自热式快速供氢装置
阅读说明：本技术 自热式快速供氢装置 (Self-heating type quick hydrogen supply device ) 是由 王�琦 叶建华 李志念 武媛方 郭秀梅 王树茂 蒋利军 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种自热式快速供氢装置,具体结构包括储氢罐、储水罐、发热包、保温外壳、水罐阀门、温度计和氢气阀门；储氢罐位于保温外壳的正中间位置,其罐体周围紧贴发热包；储水罐位于保温外壳上方,两者之间的水罐阀门控制水的开闭；温度计紧邻发热包；储氢罐外接氢气阀门控制氢气的开闭。具有发热迅速、操作简单、可重复使用、无环境污染等优势。(The invention provides an self-heating type rapid hydrogen supply device which comprises a hydrogen storage tank, a water storage tank, a heating bag, a heat preservation shell, a water tank valve, a thermometer and a hydrogen valve, wherein the hydrogen storage tank is arranged in the heat preservation shell; the hydrogen storage tank is positioned in the middle of the heat preservation shell, and the periphery of the tank body is tightly attached to the heating bag; the water storage tank is positioned above the heat-insulating shell, and a water tank valve between the water storage tank and the heat-insulating shell controls the opening and closing of water; the thermometer is close to the heating bag; the hydrogen storage tank is externally connected with a hydrogen valve for controlling the opening and closing of hydrogen. Has the advantages of rapid heating, simple operation, repeated use, no environmental pollution and the like.)
技术领域
本发明涉及固态储氢供氢
技术领域
，具体涉及一种自热式快速供氢装置。背景技术
目前，已实用化的储氢方式主要有三种：气态储氢、液态储氢以及基于金属储氢合金的固态储氢。与其他储氢方式相比，固态储氢技术具有储氢密度高、压力低、安全性好、氢气纯度高等优点，是储氢技术发展的重要方向。固态储氢装置的外形通常与气态、液态储氢罐的外形相似，所不同的是固态储氢装置的罐体内装载大量储氢材料，主要通过储氢材料与氢气发生可逆的化学反应进行储氢。
通常情况下，储氢材料放氢时需要吸收一定的热量。这也导致现阶段的固态储氢装置存在一个普遍的缺陷，即快速放氢时需要吸收大量的热量。通常采用加热器对导热液体(如水、硅油等)进行加热，然后导热液体对固态储氢装置的外壳进行加热，从而实现储氢材料的快速放氢。这套相对复杂的加热系统，极大的影响了固态储氢装置的便携性和易用性，导致了快速供氢的装置存在的两个难以解决的问题。
1、热源的需求问题
常用的储氢材料在放出1molH2时，需要大约30kJ的热量，每次使用均需要解决热源及换热的问题。因此，需要快速供氢的场景，必须携带额外的加热设备。
2、装置便携性的问题
电热器、燃料加热设备等热源的质量较大，且需要一定的使用条件。如电热器在阴雨天气使用存在风险，燃料加热设备存在一定的火灾风险。均影响了供氢装置使用的便利性。对储氢装置进行加热所需的导热液体极其贮存容器均需要专门携带，使用的过程中也需要额外的换热器及控温器，直接影响了装置的便携性。
目前，固态储氢装置很少考虑自带热源的方案，例如，CN110788329A中公开的“含碳复合储氢合金及其制备方法、复合固态储氢罐及储放氢性能测试方法”中，使用了多种导热良好的粉末状碳材料，具备良好的放氢性能，但仍然需要外接热源才能达到较好的放氢效果。其他如CN110788330A、CN110788331A等专利中，也存在相同的问题。
CN110589759A氢气的产生方式为化学置换反应，即：储水罐往反应罐中注入水，水与罐中的制氢原料直接接触，进行化学反应，产生氢气。这类方法有若干局限性：1、对水的纯度要求较高；2、每次制氢反应完成后需要重新清理反应罐内部；3、制氢反应物无法循环使用；4、产生的氢气中含有水汽、氧气等杂质，需要进行除杂。CN111244510A所采用的氢气生产方法为电解水制造法，存在的局限性亦如上所述。
因此，提供一种具备自加热能力，且容易重复利用的环保型自热式供氢装置，将为不同环境下的用氢设备提供高纯、安全、稳定的氢气，为不同环境下的使用提供良好的帮助。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携、易用、环保的自热式快速供氢装置，通过水(不要求纯度)、化学产热剂的反应，迅速产生足够的热量，为供氢提供热源支持，确保装置持续稳定的放出氢气。采用可更换的结构设计，确保低成本多次重复使用。
为解决上述技术问题，本发明提供一种自热式快速供氢装置，其包括储氢罐、供水罐、发热包、保温壳、水罐阀门、温度计和氢气阀门。
其中，储氢罐位于保温壳的正中间位置，在储氢罐体周围紧贴发热包，发热包内装填发热剂，储水罐位于保温外壳上方，两者之间的水罐阀门控制水的开闭，从而控制水的流入量及防止保温外壳发生膨胀；温度计插入保温外壳内，紧邻发热包，储氢罐外接氢气阀门控制氢气的开闭。
其中，所述储氢罐的罐体为不锈钢材质。
其中，储氢罐内装载的储氢合金粉末材质可为钛系AB2型和AB型、稀土系AB3和AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物、氨硼烷等储氢材料中的任意一种或几种储氢材料。
其中，所述的储水罐的材质为塑料或树脂材质等低热导率材质，优选特氟龙材料。
其中，所述保温外壳采用双层真空保温结构设计或内衬保温材料结构。
其中，所述的发热包的外包装为无纺布，内装氧化钙发热剂，氧化钙为粉末状。
其中，所述的温度计量程为120摄氏度。
本发明还提供上述自热式快速供氢装置的使用方法，其包括：
需要用氢时，打开水罐阀门，将水放入保温壳中，使之与发热包充分接触。当温度计显示温度超过60℃后，打开氢气阀门，进入正常供氢阶段。
本发明的提供的自热式快速供氢装置，采用氧化钙作为发热剂，仅需要加入一定量的水后，迅速产生热量。温度达到指定温度后，可以迅速放出氢气。采用可拆解的结构，简单拆洗后即可重复利用。整体设备无需额外增加热源、换热介质、换热器等外置辅助器件，具备良好的便利性。
本发明的有益效果
本发明提供的自热式快速供氢装置，加入一定量的水后，迅速产生热量。温度达到指定温度后，可以迅速放出氢气。采用可拆解的结构，简单拆洗后，在充氢并补充水、加热包后，即可重复利用。
该设备主要优势在于：
(1)发热反应迅速，可迅速获得稳定的大流量氢气；
(2)物料纯度要求相对较低，成本低廉；可采用非纯净水，雨水、泥水、污水、尿液等含水物质均可与自热包发生反应产生热量；存在一定惰性杂质的氧化钙粉末；
(3)整体拆装简便，易于重复利用；
(4)该发明中的发热包为一次性使用，发热反应中，其最终产物Ca(OH)2，在空气中可逐渐转化为CaCO3，不会造成环境污染；
(5)放氢反应完成后，储氢罐可进行重新充氢，而不需要重新更换反应试剂；
(6)储氢合金可多次重复使用，寿命达数千次；
(7)产生的氢气纯度较高，可直接供给燃料电池、检测仪器等高纯氢气需求的用氢设备。
附图说明
图1本发明自热式快速供氢装置的结构示意图。
其中，1-储氢罐；2-储水罐；3-发热包；4-保温外壳；5-水罐阀门；6-温度计；7-氢气阀门。
具体实施方式
本发明提供一种自热式快速供氢装置，其包括储氢罐、供水罐、发热包、保温壳、水罐阀门、温度计和氢气阀门。
其中，储氢罐位于保温壳的正中间位置，在储氢罐体周围紧贴发热包，发热包内装填发热剂，储水罐位于保温外壳上方，两者之间的水罐阀门控制水的开闭，从而控制水的流入量及防止保温外壳发生膨胀；温度计插入保温外壳内，紧邻发热包，储氢罐外接氢气阀门控制氢气的开闭。
其中，所述储氢罐的罐体为不锈钢材质。
其中，储氢罐内装载的储氢合金粉末材质可为钛系AB2型和AB型、稀土系AB3和AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物、氨硼烷等储氢材料中的任意一种或几种储氢材料。
其中，所述的储水罐的材质为塑料或树脂材质等低热导率材质，优选特氟龙材料。
其中，所述保温外壳采用双层真空保温结构设计或内衬保温材料结构。
其中，所述的发热包的外包装为无纺布，内装氧化钙发热剂，氧化钙为粉末状。
其中，所述的温度计量程为120摄氏度。
本发明还提供上述自热式快速供氢装置的使用方法，其包括：
第一步，打开水罐阀门，将罐中水分排入保温外壳中，与发热包充分接触，保持水罐阀门开启状态，确保多余的热气可顺利排出；
第二步，观察温度计示数，当温度计超过60℃时，开启氢气阀门；
第三步，温度计示数低于30℃或氢气耗尽时，关闭氢气阀门；
第四步，拆解装置，并将各个部件清洗，保存以备下次使用；
第五步，将发热包搁置于空气中，彻底干燥后废弃。
本发明的提供的自热式快速供氢装置，采用氧化钙作为发热剂，仅需要加入一定量的水后，迅速产生热量。温度达到指定温度后，可以迅速放出氢气。采用可拆解的结构，简单拆洗后即可重复利用。整体设备无需额外增加热源、换热介质、换热器等外置辅助器件，具备良好的便利性。
以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
如图1所示，本发明提供的自热式快速供氢装置，其包括储氢罐1、供水罐2、发热包3、保温壳4、水罐阀门5、温度计6和氢气阀门7。储氢罐2位于保温壳4的正中间位置，在储氢罐1体周围紧贴发热包3，发热包3内装填发热剂生石灰，储水罐2位于保温外壳4上方，两者之间的水罐阀门5控制水的开闭，从而控制水的流入量及防止保温外壳发生膨胀；温度计6插入保温外壳4内，紧邻发热包，储氢罐1外接氢气阀门7控制氢气的开闭。
各部件的具体结构及使用过程如下：
具体结构：
(1)储氢罐的结构及装配
储氢罐长度10cm，内径4cm，壁厚3mm，内部有效容积约为120mL，设计装填储氢合金约360g，可实现供氢约70SL。
本实施例储氢罐盛装的储氢合金粉末为钛系AB2型；储氢罐上装有阀门，放入保温外壳中。
发热包的结构及装配
取40g生石灰发热剂平均分为4份，每份10g，装入4只无纺布外包中，严密封口后；将4只发热包以每隔90度角装填1只的密度，环绕排布于储氢罐的四周。
储水罐的结构及装配
储水罐材质为特氟龙，容积为100mL。
保温壳为双层真空保温结构，内部容积为500mL。
使用过程：
打开水罐阀门，将罐中水分排入保温外壳中，与发热包充分接触，保持水罐阀门开启状态，确保多余的热气可顺利排出；
观察温度计示数，当温度计超过60℃时，开启氢气阀门；
温度计示数低于30℃或氢气耗尽时，关闭氢气阀门；
拆解装置，并将各个部件清洗，保存以备下次使用；
将发热包搁置于空气中，彻底干燥后废弃。
该装置可在4～5分钟内以15SLPM的平均氢气流量条件下快速放氢，具备良好的快速供氢能力。
实施例2
采用与实施例1相同结构组成的自热式快速供氢装置，其各部件的具体结构及使用过程如下：
具体结构：
储氢罐的结构及装配
储氢罐长度30cm，外径8cm，内部有效容积约为120mL，设计装填钛系AB2型储氢合金粉末3500g，可实现供氢约700SL。储氢罐装有阀门，置于保温外壳中。
发热包的结构及装配
取160g生石灰发热剂平均分为4份，每份40g，装入4只无纺布外包中，严密封口后；将4只发热包以每隔90度角装填1只的密度，环绕排布于储氢罐的四周。
储水罐的结构及装配
储水罐材质为特氟龙，容积为400mL。
保温壳为双层真空保温结构，内部容积为2500mL。
使用过程：
打开水罐阀门，将罐中水分排入保温外壳中，与发热包充分接触，保持水罐阀门开启状态，确保多余的热气可顺利排出；
观察温度计示数，当温度计超过60℃时，开启氢气阀门；
温度计示数低于30℃或氢气耗尽时，关闭氢气阀门；
拆解装置，并将各个部件清洗，保存以备下次使用。
将发热包搁置于空气中，彻底干燥后废弃。
该装置可以在7～8分钟内以100SLPM的平均流量下快速供氢，具备良好的快速供氢能力。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
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