合金材料吸氢时的反应时间常数和所需活化能，例子：ca＝59.187sec-1
、ea＝21179.60j/mo l e；p
eq,a
为吸氢平衡压力、ρs为合金密度；ρ
sat
为合金吸收氢气且已达饱和状态下的密度，其值为8416kg/m3； rg为气体常数；t为温度。当氢气气体压力大于平衡压力且合金饱和密度大于合金密度，两条件同时成立下，合金才会做吸氢动作，此时ma为正值。
[0046]
3、储氢合金吸氢热力学性质
[0047]
当氢气进入储氢合金时，产生固溶态α相，且合金内部之氢气压力会随着氢气浓度的增加而增加。当氢浓度持续增加，储氢合金对氢的固溶量逐渐达到饱和时，合金会与部分氢气反应产生β相之金属氢化物(metalhydride)。当α相逐渐转变成β相金属氢化物，此时α相与β相共同存在，根据：
[0048]
gibbsphaserule：f＝c-p+2
[0049]
(f为系统自由度、c为成分数、p为相数)
[0050]
经由上式换算，相图中会产生一压力不变之平台区，平台区压力范围即为储氢合金之有效吸放氢含量。并且当α相已完全转变成β相时，其氢气压力与氢气浓度之曲线图的斜率将会急遽增加。吸氢过程中，其相变化转变过程可由p-c-t(pressure-composition-temperature)曲线图中观察，如附图4 所示。而由文献数据中显示，当温度增加，储氢合金之平台压力会上升，意即需要更大的环境压力才能使合金吸收氢气，并且合金所能吸收之最大氢气含量则会降低，如附图2所示；
[0051]
由上述可知，当α相与β相共同存在时，p-c-t曲线会有一明显之平台区，而平台区之平衡压力(p
eq
)可根据van’t hoff定律求出温度与合金氢化平衡压力之关系：
[0052]
δg＝δh-t*δs
[0053]
δg＝-rtln(k
p
)＝rtlnp
h2
[0054][0055]
(
△
g：gibbs自由能变化量、
△
h：焓变化量、
△
s：熵变化量、kp：平衡常数、 r：理想气体常数、t：绝对温度)
[0056]
于此式中即可绘制压力与温度之关系图，并由图中可知曲线之斜率与截距，藉此求出储氢合金吸放热之反应焓与反应熵变化，且得知储氢合金之相关特性，如附图3所示。
[0057]
在一个实施例中，如图1-3所示，一种储氢瓶加氢系统，包括氢瓶1、散热系统、总控器3和氢气导入器9，所述氢气导入器9连接氢瓶1进气口并用于向氢瓶1内导入氢气；所述散热系统包括冷却换热管线2、冷却物质导入器 6和冷却物质导出模组7，所述冷却换热管线2设在氢瓶1内部并且内部导流冷却物质，冷却换热管线2能够与氢瓶1内部进行热交换并降低氢瓶1内部温度；所述冷却物质导入器6连接冷却换热管线2的一端并向冷却换热管线2 内导入冷却物质；所述冷却物质导出模组7连接冷却换热管线2的另一端并将冷却换热管线2内的冷却物质导出；所述冷却物质导入器6上具有控制其内部冷却物质流入量的冷却物质口流量控制器8，所述氢气导入器9上具有控制其内部的氢气流入量的氢气入口流量控制器91，所述总控器3与氢气入口流量控制器91及冷却物质口流量控制器8均相电性连接并控制两者工作状态；
[0058]
在本实施例中，由于氢瓶1壁内具有储氢合金；当气态氢分子接触储氢合金表面时，氢分子先分解成氢原子，再以扩散方式进入金属晶格间隙位置，当晶格内氢原子增高到一定浓度时，氢原子即与金属形成金属氢化物，产生大量吸氢现象；而氢瓶1内温度越低，吸氢量越多，吸氢时间越短；通过利用总控器3控制冷却物质口流量控制器8及氢气入口流量控制器91，冷却物质口流量控制器8控制冷却物质导入器6向冷却换热管线2内导入的冷却物质的流入量；并且氢气入口流量控制器91控制氢气导入器9向氢瓶1内导入的氢气流入量；当冷却物质导入冷却换热管线2内的量变化时，进而冷却换热管线2与氢瓶1内部的热交换效率变化；其中，冷却物质口流量控制器8 和氢气入口流量控制器91可以为现有技术中的各种控制液体流通的阀体；
[0059]
在一个实施例中，如图1-3所示，所述氢瓶1内还安装有温度测量器10，所述温度测量器10与总控器3相电性连接，温度测量器10用于器量氢瓶1 内部的温度并将之信号传递至总控器3；总控器3根据温度测量器10传递的信号控制冷却物质口流量控制器8和氢气入口流量控制器91的工作状态，从而实现对氢瓶1内部的温度控制；所述冷却物质为水或油。
[0060]
在一个实施例中，如图1-3所示，所述冷却换热管线2具有多股换热管道并且每股换热管道均呈波浪状布线；多股波浪状的换热管道增加与氢瓶1 内部接触面，以及增加换热管道内的冷却物质停留在氢瓶1内的时间，从而提高换热效率。
[0061]
基于上述实施例还公布了一种储氢瓶加氢方法，该方法包括以下步骤：
[0062]
步骤1：采用温度测量器10器量氢瓶1内部温度并将器量的数据传送至总控器3；
[0063]
步骤2：根据温度测量器10传递的数据调节冷却物质口流量控制器8的冷却物质流入量的设定值以及调节氢气入口流量控制器91中的氢气流入量的设定值。
[0064]
当温度过高时，送出讯号到氢气入口流量控制器91并通过氢气入口流量控制器91调低氢气流入量的设定值，来降低氢气流入量，也送出讯号到冷却物质口流量控制器8并通过冷却物质口流量控制器8调高冷却物质流入量的设定值，来增加冷却液体流入量；当温度过低时，送出讯号到氢气入口流量控制器91并通过氢气入口流量控制器91调高氢气流入量的设定值，来增加氢气流入量，也送出讯号到冷却物质口流量控制器8并通过冷却物质口流
量控制器8调低冷却物质流入量的设定值，来降低冷却液体流入量。
[0065]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。