CN103185196B

CN103185196B - 一种金属氢化物储氢系统及其制作方法

Info

Publication number: CN103185196B
Application number: CN201110460623.3A
Authority: CN
Inventors: 李志念; 叶建华; 郭秀梅; 米菁; 刘晓鹏; 王树茂; 蒋利军
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: CN103185196A

Abstract

一种金属氢化物储氢系统，包括储氢系统机架，换热结构和若干个储氢模块。换热结构可根据与燃料电池的相对位置固定于机架的底部、中部或顶部，其通过矩形的进风口与燃料电池的出风口配合，燃料电池发电时排出的热风通过换热结构对储氢模块均匀加热；储氢模块由3～6个并排的耐压储存容器组成，每个容器内装填有金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管；若干紧密配合于容器外围的散热片将储存容器连成一体。该系统可在-20～50℃的环境温度条件下，对1～5KW的氢燃料电池连续供氢8小时以上。

Description

一种金属氢化物储氢系统及其制作方法

技术领域

本发明属于氢能领域的储氢技术，特别涉及一种燃料电池电源用金属氢化物储氢系统及其制作方法。

背景技术

氢能具有洁净、效率高、可再生等诸多优点，是受到全世界普遍关注的一种新型能源。氢燃料电池作为氢能应用的典型代表，在交通运输、分布式发电和备用电源等领域展现出良好的应用前景。氢燃料电池作为备用电源应用时，与目前市场上的主要备用电源产品，如铅酸电池和油机等相比，具有备电时间长、高效、环保、体积小、重量轻等诸多优点，在世界主要发达国家如美国、欧盟、日本等已开始商业化应用。

在氢燃料电池备用电源系统推广应用中，如何保证系统用氢的安全供给是各方关心的焦点问题。目前，商业化氢源有高压气态氢和金属氢化物低压固态氢两种。高压气态氢一般是将氢气直接压缩储存于气瓶内，经济、方便，但占用体积大，压力高(≥15Mpa)，作为室内氢燃料电池电源的氢源有一定的安全隐患；相比而言，金属氢化物低压固态氢是利用了氢气与合金化学反应来储存氢气，具有如下特点：(1)金属氢化物材料室温储氢压力≤3.0Mpa，储氢压力低，安全性高；(2)金属氢化物材料单位体积的贮氢密度是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍以上，系统储氢密度高，结构紧凑，体积小；(3)金属氢化物材料对氢气的选择性吸附可实现对原料氢气的纯化，使其释氢纯度高可达6N以上，从而可提高燃料电池效率，防止燃料电池中毒，延长使用寿命，降低系统综合成本；(4)金属氢化物储氢系统的充氢压力≤3.0Mpa，可方便地与现有电解水产氢工艺集成，实现备电系统无人值守的持续工作；(5)金属氢化物储氢系统放氢时的吸热特性，有利于燃料电池的散热，可提高系统能量效率。综上，金属氢化物固态储氢系统具有储氢压力低、密度高、供氢纯度高等特点，特别适用于做氢燃料电池氢源。

金属氢化物储氢材料吸放氢的过程是一热交换的过程，吸氢时放热，放氢时则吸热。目前，现有的储氢器多采用单一的瓶式结构，主要利用容器表面与外界进行热交换，导致金属氢化物储氢材料吸放氢时不能与外界环境进行充分的热交换，影响了其动力学性能，吸放氢速率较慢，难以满足氢燃料电池连续工作对供氢速率的要求。在储氢装置整体体积不变的情况下，若能增大散热面积，并充分利用燃料电池发电时产生的余热，则可大幅提高金属氢化物储氢系统的换热能力，从而保证氢气的快速、稳定输出。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可与燃料电池进行热量配合的模块化的金属氢化物储氢系统及其制作方法，利用该方法制作的金属氢化物储氢系统可在-20～50℃的环境温度条件下，对1～5KW的氢燃料电池稳定供氢，连续工作时间可达8小时以上。通过换热结构设计，使燃料电池发电释放的余热通过换热结构对储氢系统进行加热，大幅提高储氢系统的换热效率，减小储氢系统放氢对环境温度的依赖。储氢系统采用模块化的结构设计，由若干储氢量500～2000L标况氢气的储氢模块组成，储氢模块壳体为矩形，通过滑道固定；储氢模块通过卡套和快速接头与系统充放氢气体管路连接，可方便的运输和装配，并可在系统对燃料电池供氢时在线进行储氢模块的加载以补充氢源，保证燃料电池发电系统长时间连续工作；系统设置稳压减压器，可将储氢系统氢压降至燃料电池的额定工作压力，通过卡套或快速接头直接与燃料电池进氢口连接实现对燃料电池供氢；系统还设置了安全阀，当系统遭遇火灾等事故出现异常高压时安全阀启动泄压，提高了系统的使用安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种金属氢化物储氢系统，包括储氢系统机架，换热结构和若干个储氢模块；所述的储氢系统机架上设置系统的充放氢气路、充放氢气路上的稳压减压器和安全阀以及固定储氢模块的滑道；所述的换热结构可根据与燃料电池的相对位置固定于机架的底部、中部或顶部，其通过换热结构的进风口与燃料电池的出风口配合，燃料电池发电时排出的热风通过换热结构对储氢模块均匀加热；所述的储氢模块置于系统内一系列平行的滑道内，两端由卡槽或螺钉固定，根据系统储氢容量的大小储氢模块可分1～3层摆放，在储氢模块分为2～3层摆放情况下，放氢时燃料电池的热风在储氢模块上下层之间垂直流通，实现对储氢模块的均匀加热。

在本发明的金属氢化物储氢系统中，所述的换热结构为外形是梯形的中空结构，其小端为进风口，其大端为出风口，该出风口正对着若干个储氢模块。

在本发明的金属氢化物储氢系统中，所述的每块储氢模块由3～6个并排的耐压储存容器组成，每个储存容器内装填有金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管；若干紧密配合于储存容器外围的散热片将储存容器连成一体，储存容器的气体通路通过不锈钢管连在一起，其端部与阀门连结，阀门的另一端与耐压金属软管一端连结，耐压金属软管的另一端通过金属卡套接头或直接密封焊接与系统的充放氢气路连接。其中，与耐压金属软管连结的阀门优选是球阀。

在本发明的金属氢化物储氢系统中，所述的金属氢化物为AB₂型和/或AB型钛系合金，具体成分分别为Ti_1-xZr_x(MnCrVFe)₂(x＝0.1～0.3)，或者是TiFe_1-xMn_xRe_y(x＝0.1～0.3；y＝0～0.2；Re为单一稀土元素Y、La、Ce或含Y、La和Ce混合稀土金属)，经真空感应熔炼而成，将熔炼后的铸锭破碎成-20目的粉末，该合金经过2-3次循环吸放氢后即可完全活化，储氢量为1.8-2.0wt％；将破碎成粉末的钛系合金与导热剂和抗板结剂按一定比例混合，均匀装填于储存容器中。具体而言，是将导热剂和抗板结剂按金属氢化物重量的1-10％混合装填在储存容器内，其中，导热剂和抗板结剂的重量比为1：1。

以三个或多个通路(通路具体数量视储存容器的数量而定)的不锈钢管与容器开口的接头相连，由此将三个或多个储存容器的气体通路连为一体；不锈钢管的其中一个通路与阀门一端连接，阀门的另一端与耐压金属软管连结，耐压金属软管的另一端通过不锈钢快速接头与系统充放氢气路连接，快速接头断开时两端可自行密封，便于储氢模块的在线装卸。

储氢模块置于系统内一系列平行的滑道内，两端由卡槽或螺钉固定，根据系统储氢容量的大小储氢模块可分1～3层摆放，放氢时燃料电池的热风在储氢模块上下层之间垂直流通，实现对储氢模块的均匀加热。

储氢系统氢气管路的其中一端连接安全阀，当系统内氢气压力高于某一安全值时，安全阀开启泄压，至安全压力后安全阀关闭密封，使储氢系统在遭遇火灾等极端高温时免遭高压破坏。

本发明还提供一种金属氢化物储氢系统的制作方法，其包含以下步骤：

1)预制若干储氢量500～2000L标况氢气的储氢模块；

2)设计、加工模块化金属氢化物储氢系统机架和换热结构；

3)将换热结构以螺钉固定在机架内；

4)将储氢模块通过滑道插入系统机架内并固定；

5)连接系统的充放氢气路；

6)以高压金属软管一端与储氢模块的阀门连接，另一端通过金属卡套接头或直接密封焊接与系统的充放氢气路连接；

7)将系统充氢阀、放氢阀、安全阀和稳压减压器固定在机架面板上并以卡套连接；

8)将系统的充氢口接头、放氢口接头和泄压接头分别与系统充氢阀、放氢阀和安全阀连接并固定在系统面板上；

9)系统检测，粘贴标签和安全标识。

本发明的优点是：通过换热结构设计，使燃料电池发电释放的余热通过换热结构对储氢系统进行加热，大幅提高储氢系统的换热效率，减小储氢系统放氢对环境温度的依赖。利用该方法制作的金属氢化物储氢系统可在-20～50℃的环境温度条件下，对1～5KW的氢燃料电池稳定供氢，连续工作时间可达8小时以上；通过模块化的结构设计，方便了系统的运输和装配，并可在系统对燃料电池供氢时在线进行储氢模块的加载以补充氢源，保证燃料电池发电系统长时间连续工作；通过设置安全阀，当系统遭遇极端高温、火灾等事故出现异常高压时，安全阀启动泄压，提高了系统的使用安全性。

附图说明：

图1本发明实施例1金属氢化物储氢系统的结构示意图。

图2本发明实施例1金属氢化物储氢系统控制面板结构示意图。

图3本发明实施例1金属氢化物储氢模块的结构示意图。

图4本发明实施例1金属氢化物储氢系统对1.5KW燃料电池连续供氢压力——流量曲线。

具体实施方式：

图1所示为本发明实施例1——金属氢化物储氢系统的结构。其包含：储氢系统机架10，换热结构11，10个储氢容量1m³标况氢气的储氢模块12和控制面板13(详见图2)，储氢系统机架分三层，最下层固定梯形外形的换热结构11，其矩形进风口14与燃料电池的散热口配合，其中，换热结构11为外形是梯形的中空结构，其小端为矩形进风口14，其大端为出风口，该出风口正对着若干个储氢模块，由于矩形进风口14与燃料电池的散热口相配合，一般来讲，燃料电池的散热口在金属氢化物储氢系统的一侧，而储氢模块12位于换热结构11的上部，换热结构11要正对着若干个储氢模块12，所以换热结构11的形状为L形，以将位于侧面的燃料电池散热口散发的热气引导到储氢模块12下面，因此，换热结构11的形状主要看燃料电池的散热口和若干个储氢模块12的位置。但有一点是肯定的，与燃料电池的散热口配合的矩形进风口14为小口，其出风口为大口，所以换热结构11为外形是梯形的中空结构，以从燃料电池的散热口中引导的热气进入到金属氢化物储氢系统中。小口进，大口出，一个是为了与燃料电池的散热口相配合；另一个是引导热气进入到金属氢化物储氢系统中。在系统放氢时引入燃料电池的余热对储氢模块加热。换热结构11也可根据储氢系统与燃料电池的相对位置设置在系统机架的中部和上部；其余两层放置储氢模块，每层设有5个可与储氢模块紧密配合的滑道15，储氢模块插入滑道后，通过滑道两端的挡板16及其上的螺钉固定。滑道为中空结构，保证热空气可在储氢模块的上下层之间垂直流通；储氢模块端部球阀17通过金属卡套接头18与系统的充放氢气路的排管19连接。如图2所示，系统的充放氢气路的排管19与控制面板上四通管路21的一路连接，四通管路21的其余三路分别连接系统放氢阀21、充氢阀22和安全阀23，放氢阀21后端接稳压减压器25，稳压减压器上接压力表26和27，分别显示储氢系统内氢压和减压后的放氢出口压力，稳压减压器25通过不锈钢管与固定在面板下沿右侧的放氢口接头28连接；系统充氢阀22、安全阀23的另一端分别通过不锈钢管分别与固定在面板下沿左侧的充氢口接头29和面板左侧泄压口接头30连接；放氢口接头28、充氢口接头29和泄压口接头30均可为快速接头或卡套式接头。控制面板20通过螺钉31固定在系统机架前沿上端，便于操作。

图3所示为实施例1金属氢化物储氢模块的结构示意图，其由3～6个并排的耐压储存容器40组成，耐压储存容器选用轻质、高强度的铝合金材料，经旋压工艺制成，许用工作压力≥15MPa。每个容器内装填有金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管41；若干紧密配合于储存容器40外围的散热片42将储存容器连成一体，每个储存容器40的瓶口均装有多孔不锈钢过滤器43，其过滤精度≤0.5μm，保证金属氢化物细粉不随气体逸出储存容器40。每个储氢容器40瓶口接头44与模块内的多通不锈钢管45连接，多通不锈钢管45端部与球阀17连结，球阀固定在模块的矩形外壳上46上。储氢模块在系统中装配时，其储存容器40轴线为水平方向。

图4为实施例1的储氢系统对1.5KW燃料电池连续供氢的压力——流量曲线，储氢系统以20L/min的速率对燃料电池供氢，连续供氢时间可达490min以上，在供氢初始阶段，主要消耗储氢系统储存容器死体积的气态氢气，储氢系统氢压由2.8MPa迅速降至1.5MPa以内，随后系统氢压缓慢下降，但保持在0.3MPa以上，通过稳压减压器，可将供氢压力稳定在燃料电池工作所需的0.03～0.05MPa，这样，储氢系统供氢时，既能保证千瓦级燃料电池工作对大流量、稳定连续供氢的要求，又避免了高压储氢方式(≥15MPa)存在的安全隐患，提高了系统的安全性，完全可满足燃料电池室内电源应用的需要。

本发明选用的储氢材料为AB₂型Ti_1-xZr_x(MnCrVFe)₂(x＝0.1～0.3)或AB型TiFe_1-xMn_xRe_y(x＝0.1～0.3；y＝0～0.2；Re为单一稀土元素Y、La、Ce或含Y、La和Ce混合稀土金属)合金，经真空感应熔炼而成，将熔炼后的铸锭破碎成-20目的粉末，该合金经过2-3次循环吸放氢后即可完全活化，储氢量为1.8-2.0wt％。与常用的AB₅型稀土系储氢合金相比，本发明选用的储氢材料具有储氢量大、成本低等显著优势。装填时，将储氢合金粉末与一定比例(1-10％)的导热剂和一定比例(1-10％)的抗板结剂混合均匀，通过适当的工艺均匀装填在储存容器内。导热剂由导热系数高的轻质材料组成，可提高储氢合金床的导热系数；抗板结剂由轻质、高强度的多孔材料组成，在储氢合金床体中起到骨架的作用，可防止储氢合金粉末在吸放氢过程中粉化聚集而导致的板结现象的发生。

金属氢化物储氢材料在一定温度下对应一定的吸氢和放氢平衡压，其吸、放氢平衡压随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。由于金属氢化物储氢材料的吸放氢是一个化学反应过程，吸氢时放热，放氢时则吸热。现有的储氢装置主要利用容器表面与外界进行热交换，难以满足千瓦级燃料电池连续工作对大流量、长时间稳定供氢的要求。目前，燃料电池的发电效率在50％左右，发电时产生大量的余热，主要通过热风的形式排出。本发明将燃料电池电池发电产生的热风引入储氢系统，在储氢系统对燃料电池供氢同时实现热风对储氢系统加热，大幅提高系统的热交换效率，保证了系统对千瓦级燃料电池的长时间稳定供氢。

本发明的储氢模块采用不锈钢快速接头与系统氢气气路连接，快速接头在断开时两端随即密封。供氢时，储氢模块可在线装卸，这样在需要更长时间的供氢时，可通过在线更换储氢模块源源不断的补充氢源，保证燃料电池电源不间断的长期工作。

本发明的储氢系统通过卡套式接头或快速接头与外部氢源连接，方便的对系统充氢。最高充氢压力在4.0MPa以内，除可通过普通的高压气瓶方式对系统充氢外，还可与电解水制氢方式集成，一举解决燃料电池商业化应用极为关键的氢源供应问题，实现制氢—储氢—用氢一体化工作。使燃料电池发电系统在边远山区等难以获得氢气的地方的应用成为可能。

本发明的储氢系统还设置了安全阀，安全阀的开启压力设定为最高充氢压力的1.5倍，当系统遭遇极端高温、火灾等情况出现过压时，安全阀开启泄压，降至安全压力后再密封，避免系统因高压发生安全事故，提高了系统的使用安全性。

本发明的储氢系统与燃料电池配合，特别适用于备用电源、分布式发电和热电联供等场合的应用。还可作为机车、游艇等移动式燃料电池的氢源。

Claims

1.一种金属氢化物储氢系统，其特征在于：包括储氢系统机架，换热结构和若干个储氢模块；所述的储氢系统机架上设置系统的充放氢气路、充放氢气路上的稳压减压器和安全阀以及固定储氢模块的滑道；所述的换热结构可根据与燃料电池的相对位置固定于机架的底部、中部或顶部，其通过换热结构的进风口与燃料电池的出风口配合，燃料电池发电时排出的热风通过换热结构对储氢模块加热；所述的储氢模块置于系统内一系列平行的滑道内，两端由卡槽或螺钉固定，根据系统储氢容量的大小储氢模块可分1～3层摆放，在储氢模块分为2～3层摆放情况下，放氢时燃料电池的热风在储氢模块上下层之间垂直流通，实现对储氢模块的均匀加热，

所述的换热结构为外形是梯形的中空结构，其小端为进风口，其大端为出风口，该出风口正对着若干个储氢模块。

2.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述的每个储氢模块由3～6个并排的耐压储存容器组成，每个储存容器内装填有金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管；若干紧密配合于容器外围的散热片将储存容器连成一体，储存容器的气体通路通过不锈钢管连在一起，其端部与阀门连结，阀门的另一端与耐压金属软管一端连结，耐压金属软管的另一端通过不锈钢快速接头与系统的充放氢气路连接。

3.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述的每个储氢模块的外壳为矩形，储氢量500～2000L标况氢气。

4.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述的金属氢化物材料为AB₂型和AB型钛系合金，具体成份为Ti_1-xZr_x(MnCrVFe)₂，其中，x＝0.1～0.3；或者为TiFe_1-xMn_xRe_y，其中，x＝0.1～0.3；y＝0～0.2；Re为单一稀土元素Y、La、Ce或含Y、La和Ce的混合稀土金属。

5.根据权利要求2所述的金属氢化物储氢系统，其特征在于：所述的金属氢化物粉经真空熔炼并破碎成-20目粉末，经2～3次吸放氢循环即完全活化，将导热剂和抗板结剂按金属氢化物重量的1～10％混合装填在储存容器内，其中，导热剂和抗板结剂的重量比为1：1。

6.一种金属氢化物储氢系统的制作方法，其特征在于包含以下步骤：

1)预制若干储氢量500～2000L升标况氢气的储氢模块；

2)设计、加工模块化金属氢化物储氢系统机架和换热结构；

3)将换热结构以螺钉固定在机架内；

4)将储氢模块通过滑道插入系统机架内并固定；

5)连接系统的充放氢气路；

6)以高压金属软管一端与储氢模块的阀门连接，另一端通过金属卡套接头与系统的充放氢气路连接或与系统的充放氢气路直接密封焊接；

8)将系统充氢口接头、放氢口接头和泄压接头分别与系统充氢阀、放氢阀和安全阀连接并固定在系统面板上；

9)系统检测，粘贴标签和安全标识。