CN104671199B - 一种利用金属氢化物制备高压氢气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于氢气的静态压缩技术领域的一种利用金属氢化物制备高压氢气的装置，该装置由控制部件、加热回路、冷却回路、反应床、循环水泵和气体管路组成。加热回路与冷却回路相间缠绕在反应床体外壁，并分别与循环水泵相连；气体管路置于反应床体内；控制部件与装置气体管路相连接。本装置可采用Ti‑Mn基、Ti‑Cr基等AB2型金属氢化物可将0.2MPa的氢气增压至20MPa，增压比达到100，输出气体纯度达到99.999%；可利用系统的温度/压力的双报警控制方式实现氢气输出压力的精确连续可调，保证装置在安全温度/压力范围下工作，保证系统安全；该装置还具有结构简单，无噪音、无振动，可利用低品位废热等优点。

Description

一种利用金属氢化物制备高压氢气的装置
技术领域
本发明属于氢气的静态压缩技术领域，特别涉及一种利用金属氢化物制备高压氢气的装置。
背景技术
目前，由于能源危机的逐渐加深和环境的日益恶化，氢能的研究利用成为了科学领域研究的热点问题。氢气具有单位质量发热值高、来源广泛、清洁高效、可再生等优点，在各个领域受到广泛的应用。由于在不同的领域需要不同压力的氢源，因而必须发展不同输出要求的氢压缩机。
传统的机械式氢压缩机依靠油来润滑、密封，排气含油不可避免，高温和长期运行导致润滑油分解，将腐蚀压缩机部件；运动部件长期工作产生磨损，引起破坏密封、降低压缩机排量和效率，引起噪音等问题。
相比之下，以可逆金属氢化物为工作介质的氢压缩机具有如下优点：（1）增压比和输气量的调节范围大，调节方便，通用性高；（2）在增压的同时纯化氢气；（3）系统附件少，结构简单，可靠性高，便于维护；（4）无运转部件，无磨损，噪音低；（5）可利用太阳能、废热和低品位热源工作，运行成本低，清洁且节省能源。
目前，针对金属氢化物氢压缩机的专利主要集中在氢压缩机用合金材料方面，如中国专利CN101429606A，而在氢压缩机结构设计方面缺乏相关专利，本专利将填补氢压缩机在制备结构专利方面的空白。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种利用金属氢化物制备高压氢气的装置，其特征在于，该装置由控制部件、加热回路、冷却回路、反应床、循环水泵和气体管路组成。
加热回路与冷却回路相间隔紧密缠绕在反应床体外壁，并分别与循环水泵相连；气体管路置于反应床体内；控制部件与装置气体管路相连接。
所述反应床为不锈钢罐体，罐体内壁制作成具有若干换热翅片的结构。
所述换热翅片横截面为矩形或三角形结构。
所述换热翅片在罐体内轴向上呈直长条形或者螺旋形，周向上按一定角度均匀分布。
所述控制部件包括温度传感器、压力传感器、电子控制器件，采用温度/压力的双报警控制方式来实现氢气输出压力的精确连续可调，并保证当装置内的温度或压力中有任何一个参数超过限定范围即停止加热，使装置在安全温度/压力范围下工作，保证系统安全。
所述反应床内装载有按照一定比例均匀混合的储氢合金与金属纤维的混合物。
所述储氢合金为Ti-Mn基或Ti-Cr基的AB2型氢化物。
所述加热回路与冷却回路分别为螺距20mm～100mm的不锈钢水管。
发明的有益效果：（1）采用Ti-Mn基、Ti-Cr基等AB2型金属氢化物可将0.2MPa的氢气增压至20MPa，增压比达到100，输出气体纯度达到99.999%；（2）通过控制部件实现装置内温度、压力的实时显示与氢气输出压力的精确连续可调；（3）利用装置的温度/压力的双控制方式，即当装置内的温度或压力中有任何一个参数超过限定范围即停止加热，保证装置在安全温度/压力范围下工作，保证系统安全；（4）该装置还具有结构简单，无噪音、无振动，可利用低品位废热等优点。
附图说明
图1是本发明提供的利用金属氢化物制备高压氢气的原理图；
图2（a）是反应床内壁矩形换热翅片结构示意图；
图2（b）是矩形换热翅片结构放大图；
图3（a）是反应床内壁三角形换热翅片结构示意图；
图3（b）是三角形换热翅片结构放大图；
图4是反应床、加热回路、冷却回路结构示意图；
图5（a）是采用Ti-Mn基金属氢化物在80℃条件下的输出压力；
图5（b）是采用Ti-Mn基金属氢化物在30℃条件下的放氢量；
图6（a）是采用Ti-Cr基金属氢化物在80℃条件下的输出压力
图6（b）是采用Ti-Cr基金属氢化物在30℃条件下的放氢量；
其中：1—反应床，2—控制部件，3—循环水泵，4—循环水泵，5—加热回路，6—冷却回路，7—低压氢源，8—高压氢，9—换热翅片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明提供的利用金属氢化物制备高压氢气的装置由控制部件2、加热回路5、冷却回路6、反应床1、循环水泵3、循环水泵4和气体管路组成。加热回路5为螺距为50mm的不锈钢管，与循环水泵4相连；冷却回路6为螺距为50mm不锈钢管，与循环水泵3相连；加热回路5与冷却回路6相间隔紧密缠绕在反应床1的外壁，如图4所示；气体管路置于反应床1内；控制部件2与装置气体管路相连接，循环水泵3、循环水泵4为相同部件。
反应床1内装载有按照一定比例均匀混合的储氢合金与金属纤维的混合物。储氢合金为Ti-Mn基、Ti-Cr基等AB2型氢化物；添加金属纤维一方面是改善传热效果，另一方面是相当于块体骨架，提高块体的坚固度。
控制部件2包括温度传感器、压力传感器、电子控制器件，采用温度/压力的双报警控制方式来实现氢气输出压力的精确连续可调，当装置内的温度或压力中有任何一个参数超过限定范围即停止加热，保证系统安全。
如图1所示为发明提供的利用金属氢化物制备高压氢气的原理图，本发明的工作过程包括充氢→升温增压→氢气输出三个步骤，在充氢过程中，打开低压氢源7，使装置在自然状态下吸氢至饱和，同时打开冷却回路6，利用冷却回路6中的冷却流体对反应床1进行冷却，带走吸氢过程中放出的热量，加快吸氢过程的进行；在氢气输出过程中，打开加热回路5，利用加热回路5中的热流体对反应床1体进行加热，加快氢化物中氢的脱附，然后产生并输出高压氢8。
实施例1
反应床1设计为不锈钢罐体，罐体内壁制作成具有6个换热翅片9的结构，换热翅片9在罐体内轴向上呈直长条形，周向上按间隔60°均匀分布，换热翅片9横截面为矩形，如图2（a）和2（b）所示。该结构可以增加换热面积，及时将热量最大限度地传导至罐体内部的储氢合金，利于放氢过程的进行，吸氢过程中又及时将罐体内部储氢合金产生的热量及时传导出去，利于吸氢过程的进行。
当储氢合金采用Ti-Mn基金属氢化物时，在升温加压过程中，在80℃条件下，经过120min左右，压缩机内压力由0.2MPa上升至20MPa，增压比达到100，输出气体纯度达到99.999%，如图5（a）所示；在30℃条件下，累计放氢量达到500L，如图5（b）所示。
实施例2
在该实施例中将换热翅片9更换为三角形换热翅片，将储氢合金更换为Ti-Cr基金属氢化物，其他部件同实施例1相同。
反应床1设计为不锈钢罐体，罐体内壁制作成具有8个换热翅片9的结构，换热翅片9在罐体内轴向上呈直长条形，周向上按间隔45°均匀分布，换热翅片9横截面为等边三角形，如图3（a）和3（b）所示。该结构可以增加换热面积，及时将热量最大限度地传导至罐体内部的储氢合金，利于放氢过程的进行，吸氢过程中又及时将罐体内部储氢合金产生的热量及时传导出去，利于吸氢过程的进行。
储氢合金采用Ti-Cr基金属氢化物，在升温加压过程中，在80℃条件下，经过120min左右，压缩机内压力由0.2MPa上升至25MPa，增压比达到125，如图6（a）所示；在30℃条件下，累计放氢量达到300L，如图6（b）所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种利用金属氢化物制备高压氢气的装置，其特征在于，该装置由控制部件、加热回路、冷却回路、反应床、循环水泵和气体管路组成；
加热回路与冷却回路相间隔紧密缠绕在反应床体外壁，并分别与循环水泵相连；所述加热回路为螺距为50mm的不锈钢管；所述冷却回路为螺距为50mm不锈钢管；气体管路置于反应床体内；控制部件与装置气体管路相连接；
所述反应床为不锈钢罐体，罐体内壁制作成具有若干换热翅片的结构；所述换热翅片横截面为矩形或三角形结构；所述换热翅片在罐体内轴向上呈直长条形或者螺旋形，周向上按45°或60°均匀分布；
所述反应床内装载有按照一定比例均匀混合的储氢合金与金属纤维的混合物；所述储氢合金为Ti-Mn基或Ti-Cr基的AB2型氢化物；
所述控制部件包括温度传感器、压力传感器、电子控制器件，采用温度/压力的双报警控制方式来实现氢气输出压力的精确连续可调，并保证当装置内的温度或压力中有任何一个参数超过限定范围即停止加热，使装置在安全温度/压力范围下工作，保证系统安全。
2.一种利用Ti-Cr基金属氢化物制备高压氢气的装置，其特征在于，该装置由控制部件、加热回路、冷却回路、反应床、循环水泵和气体管路组成；
加热回路与冷却回路相间隔紧密缠绕在反应床体外壁，并分别与循环水泵相连；所述加热回路为螺距为50mm的不锈钢管；所述冷却回路为螺距为50mm不锈钢管；气体管路置于反应床体内；控制部件与装置气体管路相连接；
反应床设计为不锈钢罐体，罐体内壁制作成具有8个换热翅片的结构，换热翅片在罐体内轴向上呈直长条形，周向上按间隔45°均匀分布，换热翅片横截面为等边三角形；
储氢合金采用Ti-Cr基金属氢化物，在升温加压过程中，在80℃条件下，经过120min左右，压缩机内氢气压力由0.2MPa上升至25MPa，增压比达到125；在30℃条件下，累计放氢量达到300L；
所述控制部件包括温度传感器、压力传感器、电子控制器件，采用温度/压力双报警控制方式来实现氢气输出压力的精确连续可调，并保证当装置内的温度或压力中有任何一个参数超过限定范围即停止加热，使装置在安全温度/压力范围下工作，保证系统安全。
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