一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統及方法

本發明涉及儲氣罐，具體涉及一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統及方法。

背景技術：

1、氫氣是重要的清潔能源之一，由于氫氣在常溫常壓下的密度極低，實現高效、安全、經濟的氫氣儲存仍然是制約氫能廣泛應用的關鍵技術瓶頸。當前的氫氣儲存技術主要包括高壓儲氫、液氫儲存和固體儲氫三種方式。高壓儲氫通過將氫氣壓縮至高壓(通常為35–70mpa)實現儲存，但其儲氫密度有限且高壓容器的成本和安全性存在挑戰；液氫儲存則需要將氫氣冷卻至-253℃以下以液化，但低溫儲存過程能耗高，且需使用復雜的絕熱技術來減少揮發損失；固體儲氫包括金屬氫化物儲氫、化學氫化物儲氫和吸附式儲氫等。

2、其中，吸附式儲氫在較低壓力和溫度下即可實現較高儲氫密度，并具有良好的可逆性和循環性能。吸附式儲氫技術通常采用多孔材料(如活性炭、金屬有機框架材料mofs、沸石等)作為吸附劑，這些材料具有高比表面積和獨特的孔結構，可以通過物理吸附或化學吸附方式實現氫氣的高效儲存。中國專利(公告號cn?114754290?b，公開日2022.07.15)中提供一種基于相變儲熱的金屬氫化物儲氫罐及固-氣耦合儲氫系統，設計了包含相變材料區、氫氣緩沖區和金屬氫化物儲氫區的三層式分布結構，并提出其與氣態儲氫裝置相結合的儲氫系統設計方法，提出的金屬氫化物固態儲氫和氣態儲氫相結合的方法，不僅能夠實現儲氫速率和儲氫空間上的互補，大大提高了儲氫系統的體積能量密度。但是，現有的吸附式儲氫裝置多為單層結構，其儲氫能力受材料特性和操作條件(如溫度和壓力)的限制，難以充分發揮吸附材料的儲氫潛力。此外，在實際儲氫過程中，由于吸附材料的吸附性能在不同溫度和壓力條件下表現差異明顯，單層結構在氫氣吸附與脫附時存在效率和靈活性不足的問題。

技術實現思路

1、本發明的目的是針對現有技術存在的缺陷，提供一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統及方法，配置儲氫罐采用雙層罐結構，內罐和外罐之間、內罐中分別填充不同類型的吸附材料，能夠實現相對獨立的溫度和壓力調控，從而實現協同優化儲氫效果，提高儲氫密度，還能夠降低儲氫罐的操作壓力，從而提升儲氫系統的安全性和經濟性。

2、本發明的第一目的是提供一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統，采用以下方案：

3、包括儲氫罐，儲氫罐包括：

4、內罐，內部形成內儲腔，并填充有金屬有機骨架材料，內儲腔內布置有制冷管路，制冷管路接入外部制冷機；

5、外罐，內部形成外儲腔，內罐安裝在外儲腔中，外罐壁設有保溫層，內罐壁與外罐壁之間填充有多孔納米吸附材料。

6、進一步地，所述儲氫罐上安裝有分路閥門，分路閥門包括氫氣通路和制冷劑通路，制冷劑管路通過制冷劑通路接入外部制冷劑，氫氣通路分別連通內儲腔和外儲腔，以控制內罐和外罐的氫氣出入。

7、進一步地，所述內罐和外罐中分別安裝有傳感器，傳感器用于測取內儲腔和外儲腔的狀態參數，并發送至控制系統，分路閥門上設有傳感器通路，以供傳感器的狀態參數通過引線傳輸。

8、進一步地，所述內罐壁為多層結構，制冷劑管路以螺旋結構盤繞分布，并沿內罐的內壁布置。

9、進一步地，所述內罐與外罐之間連接有多個支柱，使內罐固定在外罐內，內罐壁與外罐的內壁相離。

10、進一步地，所述外罐壁包括從外向內依次分布的保護外殼、氣凝膠層、相變材料層、碳纖維層和鋁合金層，其中，至少氣凝膠層和相變材料層作為保溫層。

11、進一步地，還包括制冷機、燃料電池和控制系統，制冷機接入制冷管，燃料電池通過分路閥門連通內儲腔和外儲腔，控制系統用于獲取內儲腔和外儲腔的狀態，并控制制冷機和燃料電池運行狀態。

12、進一步地，所述燃料電池的放電端接入蓄電池，蓄電池為制冷機、控制系統供電。

13、本發明的第二目的是提供一種如第一目的所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統的工作方法，包括：

14、儲氣時，制冷管路對內儲腔降溫，內儲腔能夠對外儲腔降溫，使內儲腔和外儲腔處于所需的工作溫度；

15、向內儲腔和外儲腔內分別充入氫氣，使內儲腔的氣壓大于外儲腔的氣壓，并維持壓差儲氫；

16、放氣時，通過制冷管路調節內儲腔和外儲腔溫度，使內儲腔和外儲腔內的氫氣排出。

17、進一步地，當儲氫罐出現溫度失衡或壓力失衡時，釋放儲氫罐內的氫氣至燃料電池進行發電，并儲存后供給系統使用。

18、與現有技術相比，本發明具有的優點和積極效果是：

19、針對目前儲氫系統采用單層結構而導致儲氫能力難以滿足需求的問題，配置儲氫罐采用雙層罐結構，內罐和外罐之間、內罐中分別填充不同類型的吸附材料，能夠實現相對獨立的溫度和壓力調控，從而實現協同優化儲氫效果，提高儲氫密度，還能夠降低儲氫罐的操作壓力，從而提升儲氫系統的安全性和經濟性。

20、儲氫罐內罐壓力高、溫度低，能實現更大的儲氫密度，外罐相對于內罐具有較小的儲氫密度，內罐和外罐之間存在壓差，外罐的壓力為內罐提供壓力緩沖能有效避免內層壓力過載，為內罐提供更安全的儲氫環境，使得儲氫罐的安全性得到較大提升；另外，儲氫罐的制冷劑管路以螺旋管形式布置在內罐罐壁處，制冷劑先傳遞冷量給內罐，隨后逐漸向外傳遞，使得內外罐存在明顯的溫差，所形成的梯級溫差使得冷量向外傳遞更困難，降低了儲氫罐的冷量損失。

21、儲氫罐布置有相變材料層，其能在外部環境溫度較高時先熔化吸收熱量，為儲氫罐控制系統提供充足的時間調動制冷機提高功率，減少儲氫罐因外界環境變化而導致的儲氫量損失；對儲氫罐內的狀態進行監測，出現溫度失衡或壓力失衡，即控制高壓閥釋放一定的氫氣到燃料電池中發電，產生的電能儲存在鋰蓄電池中供應儲氫罐控制系統的電力需求，從而保證儲氫罐的穩定運行。

技術特征：

1.一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，包括儲氫罐，儲氫罐包括：

2.如權利要求1所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，所述儲氫罐上安裝有分路閥門，分路閥門包括氫氣通路和制冷劑通路，制冷劑管路通過制冷劑通路接入外部制冷劑，氫氣通路分別連通內儲腔和外儲腔，以控制內罐和外罐的氫氣出入。

3.如權利要求2所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，所述內罐和外罐中分別安裝有傳感器，傳感器用于測取內儲腔和外儲腔的狀態參數，并發送至控制系統，分路閥門上設有傳感器通路，以供傳感器的狀態參數通過引線傳輸。

4.如權利要求1所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，所述內罐壁為多層結構，制冷劑管路以螺旋結構盤繞分布，并沿內罐的內壁布置。

5.如權利要求1或4所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，所述內罐與外罐之間連接有多個支柱，使內罐固定在外罐內，內罐壁與外罐的內壁相離。

6.如權利要求1所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，所述外罐壁包括從外向內依次分布的保護外殼、氣凝膠層、相變材料層、碳纖維層和鋁合金層，其中，至少氣凝膠層和相變材料層作為保溫層。

7.如權利要求1所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，還包括制冷機、燃料電池和控制系統，制冷機接入制冷管，燃料電池通過分路閥門連通內儲腔和外儲腔，控制系統用于獲取內儲腔和外儲腔的狀態，并控制制冷機和燃料電池運行狀態。

8.如權利要求7所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，所述燃料電池的放電端接入蓄電池，蓄電池為制冷機、控制系統供電。

9.一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統的工作方法，利用如權利要求1-8中任一項所述雙層吸附式高壓儲氫罐系統，其特征在于，包括：

10.如權利要求9所述的雙層吸附式高壓儲氫罐系統的工作方法，其特征在于，當儲氫罐出現溫度失衡或壓力失衡時，釋放儲氫罐內的氫氣至燃料電池進行發電，并儲存后供給系統使用。

技術總結
本發明提供一種雙層吸附式高壓儲氫罐系統及方法，涉及儲氣罐技術領域，針對目前儲氫系統采用單層結構而導致儲氫能力難以滿足需求的問題，配置儲氫罐采用雙層罐結構，內罐和外罐之間、內罐中分別填充不同類型的吸附材料，能夠實現相對獨立的溫度和壓力調控，從而實現協同優化儲氫效果，提高儲氫密度，還能夠降低儲氫罐的操作壓力，從而提升儲氫系統的安全性和經濟性。

技術研發人員：程星星,王闖,李雪芳,王志強,王魯元,程嘉豪,王濤
受保護的技術使用者：山東大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13