CN116336371A - 一种金属氢化物储氢罐 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储氢合金装置技术领域。本发明公开一种金属氢化物储氢罐，包括罐体、气体阀门、过滤头以及若干储氢单元；该储氢罐主要包括导气管、罐体封头、泡沫金属盘、金属圆盘、罐体、储氢材料粉末、散热翅片、膨胀石墨盘。若干储氢单元依次填充于罐体内，每个储氢单元内均填充有储氢材料粉末，且各储氢单元之间依次紧密贴合，与罐体封头相邻的储氢单元与罐体封头之间的空腔由泡沫金属盘支撑，有效防止储氢单元的移位，导气管贯穿若干储氢单元，够防止储氢合金粉末在储氢罐内的局部聚集，以确保储氢合金粉末在罐体内均匀分布，防止因应力过大导致罐体过量变形，保证使用安全性和寿命。本发明的金属氢化物储氢罐结构简单、易实现工业化生产。

Description

一种金属氢化物储氢罐

技术领域

本发明涉及储氢装置技术领域,具体为一种吸放氢速度稳定、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐。

背景技术

氢气是重要的工业原料，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工等方面都有着广泛地应用，除此之外，氢也是一种新型的二次能源，在新能源氢燃料电池汽车以及各类匹配氢燃料电池装置有者非常良好的应用前景，而在氢能源的使用过程中，不可避免的涉及到氢气的储存问题。

氢气的储存技术主要有高压气态储氢、低温液态储氢，以及金属氢化物储氢。高压气态储氢存在体积储氢密度低、使用压力高、容器和加氢设施价格昂贵以及安全性差等问题。而低温液态储氢存在低温储氢容器的体积过大、耗能大、易蒸发、成本高等问题。相比之下，采用金属合金作为氢气储存介质的固态储氢技术，具有使用压力低、安全性高、体积储氢密度高、使用条件温和等优点，目前是储氢技术的重要发展方向。

而采用金属合金材料作为储氢介质，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，在容器底部堆积，造成传热传质性能恶化进而造成吸放氢速度变慢；另外堆积的细粉在吸氢过程会发生膨胀，对容器壁产生较大应力，严重时会发生变形甚至破裂，造成安全事故。

此外，仍存在吸放氢传导热性能差，金属合金材料填充量少，吸放氢容量低、金属合金材料板结的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有储氢合金反应床装置存在的储氢密度低、导热性能差、合金填充量少、吸放氢容量低、储氢合金容易板结的问题中的至少一个。

本发明提供一种吸放氢速度稳定、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，包括包括罐体、罐体封头、罐底、气体阀门、导气、储氢材料粉末和若干储氢单元，其中：所述罐体一端固接有罐体封头，罐体的另一端固接有罐底以形成密闭的储气罐，若干所述储氢单元依次填充于所述罐体内，每个储氢单元内均填充有所述储氢材料粉末，且各储氢单元之间依次紧密贴合，所述导气管贯穿全部所述储氢单元，所述罐体封头外部的连接所述气体阀门。

在一个实施例中，所述储氢单元包括散热翅片、金属圆盘、膨胀石墨盘，所述散热翅片连接在所述金属圆盘靠近所述气体阀门的一侧；所述膨胀石墨盘固接在所述金属圆盘远离气体阀门的一侧；所述金属圆盘与膨胀石墨盘上均开设有通孔，所述导气管通过所述通孔贯穿所述散热翅片、金属圆盘、所述膨胀石墨盘并导通连接所述储氢单元；所述散热翅片与金属圆盘可导热的连接在一起，所述储氢材料粉末填充在所述散热翅片与金属圆盘的空腔中。

在一个实施例中，所述散热翅片的直径、金属圆盘、膨胀石墨盘的直径均稍小于所述罐体的内径，使得所述散热翅片、金属圆盘、膨胀石墨盘稳固的置于所述罐体内，同时使得所述散热翅片与所述罐体的内壁为间隙配合。

在一个实施例中，所述膨胀石墨盘是由膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成。

在一个实施例中，所述金属圆盘上开设有若干金属圆盘气孔。

在一个实施例中，所述储氢材料粉末中混有2％质量分数膨胀石墨。

在一个实施例中，所述导气管为不锈钢多孔管。

在一个实施例中，还包括过滤头，所述过滤头设置于所述罐体内；从而所述罐体的气体经由所述过滤头过滤后再与所述气体阀门连通。

在一个实施例中，所述过滤头的孔隙率为1μm～5μm。

在一个实施例中，还包括泡沫金属盘，与所述罐体封头相邻的储氢单元与所述罐体封头之间的空腔由所述泡沫金属盘支撑。

本发明具有以下技术效果：

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单元中，能够吸收储氢材料吸氢膨胀而产生的应力，避免了储氢材料粉末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、本发明通过储氢单元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、易实现工业化生产。

4、本发明通过设置散热翅片，在径向上分隔储氢单元空间，使储氢材料粉末在径向空间上均匀分布，这有利于罐体与外部环境形成快速换热，以及避免应力集中，对罐体造成破坏。

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为本发明一种吸放氢速度稳定、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐的结构示意图；

图2为本发明中散热翅片与金属圆盘的结构俯视图；

图3为本发明中膨胀石墨圆的结构俯视图；

图4为本发明中散热翅片与金属圆盘的结构透视图；

图5为本发明中散热翅片与金属圆盘与膨胀石墨圆盘层与导气管组合结构透视图；

其中：气体阀门(1)、罐体封头(2)、泡沫金属盘(3)、散热翅片

(4)、导气管气孔(5)、金属圆盘(6)、罐底(7)、垫片(8)、过滤头(9)、导气管(10)、储氢材料粉末(11)、膨胀石墨盘(12)、罐体(13)、通孔(14)、金属圆盘气孔(15)、散热翅片气孔(16)。

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1～4，本发明公开一种吸放氢速度稳定、传热传质效果好的金属氢化物储氢罐，包括气体阀门1、罐体13、导气管10以及若干储氢单元；

罐体13一端固接有罐体封头2，罐体13的另一端固接有罐底7，以形成密闭的储气罐，罐体封头2厚为10mm～20mm，罐底7厚为5mm～10mm。

气体阀门1位于罐体外，罐体封头2外部通过螺旋接口连接所述气体阀门1；过滤头9位于罐体内；从而罐体13的气体经由过滤头9过滤后再与气体阀门1连通。

若干储氢单元依次填充于所述罐体内，每个储氢单元内均填充有储氢材料粉末11，且各储氢单元之间依次紧密贴合，与所述罐体封头相邻的储氢单元与所述罐体封头之间的空腔由泡沫金属盘3支撑，有效防止储氢单元的移位，导气管10贯穿全部的所述储氢单元。本发明的金属氢化物储氢罐结构简单、易实现工业化生产。

进一步的，罐体的总高度为400mm～1200mm。

进一步的，储氢单元包括散热翅片4、金属圆盘6、膨胀石墨盘12，金属圆盘6与膨胀石墨盘12的外径与罐体12内腔形状一致，为间隙配合，散热翅片4以金属圆盘6的圆心为中心呈放射状直立焊接在金属圆盘6靠近气体阀门1的一侧，从而与金属圆盘6实现可导热的连接，膨胀石墨盘12固接在金属圆盘6远离气体阀门1的一侧；金属圆盘6、膨胀石墨盘12上均开设有通孔14，导气管10通过通孔14贯穿散热翅片4、金属圆盘6、膨胀石墨盘9；储氢材料粉末11填充在散热翅片4和金属圆盘6空腔中。本发明通过散热翅片4、金属圆盘6、膨胀石墨盘9组成储氢单元，并将此储氢单元填充在罐体内，极大的避免了储氢材料粉末11在罐体13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11吸氢膨胀而产生的应力也可以被膨胀石墨层充分的吸收，避免了储氢材料粉末11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4的直径、金属圆盘6、膨胀石墨盘9的直径均稍小于罐体13的内径，使得散热翅片4、金属圆盘6、膨胀石墨盘9稳固的置于罐体内，同时使得散热翅片4与罐体13内壁为间隙配合，保证散热翅片4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14的直径稍大于导气管10的直径，方便导气管10贯穿散热翅片4、金属圆盘6、膨胀石墨盘9。

进一步的，金属圆盘6为铜片，或者其他铝、铝合金、或铜合金等任一种导热金属材料制成金属片，金属圆盘6的厚度为0.3mm～0.5mm，金属圆盘6上开设有若干金属圆盘气孔15，若干金属圆盘气孔15沿周向等距分布，金属圆盘气孔15的直径为2mm～5mm。金属圆盘6能够有效提高储氢罐内部的传热效率，进而提高吸放氢速率和储氢罐使用效率；在金属圆盘6上开设金属圆盘气孔15，能够提高氢气的通过效率，提高传热效率。

进一步的，膨胀石墨盘12是由膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成，膨胀石墨盘12的厚度为1mm～2mm，膨胀石墨盘可以缓解储氢合金材料粉末膨胀产生的应力。

膨胀石墨盘12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12还能够较好的将储氢材料粉末封装在散热翅片4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，散热翅片4由铝、铝合金、铜或铜合金等任一种导热金属材料制成，散热翅片4的高度为10mm～20mm。该实施例的散热翅片4包括圆管体及以该圆管体呈中心放射状排列连接的垂直片，其中相邻垂直片之间的圆管体上设置有散热翅片气孔16以用于和导气管10上的导气管气孔5导通连接。

采用散热翅片4分隔储氢材料粉末，散热翅片4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，散热翅片4采用铝、铝合金、铜或铜合金高导热金属制成能够有效提高传热传质效率。

进一步的，储氢材料粉末11为稀土系AB₅型储氢合金、钛系AB₂型储氢合金、钛系AB型储氢合金或Mg基储氢合金中的至少一种，储氢材料粉末11的粒径范围为0.1mm～1mm，为提升传热速率储氢材料粉末11中混有2％质量分数膨胀石墨。

进一步的，罐体13为铝合金无缝管或不锈钢无缝管，罐体13的外径为60mm～100mm，罐体13的壁厚为3mm～5mm。

进一步的，所述导气管10位于金属圆盘6的中心，所导气管10为不锈钢多孔管，其中上设置有用于导通连接至每个储氢单元的导气管气孔5，导气管10的直径为4mm～10mm。

进一步的，过滤头9是由粉末冶金方式加工而成的金属管状结构，过滤头9的直径为8mm～15mm，过滤头9的孔隙率为1μm～5μm。过滤头9能够起到氢气快速输入和输出的目的，同时过滤头9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，过滤头9为中空结构，过滤头9通过螺旋接口与罐体封头2连接。

进一步的，与罐体封头2相邻的储氢单元与罐体封头2之间的距离为20mm～40mm，主要用于过滤头9与罐体封头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7和经过打磨、抛光、清洗后的罐体13进行焊接，焊接完成后，先将散热翅片4和金属圆盘6进行焊接，将膨胀石墨盘12、金属圆盘6和散热翅片4依次放入罐体13，完成之后将导气管10插入储氢单元的通孔14，使导气管气孔5与散热翅片气孔16一一对应以实现导通连接至每个储氢单元，向散热翅片4内填充储氢材料粉末至散热翅片4的高度，完成一个储氢单元的填充，重复进行上述填充过程直至完成对所有储氢单元的填充，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散热翅片4与金属圆盘6中，在最后一个储氢单元靠近罐体封头2的一侧放入金属圆盘6并与罐体焊接，并将导气管10与金属圆盘6在通孔(14的连接处焊接，之后在空腔处放置泡沫金属盘3，完成之后,将罐体封头2与过滤头9螺旋连接，连接完成后将罐体封头2与罐体13进行焊接，焊接完成后将气体阀门1螺旋连接在罐体封头2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400mm，罐体13的材质为314L不锈钢，罐体13的外径为60mm，罐体13的壁厚为3mm，罐底7的厚度为5mm，罐体封头2厚度为10mm。

导气管10为不锈钢多孔管，导气管10的外径为4mm，导气管10的壁厚为1mm，导气管10的长度为367mm；

过滤头9的孔隙率为1～5μm，既可以为氢气的充放提供流通通道，又可以防止粉化后的合金粉末进入阀门；

金属圆盘6的材质为铜，金属圆盘6的外径为33mm，金属圆盘6的厚度为0.3mm，金属圆盘6上开有4个金属圆盘气孔15，金属圆盘气孔15的直径为4mm；

膨胀石墨盘12的厚度为1mm，由80目的膨胀石墨蠕虫压制而成；

散热翅片4的厚度为0.3mm，高度为10mm；

储氢材料为TiFe型储氢合金，该合金经1～2次循环吸放氢后即可完全活化，储氢容量达1.7％，储氢材料的粒径范围为0.1mm～1mm，添加有2wt％的膨胀石墨，储氢材料粉末的填充总质量为2.4kg，储氢量为36.4g。

工作原理：在使用时，通过在罐体13内的导气管10上固定设置有若干个金属圆盘6与散热翅片4，以及膨胀石墨盘12，不仅能够起到加强支撑的作用，改善储氢合金粉末床体的换热性能，以确保金属氢化物储氢罐吸和放氢的快速进行，而且能够防止储氢合金粉末在储氢罐内的局部聚集，以确保储氢合金粉末在罐体内均匀分布，防止因应力过大导致罐体过量变形，储氢合金在吸氢过程产生的应变一部分被膨胀石墨盘12吸收保证使用安全性和寿命，通过将散热翅片4在径向上均匀分隔，能够进一步使得储氢合金粉末分布的更均匀，以避免储氢合金材料11发生大面积结块，进一步增加了储氢合金粉末床体的换热性能，另外，通过设置有泡沫金属盘3，能够进一步增加储氢罐的支撑强度，减少外界的撞击对储氢罐内部的影响，防止罐体发生变形甚至破裂，防止引发安全事故。

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，仅为本发明的优选方式进行描述，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属氢化物储氢罐，其特征在于，包括：罐体(13)、罐体封头(2)、罐底(7)、气体阀门(1)、导气管(10)、储氢材料粉末(11)和若干储氢单元，其中：所述罐体(13)一端固接有罐体封头(2)，罐体(13)的另一端固接有罐底(7)以形成密闭的储气罐，若干所述储氢单元依次填充于所述罐体(13)内，每个储氢单元内均填充有所述储氢材料粉末(11)，且各储氢单元之间依次紧密贴合，所述导气管(10)贯穿全部所述储氢单元，所述罐体封头(2)外部的连接所述气体阀门(1)。

2.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述储氢单元包括散热翅片(4)、金属圆盘(6)、膨胀石墨盘(12)，所述散热翅片(4)连接在所述金属圆盘(6)靠近所述气体阀门(1)的一侧；所述膨胀石墨盘(12)固接在所述金属圆盘(6)远离气体阀门(1)的一侧；所述金属圆盘(6)与膨胀石墨盘(12)上均开设有通孔(14)，所述导气管(10)通过所述通孔(14)贯穿所述散热翅片(4)、金属圆盘(6)、所述膨胀石墨盘(12)并导通连接所述储氢单元；所述散热翅片(4)与金属圆盘(6)可导热的连接在一起，所述储氢材料粉末(11)填充在所述散热翅片(4)与金属圆盘(6)的空腔中。

3.根据权利要求2所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述散热翅片(4)的直径、金属圆盘(6)、膨胀石墨盘(9)的直径均稍小于所述罐体(13)的内径，使得所述散热翅片(4)、金属圆盘(6)、膨胀石墨盘(9)稳固的置于所述罐体(13)内，同时使得所述散热翅片(4)与所述罐体(13)的内壁为间隙配合。

4.根据权利要求2所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述膨胀石墨盘(12)是由膨胀后的膨胀石墨蠕虫压制而成。

5.根据权利要求2所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述金属圆盘(6)上开设有若干金属圆盘气孔(15)。

6.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述储氢材料粉末(11)中混有2％质量分数膨胀石墨。

7.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述导气管(10)为不锈钢多孔管。

8.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：还包括过滤头(9)，所述过滤头(9)设置于所述罐体(13)内；从而所述罐体(13)的气体经由所述过滤头(9)过滤后再与所述气体阀门(1)连通。

9.根据权利要求8所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：所述过滤头(9)的孔隙率为1μm～5μm。

10.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢罐，其特征在于：还包括泡沫金属盘(3)，与所述罐体封头(2)相邻的储氢单元与所述罐体封头(2)之间的空腔由所述泡沫金属盘(3)支撑。

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