CN105715943B - 一种固态高压混合储氢罐 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氢能领域的储氢技术，特别涉及一种基于固体储氢与高压储氢的固态高压混合储氢罐。该固态高压混合储氢罐的主体为金属内胆，纤维缠绕增强层缠绕铺设在金属内胆的外表面；金属内胆内设置若干个紧密接触的且由多个支撑圈固定的金属方管，金属方管两端分别焊接支撑定位堵头，在支撑定位堵头上开设通孔并设置过滤片，金属方管内装填储氢材料；金属内胆的两端分别设置一个端塞，一侧端塞上安装氢气阀门，另一侧端塞上供多根换热管穿过；换热管的主体均匀的分布在由金属方管组成的阵列中。本发明的金属氢化物储氢装置结构简单，制造加工容易，其公称工作压力不小于35MPa，储氢量比相同规格的纯高压储氢罐提高50％以上。

Description

一种固态高压混合储氢罐
技术领域
本发明属于氢能领域的储氢技术，特别涉及一种基于固体储氢与高压储氢的固态高压混合储氢罐。
背景技术
随着社会的发展，煤、石油、天然气等化石燃料已无法满足人类日益增长的需求，同时化石燃料的使用又造成了生态环境的恶化，如温室效应。另外，煤、石油、天然气等为不可再生资源，且在地球上的储量有限，人类不可能一直依赖于它们。因此许多国家都在研究和开发新的替代能源，如风能、太阳能、氢能、核能、生物质能、水能、海洋能等。氢的燃烧热值高，每千克氢燃烧后的能量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；氢燃烧的产物是水，对环境零污染；氢是宇宙中分布最广泛的物质，其构成了宇宙总质量的75％，在地球的储量极其丰富，可再生和重复利用，因此氢能被认为是人类最理想的能源，并得到了全世界的广泛关注。
在整个氢能系统中，储氢是关键环节。氢气的储存主要有三类：(1)高压气态储氢；(2)低温液态储氢；(3)以储氢材料为介质的固态储氢。
其中：
低温液态储氢的体积储氢密度大，约70kg/m3，但存在液氢蒸发(汽化)问题，因此对储罐的绝热性能要求高，此外，为达到要求的低温而需要制冷，能耗很大，因此其应用受到限制。
高压气态储氢的充装和排放速率很快，但是其体积储氢密度相对较低，通过提高氢气压力可增加氢气的体积密度，但增加有限，在常温下，即使氢压增加到70MPa，氢气的体积密度也仅40kg/m3左右。
利用储氢材料(如：金属氢化物)的固态储氢是将储氢材料存入密闭容器中，利用储氢材料的吸氢能力实现氢气的固态储存，其具有高的体积储氢密度，甚至比液氢的体积储氢密度还要高，如LaNi5储氢合金的体积储氢密度可达到100kg/m3以上，但是其重量储氢率相对较低(一般不超过3wt％)，且吸放氢过程受到传热的限制，使得固态储氢装置的充装和排放速率较慢。
在高压气态储氢的基础上，结合固态储氢，形成的固态高压混合储氢，可以充分利用这两种储氢方式的优点，即具有快速的充装和排放速率，同时体积储氢密度可在高压气态储氢的基础上大幅提高。另外，固态高压混合储氢还有另外一个显著优点，就是其高压部分的氢气的储存量占大多数，使得其持续供氢能力得到大幅提高。因此，固态高压混合储氢具有很好的应用前景
发明内容
本发明提供了一种固态高压混合储氢罐，其储氢量比相同规格的纯高压储氢罐提高50％以上。
本发明采用的技术方案为：
该固态高压混合储氢罐的主体为金属内胆，纤维缠绕增强层缠绕铺设在金属内胆的外表面；金属内胆内设置若干个紧密接触的且由多个支撑圈固定的金属方管，金属方管两端分别焊接支撑定位堵头，在支撑定位堵头上开设通孔并设置过滤片，金属方管内装填储氢材料，过滤片可有效过滤储氢材料微粉，防止储氢材料微粉从金属方管中流出；金属内胆的两端分别设置一个端塞，一侧端塞上安装氢气阀门，另一侧端塞上供多根换热管穿过，并由端塞堵头密封；换热管的主体均匀的分布在由金属方管组成的阵列中。
所述端塞与金属内胆之间设置密封圈。
所述金属内胆为无缝金属管采用旋压工艺加工而成，材料为铝合金、碳钢或不锈钢，外径为300～660mm，壁厚10～25mm，公称工作压力不小于35MPa，储氢量比相同规格的纯高压储氢罐提高50％以上。
所述储氢材料为稀土系AB5型、钛系AB2型、AB型和钛钒固溶体型储氢材料中的一种或多种。储氢材料床体所储存的固态氢占总储氢量的40～80％。储氢材料在温度为20℃时的平台压为10～30MPa之间。
所述金属方管为铜、铝或它们的合金，规格为20mm×20mm～100mm×100mm。
所述过滤片为铜粉或不锈钢粉的烧结体，过滤精度小于0.5微米。
所述纤维缠绕增强层的材料为碳纤维或玻璃纤维。
所述支撑圈分为中部支撑圈和端部支撑圈，中部支撑圈和端部支撑圈的边缘位置均设置若干个通孔，以利于氢气在固态高压混合储氢罐内的流通，且端部支撑圈上设置尺寸与支撑定位堵头相一致的定位孔。
所述支撑定位堵头为圆形或方形，优先为方形。
所述换热管的材料为不锈钢；换热管为U型管，其两臂分别从两个金属方管中穿过，最后再穿过端塞，并通过焊接方式与端塞连接并实现密封，换热介质通过换热管与储氢材料进行热交换。
本发明具有的有益效果为：
1)本发明提供的固态高压混合储氢罐结构简单，制造加工容易；
2)本发明的固态高压混合储氢罐的储氢量相比相同规格的纯高压储氢罐提高50％以上，且持续供氢能力得到大幅提高。
附图说明
图1是本发明提供的高压固态混合储氢罐的结构示意图(剖视)；
图2是本发明提供的高压固态混合储氢罐的截面图；
图3(a)和图3(b)分别是支撑定位堵头的剖面图及立体示意图；
图4(a)和图4(b)分别是端部支撑圈和中部支撑圈的结构示意图。
图中标号：
1-氢气阀门；2-第一端塞；3、13-密封圈；4-金属内胆；5-纤维缠绕增强层；6-换热管；7-支撑定位堵头；8-端部支撑圈；9-过滤片；10-中部支持圈；11-金属方管；12-储氢材料；14-第二端塞；15-端塞堵头。
具体实施方式
本发明提供了一种固态高压混合储氢罐，下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明提供的高压固态混合储氢罐的剖视示意图，图2为其截面示意图。该固态高压混合储氢罐的主体为金属内胆4，纤维缠绕增强层5缠绕铺设在金属内胆4的外表面，纤维缠绕增强层5的材料为碳纤维或玻璃纤维；金属内胆4内设置若干个紧密接触的且由多个支撑圈固定的金属方管11，金属方管11两端分别焊接支撑定位堵头7，并在支撑定位堵头7开有通孔，设置过滤片9，金属方管11内装填储氢材料12；金属内胆4的两端分别设置第一端塞2和第二端塞14，第一端塞2上安装氢气阀门1，第二端塞14与金属内胆4之间留有空隙，供多根换热管6穿过，第二端塞14的中间位置由端塞堵头15密封；换热管6为U型管，材料为不锈钢，为6根外径10mm的管，其两臂分别从两个金属方管11中穿过，最后再穿过第二端塞14，并通过焊接方式与第二端塞14连接并实现密封，换热介质通过换热管6与储氢材料12进行热交换。第一端塞2、第二端塞14与金属内胆4之间分别设置密封圈3和13。
金属内胆4为无缝金属管采用旋压工艺加工而成，材料为铝合金、碳钢或不锈钢，外径为300～660mm，壁厚10～25mm，公称工作压力不小于35MPa，储氢量比相同规格的纯高压储氢罐提高50％以上。本实施例中，金属内胆4外径为560mm，壁厚20mm，内部容积为510L，公称工作压力为45MPa，总储氢量为285Nm3，比相同规格的45MPa高压储氢罐的储氢量提高55％。
金属方管11为铜、铝或它们的合金，规格为20mm×20mm～100mm×100mm。本实施例中，金属方管11为铜方管，尺寸为50mm×50mm，壁厚2mm，长2m。
储氢材料12为稀土系AB5型、钛系AB2型、AB型和钛钒固溶体型储氢材料中的一种或多种。本实施例中，储氢材料12为钛铬系AB2型储氢合金Ti(CrFeMn)2.0，将其装入金属方管11内，Ti(CrFeMn)2.0储氢合金在20℃温度下的平台压为15MPa，储氢量为1.8wt％(重量百分数)。61根金属方管11内共装填钛铬系AB2型储氢合金Ti(CrFeMn)2.0950Kg，储氢合金所储存的固态氢约190Nm3，占高压固态混合储氢罐总储氢量的67％。
过滤片9为采用粉末冶金方法制成的铜粉或不锈钢烧结体，过滤精度为0.5微米，可有效阻挡储氢材料微粉从金属方管11中流出。
图3(a)和图3(b)为支撑定位堵头7的结构示意图。支撑定位堵头7可以为圆形或方形，本实施例中选用方形。支撑定位堵头7的大头端与金属方管11焊接固定，小头端插入端部支撑圈8中间的方孔进行支撑，大头端的尺寸为46mm×46mm，小头端为16mm×16mm，大头端开有9个直径为10mm的通孔，同时在大头端方向焊接过滤片9。
图4(a)和图4(b)分别为端部支撑圈8和中部支撑圈10的结构示意图。端部支撑圈8和中部支撑圈10的外径均为520mm，周围边缘位置开有12个直径为25mm的通孔，以利用氢气在固态高压混合储氢罐中的流通，端部支撑圈8中间开有16×16的小方孔。
本实施例的高压固态混合储氢罐在放氢时，氢气从氢气阀门1向用氢设备供氢，当氢气压力低于15MPa时，向换热管6中通50～80℃的热水对储氢材料12加热，加速储氢材料放氢，使高压固态混合储氢罐内的氢压维持在15MPa以上，从而有效提高高压固态混合储氢罐的持续放氢性能。
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。

Claims (7)

1.一种固态高压混合储氢罐，纤维缠绕增强层(5)缠绕铺设在金属内胆(4)的外表面；金属内胆(4)的两端分别设置一个端塞，第一端塞(2)上安装氢气阀门(1)，第二端塞(14)供多根换热管(6)穿过；第一端塞(2)、第二端塞(14)与金属内胆(4)之间分别设置密封圈(3、13)，其特征在于，金属内胆(4)内设置若干个紧密接触的且由多个支撑圈固定的金属方管(11)，金属方管(11)两端分别焊接支撑定位堵头(7)，金属方管(11)内装填储氢材料(12)；换热管(6)的主体均匀的分布在由金属方管(11)组成的阵列中，换热管(6)两臂分别从两个金属方管(11)中穿过，最后再穿过端塞；金属内胆(4)的公称工作压力不小于35MPa。
2.根据权利要求1所述的一种固态高压混合储氢罐，其特征在于，所述金属内胆(4)为无缝钢管采用旋压工艺加工而成，材料为铝合金、碳钢或不锈钢，外径为300～660mm，壁厚10～25mm。
3.根据权利要求1所述的一种固态高压混合储氢罐，其特征在于，所述储氢材料(12)为稀土系AB5型、钛系AB2型、AB型和钛钒固溶体型储氢材料中的一种或多种；储氢材料在温度为20℃时的平台压为10～30MPa之间。
4.根据权利要求1所述的一种固态高压混合储氢罐，其特征在于，所述金属方管(11)为铜、铝或它们的合金，规格为20mm×20mm～100mm×100mm。
5.根据权利要求1所述的一种固态高压混合储氢罐，其特征在于，所述支撑定位堵头(7)上开有通孔并设置过滤片(9)，其中过滤片(9)为铜粉或不锈钢粉的烧结体，过滤精度小于0.5微米。
6.根据权利要求1所述的一种固态高压混合储氢罐，其特征在于，所述纤维缠绕增强层(5)的材料为碳纤维或玻璃纤维。
7.根据权利要求1所述的一种固态高压混合储氢罐，其特征在于，所述支撑圈分为中部支撑圈和端部支撑圈，中部支撑圈和端部支撑圈的边缘位置均设置若干个通孔，且端部支撑圈上设置尺寸与支撑定位堵头(7)相一致的定位孔。
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