CN106813101A - 一种金属氢化物储氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属氢化物储氢装置，包括罐体、罐体内的通气管道、填料区及填料区内的内部传热介质。该内部传热介质是由孔隙率大(60％～98％)的泡沫镍构成，泡沫镍的空隙内含有储氢合金粉。本发明的优点：1)泡沫镍内部空隙给储氢合金粉提供储存位置，可有效利用罐体内部空间，减小合金粉体积膨胀带来的压力，避免容器变形；2)泡沫镍空隙之间有金属镍阻隔，避免了合金粉的流动堆积；3)使用泡沫镍结构，可使合金粉与氢气的接触面积增大，提高吸放氢的效率；4)合金粉与金属泡沫镍接触面积增大，提高了热量的转换效率；5)使用泡沫镍作为骨架结构，罐体结构简单，体积小，是一种寿命长、安全的储氢装置。

Description

一种金属氢化物储氢装置
技术领域
本发明涉及一种储氢技术，具体讲涉及一种金属氢化物储氢装置。
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，且此类化石燃料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。其中，氢因具有高热值1.25×106kJ/kg，此热值为汽油的3倍、焦炭的4.5倍，受到了全世界的普遍关注；此外，氢具有来源丰富、可再生、热效率高、和燃烧清洁等优点，在未来的能量领域中，占据着重要地位，是理想的高能清洁燃料之一。
氢能的开发与利用包括制备、储存、运输、和应用四大关键技术。其中，氢气的存储是关键技术。金属氢化物储氢是一种固态储氢技术，与高压氢瓶和液氢相比，金属氢化物储氢压力低，安全，灵活，且体积小，是燃料电池的理想氢源。但是现有金属氢化物储氢也存在不足，例如金属氢化物在吸放氢循环过程中会出现体积膨胀；且粉末状的金属氢化物在吸放氢过程中发生流动、堆积，将使内部产生很大应力，导致储氢罐变形开裂；同时，由于金属氢化物粉末易流动，将会造成进出气口部位塞积，阻碍氢气的进入与输出；再者，金属氢化物吸放氢过程伴随有很大的热量交换，但是其本身导热性能差，吸氢时温度急剧升高，放氢时温度急剧下降，将严重造成吸放氢速率变慢。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术氢化物自身体积膨胀、罐体变形开裂、吸放氢速率慢等方面问题，提出一种金属氢化物储氢装置，其结构简单，便于操作，并且能够使氢气进出装置时，传输效率更高，热传导效率更好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属氢化物储氢装置，包括罐体、压力表、设置在罐体内的热电偶、在罐体的外部并与所述热电偶连接的温度控制器，所述罐体上方垂直设置有通气管道，通气管道上端设置有控制阀门，所述罐体内设置有填料区，所述填料区包括内部传热介质，所述内部传热介质布满整个填料区，且内部传热介质空隙内部含有储氢合金粉；所述罐体与通气管道的控制阀门相接处设置有过滤器网，所述通气管道包括进气管道、出气管道、抽真空管道，所述进气管道、出气管道及抽真空管道并列垂直设置在罐体内。
进一步的，所述内部传热介质为多孔的泡沫镍；所述泡沫镍由许多连通、非连通空洞以及金属镍组成，且泡沫镍单孔孔径大于储氢合金粉的粒径；所述泡沫镍的孔隙率为60％～98％。
进一步的，所述通气管道均为金属直管，且在金属直管通气管道表面分布有多个小孔；且所述进气管道、出气管道及抽真空管道均分别设有进气口、出气口、抽真空口。
进一步的，所述罐体与压力表的连接处设置有过滤器网。
进一步的，所述储氢合金粉的厚度不低于罐体高度的1/3；所述填料区的整体高度不大于罐体的4/5；所述金属直管通气管道为哈氏合金材料，且通气管道长度不能延伸到罐体的底部；所述通气管道上的控制阀门为316不锈钢材料，所述罐体为哈氏合金材料。
进一步的，所述储氢合金粉从镁系合金粉、稀土系合金粉、钛系合金粉中选出。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
1、本发明提供的储氢装置结构简单、体积小、便于操作、实用性强、寿命长、安全性能高，且传输效率更高，热传导效率更好。
2、本发明提供的泡沫镍为多孔材料，为储氢合金粉提供了存放空间，泡沫镍的孔洞将合金粉固定在较小的空间内部，且泡沫镍空隙之间有金属镍阻隔，避免了合金粉的堆积，减缓了合金粉膨胀对罐体的压力。
3、本发明提供的储氢合金粉与泡沫镍的接触面积增大，提高了热量的转换效率。
4、本发明使用泡沫镍为金属骨架结构，为氢气在合金粉之间流动提供良好通道，使储氢合金粉与氢气的接触面积增大，提高了吸放氢的效率。
5、本发明提供的技术方案在通气管道上面布置许多小孔，一方面，吸氢时利于氢气进入罐体内部与储氢合金粉接触；另一方面，放氢时可使罐体底部合金粉释放氢气速率增快，显著提高了储氢合金粉的吸放氢能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的储氢装置结构示意图；
图2是本发明使用的泡沫镍的俯视图；
图3是本发明使用的泡沫镍的平视剖视图；
图中：1、抽真空管道；2、进气管道；3、出气管道；4、内部传热介质；5、储氢合金粉；6、罐体；7、小孔；8、热电偶；9、过滤器网；10、压力表；11、温度控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2和图3所示，一种金属氢化物储氢罐装置，该装置包括通气管道、罐体6、填料区、储氢合金粉5，分布有小孔7的金属直管、热电偶8、过滤器网9、压力表10、温度控制器11。
其中，热电偶8设置在罐体6内、在罐体6的外部并与热电偶8连接的是温度控制器11，罐体6上方垂直设置有通气管道，罐体6与压力表10的连接处设置有过滤器网9。
罐体6内设置有填料区，填料区包括内部传热介质4，内部传热介质4布满整个填料区，且内部传热介质4空隙内部含有储氢合金粉5；内部传热介质4为多孔的泡沫镍；泡沫镍由许多连通、非连通空洞以及金属镍组成，且泡沫镍单孔孔径大于储氢合金粉5的粒径；泡沫镍的孔隙率为60％～98％。
泡沫镍结构骨架是用来存放储氢合金粉5的主要载体，其具有高孔隙率，可为氢气在合金粉之间流动提供良好通道，提高了氢气传质效率。同时，泡沫镍的孔洞将合金粉固定在较小的空间内，避免了合金粉的堆积，使得氢气与合金粉接触面积增大，提高了氢气的转换效率。
通气管道上端设置有控制阀门，罐体6与通气管道的控制阀门相接处设置有过滤器网9，通气管道包括进气管道2、出气管道3、抽真空管道1，进气管道2、出气管道3及抽真空管道1并列垂直设置在罐体6内；为进一步提高氢气在罐体6内部的流通，采用通气管道为金属直管、材质为哈氏合金，且通气管道长度不能延伸到罐体6的底部，且在金属直管通气管道表面分布有多个小孔7，这是为了在高压状态下氢气进入罐体6内部时可经管道上的小孔7进入泡沫镍的孔洞中，能使氢气在进入和输出过程迅速完成，进一步提高了储氢合金粉5的吸放氢的效率；且进气管道2、出气管道3及抽真空管道1均分别设有进气口、出气口、抽真空口。
此外，通气管道和压力表10均设置有过滤器网9，这将会使抽真空和吸放氢过程中，储氢合金粉5不会随氢气气流进入进气口、出气口和抽真空口的内部，避免了管道口的堵塞。
储氢合金粉5的厚度不低于罐体6高度的1/3；填料区的整体高度不大于罐体6的4/5；通气管道上的控制阀门为316不锈钢材料；罐体6采用耐高温的哈氏合金材料，是为了保证罐体6具有很高的强度和良好的热传导效果；储氢合金粉5为镁系合金粉、稀土系合金粉、钛系合金粉中的一种或多种。
此外，储氢合金粉5在吸氢时是放热过程，放出很大的热量。同时由于泡沫镍具有良好的热传递性能，泡沫镍骨架与罐体6紧贴，这将使吸氢放出的热量能快速传导到外界；且放氢时是吸热过程，此时外部热量经由紧贴罐体6的泡沫镍骨架快速传递给储氢合金粉，促使放氢过程速率增快。故利用泡沫镍骨架作为储氢合金粉的反应床，不仅能较大幅度提高氢气的传质效率，且还对吸放氢过程中的热量传递起到较好效果。
为了方便理解本发明中的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明中的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用此装置时工序如下：首先，打开金属氢化物储氢罐，把扁圆柱形的泡沫镍块堆放在储氢罐内部，并将泡沫镍堆放时预留的孔洞与图2中所示的圆孔对齐；接着将储氢合金粉5装入到罐体6内部的泡沫镍骨架4中，使储氢合金粉5均匀分布，填充完毕后，在预留的圆孔内插入通气管道、热电偶8及压力表10，并将罐体6用螺栓密封；然后在室温下往储氢罐内部充入4Mpa的压力，且持续30分钟，同时通过压力表10观察储氢罐内的压力是否下降，以此来判断储氢罐的密封性是否良好；若压力表10数值显示下降，则密封性不好，将要继续拧紧螺栓，继续测试密封；直到压力表10数值显示保持不变，此时密封性良好。
再者，对储氢合金粉5进行活化。首先打开温度控制器11开关，设定升温速度为5℃/S，然后将储氢罐的温度升到60℃，并持续保温30分钟；其次在60℃条件下，经抽真空管道1的抽真空口对罐体6进行抽真空，持续保持60分钟；然后在60℃条件下，经由进气管道2的进气口充入氢气，使罐内氢气压力达到4MPa，并持续保持2.5小时；最后在60℃条件下，经由出气管道3的出气口进行放氢，直至压力显示为0.157MPa。上述步骤完成第一次活化，然后再按照上述步骤进行再次活化，活化次数达到5次时，即完成储氢装置的活化。活化后的储氢装置将可用于氢气的快速存储。
最后，利用已完成活化的金属氢化物储氢合金粉5进行试验。通过控制进气管道2阀门使氢气进入到储氢罐内，氢气通过多孔的通气管道进入到泡沫镍的各个小孔隙中；孔隙中的储氢合金粉5可快速吸氢形成金属氢化物并伴随有体积膨胀，此时有效利用泡沫镍剩余孔隙，避免因生成的金属氢化物体积膨胀造成罐体6开裂。同时吸氢过程中产生的热量会引起罐体6内部的温度升高，温度的变化可由数显温度控制仪11显示，储氢罐内氢气压力降低，压力变化可由压力表10显示；吸氢过程产生的热量通过泡沫镍，快速传递到罐体6，并与外界进行热交换。在放氢过程中，泡沫镍空隙内的金属氢化物放出氢气，氢气通过泡沫镍的孔洞及储氢合金粉5，进入到多孔的通气管道内并将氢气聚集到出气管道3的出气口的控制阀门处，打开控制阀门氢气就会排出；在放氢过程中，外界热量通过罐体6传递给泡沫镍骨架，然后由泡沫镍传递给金属氢化物，为金属氢化物放氢提供热量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属氢化物储氢装置，包括罐体(6)、压力表(10)、热电偶(8)、与所述热电偶(8)连接的温度控制器(11)，所述罐体(6)上方垂直设置有通气管道，其特征在于，所述罐体(6)内的填料区中的内部传热介质(4)空隙内分布有储氢合金粉(5)；所述罐体(6)与通气管道的控制阀门相接处设置有过滤器网(9)。
2.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述内部传热介质(4)为多孔的泡沫镍。
3.如权利要求2所述的储氢装置，其特征在于，所述泡沫镍由许多连通、非连通空洞以及金属镍组成，且泡沫镍单孔孔径大于储氢合金粉(5)的粒径。
4.如权利要求2所述的储氢装置，其特征在于，所述泡沫镍的孔隙率为60％～98％。
5.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述通气管道均为金属直管，且在金属直管通气管道表面分布有多个小孔(7)，所述通气管道包括进气管道(2)、出气管道(3)和抽真空管道。
6.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述罐体(6)与压力表(10)的连接处设置有过滤器网(9)。
7.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述储氢合金粉(5)的总厚度不低于罐体(6)高度的1/3。
8.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述填料区的整体高度不高于罐体(6)的4/5。
9.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述金属直管通气管道为哈氏合金材料，且通气管道长度不能延伸到罐体(6)的底部；所述通气管道上的控制阀门为316不锈钢材料，所述罐体(6)为哈氏合金材料。
10.如权利要求1所述的储氢装置，其特征在于，所述储氢合金粉(5)从镁系合金粉、稀土系合金粉、钛系合金粉中选出。
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