CN114508695B - 一种内热式抗膨胀金属储氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内热式抗膨胀金属储氢装置，抗膨胀结构均匀安装在压力容器罐体的内壁以为储氢合金吸氢膨胀预留空间，换热结构安装在抗膨胀结构的内部以对吸放氢循环进行热交换，储氢合金分布在换热结构中以形成合金粉床体，导气管为中空的两端封闭管且自由分布在合金粉床体的内部以提高氢气传输速度和纯度，过滤结构独立于导气管且安装在压力容器罐体的进出口处。根据本发明的内热式抗膨胀金属储氢装置，高效安全，能够解决储氢装置中存在的传热、传质效率低下以及罐体膨胀安全性问题。

Description

一种内热式抗膨胀金属储氢装置
技术领域
本发明涉及金属固态储氢，更具体地涉及一种内热式抗膨胀金属储氢装置。
背景技术
当前人类社会正面临着过度开发和使用传统化石能源所带来的全球气候变暖和各种自然灾害等问题，随着科技发展，以太阳能、氢能、风能以及核能等为代表的清洁可再生能源开始受到了世界各国的高度重视。其中，氢作为燃料，具有最高的质量热值(其热值1.25×106kJ/kg，为汽油的3倍、焦炭的4.5倍)，是理想的高能清洁燃料之一。目前，尽管高压(低于17MPa) 气态储氢、低温(低于20K)液态储氢等技术手段使得氢在一些常规燃料和航天推进等领域得以应用，但高压气态氢体积热值小以及低温液态氢液化过程耗能高、使用条件苛刻等问题严重限制了氢的应用。
利用吸氢材料与氢气反应生成固溶体和氢化物的固态储氢方式，能有效克服上述储存方式的不足，而且储氢体积密度大、安全度高、使用和运输便利。
近年来，随着燃料电池技术的不断发展和应用，金属固态储氢技术在燃料电池氢源以及大规模氢气储运领域展示出了巨大的发展潜力。与此同时，金属储氢材料在吸放氢过程中的晶格膨胀、合金粉化等问题，给金属固态储氢装置带来了传热、传质以及罐体的膨胀方面带来了不利的影响。因此开发高能、高效、高可靠性的金属储氢装置，不仅可以丰富储氢合金的基础研究，而且可进一步积累储氢合金及高能储氢、输氢和用氢设备的理论、设计和使用经验；从而为相关学科提供支持，为迎接即将到来的“氢能经济”做好必要的知识和技术准备、并且带动相关产业的发展。
发明内容
为了解决上述现有技术中的金属储氢材料在吸放氢过程中的晶格膨胀和合金粉化等问题，本发明提供一种内热式抗膨胀金属储氢装置。
根据本发明的内热式抗膨胀金属储氢装置，其包括压力容器罐体、抗膨胀结构、换热结构、储氢合金、导气管和过滤结构，其中，抗膨胀结构均匀安装在压力容器罐体的内壁以为储氢合金吸氢膨胀预留空间，换热结构安装在抗膨胀结构的内部以对吸放氢循环进行热交换，储氢合金分布在换热结构中以形成合金粉床体，导气管为中空的两端封闭管且自由分布在合金粉床体的内部以提高氢气传输速度和纯度，过滤结构独立于导气管且安装在压力容器罐体的进出口处。
优选地，抗膨胀结构由缓冲层和阻粉层构成，其中，缓冲层均匀铺贴在压力容器罐体的内壁以为储氢合金的吸氢膨胀预留空间，阻粉层覆盖在缓冲层上以阻止储氢合金的粉体进入缓冲层。
优选地，缓冲层为铝合金翅片结构，阻粉层为不锈钢薄片结构。
优选地，换热结构由循环水管和换热器构成，其中，换热器由金属换热片构成，各金属换热片之间以及各金属换热片与循环水管之间通过焊接形成整体。
优选地，换热器由多块金属换热片通过拼装缺口焊接组合成井字格。
优选地，每个金属换热片上打有横向的小孔，小孔的直径大于储氢合金的粉体的最大粒径。
优选地，导气管的管壁供氢气自由进出且阻挡储氢合金的粉体不能进入。
优选地，过滤结构由保护罩、过滤杯和充放氢阀门构成，其中，压力容器罐体具有法兰，保护罩和过滤杯倒扣焊接在法兰的内侧罩住充放氢阀门。
优选地，过滤器为杯状。
优选地，保护罩为多孔杯状结构。
根据本发明的内热式抗膨胀金属储氢装置，高效安全，能够解决储氢装置中存在的传热、传质效率低下以及罐体膨胀安全性问题。具体地，根据本发明的内热式抗膨胀金属储氢装置，通过抗膨胀结构的缓冲层和阻粉层预留膨胀空间，只有在储氢合金吸氢膨胀的时候才产生压缩形变，实现储氢装置的抗膨胀功能，通过独立的导气管实现多通道传输导流功能的传质，通过换热结构的换热器的换热片上横向设置的小孔使得储氢合金的粉体在储氢合金的装填过程中横向流动使其均匀分布，通过换热器的井字格结构整体控制储氢合金的粉体的迁移，提高热交换效率。总之，根据本发明的内热式抗膨胀金属储氢装置，可以有效地减小储氢合金吸氢过程中因晶格膨胀对装置壳体所产生的应力应变，大大提高金属储氢装置的安全可靠性。而且，根据本发明的内热式抗膨胀金属储氢装置，结构简单、设计合理，可以根据需要灵活调整缓冲层厚度以及换热水管、导气管规格和数量，使金属储氢装置更安全可靠，吸放氢性能发挥更好，该发明尤其适合大型储氢装置的设计制造。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的内热式抗膨胀金属储氢装置的纵向剖视图；
图2是根据本发明的一个优选实施例的内热式抗膨胀金属储氢装置的横向剖视图；
图3是图1的换热器的换热片的结构示意图；
图4是图1的过滤结构的局部放大图；
图5是图4的保护罩的结构示意图；
图6是图4的过滤杯的结构示意图；
图7是图1的罐体表面应变片的位置示意图；
图8为图1的实施例的充氢罐体环向应变变化图；
图9为图1的实施例的放氢罐体环向应变变化图；
图10为根据本发明的对比例的充氢罐体环向应变变化图；
图11为根据本发明的对比例的放氢罐体环向应变变化图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1-图2所示，根据本发明的一个优选实施例的内热式抗膨胀金属储氢装置包括压力容器罐体1、抗膨胀结构(缓冲层2和阻粉层3)、换热结构(循环水管4和换热器5)、储氢合金6、导气管7和过滤结构(保护罩8、过滤杯9和充放氢阀门10)，其中，抗膨胀结构均匀安装在压力容器罐体1的内壁，换热结构安装在抗膨胀结构的内部，储氢合金6分布在换热结构中以形成合金粉床体，导气管7自由分布在合金粉床体的内部，过滤结构安装在压力容器罐体1的进出口处。特别地，本发明的导气管7两端封闭，与过滤结构不结合，可以不受位置和数量的限制灵活布置，避免导气管7被挤压破裂或阻塞。
压力容器罐体1形成为整个装置的外壳结构。在本实施例中，该压力容器罐体1的材料为304不锈钢。在本实施例中，该压力容器罐体1的筒身内径为100mm，高度为400mm，壁厚为4mm，容积为3.127L。
抗膨胀结构由缓冲层2和阻粉层3构成，通过其支撑力和压缩比可以保障抗膨胀结构在储氢合金6装填过程中不被破坏，同时又可以为储氢合金6 吸氢晶格膨胀预留均匀足够的空间，提高整个装置的安全可靠性。
缓冲层2由具有支撑力和压缩比的金属翅片或骨架构成，其均匀铺贴在压力容器罐体1的内壁(参见图2的局部放大图)，为储氢合金6的吸氢膨胀预留空间。在本实施例中，形成缓冲层2的翅片均匀覆盖压力容器罐体1 的全部内表面形成缓冲结构。在本实施例中，该翅片的材料为铝合金。在本实施例中，该翅片的厚度为2.5mm。
阻粉层3由具有延展性的金属薄片构成，其覆盖在缓冲层2上(参见图2的局部放大图)，用于阻止储氢合金6的粉体进入缓冲层2。在本实施例中，阻粉层3的材料为不锈钢。在本实施例中，阻粉层3的厚度为0.2mm。
换热系统由循环水管4和换热器5构成，具体地，循环水管4和换热器5整体焊接(例如钎焊)在抗膨胀结构的内部，形成循环水管4+换热器5 的复合结构。现有技术中的换热系统通常采用紧配方式，即循环水管4和换热器5之间通过压紧的方式进行接触，这种结合方式在受到外力及两种结构冷热交替变化时会松动，热传导能力下降。根据本发明的换热系统采用整体焊接技术，组成换热器5的金属换热片之间以及换热器5与循环水管4之间均采用焊料焊接成一个整体，从而避免所有连接部位的松动，避免热传导受阻，提高热传导效率。
循环水管4由一根或多根U型金属管构成，用于内部传热。应该理解， U型金属管可以根据需要进行随意串联或并联。在本实施例中，循环水管4 为不锈钢管。在本实施例中，循环水管4为DN12的一进一出结构。循环水管4与外部冷热水连接循环，在储氢合金6吸氢过程放热时通冷水，在储氢合金6放氢吸热时通热水，对储氢合金6活化及吸放氢循环进行热交换。
换热器5由多块金属换热片通过拼装缺口51(参见图3)焊接组合成在图2中所示的井字格，构成换热器5的每个换热片上打有横向的小孔52(参见图3)，即井字格的每个小格子里面四周各有一个孔，小孔直径略大于储氢合金6的粉体的最大粒径，便于储氢合金6的均匀充填和分布。在本实施例中，金属散热片为薄铜片。在本实施例中，金属散热片为紫铜材质。在本实施例中，铜片的厚度为0.2mm。
储氢合金6为TiFeMnCo四元材料，材料储氢密度≥1.85wt％，装料 11.556Kg，视密度4.06g/cm3。应该理解，其他储氢材料同样可用于本发明中。
导气管7由粉末冶金烧结而成，一根或多根导气管7均匀地插入合金粉床体中设置。导气管7为中空的两端封闭管，氢气可以通过管壁自由进出而储氢合金6的粉体不能进入，使得氢气在合金粉床体的内部快速流动，用于提高氢气传输速度和纯度。在本实施例中，导气管7由铜粉或不锈钢粉末烧结而成。在本实施例中，导气管7为对称纵向插入合金粉床体中的两根铜粉烧结管。在本实施例中，导气管7的外径为6mm，壁厚为1.2mm，高度为250mm，过滤精度≤3μm。
过滤结构由保护罩8、过滤杯9和充放氢阀门10构成。如图4所示，压力容器罐体1具有法兰11，保护罩8和过滤杯9通过焊接集成安装在法兰 11的内侧，充放氢阀门10正对过滤杯9通过螺纹连接集成安装在法兰11的外侧。现有技术的过滤器通常选择安装在阀门前端的平面过滤片，由于阀门通径有限，过滤片面积很难做大，影响着氢气传输速度和传输压力，本申请的过滤器为杯状的过滤杯9，如图6所示，其罩在阀门前端，可以大大提高氢气接触面，为氢气进出提供了更多的传输通道，降低了传输阻力及压力损失，从而大大提高氢气的传输速度和提高金属固态储氢装置的有效储氢量。
如图5所示，保护罩8为多孔杯状结构，其罩在过滤杯9外面以防止储氢合金6吸氢膨胀挤压过滤杯9。在本实施例中，保护罩8为不锈钢材质。在本实施例中，保护罩8的外径为57mm，外高为74mm，内高为54.3mm，筒体部分壁厚为6mm，筒体及底部均匀分布有孔径为2mm的通气孔共计66 个。
过滤杯9由粉末冶金烧结而成，其和保护罩8倒扣并焊接在法兰11的内侧罩住充放氢阀门10，过滤从阀门10出去的氢气，不让罐体内部的储氢合金6的粉体出去，实现气固分离，提高氢气纯度。在本实施例中，过滤杯9 由铜粉或不锈钢粉末烧结而成。在本实施例中，过滤杯9的外径为33mm，高为47mm，壁厚为3.3mm，过滤精度≤3μm。
为测试内热式抗膨胀金属储氢装置在充放氢过程中的应变变化量，在压力容器罐体1的表面筒体的上中下对称六个点位粘贴有应变片A、B、C、 D、E、F，如图7所示，罐体横卧放置进行充放氢实验。
对比例
与实施例对比，对比例不含实施例中的缓冲层及阻粉层部分，对比例其余部分与实施例完全一致，对比例装料11.956Kg，视密度同样为4.06g/cm3。
通过对比实验结果发现，实施例和对比例的应变变化趋势基本同步一致，这说明储氢材料没有发生明显的迁移和局部聚集。对比例在没有本发明的抗膨胀结构保护下，罐体应变量(图10和图11所示)在储氢材料被完全活化(第4次循环)后达到峰值2463.22με，放氢后的应变仍保持在1500με以上，说明罐体已发生塑性形变且无法恢复原始状态；实施例应变量(图8 和图9所示)在第5次吸氢后达到最大549.62με之后呈缓慢下降趋势，储氢装置在放氢后应变迅速恢复原始状态附近，表明该储氢罐在吸放氢过程中未发生塑性形变，安全可靠性得到了大大提升。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种内热式抗膨胀金属储氢装置，其特征在于，该内热式抗膨胀金属储氢装置包括压力容器罐体、抗膨胀结构、换热结构、储氢合金、导气管和过滤结构，其中，抗膨胀结构由缓冲层和阻粉层构成，缓冲层均匀铺贴在压力容器罐体的内壁以为储氢合金的吸氢膨胀预留空间，阻粉层由具有延展性的金属薄片构成并覆盖在缓冲层上以阻止储氢合金的粉体进入缓冲层，换热结构安装在抗膨胀结构的内部并由循环水管和换热器构成，换热器由多块金属换热片通过拼装缺口焊接组合成井字格，井字格的每个小格子里面四周各有一个横向的小孔，小孔的直径大于储氢合金的粉体的最大粒径，各金属换热片之间以及各金属换热片与循环水管之间通过焊接形成整体以对吸放氢循环进行热交换，储氢合金分布在换热结构中以形成合金粉床体，导气管为中空的两端封闭管且自由分布在合金粉床体的内部以提高氢气传输速度和纯度，过滤结构独立于导气管且安装在压力容器罐体的进出口处。
2.根据权利要求1所述的内热式抗膨胀金属储氢装置，其特征在于，缓冲层为铝合金翅片结构，阻粉层为不锈钢薄片结构。
3.根据权利要求1所述的内热式抗膨胀金属储氢装置，其特征在于，导气管的管壁供氢气自由进出且阻挡储氢合金的粉体不能进入。
4.根据权利要求1所述的内热式抗膨胀金属储氢装置，其特征在于，过滤结构由保护罩、过滤杯和充放氢阀门构成，其中，压力容器罐体具有法兰，保护罩和过滤杯倒扣焊接在法兰的内侧罩住充放氢阀门。
5.根据权利要求4所述的内热式抗膨胀金属储氢装置，其特征在于，过滤器为杯状。
6.根据权利要求4所述的内热式抗膨胀金属储氢装置，其特征在于，保护罩为多孔杯状结构。
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