CN107202245B - 一种金属氢化物贮氢装置与工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种金属氢化物贮氢装置，由小、中、大直径套装成两两之间设有间隙，开口朝下的桶状体，其中小直径形成的空腔为贮氢筒，小直径与中直径之间设有第一间隙形成的密封环形空腔为热交换层，中直径与大直径之间设有第二间隙形成的密封环形空腔为绝热层；桶状体的桶壁上端通过管道设有连通热交换层的进水口，下端通过管道设有连通热交换层的出水口；桶状体的顶部紧贴贮氢筒内壁处对称设有进气孔和出气孔，进气孔和出气孔中分别设有贯穿贮氢筒的多孔钢管，多孔钢管的管壁上包裹有透气膜；桶状体的下端连接有筒盖；贮氢筒中通过金属隔板设置有若干贮氢单元层。本发明结构简单，吸放氢气易控、储氢密度大、储氢压力低、安全可靠、拆装维修方便。

Description

一种金属氢化物贮氢装置与工作方法
技术领域
本发明专利涉及一种金属氢化物贮氢装置，特别涉及金属氢化物贮氢装置的结构设计、金属氢化物内部布放及装置充放氢的热管理。
背景技术
目前储氢技术分为两大类，即物理法和化学法。金属氢化物储氢是利用氢气能够和金属反应从而生成金属氢化物进行贮存的，通过一定的环境条件将氢气释放。氢气能够和许多金属反应生成金属氢化物，这些合金在一定的温度和压力环境下会大量吸收氢气生成金属氢化物，同时反应具有很好的可逆性，在减小压力或者升高温度之后便会发生可逆反应，从而释放出氢气，达到净化和贮存氢气的目的。
申请号为200820168121.7的专利公开了一种金属氢化物贮氢装置，该装置主要由壳体、贮氢物料片、泡沫状金属基板、金属氢化物粉末和粘结剂的混合物构成。该发明先预制一端封闭,另一端开口的壳体；将金属氢化物粉末和粘结剂溶液混匀后填入泡沫状金属基板孔隙中,在30～60℃烘干成为贮氢物料片；将己干燥的贮氢物料片裁切成外径与贮氢壳体内径相同的圆片,并在圆片中心制作孔径为3～10毫米的圆孔将贮氢物料片依次叠层装入壳体；将内嵌过滤片并具有中心孔的封头与壳体开口端焊接密封,在封头中心孔上固定带阀门的接口。该装置虽可防止贮氢过程中贮氢金属粉末的堆积和贮氢量的下降，但装置简单却不易拆装、维修；贮氢量虽可观，但无法有效控制氢气充放的速率；进出氢气仅用同一通道，大大降低了充放氢气的速率，尤其在备有充足氢气的时候，无法实现边充边放的作用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种一种金属氢化物贮氢装置。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种金属氢化物贮氢装置，由小、中、大直径依次套装成两两之间设有间隙，开口朝下的桶状体，其中小直径形成的空腔为贮氢筒6，小直径与中直径之间设有的第一间隙形成的密封环形空腔为热交换层4，中直径与大直径之间设有的第二间隙形成的密封环形空腔为绝热层3；所述桶状体的桶壁上端通过管道设有连通热交换层4的进水口14，下端通过管道设有连通热交换层4的出水口13；所述桶状体的顶部紧贴贮氢筒6内壁处对称开设有进气孔1和出气孔2，所述进气孔1和出气孔2中分别设有贯穿贮氢筒6的多孔钢管5，所述多孔钢管5的管壁上包裹有透气膜12；所述桶状体的下端连接有用于密闭的筒盖7；所述贮氢筒6中通过金属隔板8设置有若干贮氢单元层。
进一步，所述的贮氢单元层由散热金属网格9按井字形竖直排放在上下两块金属隔板8之间构成若干贮氢单元格。
进一步，所述贮氢单元格中还填装有占其容积2/3的金属氢化物。
进一步，所述的第一间隙的尺寸为贮氢筒6直径的1/40～1/35,第二间隙的尺寸为第一间隙尺寸的1/3～1/2。
进一步，所述的贮氢筒6顶端内平面上还设置有多个锥形支架11。
进一步，所述的进气孔1、出气孔2、进水口14和出水口13还分别设置有用于通断的阀门，其中所述的进气孔1和出气孔2中还设置有过滤片。
进一步，所述的桶状体的下端面与所述的筒盖7之间还设置有密封圈10。
进一步，所述的桶状体与所述的筒盖7的连接为螺纹连接。
本发明的一种金属氢化物贮氢装置的工作方法，包括如下三种工作模式：
(1)贮氢过程：贮氢时，将进气孔1阀门打开，出气孔2阀门关闭，在进气孔1外接压气机的作用下，把生产制造的氢气通过进气孔1经多孔钢管5流入贮氢筒6内，与贮氢筒6内单元格中的金属氢化物发生反应后贮存在装置内部，其中产生的热量通过热交换层4中的低温冷却水冷却带走；
(2)放氢过程：放氢时，将进气孔1阀门关闭，出气孔2阀门打开，在热交换层4内填充50℃～80℃的热水，从而氢气顺利地排出贮氢筒6；
(3)贮氢和放氢同时进行的过程：将进气孔(1)阀门和出气孔(2)阀门同时打开，进气孔(1)在外接压气机的情况下，将氢气通过多孔钢管(5)输入贮氢筒(6)内；同时在热交换层(4)内填充50℃～80℃的热水，贮氢筒(6)内的贮氢合金发生制氢反应，以保证在贮氢过程的同时仍有部分氢气从出气孔(2)流出，并通过调节水的温度来改变制氢反应的速率，从而调节排气的速度。
本发明以金属氢化物充放氢装置为研究对象，设计出满足了现阶段对于充放氢装置的要求，采用水进行装置的散热和加热；装置运输简易，使用安全，装置的体积结构简单合理，有利于拆装及使用过程中的维修。
本发明采用了贮氢筒上部设置锥形支架、筒盖置于贮氢筒底部的特殊结构形式；进气孔及出气孔分别连接两根多孔钢管，多孔钢管形成输气通道输送氢气进入贮氢筒内；一方面多孔钢管用于输送氢气，另一方面，多孔钢管形成的输气通道可用于定位纵向装载有金属氢化物的单元层，使整个装置更加稳定可靠；由于金属氢化物在使用多次之后会发生粉化，在输气通道的多孔钢管上包裹有透气膜(分子筛)，透气膜只能通过氢气，若装置在运输过程中发生倾倒，透气膜便可有效防止粉末进入管道而造成堵塞和泄露。
本发明装置具有吸收和释放氢气过程简单易控、安全性强、储氢密度大、储氢压力低等显著优点，可应用于燃料电池、移动设备、半导体工业等领域。在使用氢气作为燃料时，可以使用金属氢化物贮氢的方法来贮存、过滤制备氢气。相对完善的金属贮氢充放氢装置能够更有效地控制氢燃料的使用、更加节能且能够提高充放氢的效率以及装置的使用寿命。
同时在装置的外层设有绝热层以满足绝热的需要；装置材料均选用导热性能更好的材料，以提升整个装置的导热性能。
本发明的装置，分为贮氢筒、热交换层、绝热层、进出气孔以及筒盖；出于密封性能方面的考虑，装置的筒盖处采用螺纹密封及密封圈；其密封方式不仅可以有效地起到防止气体溢出的作用，而且设计制造简单、维修方便；由于贮氢筒内的氢气并不是以气体的形式存在的，而是和金属氢化物反应，形成的金属氢化物，金属氢化物中的氢气不易溢出，因此采用螺纹密封可达到相应的密封要求；在贮氢筒的上部设计有两个通气孔：进气孔和出气孔，进气孔外接压气机以提供高压氢气，对氢气进行加压可提高金属氢化物和氢气反应的速率和效率，从而提高贮氢量及充放氢的速率；出气孔则无需外接其他装置，直接通过热水给贮氢筒加热便可以达到放氢的目的；在通气孔上连接有过滤孔和过滤片，其中进气和出气的过滤孔和过滤片结构相同，但过滤片的材质不同，进气过滤片采用过滤棉，出气过滤片采用烧结铝滤片；由于在贮氢过程中，需要约十个大气压的压力要求，所以采用压气机，用于提供进气所需压力，压气机外接在进气孔上。
本发明所涉及贮氢装置中使用的贮氢材料，主要采用TiFe0.8Mn0.2La0.03合金作为金属氢化物，放氢所需的温度在50℃—80℃，完全满足设计充放氢装置所采用的水浴加热活化的性能优化；考虑到金属氢化物TiFe0.8Mn0.2La0.03贮氢过程中需放热，在贮氢筒外部设计热交换层来充放冷却水和加热水；考虑到金属氢化物反应前后体积所发生的变化，在贮氢筒中装入2/3的金属氢化物，预留出1/3的膨胀空间，使装置更加合理稳定；由于节约资源的需要，在装置空腔外设计绝热层；贮氢筒内贮氢金属吸氢后筒内压力约为十个大气压的压力。
本发明所涉及的这种金属氢化物贮氢与传统的高压容器储氢相比，它的优势在于储氢压力很低，这意味着提高了装置的安全性，充氢能耗也明显降低，所以这项储氢技术的发展前景很可观；与压缩气体贮氢装置相比，由于压缩气体的装置主体使用的是钢瓶，在使用和运输的过程中会有危险，同时钢瓶的体积和质量较大，运费高；相比较之下，金属贮氢的装置运输简易，使用安全，装置的体积较小；与同类金属氢化物贮氢装置相比，本发明采用了贮氢筒上部采用锥形支架、筒盖置于贮氢筒底部的特殊结构形式；进气孔及出气孔分别连接两根钢管，多孔钢管用于输送氢气进入金属隔板组成的各个单元层内；一方面多孔钢管用于输送氢气，另一方面，多孔钢管用于固定纵向装有金属氢化物的单元层，使整个装置更加稳定；由于金属氢化物在使用多次之后会发生粉化，在输气通道的多孔钢管上包裹有透气膜(分子筛)，透气膜只能通过氢气，若装置在运输过程中发生倾倒，透气膜便可有效防止粉末进入管道而造成堵塞和泄露。
本发明的装置满足了现阶段对于充放氢装置的要求，采用水进行装置的冷却和加热，同时在装置的外层设有绝热层满足绝热的需要；将筒盖置于装置的底部，便于装置的安装及维护，并在筒盖与热交换层和绝热层之间采用密封圈、筒盖与装置最底部采用螺纹密封，以达到密封、固定的效果；将贮氢筒内部用导热性能强的金属隔板分为无数个单元层，大幅减小了金属氢化物在装置中的晃动及堆积，提高了装置的稳定性；在每个单元层中装入2/3的金属氢化物，预留出1/3的膨胀空间，使装置更加合理稳定；进出气孔连接的多孔钢管表面包裹有透气膜，加速氢气的流通的同时能够防止金属粉末外泄入通气孔中；贮氢筒中每层设有无数个垂直放置的网格，且装置材料选用导热性能好的材料，大大提升了整个装置的导热性能同时能够提高5％--10％的充放效率；贮氢筒外围直接通过冷热水对贮氢筒进行加热和冷却，通过加热达到放氢的目的，可均匀地放出氢气，提高了装置的可控性及稳定性；该装置储氢压力低，降低了充氢过程中的能耗；装置采取了在较小的储罐中加入铝屑的方法来解决分层问题，加强上下之间的热传导，从而避免装置爆炸，大大提高了装置的安全性；同时，本发明使用了过滤环来装填过滤片，使得过滤片在过滤环内可以自由拆卸，方便更换，提高了装置的可维修性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1局部放大图；
图3为图1俯视图；
图4为本发明的贮氢单元层构造示意图；
图5为图4俯视图；
图中：1.进气孔，2.出气孔，3.绝热层，4.热交换层，5.多孔钢管，6.贮氢筒，7.筒盖，8.金属隔板，9.金属网格，10.密封圈，11.锥形支架，12.透气膜，13.出水口，14.进水口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附图式的方向。因此，使用方向用语是用于说明及理解本发明，而非用于限制本发明。
如图1及图2所示，为本发明的一种金属氢化物贮氢装置，由贮氢筒6、热交换层4、绝热层3、,金属网格9、金属隔板8和筒盖7主要部件组成；整个罐体分为小、中、大三层，其中小直径形成的圆形空腔为贮氢筒6，主要用来贮存贮氢金属，提供金属与氢气反应的环境条件，装有金属氢化物的单元层堆摞在其中；小直径与中间直径之间设有的第一间隙形成的密封环形空腔为热交换层4，用来流通冷、热水进行冷却和加热的，设有水管接口；中间直径与大直径之间设有的第二间隙形成的密封环形空腔为绝热层3，防止加热时热量往装置外逸散，保证了贮氢筒6外侧的绝热性能；桶状体的桶壁上端通过管道设有连通热交换层4的进水口14，下端通过管道设有连通热交换层4的出水口13；桶状体的顶部紧贴贮氢筒6内壁处对称开设有进气孔1和出气孔2，所述进气孔1和出气孔2中分别设有贯穿贮氢筒6的多孔钢管5，所述多孔钢管5的管壁上包裹有透气膜12；桶状体的下端连接有用于密封装置的筒盖7；所述贮氢筒6中通过金属隔板8设置有若干贮氢单元层，所述贮氢单元层由金属网格9按井字形竖直排放在上下两块金属隔板8之间，使之形成若干贮氢单元格；所述贮氢筒6顶端内平面上还设置有多个锥形支架11以支撑内部单元层的组装，并为金属氢化物的膨胀预留了2.5m3～5m3的膨胀空间；整个罐体均以锰钢制成，各层之间的间隙以不锈钢片焊接的形式固定间隙的尺寸大小并与各层连接。
如图1以及图2所示，筒盖7的设计尺寸遵循整个装置的设计尺寸以使其可以和贮氢筒6紧密接合；在装置的顶端设计有两个通气孔，一个进气孔1，一个出气孔2，进气孔1外接压气机以提供高压氢气，对氢气加压可以提高金属氢化物和氢气反应的速率及效率，从而提高贮氢量；出气孔2不需要外接其他装置，直接通过50℃～80℃热水给贮氢筒6加热以达到放氢的目的；两通气孔分别连接多孔钢管5，多孔钢管5将氢气通过透气膜12输送到各个单元层中；以堆砌的方式将各个单元层从底部筒盖7处自下而上推送入贮氢筒6内进行安装；单元层上下两端为金属隔板8，多孔钢管5外壁面包裹透气膜12以分隔金属合金粉末，由铝制成的金属网格9竖直排列于各个单元层中；将筒盖7置于装置的底部，筒盖7的壁厚设计采用和贮氢筒6一样的设计；在热交换层4、绝热层3的底端，与筒盖7的接触面处，采用橡胶密封圈10进行密封，筒盖7内部设有螺纹，拧紧筒盖7的同时压紧密封圈10，使整个装置的密封性能更为优良，稳定性也进一步提高；由于该装置是由锰钢材料制成的，所以设计符合实际要求。
如图4及图5所示，选取散热性能好的金属网格9；若干铝制金属网格9会按井字形竖直排放在装置内部，金属网格9能够将贮氢单元层分为若干贮氢单元格，以保证在装填金属氢化物粉末后，这些粉末在装置内部不会因流动而造成局部堆积，并且进一步加强了装置的导热性能；在金属氢化物的填充过程中预留出1/3的膨胀空间，使装置更加合理稳定；金属网格9的网孔直径约为5～8.5微米，研究表明，选择的贮氢金属在经过大约10次吸放氢之后，合金粉末直径会从50微米变为10微米，所以这些粉末不能通过这些金属网格9，而氢气在这其中能够畅通无阻；单元层和多孔钢管5之间采用隔绝粉末只可氢气通过的透气膜12，进一步预防贮氢筒6内贮氢粉末的泄露和堆积；锥形支架11的设计给金属氢化物粉末预留了2.5m3～5m3的同时，也起到支承、固定装有贮氢金属的单元层的作用。
本发明的安装方法：整个装置以焊接等方式固定为三层，使用强力胶水将锥形支架11固定于装置上方的壁面内部；首先，将进气孔1、出气孔2及其连接的多孔钢管5由装置顶部安装入装置的内部，对之后单元层的安装起到定位的作用；其次，将各个装有金属网格9及贮氢金属的单元层沿多孔钢管5自下而上安装入贮氢筒6的内部；最后，在装置最底端与筒盖7接触处安装橡胶密封圈10，再将筒盖7与装置以螺纹连接的方式拧紧，将筒盖7底部那一面与水平面接触，将整个装置安装放置完好。
本发明装置的贮氢过程：贮氢时，进气孔1盖打开，出气孔2盖封闭。在进气孔1外接压气机的作用下，可以把生产制造的氢气通过多孔钢管5流入贮氢筒6内部，与贮氢筒6内部的金属氢化物发生反应后贮存在装置内部，其中产生的热量可以通过热交换层4中的低温冷却水来冷却带走。
本发明的放氢过程:放氢时，进气孔1盖封闭，出气孔2盖打开。在热交换层4内填充50℃～80℃的热水，从而可以达到金属氢化物放氢时的温度需要，使氢气顺利地排出贮氢筒6。
本发明中贮氢和放氢同时进行的过程：进气孔1盖和出气孔2盖同时打开，在进气孔1外接压气机的作用下，把生产制造的氢气通过多孔钢管5流入贮氢筒6内部，在热交换层4内填充50℃～80℃的热水，这样就可以保证在贮氢的过程中部分氢气进入贮氢筒6内部反应的同时仍有部分氢气可从多孔钢管5流出，可以通过调节水的温度来影响反应的速率，从而调节排气的速度，以满足装置使用过程中的不同需求。
本专利中所设计的金属氢化物贮氢装置，内部的导热性能好，保证了与外界能够进行充分的热交换，从而使得氢气能稳定均匀地释放出来，并且显著增加了5％～10％的充放氢速率；贮氢筒内部的各个单元层，减小了贮氢金属粉末在装置中的晃动及堆积，大大提高了装置的稳定性；贮氢筒外侧的绝热性能同样很显著；充氢过程中能耗低，装置的安全性高；采用锥形支架，为装置膨胀预留空间的同时能够起到支撑、使装置稳固的作用；装置充放氢气过程中稳定均匀，可控性强；同时，装置的使用寿命相对较长、节能环保；装置简易方便，可拆卸，方便实现维修；能够进一步提高贮氢装置的安全、稳定性。
本领域内技术人员所做的普通简单的更改和替换都是本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：由小、中、大直径依次套装成两两之间设有间隙，开口朝下的桶状体，其中小直径形成的空腔为贮氢筒(6)，小直径与中直径之间设有的第一间隙形成的密封环形空腔为热交换层(4)，中直径与大直径之间设有的第二间隙形成的密封环形空腔为绝热层(3)；所述桶状体的桶壁上端通过管道设有连通热交换层(4)的进水口(14)，下端通过管道设有连通热交换层(4)的出水口(13)；所述桶状体的顶部紧贴贮氢筒(6)内壁处对称开设有进气孔(1)和出气孔(2)，所述进气孔(1)和出气孔(2)中分别设有贯穿贮氢筒(6)的多孔钢管(5)，所述多孔钢管(5)的管壁上包裹有透气膜(12)；所述桶状体的下端连接有用于密闭的筒盖(7)；所述贮氢筒(6)中通过金属隔板(8)设置有若干贮氢单元层。
2.根据权利要求1所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述的贮氢单元层由散热金属网格(9)按井字形竖直排放在上下两块金属隔板(8)之间构成若干贮氢单元格。
3.根据权利要求2所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述贮氢单元格中还填装有占其容积2/3的金属氢化物。
4.根据权利要求1所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述的第一间隙的尺寸为贮氢筒(6)直径的1/40～1/35,第二间隙的尺寸为第一间隙尺寸的1/3～1/2。
5.根据权利要求1所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述的贮氢筒(6)顶端内平面上还设置有多个锥形支架(11)。
6.根据权利要求1所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述的进气孔(1)、出气孔(2)、进水口(14)和出水口(13)还分别设置有用于通断的阀门，其中所述的进气孔(1)和出气孔(2)中还设置有过滤片。
7.根据权利要求1所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述的桶状体的下端面与所述的筒盖(7)之间还设置有密封圈(10)。
8.根据权利要求1所述的一种金属氢化物贮氢装置，其特征在于：所述的桶状体与所述的筒盖(7)的连接为螺纹连接。
9.一种如权利要求1所述的金属氢化物贮氢装置的工作方法，其特征在于：包括如下三种工作模式：
(1)贮氢过程：贮氢时，将进气孔(1)阀门打开，出气孔(2)阀门关闭，在进气孔(1)外接压气机的作用下，把生产制造的氢气通过进气孔(1)经多孔钢管(5)流入贮氢筒(6)内，与贮氢筒(6)内单元格中的金属氢化物发生反应后贮存在装置内部，其中产生的热量通过热交换层(4)中的低温冷却水冷却带走；
(2)放氢过程：放氢时，将进气孔(1)阀门关闭，出气孔(2)阀门打开，在热交换层(4)内填充50℃～80℃的热水，从而氢气顺利地排出贮氢筒(6)；
(3)贮氢和放氢同时进行的过程：将进气孔(1)阀门和出气孔(2)阀门同时打开，进气孔(1)在外接压气机的情况下，将氢气通过多孔钢管(5)输入贮氢筒(6)内；同时在热交换层(4)内填充50℃～80℃的热水，贮氢筒(6)内的贮氢合金发生制氢反应，以保证在贮氢过程的同时仍有部分氢气从出气孔(2)流出，并通过调节水的温度来改变制氢反应的速率，从而调节排气的速度。
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