CN113669620B - 金属氢化物储氢罐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属氢化物储氢罐，包括：罐体、多个储氢合金模块以及记忆合金应变缓冲复位器，其中罐体能够收容多个储氢合金模块，多个储氢合金模块能够与氢气反应生成金属氢化物实现氢气存储，记忆合金应变缓冲复位器能够缓冲储氢合金模块吸氢过程产生的膨胀应力，并在储氢合金模块放氢时恢复形状使得储氢合金模块恢复原有外形，确保储氢合金粉末在罐体内均匀分布。上述金属氢化物储氢罐，制作加工容易，吸放氢速度快，通过记忆合金应变缓冲复位器能够减缓储氢合金模块吸氢膨胀对罐体产生的过大应力，同时也能够防止储氢合金粉末在罐体内的局部聚集产生的应力集中，从而保证金属氢化物储氢罐的安全性以及延长金属氢化物储氢罐的使用寿命。

Description

金属氢化物储氢罐
技术领域
本发明涉及储氢技术领域，特别是涉及金属氢化物储氢罐。
背景技术
氢能被视为人类未来的理想能源，但是氢气的储存与运输是氢能应用面临的主要瓶颈之一，亟需技术攻关。目前，储氢方式主要有三种：高压气态储氢、低温液态储氢以及金属氢化物固态储氢。其中，金属氢化物固态储氢技术是利用氢气与储氢合金的反应来实现氢气的储存。与其它储氢方式相比，金属氢化物固态储氢技术具有储氢密度高、工作压力低、安全性高等优点，为氢能的推广应用带来了契机。
目前金属氢化物储氢罐设计的一个重要难题在于储氢合金吸氢膨胀对金属氢化物储氢罐罐体的影响。储氢合金吸氢后体积将发生膨胀，如LaNi5储氢合金吸氢后体积膨胀约25％，会对金属氢化物储氢罐的罐体产生额外的应力，如果应力过大，则可能产生不可逆转的塑形变形甚至破裂，导致金属氢化物储氢罐的损坏。此外，储氢合金在吸/放氢过程中经过反复膨胀/收缩及重力的作用，储氢合金粉末会逐渐发生沉降，导致储氢合金粉末在储氢罐内某些部位聚集，聚集的储氢合金在吸氢膨胀时会对罐体的局部施加更大的应力，导致罐体发生塑形变形甚至破裂失效。因此，如何消除储氢合金吸氢膨胀对金属氢化物储氢罐罐体产生过大应力，以及保持储氢合金粉末在储氢罐内均匀分布，避免储氢罐罐体过量塑性变形，是保证金属氢化物储氢罐安全性、提高使用寿命的关键。
发明内容
基于此，提出一种金属氢化物储氢罐，以此减缓或消除储氢合金吸氢膨胀对罐体施加过大应力，同时防止储氢合金粉末在储氢罐内的局部聚集，保持储氢合金粉末在储氢罐内均匀分布，进而提高金属氢化物储氢罐的安全性以及延长金属氢化物储氢罐的使用寿命。
一种金属氢化物储氢罐，所述金属氢化物储氢罐包括：
罐体，包括腔体及与所述腔体连通的进出气口，所述进出气口上设置有控制阀；
多个储氢合金模块，包括由储氢合金粉末均匀填充的储氢合金粉末层，多个所述储氢合金模块沿所述罐体高度方向依次堆叠于所述腔体内，每个所述储氢合金模块设有至少一个沿所述罐体高度方向并贯通所述储氢合金模块的通孔，多个所述储氢合金模块各自的所述通孔沿所述罐体高度方向相对应并连通形成至少一条安装通道；以及
记忆合金应变缓冲复位器，设置在所述安装通道内，当所述储氢合金模块中的所述储氢合金粉末吸氢导致所述储氢合金模块发生膨胀时，所述记忆合金应变缓冲复位器能够通过收缩缓冲所述储氢合金模块膨胀并吸收膨胀带来的应力；当所述储氢合金模块中的所述储氢合金粉末放氢时，所述储氢合金模块与所述记忆合金应变缓冲复位器同时被加热，所述记忆合金应变缓冲复位器能够恢复原有形状，对所述储氢合金模块施加作用力使得所述储氢合金模块恢复原有外形。
上述金属氢化物储氢罐，通过储氢合金模块中的储氢合金粉末与氢发生可逆反应实现氢气的存储和释放，当储氢合金模块中的储氢合金粉末吸氢导致储氢合金模块发生膨胀时，记忆合金应变缓冲复位器能够通过收缩缓冲储氢合金模块膨胀并吸收膨胀带来的应力；当储氢合金模块中的储氢合金粉末放氢时，储氢合金模块与记忆合金应变缓冲复位器同时被加热，记忆合金应变缓冲复位器能够恢复原有形状，对储氢合金模块施加作用力使得储氢合金模块恢复原有外形。通过记忆合金应变缓冲复位器能够减缓储氢合金模块吸氢膨胀对罐体施加的过大应力，同时也能够防止储氢合金粉末在罐体内的局部聚集，保持储氢合金粉末在储氢罐内均匀分布，从而保证金属氢化物储氢罐的安全性以及延长金属氢化物储氢罐的使用寿命。
在其中一个实施例中，所述储氢合金模块还包括导热层和外包裹层，所述外包裹层包覆所述导热层和所述储氢合金粉末层。
在其中一个实施例中，所述储氢合金粉末包括：钛系AB2型和AB型、稀土系AB5型和钛钒固溶体中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述进出气口靠近所述腔体一端设置有过滤片，所述过滤片能够防止所述储氢合金模块在反复吸放氢循环后所述储氢合金粉末溢出。
在其中一个实施例中，所述记忆合金应变缓冲复位器包括支撑管，所述支撑管设置在所述安装通道内且与所述腔体连通，所述支撑管内部为中空，氢气能够在所述支撑管内流动。
在其中一个实施例中，所述支撑管的长度为单个所述储氢合金模块高度的整数倍，或者所述支撑管的长度与所述腔体的高度相同。
在其中一个实施例中，所述记忆合金应变缓冲复位器还包括过滤板，所述过滤板设置在所述支撑管的一端；
所述过滤板安装在两个所述储氢合金模块之间，所述过滤板能够使得氢气通过，同时能够阻隔所述储氢合金粉末通过。
在其中一个实施例中，所述支撑管为钛镍形状记忆合金管。
在其中一个实施例中，所述过滤板为金属粉末烧结的孔隙板，所述金属粉末包括铁、铝、铜或者铁、铝和铜构成的合金中的一种，所述孔隙板的孔隙直径小于所述储氢合金粉末的最小直径。
在其中一个实施例中，所述储氢合金模块的数量为10个，每个所述储氢合金模块设置有10个所述通孔，并能够形成10个所述安装通道；
所述记忆合金应变缓冲复位器的数量与所述储氢合金模块的数量相同，每个所述记忆合金应变缓冲复位器分别一一对应地安装在10个所述安装通道内。
附图说明
图1为本发明一实施例中的金属氢化物储氢罐的结构示意图；
图2为本发明一实施例中的储氢合金模块的结构示意图；
图3为本发明一实施例中的记忆合金应变缓冲复位器的结构示意图。
附图标记：
100、罐体；110、腔体；120、进出气口；130、控制阀；140、过滤片；
200、储氢合金模块；210、储氢合金粉末层；220、通孔；230、安装通道；300、记忆合金应变缓冲复位器；310、支撑管；320、过滤板。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
金属氢化物固态储氢技术具有储氢密度高、工作压力低、安全性高等优点，为氢能的推广应用带来了契机。目前金属氢化物储氢罐设计的一个重要难题在于储氢合金吸氢膨胀对金属氢化物储氢罐罐体的影响。储氢合金吸氢后体积将发生膨胀，如LaNi5储氢合金吸氢后体积膨胀约25％，会对金属氢化物储氢罐的罐体产生额外的应力，如果应力过大，则可能产生不可逆转的塑形变形甚至破裂，导致金属氢化物储氢罐的损坏。此外，储氢合金在吸/放氢过程中经过反复膨胀/收缩及重力的作用，储氢合金粉末会逐渐发生沉降，导致储氢合金粉末在储氢罐内某些部位聚集，聚集的储氢合金在吸氢膨胀时会对罐体的局部施加更大的应力，导致罐体发生塑形变形甚至破裂失效。因此，如何消除储氢合金吸氢膨胀对金属氢化物储氢罐罐体产生过大应力，以及保持储氢合金粉末在储氢罐内均匀分布，避免储氢罐罐体过量塑性变形，是保证金属氢化物储氢罐安全性、提高使用寿命的关键。
参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的金属氢化物储氢罐的结构示意图，本发明一实施例提供的金属氢化物储氢罐，包括：罐体100、多个储氢合金模块200以及记忆合金应变缓冲复位器300，其中罐体100能够收容多个储氢合金模块200，多个储氢合金模块200能够与氢发生可逆反应实现氢气的存储和释放。储氢合金模块200吸氢过程会发生膨胀，记忆合金应变缓冲复位器300能够通过收缩缓冲储氢合金模块200膨胀并吸收膨胀带来的应力；放氢过程，储氢合金模块200与记忆合金应变缓冲复位器300同时被加热，记忆合金应变缓冲复位器300能够恢复原有形状，对储氢合金模块200施加作用力使得储氢合金模块200恢复原有外形，减缓储氢合金模块200吸氢膨胀对罐体100施加的过大应力，同时也能够防止储氢合金粉末在罐体100内的局部聚集，进而使得储氢合金粉末在罐体100内分布均匀。
具体地，罐体100包括腔体110及与腔体110连通的进出气口120，进出气口120上设置有控制阀130，控制阀130能够控制罐体100进出气口120的开启和关闭。
多个储氢合金模块200包括由储氢合金粉末均匀填充的储氢合金粉末层210，多个储氢合金模块200沿罐体100高度方向依次堆叠于腔体110内，每个储氢合金模块200设有至少一个沿罐体100的高度方向并贯通储氢合金模块200的通孔220，可参阅图2所示，多个储氢合金模块200各自的通孔220沿罐体100的高度方向相对应并连通形成至少一条安装通道230。
需要说明的是，储氢合金粉末层210能够与氢气反应生成金属氢化物，从而达到储氢的目的。当储氢合金粉末层210吸氢后，会导致储氢合金模块200体积膨胀，并对罐体100产生应力作用。如果储氢合金模块200吸氢膨胀后对罐体100产生的应力过大，可能导致罐体100破裂，这降低了罐体100的安全性和使用寿命，因此需要缓解储氢合金模块200吸氢膨胀对罐体100产生过大应力。而储氢合金在吸/放氢过程中经过反复膨胀/收缩及重力的作用，会使得储氢合金粉末发生迁移，储氢合金粉末在罐体100内某些部位聚集，在罐体100内分布不均匀，造成罐体100局部区域应力集中，这也增加了罐体100破损的风险，因此需要防止储氢合金粉末在罐体100内的局部聚集，确保储氢合金粉末在罐体内均匀分布。
至少一条安装通道230通过如下的方式形成，例如储氢合金模块的数量为3个，分别假设为A、B和C，每个储氢合金模块均设有2个通孔，分别假设储氢合金模块A上通孔分别为A1和A2；储氢合金模块B上通孔分别为B1和B2；储氢合金模块C上通孔分别为C1和C2，其中A1、B1和C1沿罐体高度方向相对应并且可以形成一条安装通道，同理A2、B2和C2也能够形成另一条安装通道。根据在罐体放置情况及吸放氢过程中的受力分析，其中一条安装通道最好设计在储氢合金模块的中心。
记忆合金应变缓冲复位器300设置在安装通道230内，当储氢合金模块200中的储氢合金粉末吸氢导致储氢合金模块200体积膨胀而发生变形时，记忆合金应变缓冲复位器300能够通过收缩缓冲储氢合金模块200膨胀并吸收储氢合金模块200膨胀带来的应力；当储氢合金模块200中的储氢合金粉末放氢时，储氢合金模块200与记忆合金应变缓冲复位器300同时被加热，记忆合金应变缓冲复位器300能够恢复原有形状，对储氢合金模块200施加作用力使得储氢合金模块200恢复原有外形。
在本实施例中，记忆合金应变缓冲复位器300能够减缓储氢合金模块200吸氢后体积膨胀对罐体100产生的过大应力，同时也能够防止储氢合金粉末在罐体100内的局部聚集产生的应力集中，从而保证金属氢化物储氢罐的安全性以及延长金属氢化物储氢罐的使用寿命。
一实施例中，储氢合金模块200还包括导热层(图中未显示)和外包裹层(图中未显示)，其中外包裹层包裹导热层和储氢合金粉末层210，导热层能够提高储氢合金粉末层210的传热性能，外包裹层能够防止导热层和储氢合金粉末层210在罐体内移动。
为了使得储氢合金粉末层210具有较好地吸放氢能力，一实施例中，储氢合金粉末包括：钛系AB2型和AB型、稀土系AB5型和钛钒固溶体中的至少一种。
为了进一步地防止储氢合金粉末层210内的储氢合金粉末随释放氢的过程中排出，进而保证金属氢化物储氢罐吸放氢性能，一实施例中，参阅图1所示，在罐体100进出气口120靠近腔体110一端设置有过滤片140，其中过滤片140能够防止储氢合金模块200在反复吸放氢循环后，储氢合金粉末层210的储氢合金粉末溢出。需要说明的是，过滤片140具有孔隙，能够使得氢气通过，同时能够阻隔储氢合金粉末通过。
一实施例中，参阅图3所示，记忆合金应变缓冲复位器300包括支撑管310，其中支撑管310设置在安装通道230内且与腔体110连通，支撑管310内部为中空，氢气能够在支撑管310内流动。需要说明的是，支撑管310能够缓冲储氢合金模块200吸氢过程产生的膨胀应力，支撑管310在储氢合金模块200放氢时与储氢合金模块200同时被加热，其恢复形状使得储氢合金模块200恢复原有外形。其中支撑管310为钛镍形状记忆合金管，其复位温度与储氢合金模块200放氢温度相同。
进一步地，记忆合金应变缓冲复位器300中的支撑管310的长度为单个储氢合金模块200高度的整数倍，或者支撑管310的长度与腔体110的高度相同，如此能够使得支撑管310便于安装在储氢合金模块200的通孔220形成的安装通道230内。例如单个储氢合金模块200的高度尺寸为X，记忆合金应变缓冲复位器300中的支撑管310的长度尺寸为N*X，其中N可以表示正整数；或者支撑管310的长度为3X，单个储氢合金模块200的高度尺寸为X，而储氢合金模块200的数量为6个，即储氢合金模块200的总高度为6X，此时可以设置两根相同长度尺寸的支撑管310。这样设计的好处是，记忆合金应变缓冲复位器300中的支撑管310的长度尺寸能够与储氢合金模块200的高度尺寸相适应，也就是可以实现一个记忆合金应变缓冲复位器300正好对应一个储氢合金模块200，或者正好对应多个储氢合金模块200。
另一实施例中，参阅图1所示，记忆合金应变缓冲复位器300还包括过滤板320，其中过滤板320设置在支撑管310的一端；过滤板320安装在两个储氢合金模块200之间，过滤板320能够使得氢气通过，同时能够阻隔储氢合金粉末通过。过滤板320具有孔隙，其能够使得氢气通过，同时能够阻止储氢合金粉末通过。过滤板320可以选择为金属粉末烧结的孔隙板，其中金属粉末包括铁、铝、铜或者铁、铝和铜构成的合金中的一种，孔隙板的孔隙直径小于储氢合金粉末的最小直径。
一实施例中，储氢合金模块200的数量为10个，10个储氢合金模块200沿罐体100的高度方向堆叠于罐体100的腔体110内。每个储氢合金模块200设置有10个通孔220，并能够形成10个安装通道230；同时记忆合金应变缓冲复位器300的数量与储氢合金模块200的数量相同，每个记忆合金应变缓冲复位器300分别一一对应地安装在10个安装通道230内。在这种布置设计下金属氢化物储氢罐能够具有较高的安全性和较长的使用寿命。
进一步地，一实施例中，在实际生产过程中，罐体100的腔体110的外径为70mm、壁厚为3mm、长度为445mm，单个储氢合金模块200的外径为64mm、高度为42mm，储氢合金模块200的通孔220直径为8mm，单个储氢合金模块200的储氢合金粉末层210包括(TiZr)1(VFeMn)2储氢合金粉末45g，记忆合金应变缓冲复位器300的支撑管310的外径为8mm、壁厚为2mm、长度为42mm、材料为Ti48.5Ni48.5Fe3记忆合金管，过滤板320的直径为64mm、厚度为2mm、材质为316L不锈钢粉末烧结的孔隙钢板。这种设计结构能够便于金属氢化物储氢罐加工，同时能够使得金属氢化物储氢罐的吸放氢能力优异，还能够保证金属氢化物储氢罐的安全性以及延长金属氢化物储氢罐的使用寿命。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述金属氢化物储氢罐包括：
罐体，包括腔体及与所述腔体连通的进出气口，所述进出气口上设置有控制阀；
多个储氢合金模块，包括由储氢合金粉末均匀填充的储氢合金粉末层，多个所述储氢合金模块沿所述罐体高度方向依次堆叠于所述腔体内，每个所述储氢合金模块设有至少一个沿所述罐体高度方向并贯通所述储氢合金模块的通孔，多个所述储氢合金模块各自的所述通孔沿所述罐体高度方向相对应并连通形成至少一条安装通道；以及
记忆合金应变缓冲复位器，设置在所述安装通道内，当所述储氢合金模块中的所述储氢合金粉末吸氢导致所述储氢合金模块发生膨胀时，所述记忆合金应变缓冲复位器能够通过收缩缓冲所述储氢合金模块膨胀并吸收膨胀带来的应力；当所述储氢合金模块中的所述储氢合金粉末放氢时，所述储氢合金模块与所述记忆合金应变缓冲复位器同时被加热，所述记忆合金应变缓冲复位器能够恢复原有形状，对所述储氢合金模块施加作用力使得所述储氢合金模块恢复原有外形；
所述储氢合金模块还包括导热层，通过所述导热层将所述储氢合金模块吸收的热量传导到所述记忆合金应变缓冲复位器。
2.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述储氢合金模块还包括外包裹层，所述外包裹层包覆所述导热层和所述储氢合金粉末层。
3.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述储氢合金粉末包括：钛系AB2型和AB型、稀土系AB5型和钛钒固溶体中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述进出气口靠近所述腔体一端设置有过滤片，所述过滤片能够防止所述储氢合金模块在反复吸放氢循环后所述储氢合金粉末溢出。
5.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述记忆合金应变缓冲复位器包括支撑管，所述支撑管设置在所述安装通道内且与所述腔体连通，所述支撑管内部为中空，氢气能够在所述支撑管内流动。
6.根据权利要求5所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述支撑管的长度为单个所述储氢合金模块高度的整数倍，或者所述支撑管的长度与所述腔体的高度相同。
7.根据权利要求5所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述记忆合金应变缓冲复位器还包括过滤板，所述过滤板设置在所述支撑管的一端；
所述过滤板安装在两个所述储氢合金模块之间，所述过滤板能够使得氢气通过，同时能够阻隔所述储氢合金粉末通过。
8.根据权利要求5所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述支撑管为钛镍形状记忆合金管。
9.根据权利要求7所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述过滤板为金属粉末烧结的孔隙板，所述金属粉末包括铁、铝、铜或者铁、铝和铜构成的合金中的一种，所述孔隙板的孔隙直径小于所述储氢合金粉末的最小直径。
10.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐，其特征在于，所述储氢合金模块的数量为10个，每个所述储氢合金模块设置有10个所述通孔，并能够形成10个所述安装通道；
所述记忆合金应变缓冲复位器的数量与所述储氢合金模块的数量相同，每个所述记忆合金应变缓冲复位器分别一一对应地安装在10个所述安装通道内。
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