CN113351130B - 一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器 - Google Patents

一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器，包括浴锅、控制器和反应器；浴锅内部设有加热腔；控制器设于浴锅上，控制器用于调控加热腔的加热温度；反应器设于浴锅内，反应器内部设有存储腔，存储腔内部设有多层钢丝球层和多层金属氢化物层，多层钢丝球层和多层金属氢化物层交替层叠布置，且多层钢丝球层的空隙内填充有金属氢化物；所以通过在反应床中引入钢丝球，并将金属氢化物填充在钢丝球的孔隙中，能够十分见效地提高反应床的有效导热系数，为吸放氢反应的动力学提供一个更好的温差驱动，从而有效改善金属氢化物吸放氢的工作速率与效率，从而切实解决了现有技术难以兼顾成本和导热能力的问题。

Description

一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器
技术领域
本发明涉及金属氢化物吸放氢反应器的技术领域，特别涉及一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器。
背景技术
氢元素是全球含量很大的元素，且分布丰富，此外，氢气燃烧的热值高，且燃烧后的产物无污染，这些优势为氢能的利用带来了巨大潜力。从储氢技术这一角度来看，以金属氢化物作为载体进行储氢这一技术路线多年来得到了广泛的研究。该方法具有储能密度高，工作压力较低，成本低等优势。但是由于利用金属氢化物进行储氢是一个化学反应的过程，往往伴随着较大的热效应，反应床是否能及时快速地进行热量传递对整个反应进度具有很大影响。大量研究发现，影响金属氢化物吸放氢反应动力学特性的一大关键因素是其反应床的导热能力。金属氢化物反应床自身强的导热能力有利于促进吸氢过程反应所释放热量的快速导出，还能缓解由于放氢过程吸热导致的反应床温度急剧降低，从而保证吸放氢反应具备好的温差驱动。争对这一需求，目前主要的技术方案有：
1.往金属氢化物床添加金属泡沫：这一方式将导热性好的金属塑形成多孔结构的块状体，并将其填充到反应器中，再往金属泡沫的空隙中填充金属氢化物，比较常见的金属泡沫主要有铜泡沫，铝泡沫，镍泡沫等。它在整个反应床中起到了作为结构骨架支撑起金属氢化物的作用。此外，由于它的原材料的导热性好，它自身的结构连续规整等原因，金属氢化物床的有效导热系数也得到明显的提高。但是泡沫金属的制备工序较多，采购成本较高，此外由于金属泡沫的添加，反应床的总重量也增加，这也降低了反应床的质量储氢量。
2.强化导热的添加剂同金属氢化物复合后进行压块处理：目前用来强化导热的添加剂主要有两种，一种为金属粉末，另一种为膨胀石墨。将这些强化导热的添加剂同金属氢化物复合，以此强化反应床的有效导热系数；此外将它们的复合物再进行压块处理能够降低反应床的孔隙率，缩短微粒间的平均距离，进一步使得反应床的有效导热系数得以提升。但是该方法存在着工艺流程多，部分添加剂成本高，反应床中金属氢化物含量降低等缺点。并且压块处理后的反应床氢气传质通道减小，此外承载应力变化的能力也降低，这将导致反应床吸放氢的循环稳定性下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器，以解决现有技术难以兼顾成本和导热能力的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器，包括浴锅、控制器和反应器；所述浴锅内部设有加热腔；所述控制器设于所述浴锅上，所述控制器用于调控所述加热腔的加热温度；所述反应器设于所述浴锅内，所述反应器内部设有存储腔，所述存储腔内部设有多层钢丝球层和多层金属氢化物层，多层所述钢丝球层和多层所述金属氢化物层交替层叠布置，且多层所述钢丝球层的空隙内填充有金属氢化物。
在其中一个实施例中，所述钢丝球层为钢丝球铺设为圆柱状形成。
在其中一个实施例中，所述加热腔内设有支撑块，所述反应器承托于所述支撑块上。
在其中一个实施例中，所述反应器包括主体、顶部法兰盘、底部法兰盘、密封盖、定位螺栓和定位螺母；所述主体的顶部往内凹陷形成所述存储腔；所述顶部法兰盘设于所述主体顶部的周侧外；所述底部法兰盘设于所述主体的底部周侧外；所述密封盖封盖所述存储腔；所述定位螺栓依次穿过所述密封盖、所述顶部法兰盘和所述底部法兰盘后与所述定位螺母连接固定。
在其中一个实施例中，所述顶部法兰盘的表面设有一圈凹槽，所述凹槽围绕所述主体的外周侧布置；所述密封盖的表面设有一圈凸条，所述凸条嵌入所述凹槽内，且所述凸条与所述凹槽之间夹持有金属石墨缠绕垫片，所述金属石墨缠绕垫片围绕所述主体的外周侧布置一圈。
在其中一个实施例中，所述反应器还包括热电偶，所述热电偶穿过所述密封盖延伸至所述存储腔内。
在其中一个实施例中，所述密封盖在置于所述存储腔外的部位设有单头通孔螺栓，所述单头通孔螺栓用于连接固定导气管。
本发明的有益效果如下：
在本方案中，所述反应器内部设有存储腔，所述存储腔内部设有多层钢丝球层和多层金属氢化物层，多层所述钢丝球层和多层所述金属氢化物层交替层叠布置，且多层所述钢丝球层的空隙内填充有金属氢化物，而钢丝球具有成本低、导热效果优良的特性，所以通过在反应床中引入钢丝球，并将金属氢化物填充在钢丝球的孔隙中，能够十分见效地提高反应床的有效导热系数，为吸放氢反应的动力学提供一个更好的温差驱动，从而有效改善金属氢化物吸放氢的工作速率与效率，从而切实解决了现有技术难以兼顾成本和导热能力的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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是本发明实施例提供的结构示意图；
图2是图1的A部份放大结构示意图；
图3是图1的存储腔内部放大结构示意图。
附图标记如下：
10、浴锅；11、加热腔；12、支撑块；
20、控制器；
30、反应器；31、存储腔；32、钢丝球层；33、金属氢化物层；34、主体； 35、顶部法兰盘；351、凹槽；36、底部法兰盘；37、密封盖；371、凸条；38、定位螺栓；39、定位螺母；
40、金属石墨缠绕垫片；
50、热电偶；
60、单头通孔螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器，其实施例如图1和图3所示，包括浴锅10、控制器20和反应器30；浴锅 10内部设有加热腔11；控制器20设于浴锅10上，控制器20用于调控加热腔 11的加热温度；反应器30设于浴锅10内，反应器30内部设有存储腔31，存储腔31内部设有多层钢丝球层32和多层金属氢化物层33，多层钢丝球层32和多层金属氢化物层33交替层叠布置，且多层钢丝球层32的空隙内填充有金属氢化物。
对于使用金属氢化物进行吸放氢的这一储氢方式，影响该反应动力学特性的关键因素是反应床的导热能力。以吸氢过程为例，假设反应床的有效导系数较高，反应释放的大量热量能够得到及时排出，从而为吸氢反应提供充足的温差驱动力。钢丝球的材质为不锈钢，不锈钢根据组成成分的差异，导热系数也相应有差异。但总的来说，各类不锈钢的热导率大都超过10W/(m·K)。相较而言，金属氢化物的热导率要低的多，例如AB5型储氢材料中的LaNi5粉末在氢气氛中的有效导热系数仅1.087W/(m·K)左右。通过在反应床中引入钢丝球，并将金属氢化物填充在钢丝球的孔隙中，能够十分见效地提高反应床的有效导热系数，为吸放氢反应的动力学提供一个更好的温差驱动，从而有效改善金属氢化物吸放氢的工作速率与效率。
此外，钢丝球的成本很低，对于提升容量为1L左右反应器30的反应床导热能力，钢丝球的使用成本仅10元左右。其制备方法与工艺已得到多年的发展，较为成熟可靠。从实际应用这一角度来看，钢丝球安装的方法与流程十分简单，容易操作，对于金属氢化物的制备要求也较低。值得注意的是，由于钢丝球具有孔隙大且分布相对均匀的特点，这也将在实际吸放氢反应的过程中，为分布于不同高度下的金属氢化物提供充足的氢气传质通道，避免了氢气传质的阻碍抑制吸放氢反应的效率。
具体的，此实施例优选设置钢丝球层32为钢丝球铺设为圆柱状形成。
即利用钢丝球铺设为层状，并与反应器30内部存储腔31的形状相匹配，以确保钢丝球层32能够在存储腔31内的充分填充。
如图1所示，加热腔11内设有支撑块12，反应器30承托于支撑块12上。
在设置支撑块12后，将可使得反应器30的放置深度能够得到调整，即通过放置不同尺寸的支撑块12后，将可改变反应器30在加热腔11内的放置深度，以满足在不同条件下的应用需求。
如图1所示，反应器30包括主体34、顶部法兰盘35、底部法兰盘36、密封盖37、定位螺栓38和定位螺母39；主体34的顶部往内凹陷形成存储腔31；顶部法兰盘35设于主体34顶部的周侧外；底部法兰盘36设于主体34的底部周侧外；密封盖37封盖存储腔31；定位螺栓38依次穿过密封盖37、顶部法兰盘35和底部法兰盘36后与定位螺母39连接固定。
在采用上述结构后，只需拧紧定位螺栓38和定位螺母39，则可确保密封盖 37能对存储腔31进行紧密封闭，从而为存储腔31的气密性提供了保障，避免外部空气进入存储腔31氧化毒害金属氢化物。
如图1和图2所示，顶部法兰盘35的表面设有一圈凹槽351，凹槽351围绕主体34的外周侧布置；密封盖37的表面设有一圈凸条371，凸条371嵌入凹槽351内，且凸条371与凹槽351之间夹持有金属石墨缠绕垫片40，金属石墨缠绕垫片40围绕主体34的外周侧布置一圈。
在增设金属石墨缠绕垫片40后，则可加强顶部法兰盘35与密封盖37之间的连接气密性，其中，金属石墨缠绕垫片40可以是一体成型为环形结构，也可以是设置多块金属石墨缠绕垫片40相邻排列布置为环形，具体根据需求进行选择便可。
如图1所示，反应器30还包括热电偶50，热电偶50穿过密封盖37延伸至存储腔31内。
在设置热电偶50后，由于热电偶50能够深入至存储腔31内部，从而能够准确及时测得存储腔31内的温度，以此便于控制器20及时调控加热腔11的加热温度，也便于测量与记录吸放氢反应过程中反应床的温度场的变化规律。
如图1所示，密封盖37在置于存储腔31外的部位设有单头通孔螺栓60，单头通孔螺栓60用于连接固定导气管。
在增设单头通孔螺栓60，则可以利用单头通孔螺栓60与导气管实现简便的密封连接，为氢气的快速存储输出提供了帮助。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种有效提高反应床导热能力的金属氢化物吸放氢反应器，其特征在于，
包括浴锅、控制器和反应器；
所述浴锅内部设有加热腔；
所述控制器设于所述浴锅上，所述控制器用于调控所述加热腔的加热温度；
所述反应器设于所述浴锅内，所述反应器内部设有存储腔，所述存储腔内部设有多层钢丝球层和多层金属氢化物层，多层所述钢丝球层和多层所述金属氢化物层交替层叠布置，且多层所述钢丝球层的空隙内填充有金属氢化物；
所述钢丝球层为钢丝球铺设为圆柱状形成。
2.根据权利要求1所述的金属氢化物吸放氢反应器，其特征在于，所述加热腔内设有支撑块，所述反应器承托于所述支撑块上。
3.根据权利要求1所述的金属氢化物吸放氢反应器，其特征在于，所述反应器包括主体、顶部法兰盘、底部法兰盘、密封盖、定位螺栓和定位螺母；所述主体的顶部往内凹陷形成所述存储腔；所述顶部法兰盘设于所述主体顶部的周侧外；所述底部法兰盘设于所述主体的底部周侧外；所述密封盖封盖所述存储腔；所述定位螺栓依次穿过所述密封盖、所述顶部法兰盘和所述底部法兰盘后与所述定位螺母连接固定。
4.根据权利要求3所述的金属氢化物吸放氢反应器，其特征在于，所述顶部法兰盘的表面设有一圈凹槽，所述凹槽围绕所述主体的外周侧布置；所述密封盖的表面设有一圈凸条，所述凸条嵌入所述凹槽内，且所述凸条与所述凹槽之间夹持有金属石墨缠绕垫片，所述金属石墨缠绕垫片围绕所述主体的外周侧布置一圈。
5.根据权利要求3所述的金属氢化物吸放氢反应器，其特征在于，所述反应器还包括热电偶，所述热电偶穿过所述密封盖延伸至所述存储腔内。
6.根据权利要求3所述的金属氢化物吸放氢反应器，其特征在于，所述密封盖在置于所述存储腔外的部位设有单头通孔螺栓，所述单头通孔螺栓用于连接固定导气管。
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