CN116085671A - 一种振动回转式储氢合金快速反应装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振动回转式储氢合金快速反应装置及方法，包括振动试验台，所述振动试验台与高频振动电机连接，振动试验台底部的支撑架上设置缓冲弹簧钢片；所述振动试验台的台面上安装支架，支架上设置旋转杆，旋转杆上固定旋转床，所述旋转杆通过联轴器与低速电机相连；所述振动试验台整体设置在绝热耐压外壳的内部；本发明的振动回转式储氢合金快速反应装置，最终可实现反应床内合金颗粒安全填充率更高，填充密度更均匀稳定，粉化合金板结现象明显好转，吸放氢动力学得到改善，大幅度降低反应床局部应力过大引起的塑变失效，提高反应床安全可靠性，不仅延长反应床的循环使用寿命同时提高了系统储氢密度和安全填充率。
Description
技术领域
本发明涉及储氢合金技术领域，具体涉及一种振动回转式储氢合金快速反应装置及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
相比于传统能源，氢能源因其特有的优越性，受到国际社会的关注。储氢合金不仅重量储氢密度远高于高压气罐储氢和液态储氢，而且具备更高的安全可靠性，其储氢条件温和，对环境友好，且吸放氢过程中伴随着明显的显热效应，在能源储存利用和转换领域有巨大的发展潜力，加之我国镁镍和稀土资源丰富，为其发展提供强有力保障，储氢合金产业化应用前景广阔。目前储氢合金的应用仅在电池领域比较成熟，其他领域有待发展。储氢合金的应用不仅取决于合金本身的特性，储氢反应床的承受能力也是至关重要的，两者应协同发展。储氢合金吸氢后晶格体积发生膨胀，限制合金生长的反应床承受晶格膨胀带来的应变，包括轴向和周向应变，加之吸放氢过程中晶格不断涨缩，内部存在裂纹，经过多个吸放氢循环，合金粉化至微米级。
储氢反应床的性能直接取决于其反应床的材料和结构设计，其中结构设计更为主要，缓解合金粉化团聚是结构设计的主要任务，合金粉化团聚严重影响了反应床的使用寿命。发明人发现，现有的储氢反应床主要存在以下问题：①合金粉化团聚，沉积在反应床底部，增大与床体之间的摩擦，导致床体极易膨胀、变形和失效；②合金粉化导致热导率降低，传热困难，阻碍吸放氢进程，降低吸放氢速率；③合金粉化团聚增加气体扩散阻力，阻碍床体内合金的传质过程；④合金粉化易造成管道堵塞，造成安全隐患。因此，亟需一种能够解决上述问题的储氢反应床，以提高储氢装置的可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种振动回转式储氢合金快速反应装置及方法，能够提高系统传热传质性能、加快吸放氢进程以及有效提升床体可靠性。
本发明的技术方案如下：
在本发明的第一方面，提供了一种振动回转式储氢合金快速反应装置，包括振动试验台，所述振动试验台与高频振动电机连接，振动试验台底部的支撑架上设置缓冲弹簧钢片；所述振动试验台的台面上安装支架，支架上设置旋转杆，旋转杆上固定旋转床，所述旋转杆通过联轴器与低速电机相连；所述振动试验台整体设置在绝热耐压外壳的内部。
在本发明的一些实施方式中，所述储氢反应床的内部设置有氢气主管，所述氢气主管经过氢气支管与导气管相连。
在本发明的一些实施方式中，所述储氢反应床内部氢气管道之间填充储氢合金、导热剂和包裹相变材料。
在本发明的一些实施方式中，所述支架通过螺母固定在振动试验台的台面上，通过支架向储氢反应床传递振动，储氢反应床通过固定卡套固定在旋转杆上。
在本发明的一些实施方式中，所述旋转杆的内部设置管路通道，管路通道的氢气管道与储氢反应床的氢气主管相连。
在本发明的一些实施方式中，旋转杆内的氢气管路经过旋转接头与高压储氢装置或用氢仪器设备相连通。
在本发明的一些实施方式中，所述支撑架设置在底座上，所述底座通过螺栓固定在绝热耐压外壳上。
在本发明的一些实施方式中，所述绝热耐压外壳上设置PLC控制单元，通过PLC控制器控制低速电机和高频振动电机，实现储氢反应床的旋转和振动。
在本发明的一些实施方式中，所述储氢反应床在吸氢过程中呈高频150-200Hz振动状态。
在本发明的第二方面，提供了一种振动回转式储氢合金快速反应方法，在吸放氢循环中，储氢反应床处于高频振动和低速旋转的状态，使储氢反应床内的合金颗粒在一定范围内进行无序跳动旋转，加快合金颗粒快速反应。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
1、本发明中储氢反应床为振动圆周回旋式，长径比约为0.2～0.5，在吸氢工作过程中呈高频150～200Hz振动状态，通过振动向体系内引入能量，合金始终处于一定频率的振动状态，合金在反应床内“跳动旋转”，实际上加速了微颗粒的下沉降，通过反应床旋转，下部微颗粒位置发生变换，继续下沉降，颗粒在反应床内做回旋往复运动，可快速的使得合金颗粒混匀，从原理上克服了静态合金反应床吸放氢过程中产生的沉降效应和循环压缩效应。储氢合金呈固定频率的“跳动”以及低速旋转，有效阻止了合金的沉降板结，缓解了静置反应床内普遍存在的由合金吸氢膨胀引起的循环压缩效应、人工装填的不均匀度以及微米级颗粒的沉降效应，是新型、简单、可靠、高效的反应床体应力缓解措施，大幅度提升了床体的安全可靠性并改善吸放氢性能。
2、本发明选用Mg-Ni系二元合金，其吸氢晶格体积膨胀率为15～20％，在一个吸放氢循环时间～600s内，静止反应床会产生沉降效应和循环压缩效应，即小尺寸颗粒充分沉降，合金相对密度由开口端(进氢侧)至封闭端(远离进氢侧)增加，对于横置反应床，合金颗粒主要聚集在床体下表面，合金密度由开口端沿轴向升高2.5～6％不等，而对于竖置反应床，床体底部的沉降严重。合金吸放氢循环中粉化至微米级颗粒，沉降至反应床底部，造成底部局部密度增加，合金再次吸氢时，合金膨胀空间不足，出现板结并伴随应力累计现象，反应床壁承受的应力升高，易导致静态横置反应床下表面或竖置反应床底部塑变失效甚至破裂。而本发明中合金始终处于旋转振动态，在反应床内保持无序运动克服沉降效应，使得合金能够充分利用反应床内的空间吸氢膨胀，同时反应床通过振动传递能量，抵消合金的重力势能以及和床壁摩擦损耗的内能，从原理上克服沉降效应和循环压缩效应，相比于传统反应床应力缓解技术手段(增加床体强度、牺牲系统储氢密度、严格控制储氢合金填充量和工作条件等)具有显著的优越性。
3、本发明通过将固定储氢反应床的夹具与振动试验台和低速电机连接，使得反应床内合金颗粒始终处于无序“跳动旋转”状态，一方面克服合金自身的下降效应，有效防止微米级粉末沉积到反应床空间下部，反应床局部填充率更加均匀稳定，降低床体下部应力集中风险，合金颗粒在反应床内部的均匀分布使得反应床受力更加均匀，提升了反应床的整体安全性；另一方面可抵消吸氢循环过程中因与床壁的摩擦损耗的内能，很大程度上缓解了循环压缩效应，抑制合金颗粒的板结，使得合金可以充分膨胀完全吸氢，又由于合金颗粒不停的变换位置，反应床内部的空间得到充分利用，储氢合金自由膨胀，还能大大提高反应床的安全填充率。最终可实现反应床内合金颗粒安全填充率更高，填充密度更均匀稳定，粉化合金板结现象明显好转，吸放氢动力学得到改善，大幅度降低反应床局部应力过大引起的塑变失效，提高反应床安全可靠性，不仅延长反应床的循环使用寿命同时提高了系统储氢密度和安全填充率。
4、在本发明储氢合金反应床设计中，床体内部应力得到极大缓解，安全填充率可实现50％以上。且由于储氢合金处于无序“跳动旋转”状态，反应床内储氢合金的局部填充密度均匀性稳定，合金可充分吸氢膨胀，因此其安全填充率大幅增长，储氢密度和反应床装置的性价比得到明显改善。
附图说明
图1为本发明储氢合金快速反应装置的示意图一；
图2为本发明储氢合金快速反应装置的示意图二；
图3为本发明储氢合金快速反应装置的示意图三；
图4为本发明一个实施例的储氢反应床结构图一；
图5为图4的储氢反应床结构图二；
图6为本发明另一个实施例的储氢反应床结构图一；
图7为图6的储氢反应床结构图二；
图8为现有技术中静置竖置反应床储氢合金涨缩粉化移动示意图；
图9为现有技术中静置横置反应床储氢合金涨缩粉化移动示意图；
图10为本发明储氢反应床内储氢合金涨缩粉化移动示意图。
图中：1、绝热耐压外壳；2、旋转接头；3、支架；4、固定卡套；5、储氢反应床；6、旋转杆；7、低速电机；8、PLC控制单元；9、启停按钮；10、电机底座；11、振动试验台；12、缓冲弹簧钢片；13、高频振动电机；14、支撑架；15、底座；16、电源插头；17、上部自锁快开搭扣；18、下部自锁快开搭扣；19、储氢单元；20、导热剂；21、包裹相变材料；22、三向管接头；23、导气管；24、氢气支管；25、两向管接头；26、氢气主管；27、外壳；28、静置竖置反应床；29、储氢合金颗粒；30、细颗粒；31、微细颗粒。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，提出了一种振动回转式储氢合金快速反应装置，如图1-3所示，包括振动试验11，所述振动试验台11与高频振动电机13连接，振动试验台11底部的支撑架14上设置缓冲弹簧钢片12；所述振动试验台的台面上安装支架3，支架上设置旋转杆6，旋转杆上固定储氢反应床5，所述旋转杆6通过联轴器与低速电机7相连；所述振动试验台11整体设置在绝热耐压外壳1的内部。
振动试验台11能够在高频振动电机13的作用下实现高频振动，并通过支架将振动传递给储氢反应床，同时储氢反应床还能在低速电机7的驱动下绕旋转杆6进行低速旋转，支撑架14用来支撑整体的振动试验台，通过设置的缓冲弹簧钢片能起到缓冲的作用，保证了储氢反应床振动的稳定性。
进一步地，低速电机7为超低速齿轮减速电机，通过电机底座10固定在振动试验台台面11上，保证储氢反应床能够稳定低速旋转；高频振动电机13为低噪高频振动电机，确保储氢反应床能以不同的频率运作。
储氢反应床5通过夹具固定在振动试验台上，所述夹具为固定卡套4、旋转杆6以及支架3一体组成，用于固定储氢反应床5，实现振动和旋转的联动支架3，具体的，支架3通过螺母固定在振动试验台11的台面上，储氢反应床5通过固定卡套4固定在旋转杆上，可以绕旋转杆6转动，固定卡套4可调节内径大小，适用于不同大小的储氢反应床，应用范围广。
进一步地，所述储氢反应床的外壳配套加热设备，工作温度-20～400℃，并做绝热保温处理。
进一步地，所述支撑架14设置在底座15上，所述底座15通过螺栓固定在绝热耐压外壳1上。
所述支架3上设置旋转杆6，所述旋转杆6的内部设置管路通道，管路通道的氢气管道通过旋转接头与储氢反应床的氢气主管26相连。
旋转杆内的氢气管路经过旋转接头2与高压储氢装置或用氢仪器设备相连通。
如图4-5所示，所述储氢反应床5的内部设置有氢气主管26，所述氢气主管26经过氢气支管24与导气管23相连；具体的，导气管23通过三向管接头22或者是两向管接头25与氢气支管24连通，实现氢气的吸放。两向管接头25设置在氢气支管24的末端，用于实现氢气支管24与导气管23连通，三向管接头22设置在连接支管24除末端位置的其余与导气管连通的位置。
储氢反应床5的外壳为电加热外壳27，带有加热器，所述储氢反应床内部氢气管道之间填充储氢合金、导热剂20和包裹相变材料21。
作为本发明的另一个实施例，如图6-7，储氢反应床5内包含若干个标准储氢单元19，具体数量根据实际情况而定，储氢单元为标准单元氢气罐内部填充有储氢合金颗粒29、导热剂20和包裹相变材料21，标准单元氢气罐外部与储氢反应床5之间填充有导热剂20和包裹相变材料21，标准单元氢气罐顶部设置过滤密封垫片，然后通过氢气主管与带气体密封结构的固定接头连通，实现吸放氢。
通过导热剂和包裹相变材料实现热量传递和循环，同时利用高频振动电机使得反应床150～200Hz定频振动，储氢反应床5内导热剂20、包裹相变材料21和储氢合金29均处于无序“跳动旋转”状态，使得反应床内部储氢合金分布更加均匀稳定，粉化合金板结现象明显好转，吸放氢动力学得到改善，大幅度降低反应床局部应力过大引起的塑变失效，提高反应床安全可靠性，延长反应床的循环使用寿命，提高系统储氢密度和安全填充率。
进一步地，导热剂20为膨胀石墨(ENG)以及类泡沫镍或铝开孔材料，前者热导率为400～2000W/(m·K)，密度2.2g/mL，后者孔隙率50～80％、密度0.2～0.5g/cm3、热导率8～12Wm-1K-1；包裹相变材料21为类表面镀铜或银的NaNO3晶体颗粒，可为类圆柱状，当量直径为3～5mm，密度2.2～2.4g/cm3，热传导率0.4～0.6Wm-1K-1，液相线温度307℃，固相线温度306℃；储氢合金为高温镁系A2B型，344℃吸氢压力1.5MPa，270℃放氢压力0.2MPa，理论储氢密度3.6wt％，热导率1～3Wm-1K-1。
绝热耐压外壳1的侧面和盖板分别分布着若干个上部自锁快开搭扣17和下部自锁快开搭扣18，方便打开绝热耐压外壳，换修储氢反应床内部构件，所述绝热耐压外壳1上设置PLC控制单元8，通过PLC控制器控制低速电机7和高频振动电机13，实现储氢反应床的旋转和振动；PLC控制显示单元8能够实时监测储氢反应床5内储氢压力、温度、床体应力、氢气流量、振动频率等主要参数，并具备自动记录历史数据、异常自动分析声光报警等功能；PLC控制单元8上设有就地启停按钮9，能够随时控制装置的启停。
进一步地，储氢合金反应装置还设置有电源插头16，用于连通电源，为储氢反应床5、PLC控制单元8和储氢反应床的外壳27提供电能。
本实施例中，储氢反应床5为圆柱形，高径比约0.2～0.5，储存容量可按照不同场合需氢量设计，在此不再赘述。
将现有技术中的静置竖置反应床、静置横置反应床和本实施例中的储氢反应床内的储氢合金涨缩粉化移动进行对比分析：
如图8所示，对于静置竖置反应床28而言，其应力集中在床体下部1/4长度范围内，储氢合金29初始状态分布见图8(1)，合金吸放氢循环中金属颗粒29开始粉化，部分金属颗粒29破碎粉化为细颗粒30和微细颗粒31，粉化后的细颗粒30和微细颗粒31在重力效应下沉降至竖置储氢反应床28或标单元储氢罐底部，并且在循环压缩效应的共同作用下，造成竖置储氢反应床28或标单元储氢罐底部局部密度持续增加，合金再次吸氢时，合金膨胀空间不足，出现板结并伴随应力累计现象，反应床壁承受的应力升高，竖置储氢反应床28或标准竖置单元储氢罐底部最先出现变形，最终塑变失效甚至破裂。
如图9所示，对于静置横置反应床32，应力集中在床体下表面，合金密度由开口端沿轴向升高2.5～6％不等，储氢合金29初始状态分布见图9(1)，多次吸放氢循环后，合金发生破碎粉化，部分金属颗粒29破碎粉化为细颗粒30和微细颗粒31，粉化后的细颗粒30和微细颗粒31在重力效应下沉降至横置储氢反应床32或标准单元储氢罐下表面，并且在循环压缩效应的共同作用下，造成横置储氢反应床32或标准单元储氢罐下表面局部密度持续增加，合金再次吸氢时，合金膨胀空间不足，出现板结并伴随应力累计现象，反应床壁承受的应力升高，横置储氢反应床32或标准单元储氢罐下表面最先出现塑变失效甚至破碎。
如图10所示，本实施例的储氢反应床5，吸放氢循环中呈高频150～200Hz振动状态，储氢反应床5内或者标准单元储氢罐内合金颗粒在一定范围内处于无序“跳动旋转”状态，合金初始分布见图10(1)，尽管合金破碎粉化过程不可避免，但合金在反应床内一定空间内保持无序运动克服下降效应，使得合金能够充分利用反应床内的空间吸氢膨胀，同时反应床通过振动传递能量，抵消合金的重力势能以及和床壁摩擦损耗的内能，从原理上克服沉降效应和循环压缩效应，最终实现合金在反应床内的均匀稳定分布见图10(3)，使得合金可以充分膨胀完全吸氢，又由于合金颗粒不停的变换位置，储氢反应床5内部的空间得到充分利用，大大提高反应床的安全填充率。
综上所述，本实施例的振动回转式储氢合金快速反应装置，最终可实现反应床内合金颗粒安全填充率更高，填充密度更均匀稳定，粉化合金板结现象明显好转，吸放氢动力学得到改善，大幅度降低反应床局部应力过大引起的塑变失效，提高反应床安全可靠性，不仅延长反应床的循环使用寿命同时提高了系统储氢密度和安全填充率。
实施例2
本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种振动回转式储氢合金快速反应方法，在吸放氢循环中，储氢反应床处于高频振动和低速旋转的状态，使储氢反应床内的合金颗粒在一定范围内进行无序跳动旋转，加快合金颗粒快速反应。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，包括振动试验台，所述振动试验台与高频振动电机连接，振动试验台底部的支撑架上设置缓冲弹簧钢片；所述振动试验台的台面上安装支架，支架上设置旋转杆，旋转杆上固定旋转床，所述旋转杆通过联轴器与低速电机相连；所述振动试验台整体设置在绝热耐压外壳的内部。
2.如权利要求1所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述储氢反应床的内部设置有氢气主管，所述氢气主管经过氢气支管与导气管相连。
3.如权利要求2所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述储氢反应床内部氢气管道之间填充储氢合金、导热剂和包裹相变材料。
4.如权利要求1所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述支架通过螺母固定在振动试验台的台面上，通过支架向储氢反应床传递振动，储氢反应床通过固定卡套固定在旋转杆上。
5.如权利要求2所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述旋转杆的内部设置管路通道，管路通道的氢气管道与储氢反应床的氢气主管相连。
6.如权利要求5所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，旋转杆内的氢气管路经过旋转接头与高压储氢装置或用氢仪器设备相连通。
7.如权利要求1所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述支撑架设置在底座上，所述底座通过螺栓固定在绝热耐压外壳上。
8.如权利要求1所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述绝热耐压外壳上设置PLC控制单元，通过PLC控制器控制低速电机和高频振动电机，实现储氢反应床的旋转和振动。
9.如权利要求1所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，所述储氢反应床在吸氢过程中呈高频150-200Hz振动状态。
10.一种振动回转式储氢合金快速反应方法，采用如权利要求1-9任一项所述的振动回转式储氢合金快速反应装置，其特征在于，在吸放氢循环中，储氢反应床处于高频振动和低速旋转的状态，使储氢反应床内的合金颗粒在一定范围内进行无序跳动旋转，加快合金颗粒快速反应。
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