CN114370602B - 一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐 - Google Patents

一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，包括罐体、气体阀门、滤芯以及若干储氢模块；罐体包括管体，管体一端固接有罐体封头，管体的另一端固接有罐底；气体阀门与罐体封头固接，气体阀门位于罐体外；滤芯与罐体封头螺接，滤芯位于罐体内；若干储氢模块均填充于罐体内，且若干储氢模块内均填充有储氢材料粉末，任意相邻两储氢模块均紧密贴合，与罐体封头相邻的储氢模块与罐体封头间隙配合，滤芯贯穿若干储氢模块。本发明的金属氢化物储氢罐结构简单、易实现，并且可以实现大规模生产。

Description

一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐
技术领域
本发明涉及储氢装置技术领域，特别是涉及一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐。
背景技术
随着全球范围内能源需求的急剧上涨，温室气体排放和全球气候变化问题日益严重，氢能与化石燃料相比，具有能量转换效率高、使用过程中无污染产物生成、氢储量丰富等优点，因此氢能被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源。对于氢能的各种应用中，都不可避免的涉及到氢气的存储的问题。
目前，氢气的储存方式主要有：高压气态储氢、低温液态储氢和金属氢化物储氢。高压气态储氢虽然是目前常用的储氢技术，但是其需要厚重的耐压容器，并且需要消耗较大的氢气压缩功，存在氢气容易泄漏和容器发生爆破等因素。而低温液态储氢的效率较高，是一种较为理想的储氢方式，但其储存成本较贵，安全技术比较复杂。与前两种储氢方式相比，金属氢化物储氢具有更高的优势，如更高的体积存储密度、可储存低压氢气、能耗低、安全性强，是一种很有发展前景的储氢技术。
然而，金属氢化物在吸氢过程中会产生大量的热量，产生的热量若不及时进行消散，将会影响吸氢速度，此外，吸氢后金属氢化物体积将会膨胀25％左右，同时金属氢化物在放氢时又会吸收热量；另外，储氢材料在循环吸放氢过程中会不断粉化成细小粉末颗粒，在重力的作用下，会在储氢罐的某些部位聚集压实，造成传热传质性能降低，从而影响吸放氢速度；同时，过度聚集的储氢材料粉末在吸氢膨胀后会对罐体产生不可逆转的损伤，导致金属氢化物储氢罐的损坏。
因此，亟需设计一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，用以解决上述问题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，包括罐体、气体阀门、滤芯以及若干储氢模块；
所述罐体包括管体，所述管体一端固接有罐体封头，所述管体的另一端固接有罐底；
所述气体阀门与所述罐体封头固接，所述气体阀门位于所述罐体外；所述滤芯与所述罐体封头螺接，所述滤芯位于所述罐体内；
若干所述储氢模块均填充于所述罐体内，且若干所述储氢模块内均填充有储氢材料粉末，任意相邻两所述储氢模块均紧密贴合，与所述罐体封头相邻的所述储氢模块与所述罐体封头间隙配合，所述滤芯贯穿若干所述储氢模块。
优选的，所述储氢模块包括散热翅片、膨胀石墨盘以及泡沫金属盘，所述散热翅片固接在所述膨胀石墨盘靠近所述气体阀门的一侧，所述泡沫金属盘固接在所述膨胀石墨盘远离所述气体阀门的一侧；所述散热翅片、所述膨胀石墨盘和所述泡沫金属盘上均开设有通孔，所述滤芯通过所述通孔贯穿所述散热翅片、所述膨胀石墨盘和所述泡沫金属盘；所述储氢材料粉末填充在所述泡沫金属盘的孔隙中。
优选的，所述散热翅片为铜片，所述散热翅片的厚度为0.5mm-1mm，所述散热翅片上开设有若干透气孔，若干所述透气孔沿周向等距分布，所述透气孔的直径为3mm-5mm。
优选的，所述膨胀石墨盘是由膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成，所述膨胀石墨盘的厚度为1mm-2mm。
优选的，所述泡沫金属盘由铜、铝或镍制成，所述泡沫金属盘的厚度为5mm-20mm，所述泡沫金属盘的孔径为10PPI-15PPI。
优选的，所述储氢材料粉末为稀土系AB5型储氢合金、钛系AB2型储氢合金或Mg基储氢合金，所述储氢材料粉末的粒径范围为0.1mm-1mm。
优选的，所述管体为铝合金无缝管或不锈钢无缝管，所述管体的外径为40mm-80mm，所述管体的壁厚为3mm-5mm。
优选的，所述滤芯是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，所述滤芯的直径为6mm-8mm，所述滤芯的孔隙率为1μm-5μm。
本发明公开了以下技术效果：
1、本发明通过分段式的装填将金属氢化物粉末分装填在储氢模块中，能够吸收储氢材料吸氢膨胀而产生的应力，避免了储氢材料吸氢膨胀施加在罐体的应力以及多次吸放氢的自压实效应而引起的储氢罐罐体的破坏，提高了储氢罐的安全性。
2、本发明通过储氢模块能够大大提高了金属氢化物储氢罐内部的传热效率使得吸放氢速率增大，可以在较短的时间内完成吸放氢过程。
3、本发明的金属氢化物储氢罐结构简单、易实现，并且可以实现大规模生产。
4、本发明通过设置滤芯，能够避免储氢材料粉末在释放氢气时随气流流出而导致储氢罐的储氢能力下降。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐的结构示意图；
图2为图1中A的放大图；
图3为图1中B的放大图；
图4为本发明中散热翅片的结构示意图；
图5为本发明中膨胀石墨层的结构示意图；
图6为本发明中泡沫金属层的结构示意图；
其中，1、气体阀门；2、管体；3、滤芯；4、罐体封头；5、螺纹连接头；6、散热翅片；7、膨胀石墨盘；8、泡沫金属盘；9、透气孔；10、通孔；11、罐底。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-6，本发明公开一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，包括罐体、气体阀门1、滤芯3以及若干储氢模块；
罐体包括管体2，管体2一端固接有罐体封头4，管体2的另一端固接有罐底11；
气体阀门1与罐体封头4固接，气体阀门1位于罐体外；滤芯3与罐体封头4螺接，滤芯3位于罐体内；
若干储氢模块均填充于罐体内，且若干储氢模块内均填充有储氢材料粉末，任意相邻两储氢模块均紧密贴合，与罐体封头4相邻的储氢模块与罐体封头4间隙配合，滤芯3贯穿若干储氢模块。本发明的金属氢化物储氢罐结构简单、易实现，并且可以实现大规模生产。
进一步的，罐体的总高度为300mm-1500mm。
进一步的，储氢模块包括散热翅片6、膨胀石墨盘7以及泡沫金属盘8，散热翅片6固接在膨胀石墨盘7靠近气体阀门1的一侧，泡沫金属盘8固接在膨胀石墨盘7远离气体阀门1的一侧；散热翅片6、膨胀石墨盘7和泡沫金属盘8上均开设有通孔10，滤芯3通过通孔10贯穿散热翅片6、膨胀石墨盘7和泡沫金属盘8；储氢材料粉末填充在泡沫金属盘8的孔隙中。本发明通过泡沫金属盘8-膨胀石墨盘7-散热翅片6组成的储氢模块，并将此储氢模块填充在罐体内，极大的保证了储氢材料粉末在罐体内被压实，导致吸收和释放氢气的速率变慢；同时储氢材料粉末吸氢膨胀而产生的应力也可以被泡沫金属圆盘和膨胀石墨层充分的吸收，避免了储氢材料粉末吸氢膨胀以及多次吸放氢的自压实效应而引起的储氢罐罐体的破坏，提高了储氢罐的安全性；而且这种层式结构还保证了热量的快速传导，提高了金属氢化物储氢罐的吸放氢效率。
进一步的，散热翅片6的直径、膨胀石墨盘7的直径和泡沫金属盘8的直径均与管体2的内径相适配，这样使得散热翅片6、膨胀石墨盘7和泡沫金属盘8能够更好的置于罐体内，同时使得散热翅片6与管体2内壁紧密的贴合在一起，保证了散热翅片6与罐体的热量快速传导，进而提高储氢罐吸放氢的速率。
进一步的，通孔10的直径大于滤芯3的直径，通孔10的直径大于滤芯3的直径方便滤芯3贯穿散热翅片6、膨胀石墨盘7和泡沫金属盘8。
进一步的，散热翅片6为铜片，散热翅片6的厚度为0.5mm-1mm，散热翅片6上开设有若干透气孔9，若干透气孔9沿周向等距分布，透气孔9的直径为3mm-5mm。散热翅片6能够有效的提高储氢罐内部的传热效率，进而提高吸收和释放氢气时的速率，进而提高储氢罐使用时的效率；在散热翅片6上开设透气孔9，能够提高氢气的通过效率，进而提高传热效率，同时透气孔9还能方便散热翅片6的安装。
进一步的，膨胀石墨盘7是由膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成，膨胀石墨盘7的厚度为1mm-2mm。
膨胀石墨盘7由膨胀石墨蠕虫制成，不仅传热传质效果好，而且还具有良好的缓冲作用，可以吸收部分储氢材料粉末因吸氢膨胀而产生的应力，同时膨胀石墨盘7还能够较好的将储氢材料粉末封装在泡沫金属盘8之中，避免储氢材料粉末在释放氢气时随气流流出而导致储氢罐的储氢能力下降。
进一步的，泡沫金属盘8由铜、铝或镍制成，泡沫金属盘8的厚度为5mm-20mm，泡沫金属盘8的孔径为10PPI-15PPI。
采用泡沫金属盘8来盛装储氢材料粉末，泡沫金属盘8能够吸收金属氢化物储氢材料粉末吸氢膨胀而产生的应力，泡沫金属盘8采用铜、铝或镍制成能够有效提高传热传质效率。
进一步的，储氢材料粉末为稀土系AB5型储氢合金、钛系AB2型储氢合金或Mg基储氢合金，储氢材料粉末的粒径范围为0.1mm-1mm。
进一步的，管体2为铝合金无缝管或不锈钢无缝管，管体2的外径为40mm-80mm，管体2的壁厚为3mm-5mm。
进一步的，滤芯3是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，滤芯3的直径为6mm-8mm，滤芯3的孔隙率为1μm-5μm。滤芯3为金属滤芯能够起到氢气快速输入和输出的目的，同时滤芯3的孔隙率为1μm-5μm能够保障过滤储氢材料粉末的效果，避免储氢材料粉末在释放氢气时随气流流出而导致储氢罐的储氢能力下降。
进一步的，滤芯3的任一端部固接有螺纹连接头5，螺纹连接头5为中空结构，滤芯3通过螺纹连接头5与罐体封头4螺接。
进一步的，与罐体封头4相邻的储氢模块与罐体封头4之间的距离为20mm-30mm，主要用于螺纹连接头5与罐体封头4的连接以及罐体封头4与管体2的连接。
进一步的，本发明中的储氢罐的制作方法为，先将罐底11和经过打磨、抛光、清洗后的管体2进行焊接，焊接完成后，将套接有泡沫金属盘8的滤芯3放入初步完成焊接的罐体内，向泡沫金属盘8内填充储氢材料粉末，然后再在滤芯3上套设膨胀石墨盘7和散热翅片6完成一个储氢模块的填充，重复进行上述填充过程直至完成对所有储氢模块的填充，填充完成之后通过振动筛床进行振动，使储氢材料粉末能够均匀装填在泡沫金属盘8中，完成之后在滤芯3顶部焊接螺纹连接头5，并将罐体封头4与螺纹连接头5连接，连接完成后将罐体封头4与管体2进行焊接，焊接完成后将气体阀门1安装在罐体封头4上，完成储氢罐的制作。
实施例一：
本实施例中罐体的总长度为800mm，管体2的材质为316L不锈钢，管体2的外径为50mm，管体2的壁厚为4mm，罐底11的厚度为8mm，罐底11封头的厚度为10mm；
滤芯3由金属粉末烧结制造而成，滤芯3的孔隙率为1-5μm，滤芯3的外径为8mm，滤芯3的壁厚为1.2mm，滤芯3的长度为780mm；
散热翅片6的材质为铜，散热翅片6的外径为42mm，散热翅片6的厚度为0.5mm，散热翅片6上开有3个透气孔9，透气孔9的直径为3mm；
膨胀石墨盘7的厚度为1.5mm，由80目可膨胀石墨膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成；
泡沫金属盘8的厚度为15mm，泡沫金属盘8的材质为铜，泡沫金属盘8的孔径为15PPI；
储氢材料粉末为LaNi5储氢合金粉末(即稀土系AB5型储氢合金),主要成分含量为：La(21.01％)，Ce(10.60％)，Ni(59.93％)，Co(6.75％)，Mn(1.71％)，该合金经过3-4次循环吸放氢后即可完全活化，储氢量为1.5％，储氢材料粉末的粒径范围为0.1mm-1mm，储氢材料粉末的填充总质量为3.15kg。
使用本实施例金属氢化物储氢罐进行吸放氢性能测试，储氢罐吸氢过程中罐体壁面的最大应变值为金属氢化物储氢罐能够承受最大设计值的9.5％，表明该储氢罐具有较高的安全性，在吸氢过程的测试中该储氢罐可以在20min内将真空状态的金属氢化物储氢罐充氢达罐体最大吸氢量的90％；吸氢饱后的金属氢化物储氢罐在1L/min的放氢速率下可以稳定放氢达510min，表明该储氢罐具有良好的传热传质性能，从而保证储氢罐具有较快的吸放氢性能。
实施例二：
本实施例中罐体的总长度为300mm，管体2的材质为316L不锈钢，管体2的外径为40mm，管体2的壁厚为3mm，罐底11的厚度为6mm，罐底11封头的厚度为8mm；
滤芯3由金属粉末烧结制造而成，滤芯3的孔隙率为1-5μm，滤芯3的外径为6mm，滤芯3的壁厚为1mm，滤芯3的长度为280mm；
散热翅片6的材质为铜，散热翅片6的外径为34mm，散热翅片6的厚度为0.8mm，散热翅片6上开有3个透气孔9，透气孔9的直径为4mm；
膨胀石墨盘7的厚度为1mm，由80目可膨胀石墨膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成；
泡沫金属盘8的厚度为5mm，泡沫金属盘8的材质为铜，泡沫金属盘8的孔径为10PPI；
储氢材料粉末为Ti0.9Zr0.1Mn1.4Cr0.4V0.2，主要成分含量为：La(21.01％)，Ce(10.60％)，Ni(59.93％)，Co(6.75％)，Mn(1.71％)，该合金经1-2次循环吸放氢后即可完全活化，储氢容量达1.8％，储氢材料粉末的粒径范围为0.1mm-1mm，储氢材料粉末的填充总质量为0.76kg。
使用本实施例金属氢化物储氢罐进行吸放氢性能测试，储氢罐吸氢过程中罐体壁面的最大应变值为金属氢化物储氢罐能够承受最大设计值的10％，表明该储氢罐具有较高的安全性，在吸氢过程的测试中该储氢罐可以在15min内将真空状态的金属氢化物储氢罐充氢达罐体最大吸氢量的90％；吸氢饱后的金属氢化物储氢罐在1L/min的放氢速率下可以稳定放氢达145min，表明该储氢罐具有良好的传热传质性能，从而保证储氢罐具有较快的吸放氢性能。
实施例三：
本实施例中罐体的总长度为1500mm，管体2的材质为铝合金，管体2的外径为80mm，管体2的壁厚为5mm，罐底11的厚度为10mm，罐底11封头的厚度为12mm；
滤芯3由金属粉末烧结制造而成，滤芯3的孔隙率为1-5μm，滤芯3的外径为7mm，滤芯3的壁厚为2mm，滤芯3的长度为1480mm；
散热翅片6的材质为铜，散热翅片6的外径为70mm，散热翅片6的厚度为1mm，散热翅片6上开有3个透气孔9，透气孔9的直径为5mm；
膨胀石墨盘7的厚度为2mm，由80目可膨胀石墨膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成；
泡沫金属盘8的厚度为20mm，泡沫金属盘8的材质为铜，泡沫金属盘8的孔径为14PPI；
储氢材料粉末为Ti-V-Cr合金，主要成分含量为：Ti(30.39％)，Cr(44.35％)，V(25.26％)，该合金初次抽真空后，即可吸氢，储氢容量可达2％左右。储氢材料粉末的粒径范围为0.1mm-1mm，储氢材料粉末的填充总质量为16.5。
使用本实施例金属氢化物储氢罐进行吸放氢性能测试，储氢罐吸氢过程中罐体壁面的最大应变值为金属氢化物储氢罐能够承受最大设计值的15％，表明该储氢罐具有较高的安全性，在吸氢过程的测试中该储氢罐可以在30min内将真空状态的金属氢化物储氢罐充氢达罐体最大吸氢量的90％；吸氢饱后的金属氢化物储氢罐在2L/min的放氢速率下可以稳定放氢达1500min，表明该储氢罐具有良好的传热传质性能，从而保证储氢罐具有较快的吸放氢性能。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：包括罐体、气体阀门(1)、滤芯(3)以及若干储氢模块；
所述罐体包括管体(2)，所述管体(2)一端固接有罐体封头(4)，所述管体(2)的另一端固接有罐底(11)；
所述气体阀门(1)与所述罐体封头(4)固接，所述气体阀门(1)位于所述罐体外；所述滤芯(3)与所述罐体封头(4)螺接，所述滤芯(3)位于所述罐体内；
若干所述储氢模块均填充于所述罐体内，且若干所述储氢模块内均填充有储氢材料粉末，任意相邻两所述储氢模块均紧密贴合，与所述罐体封头(4)相邻的所述储氢模块与所述罐体封头(4)间隙配合，所述滤芯(3)贯穿若干所述储氢模块；
所述储氢模块包括散热翅片(6)、膨胀石墨盘(7)以及泡沫金属盘(8)，所述散热翅片(6)固接在所述膨胀石墨盘(7)靠近所述气体阀门(1)的一侧，所述泡沫金属盘(8)固接在所述膨胀石墨盘(7)远离所述气体阀门(1)的一侧；所述散热翅片(6)、所述膨胀石墨盘(7)和所述泡沫金属盘(8)上均开设有通孔(10)，所述滤芯(3)通过所述通孔(10)贯穿所述散热翅片(6)、所述膨胀石墨盘(7)和所述泡沫金属盘(8)；所述储氢材料粉末填充在所述泡沫金属盘(8)的孔隙中；
通过振动筛床进行振动，使所述储氢材料粉末能够装填在所述泡沫金属盘(8)中。
2.根据权利要求1所述的一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述散热翅片(6)为铜片，所述散热翅片(6)的厚度为0.5mm-1mm，所述散热翅片(6)上开设有若干透气孔(9)，若干所述透气孔(9)沿周向等距分布，所述透气孔(9)的直径为3mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述膨胀石墨盘(7)是由膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成，所述膨胀石墨盘(7)的厚度为1mm-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述泡沫金属盘(8)由铜、铝或镍制成，所述泡沫金属盘(8)的厚度为5mm-20mm，所述泡沫金属盘(8)的孔径为10PPI-15PPI。
5.根据权利要求1所述的一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述储氢材料粉末为稀土系AB5型储氢合金、钛系AB2型储氢合金或Mg基储氢合金，所述储氢材料粉末的粒径范围为0.1mm-1mm。
6.根据权利要求1所述的一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述管体(2)为铝合金无缝管或不锈钢无缝管，所述管体(2)的外径为40mm-80mm，所述管体(2)的壁厚为3mm-5mm。
7.根据权利要求1所述的一种抗应力强、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述滤芯(3)是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，所述滤芯(3)的直径为6mm-8mm，所述滤芯(3)的孔隙率为1μm-5μm。
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