本發(fā)明屬于儲(chǔ)氫，具體涉及一種卷曲型鎂基高密度長(zhǎng)壽命高效固態(tài)儲(chǔ)氫器。

背景技術(shù)：

1、氫能因其潔凈高效而被全球科研界和工業(yè)界視為極具潛力的次級(jí)能源，并引發(fā)了深度研究與廣泛應(yīng)用的熱潮。然而，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的技術(shù)瓶頸明顯制約了氫能的全面推廣。為了突破這一限制，亟待解決的關(guān)鍵問題是提升儲(chǔ)氫效率并削減儲(chǔ)運(yùn)成本，這已成為氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研發(fā)的戰(zhàn)略重心。

2、當(dāng)前，業(yè)已投入實(shí)用的儲(chǔ)氫方法主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫兩大類以及日益受到關(guān)注的固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。其中，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)通過氫氣與特定儲(chǔ)氫材料間的化學(xué)或物理吸附反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫氣的安全、穩(wěn)定存儲(chǔ)。相較于傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方式，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，如較高的儲(chǔ)氫密度、較低的操作壓力、卓越的安全性能以及優(yōu)異的氫氣純度保障等，使其在眾多儲(chǔ)氫解決方案中脫穎而出，成為儲(chǔ)氫技術(shù)未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

3、在此背景下，聚焦于鎂基高容量長(zhǎng)壽命固態(tài)儲(chǔ)氫器的研發(fā)規(guī)劃。鎂元素因其特有的電極電位、豐富的儲(chǔ)量以及與氫氣發(fā)生反應(yīng)形成高容量?jī)?chǔ)氫合金的可能性，為構(gòu)建高效、持久的固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)提供了新的可能性。

4、然而，當(dāng)前鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫器的研究與應(yīng)用雖已取得一定的進(jìn)展，但仍面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)和改進(jìn)空間。首先，鎂基儲(chǔ)氫材料的吸放氫動(dòng)力學(xué)性能有待優(yōu)化，尤其是在吸氫速率和脫氫速率方面，現(xiàn)有的鎂基儲(chǔ)氫合金普遍存在吸氫慢、脫氫難的問題，影響其實(shí)現(xiàn)快速充放氫的需求。其次，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫器的循環(huán)穩(wěn)定性尚不理想，經(jīng)過多次吸放氫循環(huán)后，其儲(chǔ)氫容量可能出現(xiàn)顯著衰減，這嚴(yán)重制約了其長(zhǎng)期服役的可靠性與經(jīng)濟(jì)效益。再者，鎂基儲(chǔ)氫材料與氫氣反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫化物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能導(dǎo)致儲(chǔ)氫容量未能達(dá)到理論極限，同時(shí)也可能引發(fā)體積膨脹等副反應(yīng)，影響器件的整體穩(wěn)定性和安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在問題，本發(fā)明的目的在于提供一種卷曲型鎂基高密度長(zhǎng)壽命高效固態(tài)儲(chǔ)氫器，該固態(tài)儲(chǔ)氫器在提升儲(chǔ)氫容量的同時(shí)，保證其長(zhǎng)效使用壽命，從而有力推動(dòng)固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)邁向全新的技術(shù)水平。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種卷曲型鎂基高密度長(zhǎng)壽命高效固態(tài)儲(chǔ)氫器，包括罐體，在罐體內(nèi)側(cè)底部設(shè)置熱量收集層，在罐體內(nèi)側(cè)頂部設(shè)置過濾片，罐體內(nèi)部設(shè)置有緩沖隔離層和卷曲儲(chǔ)氫單元，所述緩沖隔離層和卷曲儲(chǔ)氫單元間隔排布；

4、所述罐體內(nèi)部豎直設(shè)置有高導(dǎo)熱石墨烯管，所述高導(dǎo)熱石墨烯管底部設(shè)置在熱量收集層表面依次穿過緩沖隔離層和卷曲儲(chǔ)氫單元，頂部位于最上層的卷曲儲(chǔ)氫單元上方，且位于過濾片下方。

5、所述罐體表面設(shè)置有氣閥，過濾片包括半透膜和催化柱，催化柱位于半透膜地面，且位于高導(dǎo)熱石墨烯管上方。

6、所述卷曲儲(chǔ)氫單元包括富鎂合金儲(chǔ)氫層、導(dǎo)熱層為石墨烯導(dǎo)熱層、過渡金屬泡沫催化層和選擇透過型包裹層；

7、將富鎂合金儲(chǔ)氫層置于中間位置，將石墨烯導(dǎo)熱層置于富鎂合金儲(chǔ)氫層上部位置，將過渡金屬泡沫催化層置于富鎂合金儲(chǔ)氫層底部位置，將三者疊層之后的帶材沿及一端卷曲并在最終卷曲后的結(jié)構(gòu)表面包裹選擇透過型包裹層，最終形成卷曲儲(chǔ)氫單元。

8、所述卷曲儲(chǔ)氫單元中的石墨烯導(dǎo)熱層在吸放氫過程中快速傳導(dǎo)熱量；過渡金屬泡沫催化層在吸放氫過程中改善吸放氫熱動(dòng)力學(xué)性能；富鎂合金儲(chǔ)氫層可高密度安全儲(chǔ)氫；選擇透過型包裹層高效阻擋雜質(zhì)(水分子、氧分子等)對(duì)儲(chǔ)氫層的毒化，有助于改善系統(tǒng)活化特性。

9、所述富鎂合金儲(chǔ)氫層，導(dǎo)熱層為石墨烯導(dǎo)熱層、催化層為過渡金屬泡沫催化層、選擇透過型包裹層形成的卷曲結(jié)構(gòu)中存在的間隙，為氣體分子/原子快速遷移提供便捷通道或?yàn)槲艢溥^程體積及應(yīng)力緩沖提供空間。

10、所述富鎂合金儲(chǔ)氫層、石墨烯導(dǎo)熱層、過渡金屬泡沫催化層之間通過填充材料集成為一體。

11、罐體底部熱量收集層(鎂磚蓄熱或者混凝土蓄熱)、罐體中心高導(dǎo)熱石墨烯熱量收集棒、卷曲氣體儲(chǔ)存單元中的石墨烯導(dǎo)熱層構(gòu)成熱量管理系統(tǒng)；

12、所述熱量收集層由高比熱容鎂磚或者混凝土蓄熱材料構(gòu)成，可高效儲(chǔ)存吸放氫反應(yīng)過程中的熱量，用以補(bǔ)償后續(xù)儲(chǔ)氫過程，以提高系統(tǒng)能效。

13、所述熱量收集層為比熱容大的多孔鎂磚或者混凝土蓄熱材料，高導(dǎo)熱石墨烯管與每一個(gè)卷曲儲(chǔ)氫單元中的石墨烯導(dǎo)熱層相連接，熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異，可高效收集吸氫過程中每一個(gè)卷曲儲(chǔ)氫單元中釋放的熱量，亦可在放氫過程中將熱量收集層中的熱量高效傳遞至每一個(gè)卷曲儲(chǔ)氫單元中的儲(chǔ)氫層。

14、罐體上部閥門、帶有半透膜和催化柱的過濾片、卷曲儲(chǔ)氫單元中的間隙及多孔緩沖隔離層中的孔道構(gòu)成氣體傳輸系統(tǒng)；

15、過濾片是與儲(chǔ)氫瓶上部直徑相同的圓形結(jié)構(gòu)，其由高純鈦板(支撐作用)構(gòu)成；高純鈦板上有直徑相同的小圓孔，小圓口由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)膜覆蓋；聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)膜用于過濾氣體，獲得高純度氫氣，高純鈦板下放垂直安裝多個(gè)直徑1cm的高純鎳催化柱，高純鎳催化柱用于催化解離氫氣分子。

16、所述閥門安裝在圓柱形罐體正上方位置。

17、所述緩沖隔離層具體的形狀為與儲(chǔ)氫罐體等直徑的薄圓柱片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多孔泡沫結(jié)構(gòu)，用于緩沖吸放氫過程中卷曲儲(chǔ)氫單元之間的體積和應(yīng)力。

18、所述卷曲儲(chǔ)氫單元中的卷曲間隙、卷曲儲(chǔ)氫單元外層的選擇透過型包裹層、卷曲儲(chǔ)氫單元之間的緩沖隔離層構(gòu)成應(yīng)力緩沖系統(tǒng)；所述緩沖隔離層是多孔薄圓柱片，其與卷曲儲(chǔ)氫單元間隔排布，同時(shí)具備體積緩沖效應(yīng)和應(yīng)力緩沖效應(yīng)。

19、所述卷曲儲(chǔ)氫單元軸向的應(yīng)力由各卷曲儲(chǔ)氫單元之間的緩沖隔離層緩解，卷曲儲(chǔ)氫單元徑向的應(yīng)力主要由全曲型儲(chǔ)氫單元內(nèi)部的卷曲間隙承擔(dān)。

20、一種卷曲型鎂基高密度長(zhǎng)壽命高效固態(tài)儲(chǔ)氫器的使用方法，包括以下步驟；

21、石墨烯導(dǎo)熱層高效收集儲(chǔ)氫過程中每一個(gè)卷曲儲(chǔ)氫單元中富鎂合金儲(chǔ)氫層所釋放的熱量，并通過高導(dǎo)熱石墨烯管，回收至固態(tài)儲(chǔ)氫罐體底部的熱量收集層。

22、在中間放置的石墨烯導(dǎo)熱層具備良好的熱導(dǎo)率，在吸氫放熱過程中，將溫度較高的富鎂合金儲(chǔ)氫層部位的熱量傳導(dǎo)至底下熱量收集層；在放氫吸熱過程中，將熱量收集層中的熱量傳輸至富鎂合金儲(chǔ)氫層；

23、最上層卷曲儲(chǔ)氫單元吸氫接近飽和時(shí)，氣體介質(zhì)穿過該儲(chǔ)氫段元內(nèi)部卷曲間隙，再通過該儲(chǔ)氫單元選擇透過型包裹層，借助緩沖隔離層內(nèi)部的管道傳輸至底下相鄰的卷曲儲(chǔ)氫單元。

24、本發(fā)明的有益效果：

25、第一方面：卷曲型儲(chǔ)氫單元設(shè)計(jì)可高效利用富鎂復(fù)合儲(chǔ)氫帶材，保證高傳質(zhì)和高導(dǎo)熱環(huán)境的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫材料的高密度填充，為高容量長(zhǎng)壽命氫能源存儲(chǔ)奠定優(yōu)異的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

26、第二方面：將富鎂儲(chǔ)氫層、石墨烯導(dǎo)熱層、過渡金屬催化層高效集成，將承擔(dān)儲(chǔ)氫任務(wù)、催化任務(wù)、導(dǎo)熱任務(wù)的功能層疊放，通過卷曲，實(shí)現(xiàn)高密度填充的同時(shí)，通過卷曲間隙設(shè)置，優(yōu)化介質(zhì)傳輸條件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，即可最大程度呈現(xiàn)儲(chǔ)氫材料優(yōu)異的吸放氫熱動(dòng)力學(xué)性能，又能確保儲(chǔ)氫單元中良好傳熱和傳質(zhì)條件，還有效緩解了應(yīng)力和體積，為高容量長(zhǎng)壽命氫氣儲(chǔ)存奠定基礎(chǔ)。

27、第三方面：由卷曲儲(chǔ)氫單元中的卷曲間隙、卷曲儲(chǔ)氫單元外層的選擇透過型包裹層、卷曲儲(chǔ)氫單元之間的緩沖隔離層構(gòu)成的應(yīng)力緩沖系統(tǒng)，可有效緩沖吸放氫過程中的應(yīng)力作用，最大程度降低其對(duì)儲(chǔ)氫器內(nèi)部單元及儲(chǔ)氫層結(jié)構(gòu)的破壞，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)高容量固態(tài)儲(chǔ)氫效果。

28、第四方面：由罐體底部熱量收集層(鎂磚蓄熱或者混凝土蓄熱)、罐體中心高導(dǎo)熱石墨烯熱量收集棒、卷曲氣體儲(chǔ)存單元中的石墨烯導(dǎo)熱層構(gòu)成的熱量管理系統(tǒng)可高效調(diào)控、回收、管理、利用熱量，確保固態(tài)儲(chǔ)氫器安全儲(chǔ)存氫氣的同時(shí)，降低體系能耗，實(shí)現(xiàn)高效氫能源存儲(chǔ)。