CN115961160A - 一种改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，属于储氢技术领域。方法包括：熔炼制备得到储氢合金；对所述储氢合金进行破碎处理，获取储氢合金粉末；将所述储氢合金粉末与高界面能硬脆性粉末均匀混合，并装入不锈钢管中，形成储氢合金粉体床；将所述不锈钢管焊接密封，并将所述不锈钢管抽真空，以形成单管储氢器。该方法能够避免储氢合金吸放氢循环过程中在储氢装置中局部堆积压实，导致在储氢合金吸氢膨胀时对储氢器壁产生局部应力集中而造成储氢器损伤，能够提高固态储氢装置的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，属于储氢技术领域。
背景技术
随着工业的发展和人们物质生活水平的提高，能源消耗急剧增加，由于目前能源体系主要是化石能源，能源危机和环境污染问题日益严峻，寻找清洁的可再生能源成为近年来的研究焦点。氢具有能量密度高、无污染、储运方便、资源丰富等优点，氢能成为目前重要二次能源已得到科学界广泛认同。高效、安全储氢技术是氢能规模化应用的关键。高压压缩气态储氢技术存在压力高、安全性差和体积储氢密度低的缺点，低温液态储氢技术则存在氢气液化过程能量消耗过大的缺点，而基于储氢材料的氢化和脱氢反应的固态储氢技术具有体积储氢密度大、工作压力低、安全性好的优点，是目前具有应用前景的储氢技术之一。
固态储氢装置一般是把高性能储氢合金装入容器中，通过改变氢气压力或者储氢合金粉体床温度来实现充氢和供氢功能。固态储氢装置中虽然气态氢的压力较低，但是，由于储氢合金在吸放氢过程中易粉化成细粉，在储氢器充氢和供氢过程中由于压力变化和氢气流的作用，易导致储氢合金粉末发生移动并在某些局部区域结块压实，当储氢装置再次充氢时，储氢合金吸氢时将发生较大的体积膨胀，这些结块压实的储氢合金粉体床由于膨胀而对储氢器的局部区域产生巨大的应力和应变，导致容器局部区域损坏，严重影响其实际应用。
针对上述问题，人们已发展了一些改善方法，例如，将储氢合金粉与粘接剂、发泡剂混合，通过压块、烧结、发泡等工艺制成多孔块状储氢材料块体，这种方法虽然在吸放氢循环早期有很好的效果，但是，也存在较大缺点，比如，只适合于形状规则的储氢器，储氢合金填充密度较低，增加了制造工序和成本，另外，经过较长时间吸放氢循环后，多孔储氢材料压块仍然会破碎粉化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，能够避免储氢合金吸放氢循环过程中在储氢装置中局部堆积压实，导致在储氢合金吸氢膨胀时对储氢器壁产生局部应力集中而造成储氢器损伤，能够提高固态储氢装置的安全性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，包括：
熔炼制备得到储氢合金；
对所述储氢合金进行破碎处理，获取储氢合金粉末；
将所述储氢合金粉末与高界面能硬脆性粉末均匀混合，并装入不锈钢管中，形成储氢合金粉体床；
将所述不锈钢管密封，并将所述不锈钢管抽真空，以形成单管储氢器。
进一步的，对所述储氢合金进行破碎处理，获取储氢合金粉末包括：
将所述储氢合金粗破碎至粒径小于2mm；
将经过粗破碎的储氢合金二次破碎至粒径小于500μm，得到储氢合金粉末。
进一步的，将所述不锈钢管焊接密封，并在所述不锈钢管的一端设置用于对其进行抽真空和充气的进出气细管和阀门。
进一步的，在所述不锈钢管的外表面粘贴若干片用于测试局部应力的应变片，且设置各所述应变片的间隔为50mm。
进一步的，所述储氢合金粉末为稀土系AB5型储氢合金、钛系AB2型储氢合金、钛系AB型储氢合金中的至少一种。
进一步的，所述稀土系AB5型储氢合金的通式为ABx，其中，A为La、Ce中的至少一种，B为Ni、Mn、Al、Co中的至少一种，4.5≤x≤5.5。
进一步的，所述钛系AB2型储氢合金的通式为ABy，其中，A为Ti、Zr中的至少一种，B为V、Cr、Fe、Mn中的至少一种，1.8≤y≤2.2。
进一步的，所述钛系AB型储氢合金的通式为TiFewMz，其中，M为Mn、Ni中的至少一种，0.8≤w+z≤1.0。
进一步的，所述高界面能硬脆性粉末为碳化硅粉末、氮化硅粉末中的至少一种。
进一步的，所述高界面能硬脆性粉末的添加量为1～30wt％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，在储氢合金粉末中添加高界面能硬脆性粉末，所形成的储氢合金粉体床，具有优异的抗粉末局部堆积结块性能，能够避免储氢合金吸放氢循环过程中在储氢装置中局部堆积压实，导致在储氢合金吸氢膨胀时对储氢器壁产生局部应力集中而造成储氢器损伤，能够提高固态储氢装置的使用安全，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本发明提供的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法中，储氢合金粉体床包括储氢合金粉末和高界面能硬脆性粉末，储氢合金粉末为稀土系储氢材料或钛系储氢材料中的至少一种，高界面能硬脆性粉末为碳化硅或氮化硅中的至少一种，高界面能硬脆性粉末的添加量为1～30wt％。
优选地，高界面能硬脆性粉末的添加量为3～20wt％。
更优选地，高界面能硬脆性粉末的添加量为5～10wt％。
本发明提供的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，包括如下步骤：
步骤一：熔炼制备得到储氢合金；
步骤二：将储氢合金粗破碎至粒径小于2mm；
步骤三：将经过粗破碎的储氢合金二次破碎至粒径小于500μm，得到储氢合金粉末；
步骤四：将储氢合金粉末与高界面能硬脆性粉末均匀混合，并装入不锈钢管中，形成储氢合金粉体床；
步骤五：将不锈钢管焊接密封，并将不锈钢管抽真空，以形成单管储氢器；
其中，在使用装有储氢合金粉末的不锈钢管时，保持不锈钢管水平放置。
储氢合金粉末为稀土系AB5型储氢合金、钛系AB2型储氢合金、钛系AB型储氢合金中的至少一种。
高界面能硬脆性粉末为碳化硅粉末、氮化硅粉末中的至少一种。
稀土系AB5型储氢合金的通式为ABx，其中，A为La、Ce中的至少一种，B为Ni、Mn、Al、Co中的至少一种，4.5≤x≤5.5。
钛系AB2型储氢合金的通式为ABy，其中，A为Ti、Zr中的至少一种，B为V、Cr、Fe、Mn中的至少一种，1.8≤y≤2.2。
钛系AB型储氢合金的通式为TiFewMz，其中，M为Mn、Ni中的至少一种，0.8≤w+z≤1.0。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需求，对相关工艺进行调整，本发明在此不作限制。
实施例一：
本实施例中，储氢合金采用稀土系AB5型储氢合金，其成分为LaNi4.9Co0.1。按照原子比为1:4.9:0.1的配比称取La、Ni、Co金属原材料，总质量为1000g。将称好的各合金组分放入真空感应炉中进行熔炼；将熔炼好的LaNi4.9Co0.1合金采用机械破碎机粗破碎成粒径小于2mm的合金粉末；将经过粗破碎的合金粉末密封于球磨罐中，在惰性气氛下进行机械球磨，设置球磨转速为400rpm，球磨时间为30min，经过球磨后的合金粉末的粒径小于500μm。
高界面能硬脆性粉末采用SiC超细粉，SiC超细粉的粒径小于10μm。称取SiC超细粉100g，加入到经过球磨后的合金粉末中，机械混合均匀。
将混合均匀的合金粉末装入外径为40mm、壁厚为2mm、长度为350mm的不锈钢管中，将不锈钢管两端焊接密封，一端设置进出气细管及阀门，从而组成单管储氢器。
将单管储氢器水平放置，在不锈钢管外表面粘贴5片应变片，每片应变片发间隔距离为50mm。对单管储氢器进行抽真空，排出管内空气。在室温下充入5MPa氢气，并保持该压力，使储氢合金吸氢饱和。测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为565με。
在室温下将单管储氢器对0.1MPa环境放氢30min，随后再充入5MPa氢气并保持该压力30min。重复上述吸、放氢步骤100次，最后在吸氢饱和状态下再次测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为685με。
实施例二：
本实施例中，储氢合金采用钛系AB2型储氢合金，其成分为TiMn1.2Cr0.5V0.4。按照原子比为1:1.2:0.5:0.4的配比称取Ti、Mn、Cr、V金属原材料，总质量为1000g。将称好的各合金组分放入真空感应炉中进行熔炼；将熔炼好的TiMn1.2Cr0.5V0.4合金采用机械破碎机粗破碎成粒径小于2mm的合金粉末；将经过粗破碎的合金粉末密封于球磨罐中，在惰性气氛下进行机械球磨，设置球磨转速为400rpm，球磨时间为30min，经过球磨后的合金粉末的粒径小于500μm。
高界面能硬脆性粉末采用Si3N4超细粉，Si3N4超细粉的粒径小于10μm。称取Si3N4超细粉80g，加入到经过球磨后的合金粉末中，机械混合均匀。
将混合均匀的合金粉末装入外径为40mm、壁厚为2mm、长度为350mm的不锈钢管中，将不锈钢管两端焊接密封，一端设置进出气细管及阀门，从而组成单管储氢器。
将单管储氢器水平放置，在不锈钢管外表面粘贴5片应变片，每片应变片的间隔距离为50mm。对单管储氢器进行抽真空，排出管内空气。在室温下充入5MPa氢气，并保持该压力，使储氢合金吸氢饱和。测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为610με。
在室温下将单管储氢器对0.1MPa环境放氢30min，随后再充入5MPa氢气并保持该压力30min。重复上述吸、放氢步骤100次，最后在吸氢饱和状态下再次测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为720με。
实施例三：
本实施例中，储氢合金采用钛系AB型储氢合金，其成分为TiFe0.7Mn0.2。按照原子比为1:0.7:0.2的配比称取Ti、Fe、Mn金属原材料，总质量为1000g。将称好的各合金组分放入真空感应炉中进行熔炼；将熔炼好的TiFe0.7Mn0.2合金采用机械破碎机粗破碎成粒径小于2mm的合金粉末；将经过粗破碎的合金粉末密封于球磨罐中，在惰性气氛下进行机械球磨，设置球磨转速为400rpm，球磨时间为30min，经过球磨后的合金粉末的粒径小于500μm。
高界面能硬脆性粉末采用SiC和Si3N4超细粉，SiC和Si3N4超细粉的粒径小于10μm。称取SiC和Si3N4超细粉各30g，加入到经过球磨后的合金粉末中，机械混合均匀。
将混合均匀的合金粉末装入外径为40mm、壁厚为2mm、长度为350mm的不锈钢管中，将不锈钢管两端焊接密封，一端设置进出气细管及阀门，从而组成单管储氢器。
将单管储氢器水平放置，在不锈钢管外表面粘贴5片应变片，每片应变片发间隔距离为50mm。对单管储氢器进行抽真空，排出管内空气。在室温下充入5MPa氢气，并保持该压力，使储氢合金吸氢饱和。测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为650με。
在室温下将单管储氢器对0.1MPa环境放氢30min，随后再充入5MPa氢气并保持该压力30min。重复上述吸、放氢步骤100次，最后在吸氢饱和状态下再次测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为835με。
实施例四：
本实施例中，储氢合金采用稀土系AB5型储氢合金，其成分为LaNi4.9Al0.1。按照原子比为1:4.9:0.1的配比称取La、Ni、Al金属原材料，总质量为1000g。将称好的各合金组分放入真空感应炉中进行熔炼；将熔炼好的LaNi4.9Al0.1合金采用机械破碎机粗破碎成粒径小于2mm的合金粉末；将经过粗破碎的合金粉末密封于球磨罐中，在惰性气氛下进行机械球磨，设置球磨转速为400rpm，球磨时间为30min，经过球磨后的合金粉末的粒径小于500μm。
将经过球磨后的合金粉末装入外径为40mm、壁厚为2mm、长度为350mm的不锈钢管中，将不锈钢管两端焊接密封，一端设置进出气细管及阀门，从而组成单管储氢器。
将单管储氢器水平放置，在不锈钢管外表面粘贴5片应变片，每片应变片发间隔距离为50mm。对单管储氢器进行抽真空，排出管内空气。在室温下充入5MPa氢气，并保持该压力，使储氢合金吸氢饱和。测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为590με。
在室温下将单管储氢器对0.1MPa环境放氢30min，随后再充入5MPa氢气并保持该压力30min。重复上述吸、放氢步骤100次，最后在吸氢饱和状态下再次测量单管储氢器管壁的应变值，测得最大应变值为3710με。
实施例一至实施例三中，添加了高界面能硬脆性粉末的单管储氢器，经过100次吸、放氢循环后，管壁轴向应变分布测试结果未出现明显的局部应变骤增现象，因此，添加高界面能硬脆性粉末能够显著提高固态储氢装置的使用安全，具有良好的应用前景。实施例四中，未添加高界面能硬脆性粉末的单管储氢器，经过100次吸、放氢循环后，管壁轴向应变分布测试结果出现局部应变5倍以上骤增现象，即储氢合金粉末出现局部堆积结块现象，导致局部应力集中，容易造成单管局部变形而发生损坏。
本发明实施例所提供的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，采用高界面能硬脆性粉末添加到储氢合金粉末中，能够避免储氢合金吸、放氢循环过程中在储氢装置中局部堆积压实并在储氢合金吸氢膨胀时对储氢器壁产生局部应力集中导致储氢器损伤，能够提高固态储氢装置的安全性。
以上仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，包括：
熔炼制备得到储氢合金；
对所述储氢合金进行破碎处理，获取储氢合金粉末；
将所述储氢合金粉末与高界面能硬脆性粉末均匀混合，并装入不锈钢管中，形成储氢合金粉体床；
将所述不锈钢管密封，并将所述不锈钢管抽真空，以形成单管储氢器。
2.根据权利要求1所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，对所述储氢合金进行破碎处理，获取储氢合金粉末包括：
将所述储氢合金粗破碎至粒径小于2mm；
将经过粗破碎的储氢合金二次破碎至粒径小于500μm，得到储氢合金粉末。
3.根据权利要求1所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，将所述不锈钢管焊接密封，并在所述不锈钢管的一端设置用于对其进行抽真空和充气的进出气细管和阀门。
4.根据权利要求1所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，在所述不锈钢管的外表面粘贴若干片用于测试局部应力的应变片，且设置各所述应变片的间隔为50mm。
5.根据权利要求1所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，所述储氢合金粉末为稀土系AB5型储氢合金、钛系AB2型储氢合金、钛系AB型储氢合金中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，所述稀土系AB5型储氢合金的通式为ABx，其中，A为La、Ce中的至少一种，B为Ni、Mn、Al、Co中的至少一种，4.5≤x≤5.5。
7.根据权利要求5所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，所述钛系AB2型储氢合金的通式为ABy，其中，A为Ti、Zr中的至少一种，B为V、Cr、Fe、Mn中的至少一种，1.8≤y≤2.2。
8.根据权利要求5所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，所述钛系AB型储氢合金的通式为TiFewMz，其中，M为Mn、Ni中的至少一种，0.8≤w+z≤1.0。
9.根据权利要求1所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，所述高界面能硬脆性粉末为碳化硅粉末、氮化硅粉末中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的改善固态储氢器中储氢合金粉体床对器壁产生局部应力集中的方法，其特征在于，所述高界面能硬脆性粉末的添加量为1～30wt％。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPH07330302A (ja) * | 1994-06-13 | 1995-12-19 | Toyama Pref Gov | 水素吸蔵合金容器の変形緩和方法 |
| CN110788331A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-14 | 江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司 | 含铜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 |
| CN114046444A (zh) * | 2021-08-02 | 2022-02-15 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种固态储氢装置 |
| CN115451337A (zh) * | 2022-08-08 | 2022-12-09 | 国能龙源环保有限公司 | 一种基于金属氢化物的储氢和储热系统及方法 |
-
2022
- 2022-12-23 CN CN202211662642.9A patent/CN115961160A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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