CN114046444A - 一种固态储氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态储氢装置，包括储氢棒、罐体、过滤片、阀门、头部缓冲层和底部缓冲层，底部缓冲层装填于罐体的底部，储氢棒堆叠于底部缓冲层的上部，头部缓冲层装填于罐体的头部，过滤片设于阀门与头部缓冲层之间；储氢棒为外形规整的棒状结构，储氢棒的组分包括储氢合金、导热剂以及粘结剂，储氢棒通过批混工艺将不同组分均匀混合后再通过模压机压制而成。本发明中，储氢棒装填过程简单，依次装填即可，过程高效，且具备良好的自动化潜力；制备储氢棒时，氢合金粉末和导热剂直接搅拌混合，保证了储氢合金粉末材料与导热剂充分接触，以及通过粘结剂将两者紧密结合，具备良好的导热性和整体的牢固性，避免了储氢合金粉末的内部移动及富集。

Description

一种固态储氢装置
技术领域
本发明涉及储氢技术领域，具体涉及一种固态储氢装置。
背景技术
目前，已实用化的储氢方式主要有三种：气态储氢、液态储氢以及基于金属储氢合金的固态储氢。与其他储氢方式相比，固态储氢技术具有储氢密度高、压力低、安全性好、氢气纯度高等优点，是储氢技术发展的重要方向。固态储氢罐的外形与气态、液态储氢罐的外形相似，所不同的是罐体装载大量金属储氢合金材料。现阶段，合金储氢及储氢装置存在的主要问题包括：
(1)热效应问题
充/放氢过程中伴随剧烈的产/吸热效应。理想情况下，储氢合金材料一般可在3-5分钟内完成充放氢，但热效应的产生会直接影响充放氢速度。例如，LaNi5储氢合金材料在充/放氢过程中，均伴随30.8kJ/molH2的产/吸热效应，导致材料本身的温度急剧上升/下降。这也直接导致了充/放氢过程中氢气平台压的变化，大大降低了材料的充/放氢速度。储氢合金材料通常为粉末态，其粒径越小，充/放氢速度越快，但过细的粉末导致了整体导热性能降低。因此，通过优化设计保证储氢装置快速的吸热及散热，是提高储氢装置充放氢性能的关键。
(2)体积效应问题
储氢合金材料充氢后的体积会产生一定的膨胀，直接对储氢容器产生机械应力。如LaNi5储氢合金材料在充氢完成后，将产生约25％的体积膨胀。产生的应力可能导致储氢装置容器产生不可逆转的塑性变形甚至破裂。而储氢合金材料初始填充不均匀或使用过程产生位移后，储氢合金材料粉末储氢装置内部的局部区域富集，也将导致罐体局部区域的应力集中，使得罐体在这些区域中更易发生塑性变形，直至破裂失效。因此，通过优化设计保证储氢合金材料粉末的均匀分布，是保证固态储氢罐安全使用及延长使用寿命的关键。
此外，金属储氢合金通常为粉料，且具备一定的化学活性，存在扬尘、爆燃的风险。装配过程中操作难度较高，不利于大规模的生产及制造。例如，CN110788329A中公开了“含碳复合储氢合金及其制备方法、复合固态储氢罐及储放氢性能测试方法”，使用多种导热良好的粉末状碳材料，具备良好的放氢性能。CN110788330A、CN110788331A中，导热剂的使用也均采用粉末状材料。由于涉及多种粉末材料，这些方法都存在粉末扬尘及区域富集的风险。
综上所述，如何开发一种散热性能良好且体积效应相对较小固态储氢装置，避免扬尘及爆燃的风险，以便于装填操作并实现储氢合金材料能够长期保持均匀分布，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种固态储氢装置，包括储氢棒1、罐体2、过滤片3、阀门4、头部缓冲层5和底部缓冲层6，其特征在于，底部缓冲层6装填于罐体2的底部，储氢棒1堆叠于底部缓冲层6的上部，头部缓冲层5装填于罐体2的头部，过滤片3设于阀门4与头部缓冲层5之间；所述储氢棒1为外形规整的棒状结构，所述储氢棒1的组分包括储氢合金、导热剂以及粘结剂，所述储氢棒1通过批混工艺将不同组分均匀混合后再通过模压机压制而成。
优选地，所述储氢棒1中，储氢合金材料的质量比例为80％-95％之间，导热剂的质量比例为1％-10％之间，粘结剂的质量比例为2％-10％之间。
优选地，所述储氢棒1的外形为圆柱体、六棱柱体、八棱柱体、正方体或者立方体，以便于运输、称量、计数以及装填。
优选的，所述储氢棒1的外形为圆柱体。
优选地，所述储氢合金材料为钛系AB2型、钛系AB型、稀土系AB3、稀土系AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物或者氨硼烷之中的任意一种或几种；所述导热剂为石墨烯、鳞片石墨、碳纳米管、中间相碳微球、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼或碳化硅中的一种或几种的混合材料；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶或者羧甲基纤维素中的一种或几种的混合材料。
优选地，所述储氢棒1的不同组分混合分散时，采用双行星搅拌机、V型混料机或者高速搅拌混料机进行搅拌。
优选地，所述储氢棒1的质量为1-20kg；所述的储氢棒1的长度为5-20cm。
优选地，所述储氢棒1的重量为1-5kg之间，重量以0.5kg的整数倍为宜，便于计量。
优选地，所述的罐体2材质为316L不锈钢或6061铝合金；所述的过滤片3材质为粉末冶金烧结多孔材料或金属丝筛网结构；所述的头部缓冲层5与底部缓冲层6的材质为高弹性多孔材料或者多孔金属材料，其中，高弹性多孔材料选择石棉、海绵或者橡胶，多孔金属材料选择蜂窝铝、蜂窝铜或者泡沫镍；所述的阀门4为球阀或针阀。
优选地，所述罐体2中储氢棒1的装填数量为1-20个；所述的罐体2的长度为50-200cm之间；所述的罐体2内径在5-20cm之间；所述的过滤片3的过滤精度在100-300目之间。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明提供了一种固态储氢装置，罐体中装填有外形规整的储氢棒，而储氢棒通过将储氢合金材料、导热剂、粘结剂均匀搅拌分散后压制而成，储氢棒的制备所需设备、材料均为常规型号，无需增加工艺步骤，也无需额外购置设备，便于制造工艺的执行与改进，同时，规整的储氢棒有助于装入储氢罐体，储氢棒装填入储氢罐中的过程简单，直接将储氢棒依次装填入罐即可，过程更加高效，且具备良好的自动化潜力；
2)本发明的储氢棒在制备过程中，氢合金粉末和导热剂直接进行搅拌混合，保证了储氢合金粉末材料与导热剂的充分接触，以及通过粘结剂将两者紧密结合，具备良好的导热性和整体的牢固性，避免了储氢合金粉末的内部移动及富集。
附图说明
图1为本发明一种固态储氢装置的结构示意图。
图中附图标记为：
1-储氢棒，2-罐体，3-过滤片，4-阀门，5-头部缓冲层，6-底部缓冲层。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个宽泛实施例中，一种固态储氢装置，包括储氢棒1、罐体2、过滤片3、阀门4、头部缓冲层5和底部缓冲层6，其特征在于，底部缓冲层6装填于罐体2的底部，储氢棒1堆叠于底部缓冲层6的上部，头部缓冲层5装填于罐体2的头部，过滤片3设于阀门4与头部缓冲层5之间；所述储氢棒1为外形规整的棒状结构，所述储氢棒1的组分包括储氢合金、导热剂以及粘结剂，所述储氢棒1通过批混工艺将不同组分均匀混合后再通过模压机压制而成。
优选地，所述储氢棒1中，储氢合金材料的质量比例为80％-95％之间，导热剂的质量比例为1％-10％之间，粘结剂的质量比例为2％-10％之间。
优选地，所述储氢棒1的外形为圆柱体、六棱柱体、八棱柱体、正方体或者立方体，以便于运输、称量、计数以及装填。
优选的，所述储氢棒1的外形为圆柱体。
优选地，所述储氢合金材料为钛系AB2型、钛系AB型、稀土系AB3、稀土系AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物或者氨硼烷之中的任意一种或几种；所述导热剂为石墨烯、鳞片石墨、碳纳米管、中间相碳微球、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼或碳化硅中的一种或几种的混合材料；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶或者羧甲基纤维素中的一种或几种的混合材料。
优选地，所述储氢棒1的不同组分混合分散时，采用双行星搅拌机、V型混料机或者高速搅拌混料机进行搅拌。
优选地，所述储氢棒1的质量为1-20kg；所述的储氢棒1的长度为5-20cm。
优选地，所述储氢棒1的重量为1-5kg之间，重量以0.5kg的整数倍为宜，便于计量。
优选地，所述的罐体2材质为316L不锈钢或6061铝合金；所述的过滤片3材质为粉末冶金烧结多孔材料或金属丝筛网结构；所述的头部缓冲层5与底部缓冲层6的材质为高弹性多孔材料或者多孔金属材料，其中，高弹性多孔材料选择石棉、海绵或者橡胶，多孔金属材料选择蜂窝铝、蜂窝铜或者泡沫镍；所述的阀门4为球阀或针阀。
优选地，所述罐体2中储氢棒1的装填数量为1-20个；所述的罐体2的长度为50-200cm之间；所述的罐体2内径在5-20cm之间；所述的过滤片3的过滤精度在100-300目之间。
下面结合附图，列举本发明的实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种固态储氢装置，其具体制造过程及结构如下：
(1)储氢合金粉末前驱体的制备
将储氢合金粉末、导热剂、粘结剂以88：7：5的质量比进行批混；本实施例的储氢合金粉末为钛系AB2型、导热剂为石墨烯、粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，通过高速混料机对总重200kg的原料干粉进行批混，获得均匀的储氢棒1预混粉末；
(2)储氢棒1的制备
将步骤(1)中预混粉末加入模具形状为圆柱形的模压成型机中，每次加料质量为2kg，模压所得储氢棒1的直径为8cm，高度为6cm；
(3)罐体2的装填
参照附图1的结构，该储氢装置的罐体2直径10cm、壁厚3mm、长度70cm，罐体2底部装入底部缓冲层6，再依次装入10只储氢棒1；装入头部缓冲层5、过滤片3，焊接密封整个罐体2，并安装阀门4。
该储氢装置装填简易，无扬尘现象。多次充放氢循环后，罐体2无异常形变，整体结构稳定。
实施例2
一种固态储氢装置，其具体制造过程及结构如下：
(1)储氢合金粉末前驱体的制备
将储氢合金粉末、导热剂、粘结剂以80：10：10的质量比进行批混；本实施例的储氢合金粉末为稀土系AB5型、导热剂为氧化铝导热粉末、粘结剂为聚四氟乙烯粉末(PTFE)，通过V型混料机对总重100kg的原料干粉进行批混，获得均匀的储氢棒1预混粉末；
(2)储氢棒1的制备
将步骤(1)中所述的预混粉末加入模具形状为圆柱形的模压成型机中，每次加料质量为4kg，模压所得储氢棒1的直径为10cm，高度为12cm；
(3)罐体2的装填
参照附图1的结构，该储氢装置的罐体2直径12cm、壁厚3mm、长度50cm，罐体2底部装入底部缓冲层6，再依次装入4只储氢棒1；装入头部缓冲层5、过滤片3，焊接密封整个罐体2，并安装阀门4。
该储氢装置装填简易，无扬尘现象。多次充放氢循环后，罐体2无异常形变，整体结构稳定。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固态储氢装置，包括储氢棒(1)、罐体(2)、过滤片(3)、阀门(4)、头部缓冲层(5)和底部缓冲层(6)，其特征在于，底部缓冲层(6)装填于罐体(2)的底部，储氢棒(1)堆叠于底部缓冲层(6)的上部，头部缓冲层(5)装填于罐体(2)的头部，过滤片(3)设于阀门(4)与头部缓冲层(5)之间；所述储氢棒(1)为外形规整的棒状结构，所述储氢棒(1)的组分包括储氢合金、导热剂以及粘结剂，所述储氢棒(1)通过批混工艺将不同组分均匀混合后再通过模压机压制而成。
2.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢棒(1)中，储氢合金材料的质量比例为80％-95％之间，导热剂的质量比例为1％-10％之间，粘结剂的质量比例为2％-10％之间。
3.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢棒(1)的外形为圆柱体、六棱柱体、八棱柱体、正方体或者立方体，以便于运输、称量、计数以及装填。
4.根据权利要求3所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢棒(1)的外形为圆柱体。
5.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢合金材料为钛系AB2型、钛系AB型、稀土系AB3、稀土系AB5型、钛钒固溶体、镁基储氢合金、配位氢化物、金属氮氢化物或者氨硼烷之中的任意一种或几种；所述导热剂为石墨烯、鳞片石墨、碳纳米管、中间相碳微球、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼或碳化硅中的一种或几种的混合材料；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶或者羧甲基纤维素中的一种或几种的混合材料。
6.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢棒(1)的不同组分混合分散时，采用双行星搅拌机、V型混料机或者高速搅拌混料机进行搅拌。
7.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢棒(1)的质量为1-20kg；所述的储氢棒(1)的长度为5-20cm。
8.根据权利要求7所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述储氢棒(1)的重量为1-5kg之间，重量以0.5kg的整数倍为宜，便于计量。
9.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述的罐体(2)材质为316L不锈钢或6061铝合金；所述的过滤片(3)材质为粉末冶金烧结多孔材料或金属丝筛网结构；所述的头部缓冲层(5)与底部缓冲层(6)的材质为高弹性多孔材料或者多孔金属材料，其中，高弹性多孔材料选择石棉、海绵或者橡胶，多孔金属材料选择蜂窝铝、蜂窝铜或者泡沫镍；所述的阀门(4)为球阀或针阀。
10.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置，其特征在于，所述罐体(2)中储氢棒(1)的装填数量为1-20个；所述的罐体(2)的长度为50-200cm之间；所述的罐体(2)内径在5-20cm之间；所述的过滤片(3)的过滤精度在100-300目之间。
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