高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统及其试验系统

摘要

本发明属于储氢技术领域，具体而言，本发明涉及一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统及其试验系统。高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统包括充氢管道、低压金属氢化物储氢装置、排空管道和放氢管道；所述充氢管道分别与所述排空管道、所述低压金属氢化物储氢装置相连；所述低压金属氢化物储氢装置还与所述放氢管道相连。同时，本发明还提供了一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统的试验系统。本发明的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统能够实现低压高密度储氢和高纯度供氢，可重复使用，安全，经济，具有良好的适应性。

说明书

技术领域

本发明属于储氢技术领域，具体而言，本发明涉及一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统及其试验系统。

背景技术

从煤到石油，再到天然气，我国的能源(利用方式)走的是一个“脱碳加氢”的过程。氢能作为绿色可再生能源，具有能量高、无污染、存储丰富等优点。氢能的利用包括制氢、储氢、运氢和加氢。在整个氢能系统中，储氢是关键环节之一，氢的高效存储和安全运输制约着氢能的广泛应用，储氢分为高压储氢、液化储氢、吸附储氢和金属储氢四种。

在高压储氢中，氢质量含量为1～5.8wt％，对于氢能汽车中的高压储罐，一般有35MPa和70MPa两种规格，目前高压储氢罐主要采用碳纤维复合材料或纤维全缠绕铝合金制成的新型轻质耐压内胆，容器壁复合材料复杂的制备和成型工艺成为其规模化应用的主要技术壁垒。

在液化储氢中，氢质量含量>5wt％，氢冷却至-253℃储存，超低温消耗能量大，成本高，但优势在于储氢密度高，多用于航天、军工领域。

在吸附储氢中，分为固态吸附储氢和金属氢化物储氢。在固态吸附储氢中，氢质量含量为5.3～9wt％，使用以碳材料为主要材料进行物理储氢，环境参数为77k、4MPa，尚处于实验阶段。

在金属氢化物储氢中，氢质量含量为1.4～5.0wt％，实现了高密度、安全、无能耗储氢，主要应用在燃料电池及燃料电池汽车，氢气厂氢气提纯及储存运输，氢气增压(氢泵)及加氢站，测试仪器、集成电路和半导体生产、粉末冶金、热处理等供氢，氢医学健康应用产品的开发等。利用稀土储氢材料做成的固态储氢系统可实现3MPa以下的低压高密度储运，由于放氢速度受温度控制，安全性大大提升。同时，超过5000次的循环充放，足够覆盖使用生命周期，降低用户运营维护成本。目前的储氢系统在高密度储氢和高纯度供氢方面尚存在不足，重复使用性差、缺乏普适性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统及其试验系统，其技术方案如下：

一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，其包括：充氢管道、低压金属氢化物储氢装置、排空管道和放氢管道；所述充氢管道分别与所述排空管道、所述低压金属氢化物储氢装置相连；所述低压金属氢化物储氢装置还与所述放氢管道相连；所述充氢管道包括依次相连的第一快速接头、第一球阀、第一压力表、第一接头和第二接头，所述第二接头还与所述低压金属氢化物储氢装置相连；所述排空管道包括针阀、第三接头、安全阀和阻火器；所述针阀一端与所述第二接头相连，另一端与所述第三接头相连；所述第三接头还分别与所述阻火器、所述安全阀相连；所述安全阀还与所述第一接头相连；所述放氢管道包括依次相连的第二压力表、第二球阀、减压阀、第三压力表和第二快速接头，所述第二压力表并与所述低压金属氢化物储氢装置相连；所述低压金属氢化物储氢装置包括换热部件和多个并联连接的高容量瓶组，每个所述高容量瓶组包括多个储氢瓶单元，所述换热部件与所述高容量瓶组相连，用于为所述高容量瓶组提供热交换；所述第一接头、所述第二接头、所述第三接头均为三通接头。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述低压金属氢化物储氢装置的所述储氢瓶单元的数量和容积、所述高容量瓶组的数量与实际应用流量需求、压力需求和放氢体积总量需求相匹配。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述储氢瓶单元包括依次相连的储氢瓶接头、快速接头和储氢瓶。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述储氢瓶包括瓶体和储氢材料床体；所述瓶体用于为所述储氢材料床体提供安装空间；所述储氢材料床体安装在所述瓶体内，所述储氢材料床体的储氢材料和铝瓦依次叠层排放，并与所述瓶体的轴线呈平行设置。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述储氢材料床体为充盈状态的混合体；所述储氢材料床体的储氢材料和铝瓦依次叠层排放，所述储氢材料的层数小于所述铝瓦的层数。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述铝瓦为1060铝瓦(750型)，所述铝瓦的厚度为0.1mm至0.5mm。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述铝瓦的宽度为50-1000mm，所述宽度与所述瓶体的尺寸相匹配。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述瓶体包括瓶主体和底盖，所述瓶主体用于容纳所述储氢材料床体，所述底盖安装在所述瓶主体的底部，并与所述瓶主体通过螺纹配合活动连接。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述底盖和所述瓶主体之间安装有密封圈，所述密封圈用于密封所述瓶主体和所述底盖之间的缝隙。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述瓶体通过瓶阀依次与所述快速接头、所述储氢瓶接头相连，接入所述低压金属氢化物储氢装置的管路中。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述瓶体内安装有过滤器，所述过滤器位于所述瓶阀和所述储氢材料床体之间。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述瓶体内安装有石英棉层，所述石英棉层位于所述过滤器和所述储氢材料床体之间。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述瓶体上安装有泄压阀，所述泄压阀用于泄压。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述换热部件与所述低压金属氢化物储氢装置的实际需求相匹配，控温范围为-40℃-350℃，控温精度不应低于±1℃，用于为所述低压金属氢化物储氢装置提供热交换。

如上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，进一步优选为：所述储氢材料床体采用金属氢化物为储氢介质，所述金属氢化物为重质氢化物，其包括但不仅限于LaNi₅合金、铁钛合金和Ti-V-Cr系合金。

一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统试验系统，其包括：上述的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，所述高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统的所述换热部件与所述高容量瓶组通过第五试验阀门相连；和依次相连的第一试验阀门、第一减压阀、氦气源，所述第一试验阀门并与所述充氢管道相连；依次相连的第二试验阀门、第二减压阀、氢气源，所述第二试验阀门并与所述充氢管道相连；依次相连的第三试验阀门、真空泵，所述第三试验阀门并与所述排空管道相连；依次相连的第四试验阀门、排空部件，所述第四试验阀门并与所述排空管道相连；依次相连的第七试验阀门、第三减压阀、第六试验阀门、氢气质量流量控制器，所述第七试验阀门并与所述放氢管道相连；压力传感器，所述压力传感器与所述充氢管道相连。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

本发明的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统的充氢管道通过四通接头与低压金属氢化物储氢装置相连，低压金属氢化物储氢装置通过四通接头与放氢管道相连，能够完成氢气的充放；排空管道的两端分别与第二接头、第一接头相连，从而使得氢气能够回流至充氢管道中，避免污染环境，经济适用，排空管道上设有阻火器，能够保证管路的安全；低压金属氢化物储氢装置包括多个并联连接的高容量瓶组，每个高容量瓶组包括多个储氢瓶单元，储氢瓶单元之间通过氢气管路相连，能够实现低压高密度储氢和高纯度供氢，可重复使用，安全，经济，具有良好的适应性。

附图说明

图1为本发明的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统的连接示意图。

图2为本发明的储氢瓶单元的连接结构示意图。

图3为本发明的试验系统的连接示意图。

图4为本发明的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统在40℃时流量、压力、放氢总体积随时间变化的曲线图。

图5为本发明的储氢瓶的结构示意图。

图中：1-第一快速接头；2-第一球阀；3-第一压力表；4-第一接头；5-安全阀；6-第三接头；7-阻火器；8-针阀；9-第二接头；10-低压金属氢化物储氢装置；11-第二压力表；12-第二球阀；13-减压阀；14-第三压力表；15-第二快速接头；16-高容量瓶组；17-储氢瓶接头；18-快速接头；19-储氢瓶；20-氢气源；21-第二试验阀门；22-真空泵；23-第三试验阀门；24-排空部件；25-第四试验阀门；26-氢气质量流量控制器；27-第六试验阀门；28-第三减压阀；29-压力传感器；30-第七试验阀门；31-换热部件；32-高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统；33-第一试验阀门；34-氦气源；35-第一减压阀；36-第二减压阀；37-第五试验阀门；38-瓶体；39-储氢材料床体；40-底盖；41-瓶阀；42-过滤器；43-石英棉层；44-泄压阀；45-储氢材料；46-铝瓦；47-密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统，主要包括充氢管道、低压金属氢化物储氢装置10、排空管道和放氢管道；充氢管道分别与排空管道、低压金属氢化物储氢装置10相连；低压金属氢化物储氢装置10还与放氢管道相连，低压金属氢化物储氢装置10通过两个四通接头实现分别与充氢管道、放氢管道的连接；充氢管道包括依次相连的第一快速接头1、第一球阀2、第一压力表3、第一接头4和第二接头9，第二接头9还与低压金属氢化物储氢装置10相连；排空管道包括针阀8、第三接头6、安全阀5和阻火器7；针阀8一端与第二接头9相连，另一端与第三接头6相连；第三接头6还分别与阻火器7、安全阀5相连；安全阀5还与第一接头4相连；放氢管道包括依次相连的第二压力表11、第二球阀12、减压阀13、第三压力表14和第二快速接头15，第二压力表11并与低压金属氢化物储氢装置10相连；低压金属氢化物储氢装置10包括换热部件31和多个并联连接的高容量瓶组16，每个高容量瓶组16包括多个储氢瓶单元，换热部件与高容量瓶组16相连，用于为高容量瓶组16提供热交换；第一接头4、第二接头9、第三接头6均为三通接头；第二压力表11为放氢高压压力表，用于测试低压金属氢化物储氢装置10的放氢压力；第三压力表14为放氢低压压力表，用于检测经过减压阀13减压后的压力值，第二压力表11与第三压力表14配合使用，对气压实时检测，用以保证安全；换热部件31为数显恒温水浴箱。

具体的，本发明的高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统32的充氢管道通过四通接头与低压金属氢化物储氢装置10相连，低压金属氢化物储氢装置10通过四通接头与放氢管道相连，能够完成氢气的充放；排空管道的两端分别与第二接头9、第一接头4相连，从而使得氢气能够回流至充氢管道中，避免污染环境，经济适用，排空管道上设有阻火器7，能够保证管路的安全；低压金属氢化物储氢装置10包括多个并联连接的高容量瓶组16，每个高容量瓶组16包括多个储氢瓶单元，储氢瓶单元之间通过氢气管路相连，能够实现低压高密度储氢和高纯度供氢，可重复使用，安全，经济，具有良好的适应性。

本发明的低压金属氢化物储氢装置的储氢瓶单元的数量和容积、高容量瓶组16的数量与实际应用流量需求、压力需求和放氢体积总量需求相匹配，能够根据实际需求增减高容量瓶组16的并联数量和储氢瓶单元的数量、容积。本发明通过对高容量瓶组16数量、储氢瓶单元的数量、容积的灵活设计，能够提高本发明的适应性，扩大本发明的适用范围，具有适用范围广的特点。

如图1和图2所示，本发明的储氢瓶单元包括依次相连的储氢瓶接头17、快速接头18和储氢瓶19，储氢瓶接头17为三通接头。本发明依次通过储氢瓶接头17和快速接头18将储氢瓶19接入低压金属氢化物储氢装置10，能够在不影响低压金属氢化物储氢装置10稳定性的前提下实现储氢瓶19的快速插拔更换，提高本发明的使用效率。

如图2和图5所示，本发明的储氢瓶19包括瓶体38和储氢材料床体39；瓶体38用于为储氢材料床体39提供安装空间；储氢材料床体39安装在瓶体38内，储氢材料床体39包括储氢材料45和铝瓦46，储氢材料45和铝瓦46依次叠层排放，并与瓶体38的轴线呈平行设置，能够提高储氢材料床体39的热交换效率，同时，铝瓦46还能够对储氢材料45提供支撑。进一步的，储氢材料床体39为充盈状态的混合体；储氢材料床体39的储氢材料45和铝瓦46依次叠层排放，储氢材料45的层数小于铝瓦46的层数，能够保证热交换与整体结构的稳定性。具体的，铝瓦46为1060铝瓦(750型)，铝瓦46的厚度为0.1mm至0.5mm；铝瓦46的宽度为50-1000mm，宽度与瓶体38的尺寸相匹配。

如图5所示，本发明的瓶体38包括瓶主体和底盖40，瓶主体用于容纳储氢材料床体39，底盖40安装在瓶主体的底部，并与瓶主体通过螺纹配合活动连接。本发明的底盖40和瓶主体螺纹连接，便于储氢材料床体39的更换，从而使得瓶体38能够循环利用，从而实现瓶体38的无损伤重复利用，瓶体38使用成本低、使用寿命长。进一步的，为了提高底盖40和瓶主体之间的气密性，底盖40和瓶主体之间安装有密封圈47，密封圈47优选为O型圈，用于密封瓶主体和底盖40之间的缝隙，以提高本发明的气密性。

如图1、图2和图5所示，本发明的瓶体通过瓶阀依次与快速接头18、储氢瓶接头17相连，接入低压金属氢化物储氢装置10的管路中。本发明的瓶体38自带瓶阀，从而为相对独立的单元，能够进一步提高本发明的互换性。

如图5所示，本发明的瓶体38上还安装有泄压阀44，泄压阀44用于泄压，从而能够保证瓶体38内气压在泄压阀44预定范围内，提高本发明的安全性能。

如图5所示，本发明的瓶体38内安装有过滤器42，过滤器42位于瓶阀41和储氢材料床体39之间，过滤器42为滤网。进一步的，本发明的瓶体38内安装有石英棉层43，石英棉层43位于过滤器42和储氢材料床体39之间。本发明通过安装过滤器42和石英棉层43，能够防止储氢材料床体39反复吸放循环后的储氢材料45微粉溢出。

如图1所示，本发明的换热部件31为数显恒温水浴箱，换热部件31与低压金属氢化物储氢装置10相连，与低压金属氢化物储氢装置10的实际需求相匹配，控温范围为-40℃-350℃，控温精度不应低于±1℃，用于为低压金属氢化物储氢装置10提供热交换。本发明通过设置与低压金属氢化物储氢装置10相匹配的换热部件，能够满足氢气的充放需求。

本发明的储氢材料床体39采用金属氢化物为储氢介质，金属氢化物为重质氢化物，其包括但不仅限于LaNi₅合金、铁钛合金和Ti-V-Cr系合金。

如图3所示，本发明还提供了一种高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统试验系统，主要包括高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统32，高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统32的换热部件31与高容量瓶组16通过第五试验阀门37相连；和依次相连的第一试验阀门33、第一减压阀35、氦气源34，第一试验阀门33并与充氢管道相连；依次相连的第二试验阀门21、第二减压阀36、氢气源20，第二试验阀门21并与充氢管道相连；依次相连的第三试验阀门23、真空泵22，第三试验阀门23并与排空管道相连；依次相连的第四试验阀门25、排空部件24，第四试验阀门25并与排空管道相连；依次相连的第七试验阀门30、第三减压阀28、第六试验阀门27、氢气质量流量控制器26，第七试验阀门30并与放氢管道相连；压力传感器29，压力传感器29与充氢管道相连。

本发明通过试验系统能够实现对高容量多瓶组低压金属氢化物储氢系统32进行气密性试验、在线活化试验和放氢试验。

本发明的试验依据标准为氢气纯度应符合GB/T 3634.2中高纯氢要求，氦气纯度应符合GB/T16943中高纯氦的要求；试验仪器设备应按本领域一般规定检验合格，并处于检验有效期内；氢气质量流量控制器精度不应低于±(1％Rdg+0.2F.S)，重复性不低于0.2％F.S.；压力传感器精度不应低于±0.5％F.S.；换热部件控温精度不应低于±1℃；真空泵极限压力应低于10^-2mbar。在试验时，本发明存在一定程度的重复操作，其目的在于确定相关发明的启闭状态，以保证试验的严谨性。

在本发明中，充氢温度为10℃-30℃；放氢温度为20℃-80℃；充氢压力为1MPa-5MPa；放氢压力为0.1MPa-0.9MPa；额定充氢压力(最大充氢压力)设定为5MPa。

如图3所示，采用氦气保压法进行气密性试验，步骤如下：

步骤一：关闭第二试验阀门21、第一试验阀门33、第三试验阀门23、第五试验阀门37、第四试验阀门25、第七试验阀门30、第六试验阀门27；

步骤二：打开真空泵22，缓慢打开第三试验阀门23，进行抽真空，同时打开第五试验阀门37，换热部件31供热，温度设置为放氢温度，抽真空至少24小时；

步骤三：关闭第一试验阀门33，调节第一减压阀35，将其出口压力设置为1.05倍额定充氢压力(额定充氢压力指低压金属氢化物储氢装置10的最大充氢压力)，同时维持换热部件31温度为放氢温度；

步骤四：打开第一试验阀门33，对低压金属氢化物储氢装置10充氦气至1.05倍充氢压力，恒压保持1小时后，关闭第一试验阀门33，同时记录压力传感器的数值，记录时长24小时以上；

步骤五：试验完成，抽净氦气，并置换为氢气。

对试验结果评判时，评判依据为：在氦气保压过程中，压力下降小于充气压力的千分之一视为合格。

如图3所示，在线活化试验操作步骤如下：

步骤一：关闭第二试验阀门21、第一试验阀门33、第三试验阀门23、第五试验阀门37、第四试验阀门25、第七试验阀门30、第六试验阀门27；

步骤二：打开第五试验阀门37，将换热部件31调节至充氢温度，恒温1小时以上；

步骤三：打开真空泵22，并缓慢打开第三试验阀门23，抽真空24小时以上，关闭第三试验阀门23；

步骤四：关闭第二试验阀门21，调节第二减压阀36，将其出口压力设置为额定充氢压力，同时维持换热部件31温度为充氢温度，打开第二试验阀门21，对低压金属氢化物储氢装置10充氢至充氢压力，恒压5小时后关闭第二试验阀门21；

步骤五：打开第四试验阀门25，对低压金属氢化物储氢装置10排空，压力传感器29显示数值低于大气压时，关闭第四试验阀门25，重复抽真空步骤，压力降至0.01MPa为止；

步骤六：重复抽真空—充氢—排空步骤两次以上，直到低压金属氢化物储氢装置10完全活化，即直到低压金属氢化物储氢装置10所能提供的最大氢气量。

其中，步骤一至步骤三为抽真空步骤；步骤四为充氢步骤；步骤五为排空步骤；步骤六为活化步骤。

如图3和图4所示，模拟正常使用状态的放氢试验操作步骤如下：

步骤一：对在线活化完成并充氢完成的低压金属氢化物储氢装置10进行操作，打开第五试验阀门37，调节换热部件31至放氢温度，恒温1小时以上后调节第三减压阀28，将其出口压力设定为额定放氢压力，打开第七试验阀门30；

步骤二：设定氢气质量流量控制器26的额定放氢速率，打开第六试验阀门27开始放氢，当实际放氢速率降至初始流量值的5％时，关闭第七试验阀门30和第六试验阀门27，停止放氢；

步骤三：重复充氢-放氢步骤实现反复使用的模拟。

如图1所示，以低压金属氢化物储氢装置10包括三组并联连接的高容量瓶组16、每组高容量瓶组16包括四个储氢瓶单元、每个储氢瓶单元容积为1标准升为例，进行测试，保持换热部件控温在40℃，初始放氢流速控制在20标准升每分钟，放氢150分钟，放氢总量可达5000升，流量、压力、放氢总体积随时间变化的曲线图如图4所示。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。