本发明属于储氢，具体涉及一种卧式固体储氢装置。
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装置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，本发明提供了一种卧式固体储氢装置，解决了固体储氢过程中的体积膨胀和热量释放的问题。
2、本发明提供了一种卧式固体储氢装置，包括圆筒形卧式罐体、卧式罐体内与卧式罐体同轴设置的储氢筒；储氢筒为左端小、右端大的圆锥形筒，其左端通过外缘固定于卧式罐体筒壁上的分配板封闭并固定，其右端通过外缘固定于卧式罐体筒壁上的收集板封闭并固定，分配板和收集板将卧式罐体内部空间分割为左侧的换热介质进口箱、中间的处于储氢筒外壁和卧式罐体内壁之间的环形氢气充放腔和右侧的换热介质出口箱三部分；氢气充放腔与换热介质进口箱和换热介质出口箱均不连通，换热介质进口箱和换热介质出口箱通过贯穿储氢筒内部空间并固定于分配板和收集板上的换热管连通；储氢筒内装填固体储氢材料，换热管埋于固体储氢材料中，氢气充放腔对应的卧式罐体罐壁上设有氢气进口和氢气出口；
3、储氢筒内最外侧换热管和储氢筒内壁之间的部分分配板和部分收集板设为膨胀环，位于氢气充放腔内的部分分配板和部分收集板同样设为膨胀环；
4、储氢筒左端上部设有储氢材料进口管，储氢材料进口管穿过氢气充放腔和卧室罐体罐壁伸至卧式罐体外，储氢材料进口管外壁与卧式罐体罐壁之间设置沿储氢材料进口管轴向移动的滑动密封，储氢筒右端下部设有储氢材料出口管，储氢材料出口管穿过氢气充放腔和卧式罐体罐壁伸至卧式罐体外，储氢材料出口管外壁与卧式罐体罐壁之间设置沿储氢材料出口管轴向移动的滑动密封，储氢筒圆锥形筒壁上均匀设置氢气孔和两个以上数量的波纹状收缩环，收缩环长度方向沿储氢筒轴向伸展并与储氢筒等长，收缩环左端与分配板呈断开状态，收缩环右端与收集板呈断开状态，氢气孔孔径小于固体储氢材料的最小粒径，储氢筒通过氢气孔与氢气充放腔连通；
5、换热介质进口箱设有换热介质进口，换热介质出口箱设有换热介质出口；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筒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。
6、所述储氢材料进口管外壁、储氢材料出口管外壁与卧式罐体罐壁之间设置的沿储氢材料进口管、储氢材料出口管轴向移动的滑动密封可以为填料密封，填料密封使储氢材料进口管、储氢材料出口管可以随储氢筒径向的胀缩一起伸缩的过程中与卧式罐体罐壁保证密封性。
7、所述分配板和收集板为圆板，直径与卧式罐体直径相同，并与卧式罐体内壁密封连接，分配板和收集板位于储氢筒内部区域的部分设置有开孔，换热管两端敞口，一端与分配板上的开孔相连，另一端与收集板上的开孔相连。
8、所述换热管在储氢筒横截面上以环形、正三角形、或正四边形排布，以保证储氢筒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。
9、所述氢气进口和氢气出口分别作为氢气进入氢气充放腔的通道和氢气离开氢气充放腔的通道。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。
10、所述氢气孔供氢气进出储氢筒。为使得储氢筒中的固体储氢材料均匀的吸收和释放氢气，氢气孔均布于储氢筒筒壁上，间隔为20～100mm为宜。氢气孔宜为圆孔，直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30％～80％，较小的氢气孔是防止储氢筒中的固体储氢材料从氢气孔进入氢气充放腔。
11、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储氢筒并存储于储氢筒中。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，储氢筒中的储氢材料从储氢材料出口管离开储氢装置。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。
12、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，将储氢筒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装置，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，将热量提供给储氢筒中的固体储氢材料，使固体储氢材料吸收热量而释放出氢气，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装置。通过换热介质将热量从储氢装置中撤出或者将热量补充到储氢装置中，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。
13、当储氢筒由于固体储氢材料体积膨胀而需要直径变大时，所述储氢筒内最外侧换热管和储氢筒内壁之间的膨胀环将伸张，使储氢筒直径增大，此时，位于氢气充放腔内的膨胀环将被压缩，以补偿储氢筒内部需要增大的体积；当储氢筒由于储氢材料体积缩小、储氢筒不再膨胀时，位于氢气充放腔内压缩的膨胀环将反弹还原，并为下一次收缩做准备，同时位于储氢筒内最外侧换热管和储氢筒内壁之间伸张的膨胀环将向内收缩，使储氢筒直径减小。膨胀环可以沿分配板或收集板径向方向伸张或收缩，以改变与分配板和收集板相连的储氢筒直径来调节储氢筒的存储体积，适应在充放氢过程中固体储氢材料带来的体积变化。当膨胀环为单层制造时，宜采用弹性合金，使膨胀环具有较好的回弹性能，弹性合金可采用铜基高弹性合金、铁基高弹性合金、镍基高弹性合金等，借助其弹性模量低并且弹性极限高的特点，使膨胀环具有较高的回弹特性；当膨胀环采用多层材料冲压复合而成时，可以采用按承压层和回弹层分开设置，用承压层承受储氢系统的压力、回弹层提供回弹性能的方式组合而成，回弹层宜采用弹性合金层。总之，目的是使膨胀环最有较小的刚度，能够较容易的变形，并且具有一定的回弹性能。
14、储氢筒直径宜为卧式罐体的0.6～0.9倍，储氢筒内装填有固体储氢材料；储氢筒筒壁上开设氢气孔，供氢气进入和排出储氢筒，氢气孔孔径小于固体储氢材料的最小粒径；为使得固体储氢材料在储氢筒内部更好的加入和卸出，储氢筒大端直径宜为小端直径的1.2～2倍，圆锥形筒的小端与储氢材料进口管连通，大端与储氢材料出口管相连，以便固体储氢材料在重力的作用下，沿着倾斜的筒壁向储氢材料出口管流动。储氢筒筒壁设有两个或两个以上的收缩环，收缩环长度与储氢筒长度一致，收缩环呈波纹状，当储氢筒直径需要增大或保持直径增大的状态时，则收缩环会伸张，使储氢筒的圆周长变大，以此来扩大储氢筒的直径；当储氢筒直径不需要增大时，则收缩环会收缩，使储氢筒的圆周长变小，以此来预备下一次直径增大的需要。通过收缩环的伸张或收缩，来调节储氢筒的体积。当收缩环单层制造时，宜采用弹性合金，使收缩环具有较好的回弹性能，弹性合金可采用铜基高弹性合金、铁基高弹性合金、镍基高弹性合金等，借助其弹性模量低并且弹性极限高的特点，使收缩环具有较高的回弹特性；当收缩环采用多层材料冲压复合而成时，可以采用按承压层和回弹层分开设置，用承压层承受储氢系统的压力、回弹层提供回弹性能的方式组合而成，回弹层宜采用弹性合金层，使回弹层冲压成型后材料要保持一定拉伸应力，形成类似于弹簧的作用使收缩环具有保持原形状的能力、当外力撤除后收缩环具有回弹的功能；当收缩环多层复合而成时，也可以采用在层与层间添加弹簧等方式使收缩环具有回弹的性能。总之，目的是使收缩环最有一定的回弹性能。在储氢筒筒壁设置多个收缩环时，多个收缩环绕储氢筒的中心线均布，以保证收缩环可以在圆周方向上均匀的收缩或伸张。分配板与储氢筒筒壁上设置的收缩环左端呈断开状态，收集板与收缩环右端呈断开状态，以便收缩环可以因储氢筒内部的固体储氢材料膨胀、收缩而自由压缩和伸展，不受分配板和收集板的限制。
15、作为一种优选方案，在收缩环与分配板断开处的收缩环外侧以及收缩环与收集板断开处的收缩环外侧，均可以设置填料密封，填料密封可被压缩和回弹，填料密封一端紧贴分配板或收集板，另一端紧贴储氢筒外壁，形成对内部固体储氢材料的密封作用。填料密封圆周长度宜大于收缩环拉伸成直线长度后的1.2倍，径向厚度宜大于储氢筒直径可膨胀长度的1.1倍。填料密封可以使储氢筒在膨胀和收缩的过程中，储氢筒内的固体储氢材料不会从储氢筒中漏出。填料密封可以安装在一个凹形的填料固定块中，填料固定块一方面起到安装填料密封的作用，另一方面可以起到储氢筒膨胀限位的作用。
16、作为填料密封的另一种可选方案，可以在分配板与收缩环断开的部位开凹槽，在凹槽安装填料密封，填料密封可被压缩和回弹，通过填料密封紧贴分配板凹槽和储氢筒端部，形成对内部固体储氢材料的密封作用。在收集板一端的填料密封也采用同样的方式。
17、作为一种优选方案，可以在氢气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氢气孔进入氢气充放腔。过滤网的孔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，过滤网宜设置在储氢筒的外侧，即氢气充放腔内。
18、作为一种优选方案，由于储氢筒小端直径小，膨胀后体积增加率小，大端直径大，膨胀后体积增加率大，为使氢气更多的从大端吸收或释放，氢气孔直径从储氢筒小段到大端依次增大，即储氢筒小端处开的氢气孔直径小，储氢筒大端处开的氢气孔直径大，使氢气更多的从储氢筒大端进入或排出，以此更好的通过储氢筒体积的变化完成充氢和放氢操作。
19、作为一种优选方案，为确保固体储氢材料均装填在可以膨胀的储氢筒内，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塞堵。储氢材料出口塞堵由挡板、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，挡板与储氢筒底部形状一致；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塞堵；储氢材料出口管和储氢材料出口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。
20、作为一种优选方案，为避免储氢筒中的固体储氢材料板结或流动性差等问题带来卸出困难，可以在储氢筒右下侧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。
21、在向储氢装置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筒中。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。储氢装置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筒中卸出。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筒内的压力平衡，防止固体储氢材料快速卸出时在储氢筒内形成负压，难以将固体储氢材料卸出、或是负压把储氢筒压瘪。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筒中卸出。
22、本卧式固体储氢装置在充氢时，打开氢气进口，关闭氢气出口，使储氢筒内形成一个只进不出的密闭腔体。氢气从氢气进口进入氢气充放腔，从储氢筒上开设的氢气孔进入储氢筒。在压力的作用于下，氢气储存于储氢筒中的固体储氢材料中，充氢过程中固体储氢材料体积增大，使储氢筒筒壁上的收缩环和储氢筒内最外侧换热管和储氢筒内壁之间的膨胀环伸张、氢气充放腔内的膨胀环压缩，储氢筒体积增加，补偿固体储氢材料体积的增加，储氢筒避免了鼓包的风险。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，储氢筒内温度升高，此时，从换热介质进口将低温介质输入换热介质进口箱，再从换热介质进口箱进入换热管，通过换热管将充氢过程释放的热量吸收，固体储氢材料温度得到降低，低温介质温度升高，通过换热管汇集到换热介质出口箱，然后经换热介质出口离开储氢装置。
23、本固体储氢装置在放氢时，打开氢气出口，关闭氢气进口，使储氢筒内形成不能进、只能出的一个密闭的腔体，氢气从固体储氢材料内释放后经氢气孔离开储氢筒进入并充满氢气充放腔，形成一定压力后，从氢气出口离开储氢装置，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，氢气充放腔内的膨胀环回弹，储氢筒筒壁上的收缩环、储氢筒内最外侧换热管和储氢筒内壁之间的膨胀环均在回弹性作用下恢复初始状态，使储氢筒恢复到充氢前的状态。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，高温导热介质经换热介质进口进入换热介质进口箱，再从换热介质进口箱进入换热管，通过换热管将热量输入储氢筒中的固体储氢材料，使之吸热升温、释放氢气，高温换热介质释放热量后经汇集到换热介质出口箱然后经换热介质出口离开固体储氢装置。
24、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。
25、本发明具有以下有益效果：
26、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；
27、2)通过设置膨胀环、收缩环等膨胀元件和导热元件，同时解决了充放氢过程中的体积和热量补偿问题，使充放氢以较高速率进行；膨胀元件使固体储氢合金材料相互膨胀挤压少，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，储氢容量更慢的衰减、固态储氢材料寿命更长；
28、3)通过膨胀元件形成内部体积变化，将体积膨胀引起的施加到储氢壳体上的应力大大降低，避免固体储氢外壳鼓包、破裂等风险，提高固体储氢的安全性和可靠性，降低固体储氢的成本。
1.一种卧式固体储氢装置，其特征在于：包括圆筒形卧式罐体、卧式罐体内与卧式罐体同轴设置的储氢筒；储氢筒为左端小、右端大的圆锥形筒，其左端通过外缘固定于卧式罐体筒壁上的分配板封闭并固定，其右端通过外缘固定于卧式罐体筒壁上的收集板封闭并固定，分配板和收集板将卧式罐体内部空间分割为左侧的换热介质进口箱、中间的处于储氢筒外壁和卧式罐体内壁之间的环形氢气充放腔和右侧的换热介质出口箱三部分；氢气充放腔与换热介质进口箱和换热介质出口箱均不连通，换热介质进口箱和换热介质出口箱通过贯穿储氢筒内部空间并固定于分配板和收集板上的换热管连通；储氢筒内装填固体储氢材料，换热管埋于固体储氢材料中，氢气充放腔对应的卧式罐体罐壁上设有氢气进口和氢气出口；
2.根据权利要求1所述的卧式固体储氢装置，其特征在于：所述储氢材料出口管内设置有储氢材料出口塞堵。
3.根据权利要求2所述的卧式固体储氢装置，其特征在于：所述储氢材料出口塞堵包括挡板、填料密封、挡筒和把手；挡筒为一圆筒，挡筒外径小于储氢材料出口管内径，挡筒一端用挡板封闭，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，挡板与储氢筒底部形状一致；敞口端设置把手，把手可以为圆钢或是角钢，以便安装和取出储氢材料出口塞堵；储氢材料出口管和储氢材料出口塞堵之间的空隙设置填料密封，以阻止固体储氢材料进入二者之间的空隙。
4.根据权利要求3所述的卧式固体储氢装置，其特征在于：所述挡筒敞口端端部设置有安装环，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。
5.根据权利要求1所述的卧式固体储氢装置，其特征在于：所述储氢筒圆锥形筒壁上的氢气孔的孔径从储氢筒小段到大端依次增大。
6.根据权利要求1所述的卧式固体储氢装置，其特征在于：所述滑动密封为填料密封。
