CN102530860B - 一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法，其特征在于：可在无外加热源的条件下，实现金属氢化物氢压缩装置的自我升温，使其在室温吸氢，并在高温下放出高压氢气。该装置包括装有金属氢化物的氢压缩部分和热源部分，热源部分中的相变储能材料在加热条件下，升温相变，储存热量，为氢压缩部分中的金属氢化物提供热量，使其在大于2小时的时间内保持在50～300℃之间的某一温度范围内进行放氢操作，放氢压力在10～100MPa之间。

Description

一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及氢制备纯化及压缩领域，具体涉及一种室温吸氢、采用自带热源进行加热放出高压氢气的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法。热源部分和金属氢化物氢压缩部分均采用不锈钢材料加工而成，相变储能材料和金属氢化物材料分别密封入热源部分和氢压缩部分中，在无外加热源的工况条件下，热源部分中的相变储能材料为金属氢化物氢压缩部分提供热量，使其在高温下释放出高压氢气，实现对氢气的增压目的。
背景技术
金属氢化物氢压缩装置利用金属氢化物的吸放氢压力随温度的变化规律遵循Van’t Hoff方程这一特性来实现高压氢气的制取，即当储氢合金在较低温度(一般为室温)和较低压力下吸氢饱和后，将氢化物温度提高到较高温度，此时金属氢化物将释放出高压的氢气。放氢压力依温度而定，不存在传统机械压缩机受压缩比限制的问题。另外，金属氢化物氢压缩装置还具有很多明显的优势：(1)是一种静态化学热压缩，系统无运动部件、无噪音、无磨损、无泄漏、无振动；(2)安全性好；(3)融氢气提纯与压缩于一体，可制备超纯(6N级)高压氢气；(4)生产投资和维护成本低。因此，金属氢化物氢压缩装置正在被越来越多地应用于生产、生活和军事领域。金属氢化物氢压缩装置可在低温、低压下吸氢，在高温下放出较高压力的氢气，通过这种方式实现对氢气的增压。但是在一些特定应用场合如野外等工况条件下，无法为氢压缩装置提供外加热源，使其达到较高温度放出高压氢气。因此，亟需开发一种可自带热源的金属氢化物氢压缩装置，使其从自带热源中吸收热量，实现对氢气的增压。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可通过自带热源在较高温度下放出高压氢气的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法。该装置的自带热源可为金属氢化物氢压缩部分提供充足热量，使其在50～300℃的范围内实现对氢气的增压。
为了实现上述发明目的，本发明采取下述技术方案：
一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置，该装置包括金属氢化物氢压缩部分和热源部分；其中，热源部分是包括单层不锈钢罐体，单层不锈钢罐体的两端密封，在单层不锈钢罐体内装有相变储能材料，在该单层不锈钢罐体内的一端前部留有空间，且在该端前部设有过滤片，将相变储能材料与前部留有的空间隔开，在该单层不锈钢罐体的该端上设有排气孔，该排气孔连接排气管，在该排气管上安装安全气阀；金属氢化物氢压缩部分包括内外双层不锈钢罐体，内外双层不锈钢罐体是采用不锈钢内管套在不锈钢外管之中方式，它们的一端用环形不锈钢片密封，使不锈钢内、外管之间形成环形槽，在所述的环形槽内装有金属氢化物材料，并在环形槽内留有吸氢膨胀所需的空间，不锈钢内、外管的另一端分别密封，形成内外双层不锈钢罐体，在外层不锈钢罐体的密封端上，设有一开孔，该开孔内设有气体过滤片，在该开孔上安装不锈钢导气管，该不锈钢导气管上设有气体阀门，在内层不锈钢罐体内形成空腔，并在内层不锈钢罐体的与密封端相对的一端留有安装口；将热源部分的单层不锈钢罐体从内层不锈钢罐体的安装口套接在该内层不锈钢罐体的空腔之中，并且将单层不锈钢罐体上的排气管及安全气阀裸露在外面。
其中，单层不锈钢罐体是采用不锈钢管的两端分别用不锈钢封头密封所形成单层不锈钢罐体。形成单层不锈钢罐体的不锈钢管的外径小于金属氢化物氢压缩装置的内层不锈钢罐体内径(即不锈钢内管内径)0.8-1.2mm。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置中，所述的金属氢化物氢压缩部分中，其外层不锈钢罐体的密封端上的开孔在该端的中心位置上，且在该开孔外安装管状的不锈钢过渡件，导气管是通过管状的不锈钢过渡件安装在该开孔上。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置中，所述的相变储能材料为无机相变储能材料、有机相变储能材料或金属基/无机盐复合材料，其中，无机相变储能材料为熔融盐KOH、NaCl、MgCl2、CaCl2及其它们的混合物，CaBr2·4H2O、Al2(SO4)3·16H2O、Na2SO4·4H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O，以及金属合金Li和Al-Si合金中的任意一种；有机相变储能材料为石蜡、醋酸和醇中的任意一种；金属基/无机盐复合材料为泡沫铝或泡沫镍与无机相变储能材料组成的复合材料。
金属基/无机盐复合材料是金属基和无机盐的复合材料。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置中，所述的金属氢化物为Zr基氢化物材料、Ti基氢化物材料、V基氢化物材料或La-Ni基氢化物材料；其中，Zr基氢化物材料为Zr-Co氢化物、Zr-Ni氢化物、Zr-Mn氢化物和Zr-Cr氢化物中的一种或几种氢化物；Ti基氢化物材料为Ti-Fe氢化物、Ti-Mn氢化物和Ti-Cr氢化物中的一种或几种氢化物。
一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置的制作方法，具体制作方法包括下述步骤：
(1)、采用两种不同直径的无缝不锈钢管即内管和外管，并将内管套在外管之中，在内管和外管的一端通过环形不锈钢片焊接在一起，使得内管和外管之间形成环形槽；
(2)、在内管的与环形不锈钢片焊接端相对的一端上采用不锈钢封头进行焊接密封，使得内管形成内层不锈钢罐体，而使其内形成空腔，且在内管与环形不锈钢片焊接端上的内管内留有开口，形成内层不锈钢罐体的安装口；
(3)在环形槽内装入金属氢化物材料，并留有吸氢膨胀所需的空间；
(4)在外管的与环形不锈钢片焊接端相对的一端上再用不锈钢封头进行焊接密封，使得外管形成外层不锈钢罐体，在该不锈钢封头中心位置开一导气孔，并在导气孔中安装气体过滤片，在导气孔外安装管状的不锈钢过渡件，并通过管状的不锈钢过渡件安装不锈钢导气管，在不锈钢导气管上安装气体阀门，即制成金属氢化物氢压缩部分；
(5)采用外径小于金属氢化物氢压缩装置内层不锈钢罐体内径0.8-1.2mm的不锈钢管，该不锈钢管的一端用不锈钢封头进行焊接密封；
(6)在该不锈钢管中装入相变储能材料，在该不锈钢管的另一端安装过滤片，将相变储能材料与过滤片前部的空间隔开；
(7)采用另一个不锈钢封头对所述的不锈钢管的另一端进行焊接密封，使得不锈钢管形成单层不锈钢罐体，并在该不锈钢封头上开有排气孔，在排气孔上安装排气管，排气管上安装安全气阀，即制成热源部分；
(8)将热源部分的单层不锈钢罐体从内层不锈钢罐体的安装口套装在内层不锈钢罐体的空腔之中，并且将热源部分的单层不锈钢罐体上的排气管及安全气阀裸露在外面，即制成自带热源的金属氢化物氢压缩装置。
一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用，在无外加热源的条件下，采用本发明的所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，使其在室温吸氢，在高温下放出高压氢气。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用中，将所述的热源部分从金属氢化物氢压缩部分中取出，并将热源部分在加热炉中加热升温，使其中的相变储能材料发生相变；金属氢化物氢压缩部分中的金属氢化物在室温下吸氢饱和后，将热源部分置入金属氢化物氢压缩部分的空腔中，热源部分与金属氢化物氢压缩部分发生热交换，热源部分中的相变储能材料在相变温度点发生相变，放出大量热量，提供热源温度，将金属氢化物氢压缩部分中的金属氢化物材料升高到所需温度并保持，同时使金属氢化物材料放出高压氢气；金属氢化物氢压缩部分在降温时，则将热源部分从金属氢化物氢压缩部分的空腔中移出即可。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用中，所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置所提供的热源温度为在50～300℃中的任意一点温度的上下温差50℃的范围内保持2小时以上。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用中，所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置中的金属氢化物在室温到300℃的范围内对氢气进行吸收和/或释放。
在本发明的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用中，所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，通过该装置自带热源吸收热量，实现升温并且保温，使该装置内的金属氢化物材料在高温下充分吸收氢气，实现对氢气的储存。
本发明的优点：
本发明结构简单，易于操作，系统吸放氢速度快，热利用效率高，安全性好。可在无外加热源的工况条件下，使金属氢化物氢压缩装置从自带热源中吸收充足热量快速升温且长时间保温，从而使金属氢化物氢压缩装置释放出高压氢气，实现对氢气的增压。
附图说明
图1：本发明实施例示意图；
图2：本发明的金属氢化物氢压缩装置A剖面示意图；
图3：本发明的热源装置B剖面示意图。
具体实施方式
本发明的金属氢化物氢压缩部分A通过一端密封的不锈钢圆筒互套焊接，形成环形槽，金属氢化物材料装入环形槽中，通过导气管对系统进行充、放氢气操作，导气管进气口处装有气体过滤片，并在导气管上安装气体阀门对气流进行控制。
本发明的热源部分B为一两端密封的圆筒结构，筒体内装填相变储能材料，在热源部分B一端开一个排气孔，排气孔上方焊有一根排气管，通过排气管上安装的气体安全阀门对筒体内气体压力进行控制，防止材料相变时筒体内气体压力过高导致筒体过度膨胀变形。
本发明中的热源部分B在加热炉中升温，使其中的相变储能材料升温发生相变，储存能量。通过保温装置运送到无热源的工况环境中，金属氢化物氢压缩部分A在室温下吸氢饱和后，将热源部分B置入金属氢化物氢压缩部分A的空腔中，热源部分B与金属氢化物氢压缩部分A发生热交换，热源部分B中的相变储能材料在相变温度点发生相变，放出大量热量，将金属氢化物氢压缩部分A中的金属氢化物材料升高到所需温度，并在一定温度范围内保持足够长的时间，使金属氢化物材料放出高压氢气。金属氢化物氢压缩部分A需要降温时，则将热源部分B从金属氢化物氢压缩部分A的空腔中移出即可。
如图1-3所示，本发明可通过如下技术方案来实现：
(1)对于本发明的金属氢化物氢压缩部分A，采用两种不同尺寸的无缝不锈钢管作为内管、外管1、2，内管、外管1，、2通过不锈钢圆环片3焊接在一起，形成一个可装载金属氢化物的凹槽型结构即环形槽，形成环形槽的内管1另一端采用一个封头5焊接密封，将金属氢化物材料10和导热材料装入环形槽中后，将外管2也采用一个封头4进行焊接密封。在封头4中心位置开一圆孔，将气体过滤片6焊接在圆孔内，导气管8通过圆筒形不锈钢过渡件7与封头4焊接在一起，导气管8上装有气体阀门9。为了避免封头4焊接时金属氢化物10高温氧化以及保证金属氢化物10吸氢膨胀所需空间，金属氢化物10装填时不能完全填满整个筒体环形槽，需在封头端预留一定的空间。整个装置最大耐压在0～100MPa。
(2)本发明的热源部分B中，采用无缝不锈钢管作为钢管11，钢管11一端采用封头12进行焊接密封，将相变储能材料18和过滤片17装入钢管11后，采用封头13焊接密封，在封头13上开一圆孔排气口，将多余气体排出，由钢管11和两个封头12、13组成的罐体，防止罐体过度膨胀变形，排气口与排气管14焊接密封，在排气管14上安装安全气阀15，在封头13的中心焊接一不锈钢挂钩16，便于取放热源部分。为了避免封头13焊接时相变储能材料18高温氧化失效以及保证材料18相变时体积膨胀的需要，相变储能材料18在钢管11内装填时需要预留一定空间，并采用过滤片17对材料进行阻挡，防止材料18通过排气管14溢出。
(3)在对金属氢化物氢压缩部分A进行充放氢操作前，需打开阀门9，通过导气管8对金属氢化物氢压缩部分A充分抽真空，使金属氢化物10预活化。预活化完成后，通过阀门9和导气管8向金属氢化物氢压缩部分A中充入一定压力的氢气，使金属氢化物氢压缩部分A中的金属氢化物充分吸氢饱和。将热源部分B在加热炉中加热升温，使其中的相变储能材料18升温，当温度达到相变储能材料18的相变点时，相变储能材料18发生相变，储存能量。将热源部分B放入保温装置中，运送到无外加热源的工况环境中，置入金属氢化物氢压缩部分A的空腔内，使金属氢化物氢压缩部分A与热源部分B充分接触，发生热交换。当温度降到相变储能材料18的相变点时，相变储能材料18发生相变，放出大量热量，金属氢化物氢压缩部分A中的金属氢化物10快速吸热升温到一定温度，此时，金属氢化物10放出高压氢气。在整个操作过程中，热源部分B可使金属氢化物氢压缩部分A在50～300℃的某一温度点上下温差50℃的范围内保持2小时以上，使其充分放出高压氢气。在操作过程中，若不需要热源加热时，将热源部分B从金属氢化物氢压缩部分A的空腔中移出即可。
具体实施例：
对于金属氢化物氢压缩部分A，将内径分别为55cm和72cm的两无缝不锈钢圆筒互套，内管厚度为2cm，外管厚度为3cm，并采用厚度为4cm的不锈钢圆环片将两圆筒焊接在一起，另一端分别焊接厚度为2cm和3cm的球形封头。在外侧球形封头上开一导气孔，孔内焊接直径为13cm的气体过滤片，过滤片孔径为3μm，在导气孔上方焊接一外径为6cm的不锈钢过渡部件，过渡部件上方焊接外径为3cm的不锈钢导气管，并在导气管上安装一个球阀。环形槽中装有1kg混有铜网的Ti-Mn基储氢合金材料Ti0.9Zr0.1Mn1.4Cr0.35V0.2Fe0.05。
对于热源部分B，采用内径为50.5cm、厚度为3.5cm的无缝不锈钢圆筒和相同厚度的两个球形封头焊接在一起，形成不锈钢罐体，一侧封头上焊接一根外径为3cm的不锈钢排气管，排气管上安装一个球阀，并在相同侧的封头中心位置焊接一个不锈钢挂钩。该不锈钢罐体内装有0.4kg相变储能材料Mg(NO3)2·H2O，该相变储能材料的相变温度为130℃，并在不锈钢罐体含有排气管的一端预留一定空间，采用泡沫镍过滤片将相变储能材料与过滤片前端空间隔开。
金属氢化物氢压缩部分A中的Ti-Mn基储氢合金材料在室温、4MPa的氢气压力下吸氢，然后通过热源部分B吸收热量，升温至100℃以上，并可在100℃以上维持2小时以上，此时金属氢化物氢压缩部分A放出的氢气压力在14MPa以上，最大放氢压力为20MPa。

Claims (10)

1.一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置，其特征在于：该装置包括金属氢化物氢压缩部分和热源部分；其中，热源部分是包括单层不锈钢罐体，单层不锈钢罐体的两端密封，在单层不锈钢罐体内装有相变储能材料，在该单层不锈钢罐体内的一端前部留有空间，且在该端前部设有过滤片，将相变储能材料与前部留有的空间隔开，在该单层不锈钢罐体的该端上设有排气孔，该排气孔连接排气管，在该排气管上安装安全气阀；金属氢化物氢压缩部分包括内外双层不锈钢罐体，内外双层不锈钢罐体是采用不锈钢内管套在不锈钢外管之中方式，它们的一端用环形不锈钢片密封，使不锈钢内、外管之间形成环形槽，在所述的环形槽内装有金属氢化物材料，并在环形槽内留有吸氢膨胀所需的空间，不锈钢内、外管的另一端分别密封，形成内外双层不锈钢罐体，在外层不锈钢罐体的密封端上，设有一开孔，该开孔内设有气体过滤片，在该开孔上安装不锈钢导气管，该不锈钢导气管上设有气体阀门，在内层不锈钢罐体内形成空腔，并在内层不锈钢罐体的与密封端相对的二端留有安装口；将热源部分的单层不锈钢罐体从内层不锈钢罐体的安装口套接在该内层不锈钢罐体的空腔之中，并且将单层不锈钢罐体上的排气管及安全气阀裸露在外面。 
2.按照权利要求1所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，其特征在于：所述的金属氢化物氢压缩部分中，其外层不锈钢罐体的密封端上的开孔在该端的中心位置上，且在该开孔外安装管状的不锈钢过渡件，导气管是通过管状的不锈钢过渡件安装在该开孔上。 
3.按照权利要求1所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，其特征在于：所述的相变储能材料为无机相变储能材料、有机相变储能材料或金属基/无机盐复合材料，其中，无机相变储能材料为熔融盐KOH、NaCl、MgCl2、CaCl2及它们的混合物，CaBr2·4H2O、Al2(SO4)3·16H2O、Na2SO4·4H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O中的任意一种；有机相变储能材料为石蜡、醋酸和醇中的任意一种；金属基/无机盐复合材料为泡沫铝或泡沫镍与无机相变储能材料组成的复合材料。 
4.按照权利要求1所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，其特征在于：所述的金属氢化物为Zr基氢化物材料、Ti基氢化物材料、V基氢化物材料或La-Ni基氢化物材料；其中，Zr基氢化物材料为Zr-Co氢化物、Zr-Ni氢化物、Zr-Mn氢化物和Zr-Cr氢化物中的一种或几种氢化物；Ti基氢化物材料为Ti-Fe氢化物、Ti-Mn氢化物和Ti-Cr氢化物中的一种或几种氢化物。 
5.一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置的制作方法，其特征在于：具体制作方法包括下述步骤： 
(1)、采用两种不同直径的无缝不锈钢管即内管和外管，并将内管套在外管之中，在内管和外管的一端通过环形不锈钢片焊接在一起，使得内管和外管之间形成环形槽； 
(2)、在内管的与环形不锈钢片焊接端相对的一端上采用不锈钢封头进行焊接密封，使得内管形成内层不锈钢罐体，而使其内形成空腔，且在内管与环形不锈钢片焊接端上的内管内留有开口，形成内层不锈钢罐体的安装口； 
(3)在环形槽内装入金属氢化物材料，并留有吸氢膨胀所需的空间； 
(4)在外管的与环形不锈钢片焊接端相对的一端上再用不锈钢封头进行焊接密封，使得外管形成外层不锈钢罐体，在该不锈钢封头中心位置开一导气孔，并在导气孔中安装气体过滤片，在导气孔外安装管状的不锈钢过渡件，并通过管状的不锈钢过渡件安装不锈钢导气管，在不锈钢导气管上安装气体阀门，即制成金属氢化物氢压缩部分； 
(5)采用外径小于金属氢化物氢压缩装置内层不锈钢罐体内径0.8-1.2mm的不锈钢管，该不锈钢管的一端用不锈钢封头进行焊接密封； 
(6)在该不锈钢管中装入相变储能材料，在该不锈钢管的另一端安装过滤片，将相变储能材料与过滤片前部的空间隔开； 
(7)采用另一个不锈钢封头对所述的不锈钢管的另一端进行焊接密封，使得不锈钢管形成单层不锈钢罐体，并在该不锈钢封头上开有排气孔，在排气孔上安装排气管，排气管上安装安全气阀，即制成热源部分； 
(8)将热源部分的单层不锈钢罐体从内层不锈钢罐体的安装口套装在内层不锈钢罐体的空腔之中，并且将热源部分的单层不锈钢罐体上的排气管及安全气阀裸露在外面，即制成自带热源的金属氢化物氢压缩装置。 
6.一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用，其特征在于：在无外加热源的条件下，采用权利要求1所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，使其在室温吸氢，在高温下放出高压氢气。 
7.按照权利要求6所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用，其特征在于：将所述的热源部分从金属氢化物氢压缩部分中取出，并将热源部分在加热炉中加热升温，使其中的相变储能材料发生相变；金属氢化物氢压缩部分中的金属氢化物在室温下吸氢饱和后，将热源部分置入金属氢化物氢压缩部分的空腔中，热源部分与金属氢化物氢压缩部分发生热交换，热源部分中的相变储能材料在相变温度点发生相变，放出大量热量，提供热源温度，将金属氢化物氢压缩部分中的金属氢化物材料升高到所需温度并保持，同时使金属氢化物材料放出高压氢气；金属氢化物氢压缩部分在降温时，则将热源部分从金属氢化物氢压缩部分的空腔中移出即可。 
8.按照权利要求7所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用，其特征在于：所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置所提供的热源温度为在50～300℃中的任意一点温度的上下温差50℃的范围内保持2小时以上。 
9.按照权利要求6或7所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用，其特征在于：所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置中的金属氢化物在室温到300℃的范围内对氢气进行吸收和/或释放。 
10.按照权利要求6或7所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置的应用，其特征在于：所述的自带热源的金属氢化物氢压缩装置，通过该装置自带热源吸收热量，实现升温并且保温，使该装置内的金属氢化物材料在高温下充分吸收氢气，实现对氢气的储存。 
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