CN117006401B - 固态储氢件的制造设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种固态储氢件、固态储氢件的制造设备及制造方法，固态储氢件包括多个依次层叠的固氢层，固氢层包括多个固氢纤维，各固氢纤维沿排布方向彼此间隔地布置，排布方向与固氢纤维的长度方向呈夹角布置，且各固氢层的排布方向与相邻的固氢层的排布方向呈夹角布置。固态储氢件的制造设备包括上模座、下模座、模体、下冲头、填料结构、上冲头和模体驱动装置，模体上具有多个模孔，下冲头可伸缩地连接于模孔的一端；上冲头可伸缩地连接于模孔的另一端，上冲头用于压抵模孔中的物料，以使模孔中形成压坯；该制造设备可制造出内部组织均匀、透气性良好的固态储氢件。固态储氢件的制造方法用于制造出内部组织均匀、透气性良好的上述固态储氢件。

Description

固态储氢件的制造设备及制造方法

技术领域

本申请属于固态储氢技术领域，更具体地说，是涉及一种固态储氢件的制造设备及制造方法。

背景技术

氢能是一种清洁、高效、可再生的绿色能源，它具有高热值、无污染、零排放等优点，因此被誉为完美能源。根据氢气的来源，可以将氢气分为灰氢、蓝氢、绿氢等。其中，绿氢是通过电解水制得的氢气，并且在制备过程中可以实现零碳排放量，因此也被称为最纯正的绿色能源。电解水的电能可以来源于其他可再生能源，例如太阳能发电、水力发电、风力发电等。由于氢能是一种二次能源(一次能源经过加工，转化成另一种形态的能源)，它能够避免太阳能、风能等一次能源的峰谷波动，使能源供应更加稳定。而要实现氢能的稳定供应，对于氢能的储存便尤为重要。

现有的储氢手段主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、气液混合储氢和固态储氢。其中，固态储氢具有储存密度高、储存时间长、安全性高、对储存设备友好等优点。然而，目前固态储氢件的结构较为简单，充放氢效率不高。现有的制造固态储氢件的制造设备也难以生产出具有复杂结构、充放氢效率更高的固态储氢件。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种固态储氢件的制造设备及制造方法，以解决现有技术中存在的固态储氢件储氢效率不高、难以制造的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

提供一种固态储氢件，包括多个依次层叠的固氢层，所述固氢层包括多个固氢纤维，各所述固氢纤维沿排布方向彼此间隔地布置，所述排布方向与所述固氢纤维的长度方向呈夹角布置，且各所述固氢层的排布方向与相邻的所述固氢层的排布方向呈夹角布置。

本申请还提供一种固态储氢件的制造设备，包括：

上模座和下模座，所述上模座和所述下模座彼此面对设置，且能够相对彼此靠近或远离；

模体，可转动地连接于所述下模座上，所述模体上具有多个模孔，所述模孔沿圆周方向彼此间隔地布置于所述模体上；

下冲头，位于所述下模座，所述下冲头对应连接于所述模孔中，且所述下冲头可伸缩地连接于所述模孔的一端；

填料结构，连接于所述上模座，所述填料结构用于向所述模孔中填入物料；

上冲头，连接于所述上模座，所述上冲头可伸缩地连接于所述模孔的另一端，所述上冲头用于压抵所述模孔中的物料，以使所述模孔中形成压坯；

模体驱动装置，与所述模体驱动连接，所述模体驱动装置用于驱动所述模体上的模孔沿圆周方向逐次经过填料结构和上冲头。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述填料结构包括填料基座、填料件和填料件驱动装置，所述填料基座连接于所述上模座，所述填料基座上具有与所述模孔对应的通孔，所述填料件可移动地连接于所述填料基座上，且所述填料件能够沿工作路径向所述通孔中填入物料；所述填料件驱动装置与所述填料件驱动连接。

所述填料件包括第一出料口和第二出料口，所述第一出料口和所述第二出料口布置于所述填料件的移动方向的两侧，所述第一出料口和所述第二出料口能够沿所述填料件的工作路径向所述通孔中填入物料。

所述填料件驱动装置包括第一滑轨、第二滑轨、第一驱动件、第二驱动件和滑座，所述第一滑轨连接于所述填料基座上且沿第一方向布置，所述滑座可滑移地连接于所述第一滑轨上，所述第二滑轨连接于所述滑座上且沿第二方向布置，所述填料件可滑移地连接于所述第二滑轨上，所述第一驱动件与所述滑座驱动连接，所述第二驱动件与所述填料件驱动连接。

所述填料结构还包括推料装置，所述推料装置沿所述第二方向可伸缩地连接于所述填料基座；所述推料装置包括推料件和伸缩驱动件，所述推料件的一端与所述填料基座相抵，所述伸缩驱动件与所述推料件驱动连接。

所述填料基座上还设有排料口。

所述填料结构的数量为多个，各所述填料结构沿所述模体的转动方向依次布置。

还包括下冲头限位件，所述下冲头限位件连接于所述下模座，所述下冲头限位件具有环形滑槽，所述下冲头可滑移地连接于所述环形滑槽内，所述环形滑槽用于限位所述下冲头在对应位置时具有对应工作高度。

本申请还提供一种固态储氢件的制造方法，包括如下步骤：

将镁基固氢剂、结构强化剂、催化剂和有机溶剂搅拌成黏胶状的第一原料，将第一原料注入至第一出料口；将可蒸发的第二原料注入至第二出料口；在填料件沿工作路径的移动的同时，所述第一出料口和所述第二出料口分别挤出第一原料和第二原料，以打印出固氢层；

通过多个填料结构依次层叠地打印出各所述固氢层，再通过上冲头与下冲头的加压合模，以使各固氢层压实固化为整体，得到固态储氢件的压坯；

将压坯置于真空环境或者保护性气体环境中烧结，得到固态储氢件的毛坯；

将毛坯的边角打磨后得到固态储氢件成品。

本申请提供的一种固态储氢件、固态储氢件的制造设备及制造方法的有益效果在于：

一种固态储氢件，包括多个依次层叠的固氢层，固氢层包括多个固氢纤维，各固氢纤维沿排布方向彼此间隔地布置，排布方向与固氢纤维的长度方向呈夹角布置，且各固氢层的排布方向与相邻的固氢层的排布方向呈夹角布置。该固态储氢件的内部组织结构形成均匀且多孔的格栅结构，本申请的固态储氢件既具有较高的结构稳定性，各固氢层之间又具有彼此连通的氢气流通通道，因此，还具有良好的透气性。

一种固态储氢件的制造设备，包括上模座、下模座、模体、下冲头、填料结构、上冲头和模体驱动装置。上模座和下模座彼此面对设置，且能够相对彼此靠近或远离；模体可转动地连接于下模座上，模体上具有多个模孔，模孔沿圆周方向彼此间隔地布置于模体上；下冲头位于下模座，下冲头对应连接于模孔中，且下冲头可伸缩地连接于模孔的一端；填料结构连接于上模座，填料结构用于向模孔中填入物料；上冲头连接于上模座，上冲头可伸缩地连接于模孔的另一端，上冲头用于压抵模孔中的物料，以使模孔中形成压坯；模体驱动装置与模体驱动连接，模体驱动装置用于驱动模体上的模孔沿圆周方向逐次经过填料结构和上冲头。该制造设备可制造出内部组织均匀、透气性良好的固态储氢件。

本申请提供的一种固态储氢件的制造方法，是将镁基固氢剂、结构强化剂、催化剂和有机溶剂等搅拌成黏胶状的第一原料，将第一原料注入至第一出料口；将可蒸发的第二原料注入至第二出料口；在填料件沿工作路径的移动的同时，所述第一出料口和所述第二出料口分别挤出第一原料和第二原料，以打印出固氢层；通过多个填料结构依次层叠地打印出各所述固氢层，再通过上冲头与下冲头的加压合模，以使各固氢层压实固化为整体，得到固态储氢件的压坯；将压坯置于真空环境或者保护性气体环境中烧结，得到固态储氢件的毛坯；将毛坯的边角打磨后得到固态储氢件成品。该制造方法可制造出内部组织均匀、透气性良好的固态储氢件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的第一种固态储氢件的立体结构示意图；

图2为本申请提供的第一种固态储氢件的剖视结构示意图；

图3为本申请提供的第二种固态储氢件的立体结构示意图；

图4为本申请提供的第二种固态储氢件的剖视结构示意图；

图5为本申请提供的固态储氢件的制造设备的主视结构示意图；

图6为本申请提供的固态储氢件的制造设备在张开状态的剖视结构示意图；

图7为本申请提供的固态储氢件的制造设备在合拢状态的剖视结构示意图；

图8为本申请提供的固态储氢件的制造设备的剖视结构示意图一；

图9为本申请提供的固态储氢件的制造设备的剖视结构示意图二；

图10为图8中A-A处且制造设备处于张开状态的剖视结构示意图；

图11为图8中A-A处且制造设备处于合拢状态的剖视结构示意图；

图12为图8中B-B处且制造设备处于张开状态的剖视结构示意图；

图13为图8中B-B处且制造设备处于合拢状态的剖视结构示意图；

图14为本申请提供的固态储氢件的制造设备的局部放大结构示意图一；

图15为本申请提供的固态储氢件的制造设备的局部放大结构示意图二；

图16为本申请提供的固态储氢件的制造设备的填料结构的局部放大结构示意图；

图17为本申请提供的固态储氢件的制造设备的填料结构的剖视结构示意图；

图18为本申请提供的固态储氢件的制造设备的局部放大结构示意图三；

图19为本申请提供的固态储氢件的制造设备的局部放大结构示意图四；

图20为本申请提供的固态储氢件的制造设备的下冲头限位件的立体结构示意图；

图21为本申请提供的固态储氢件的制造设备的下冲头的立体结构示意图；

图22为本申请提供的固态储氢件的制造设备的立体结构示意图；

图23为本申请提供的固态储氢件的制造设备的填料件的工作路径示意图一；

图24为本申请提供的固态储氢件的制造设备的填料件的工作路径示意图二；

其中，图中各附图标记：

1、固态储氢件；11、固氢层；111、固氢纤维；2、上模座；3、下模座；4、模体；41、模孔；42、定位凸起；5、下冲头；51、冲头部；52、下冲头本体；53、滚轮；6、填料结构；61、填料基座；611、通孔；612、定位斜面；613、排料口；62、填料件；621、第一出料口；622、第二出料口；63、填料件驱动装置；631、第一滑轨；632、第二滑轨；633、第一驱动件；634、第二驱动件；635、滑座；64、推料装置；641、推料件；642、伸缩驱动件；7、上冲头；8、模体驱动装置；9、下冲头限位件；91、环形滑槽；10、机械手。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

氢能是一种清洁、高效、可再生的绿色能源，其具有高热值、无污染、零排放等优点，被誉为完美能源。氢能属于二次能源，通过氢气可以获得热能和电能。与太阳能、风能等一次能源相比，氢能能够避免峰谷波动，使能源供应更加稳定。但是，由于氢气具有密度低、易燃易爆等性质，储存和运输成为氢能应用的主要瓶颈。

现有的储氢手段主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、气液混合储氢和固态储氢等。其中，固态储氢是一种常温常压下利用固态材料实现氢气储存的方式。这种方式可以实现高密度、低压、无泄漏、安全地储存氢气。由于不需要高压设备和隔热容器，固态储氢不存在爆炸危险，安全性较好。同时，它还具有单位体积储氢密度高、可获得高纯度氢、操作方便等优点。

目前，镁基固态储氢材料是最为成熟的储氢材料。通过压制设备，将镁基固态储氢材料压制成颗粒状、片状、盘状、柱状等形态的储氢单体。储氢单体可以装配在储氢单体容器内，以实现反复多次地充氢放氢功能。

储氢单体是一种具有固定形态，内部为多孔结构的基础储氢单元。现有的储氢单体受制备设备和制备工艺的限制，储氢单体的内部金相组织结构不均匀，内部微孔的大小和微孔的分布不均匀，从而导致储氢单体内部各处的氢气结合效率也不一致，这也是影响储氢单体充放氢效率的重要因素。

为了解决储氢单体内部组织不均匀的问题，本申请的发明人提出了一种方法，即在制造储氢单体时，使用粒径更小的镁基固氢材料，以使储氢单体内部的金相组织结构更加均匀。然而，随着镁基固氢材料粒径的减小，储氢单体内部的微孔孔径也会相应减小，导致氢气穿透储氢单体的阻力增大，氢气需要更大的压力才能穿透储氢单体。虽然这种方法能够在一定程度上改善储氢单体的内部金相组织结构不均匀和内部微孔大小不均匀等问题，但氢气的穿透难度增大，对储氢单体的充放氢效率影响更大。

此外，储氢单体材料除了镁基固氢材料外还包括其他辅料(如粘结剂、催化剂等)。如果这些辅料未能与镁基固氢材料均匀混合，同样会导致储氢单体的内部组织不均匀的问题。因此，在制造储氢单体时，需要确保所有材料充分混合均匀，以避免内部组织不均匀的问题。

发明人还提出一种方法，即通过增加球磨混料的时间来细化镁基固氢材料的粒径，并且在球磨混料时加入其他辅料，以使材料混合更加均匀。虽然这种方法能够在一定程度上改善储氢单体内部组织均匀性差的问题，但球磨后的材料由于粒径的减小，仍会产生微孔孔径减小导致的氢气穿透阻力增大，储氢单体透气性变差的负面影响。因此，储氢单体的组织均匀性与透气性是一对彼此制约的技术特性，难以同时优化。

通过上述两种方法的改进，虽然能够改善一定的储氢单体特性，但要得到高品质的储氢单体，可以通过增加透气性检测的环节，将组织均匀性较好，透气性也符合要求的储氢单体筛选出来，未通过筛选的储氢单体作报废或回炉重造处理。然而，这种方法需要付出的代价是生产成本的直线上升，这对于储氢单体的批量化生产和推广应用极为不利。

申请人经过多年的研究和改进，创造性地研发出一种固态储氢件，以及生产该固态储氢件的制造设备、以及生产该固态储氢件的制造方法。为化解储氢单体的组织均匀性和透气性这对技术矛盾，申请人的技术核心是通过3D打印的方式，为储氢单体构造均匀且多孔的内部组织，使其既具有均匀的内部组织，较好的结构强度；又具有良好的透气性，便于氢气通过。详细介绍参见如下说明。

如图1和图2所示，本申请提供一种固态储氢件1，包括多个依次层叠的固氢层11，固氢层11包括多个固氢纤维111，各固氢纤维111沿排布方向彼此间隔地布置，排布方向与固氢纤维111的长度方向呈夹角布置，且各固氢层11的排布方向与相邻的固氢层11的排布方向呈夹角布置。

为便于解释说明，以固态储氢件1的长宽高为坐标轴，构建一个空间坐标系OXYZ。在该空间坐标系OXYZ中，固态储氢件1的长度方向对应X轴，固态储氢件1的宽度方向对应Y轴，固态储氢件1的高度方向对应Z轴。

其中，固氢纤维111是一种长度远大于径宽的、由镁基固氢材料制成的纤维状细丝。经多次实验后证得固氢纤维111的优选径宽范围为0.5mm-5mm。当固氢纤维111过细时，固氢纤维111与氢气结合后容易断裂崩解；当固氢纤维111过粗时，固氢纤维111的比表面积降低，单位质量的固氢纤维111与氢气接触的面积变小，镁基固氢材料的利用率降低。多个固氢纤维111沿排布方向彼此平行且间隔地布置在同一平面内，构成一个固氢层11。各固氢纤维111之间的间隙可作为氢气流通的通道，以实现较好的透气性。并且，当固氢纤维111吸氢膨胀后，各固氢纤维111之间的间隙还可用于抵消固氢纤维111的形变，从而有利于减小固态储氢件1整体的形变量。固氢纤维111的排布方向与固氢纤维111的长度方向的夹角可以为30°、45°、60°、90°等。固氢纤维111的排布方向优选为与固氢纤维111的长度方向垂直，即固氢纤维111沿其宽度方向排布(当固氢纤维111的长度方向沿X轴时，固氢纤维111的排布方向沿Y轴布置)。多个固氢层11沿固态储氢件1的高度方向(Z轴方向)逐个层叠形成固态储氢件1。为确保固态储氢件1具有较好的结构强度以及良好的透气性，各固氢层11的排布方向与相邻的固氢层11的排布方向呈30°、45°、60°、90°等夹角(或者交错)布置。例如，固态储氢件1沿Z轴方向的第一个固氢层11，其排布方向沿Y轴设置，则第二个固氢层11的排布方向沿X轴设置，第三个固氢层11的排布方向沿Y轴设置，第四个固氢层11的排布方向沿X轴设置，其他固氢层依此循环设置。通过上述排布方式，能够使固态储氢件1的内部组织结构形成均匀且多孔的格栅结构，本申请的固态储氢件1既具有较高的结构稳定性，各固氢层11之间又具有彼此连通的氢气流通通道，因此，还具有良好的透气性。本申请的固态储氢件1内部组织更加均匀，氢气流通性好，内部各处与氢气的结合效率更加一致，相比于传统的固态储氢件，本申请的固态储氢件1具有内部组织均匀，充放氢效率更高等优点。

在本申请的一个实施例中，固氢纤维111为波浪形固氢纤维。波浪形固氢纤维具体是指，固氢纤维111的长度方向是沿一光滑地周期性起伏的波浪线方向延伸，从而形成的波浪形固氢纤维。波浪形固氢纤维相比于直线形固氢纤维，具有更高的比表面积；在单位质量的固氢纤维111中，波浪形固氢纤维与氢气的接触面积比直线形固氢纤维与氢气的接触面积更大，因此，波浪形固氢纤维的充放氢效率比直线形固氢纤维的充放氢效率更高。如图3和图4所示，在其他实施例中，固氢纤维111也可以为直线型固氢纤维111或其他曲线形固氢纤维111。对于固氢纤维111的形状的简单替换应该是本领域技术人员容易联想到的技术手段，因此这类形状不同的固氢纤维111也应属于本申请的保护范围。

在以往的固态储氢件的生产制造中，通常将镁基固氢材料、多孔材料、膨化材料等混合均匀后，再倒入成型模具的模腔中，通过压力机驱动上下冲头在模腔中合模，从而压制成储氢单体。该方法制造的储氢单体，其内部的微孔呈随机分布，储氢单体内部的组织均匀性不高，各处的透气率不一致，该设备无法实现上述实施例中的固态储氢件1的生产制造。

本申请的发明人为解决这一问题，设计了如下制造设备。需要说明的是，该制造设备主要实现固态储氢件1的压坯(以下简称压坯)的制造，固态储氢件1的最终成品还需依次经过真空烧结炉、机加工机床等后续设备，由于后续设备对固态储氢件1的内部结构不起决定性作用，不属于本申请的改进重点，因此，对后续设备不做详细说明。

如图5至图10所示，本申请提供的一种固态储氢件1的制造设备，包括上模座2、下模座3、模体4、下冲头5、填料结构6、上冲头7和模体驱动装置8。上模座2和下模座3彼此面对设置，且能够相对彼此靠近或远离；模体4可转动地连接于下模座3上，模体4上具有多个模孔41，模孔41沿圆周方向彼此间隔地布置于模体4上；下冲头5位于下模座3，下冲头5对应连接于模孔41中，且下冲头5可伸缩地连接于模孔41的一端；填料结构6连接于上模座2，填料结构6用于向模孔41中填入物料；上冲头7连接于上模座2，上冲头7可伸缩地连接于模孔41的另一端，上冲头7用于压抵模孔41中的物料，以使模孔41中形成压坯；模体驱动装置8与模体4驱动连接，模体驱动装置8用于驱动模体4上的模孔41沿圆周方向逐次经过填料结构6和上冲头7。

其中，上模座2和下模座3是该制造设备的两个基座，上模座2需位于下模座3的正上方，以便上模座2和下模座3彼此靠近时能够匹配和对应。上模座2和下模座3通过升降机构彼此靠近或远离。具体的，上模座2和下模座3中一者为固定端，上模座2和下模座3中另一者为活动端，活动端通过升降机构实现与固定端的靠近或远离；或者，上模座2和下模座3均为活动端，上模座2和下模座3通过升降机构实现彼此靠近或远离。升降机构具体可以为液压/气压缸、电动推杆等，由于升降机构采用的是现有技术，本领域技术人员能够通过上述公开内容实现上模座2和下模座3的运动，因此不再进一步详细介绍。

模体4是用于压坯成型的主要部件。模体4上的模孔41用于容纳填入的物料，且根据模孔41的形状对物料进行塑形。模孔41具体可以为圆柱孔、方柱孔或者底端孔径小顶端孔径大的异形孔等。各模孔41沿圆周方向彼此间隔地布置于模体4上，模孔41工作时需要与填料结构6或者与上冲头7配合，以实现对压坯生产制造。具体的，当模孔41与填料结构6配合工作时，模孔41处形成容纳物料的空腔，填料结构6向模孔41内填入物料；当模孔41与上冲头7配合工作时，上冲头7、模孔41和下冲头5围合形成成型腔，通过上冲头7施加压力，挤压模孔41内的物料形成压坯。各模孔41不仅可以沿圆周方向布置，还可以沿模体4的径向方向布置，从而能够同步向多个模孔41中填料或者压制成型。

下冲头5位于下模座3上，且连接于模孔41的下端。下冲头5起到模孔41的底托的作用，防止物料从模孔41的下端漏失。通过下冲头5的伸缩，能够调节模孔41的深度，从而容纳不同体积的物料，也能够压制出不同厚度的压坯。需要注意的是，下冲头5的截面形状需要与模孔41的截面形状对应。

填料结构6与上冲头7分别实现对压坯的填料和压制。上冲头7连接于上模座2，且能够伸入至模孔41的上端。模孔41移动至填料结构6的下方时，填料结构6向模孔41中填入物料；填料后，模孔41再移动至上冲头7的下方，通过上冲头7压实模孔41中填入物料，以使模孔41中填入物料形成具有一定结构强度的压坯。

模体驱动装置8用于驱动模体4转动，也即驱动模孔41在填料结构6与上冲头7之间移动。模体驱动装置8具体可以为步进电机、伺服电机等。模体驱动装置8通过齿轮传动、蜗轮蜗杆传动或者带传动等传动方式驱动模体4运动。

本申请的固态储氢件1的制造设备在使用时，先将上模座2和下模座3彼此靠近，以缩短填料结构6至未填料的模孔41的填料距离，并且同时带动上冲头7伸入至填好料的模孔41，对物料进行加压保压，以形成形态稳定的压坯。待填料结构6向模孔41中填好物料后，上模座2和下模座3彼此远离，为模体4的转动提供避让空间，也避免上模座2的部件与下模座3的部件产生干涉。模体驱动装置8驱动模体4转动，以将填好物料的模孔41移动至上冲头7的下方，将未填料的模孔41移动至填料结构6的下方。上模座2和下模座3再次靠近，再次分别对模孔41进行填料和压制。压制好的压坯通过下冲头5将压坯顶出模孔41，再通过机械手10等设备，将压坯从该制造设备上取出。

如图15至图17所示，在本申请的一个实施例中，填料结构6包括填料基座61、填料件62和填料件驱动装置63，填料基座61连接于上模座2，填料基座61上具有与模孔41对应的通孔611，填料件62可移动地连接于填料基座61上，且填料件62能够沿工作路径向通孔611中填入物料；填料件驱动装置63与填料件62驱动连接。

其中，填料基座61不仅用于连接上模座2，还是填料件62和填料件驱动装置63的安装载体。为防止污染装填的物料，填料基座61具体应呈箱状，其内部具有一空腔，空腔用于容纳填料件62和填料件驱动装置63。通孔611是用于与模孔41连通的孔，填料结构6在填料时，需确保通孔611与模孔41对齐。

填料件62为安装在填料基座61上的可移动部件。填料件62能够在工作平面内任意移动，通过填料件62的移动，带动物料沿填料件62的移动路径打印物料，由于填料件62在工作时，一边排出物料，一边沿工作路径移动，因此，填料件62能够打印出沿工作路径延伸的固氢纤维111。填料件62具体为一安装在填料件驱动装置63上的一悬臂，填料件62的一端连接在驱动装置63上，填料件62的另一端具有出料口，用于排出物料。

填料件驱动装置63用于驱动填料件62沿工作路径移动，以使填料件62能够打印出沿工作路径延伸的固氢纤维111。通过控制填料件62的工作路径，即可打印出具有复杂形状的固氢纤维111。工作路径如图23和图24所示，

如图16和图1所示，在本申请的一个实施例中，模体4上设有与填料基座61配合的定位凸起42，填料基座61上具有与定位凸起42对应的定位斜面612。当上模座2和下模座3彼此靠近时，定位凸起42与定位斜面612接触，以对填料基座61起到辅助定位的作用。

如图17、图23和图24所示，在本申请的一个实施例中，填料件62包括第一出料口621和第二出料口622，第一出料口621和第二出料口622布置于填料件62的移动方向的两侧，第一出料口621和第二出料口622能够沿填料件62的工作路径向通孔611中填入物料。

其中，第一出料口621和第二出料口622分别排出两种不同的物料。例如，第一出料口621和第二出料口622中的一个用于挤出镁基固氢材料；第一出料口621和第二出料口622中的另一个用于挤出蒸发剂。蒸发剂是在一定温度下能够从压坯中蒸发的辅料。镁基固氢材料和蒸发剂均为具有一定粘度的胶状物料，其具有一定的流动性，且在挤出后又能保持一定的固态形状。由于第一出料口621和第二出料口622布置于填料件62的移动方向的两侧，填料件62打印出的物料中一条为固氢纤维111，另一条为蒸发剂纤维。当升高温度至蒸发剂蒸发时，固氢纤维111的一侧能够形成供氢气流通的间隙。

如图15至图17所示，在本申请的一个实施例中，填料件驱动装置63包括第一滑轨631、第二滑轨632、第一驱动件633、第二驱动件634和滑座635，第一滑轨631连接于填料基座61上且沿第一方向布置，滑座635可滑移地连接于第一滑轨631上，第二滑轨632连接于滑座635上且沿第二方向布置，填料件62可滑移地连接于第二滑轨632上，第一驱动件633与滑座635驱动连接，第二驱动件634与填料件62驱动连接。

其中，第一滑轨631沿第一方向(例如X轴方向)布置，第一驱动件633驱动滑座635沿第一方向在第一滑轨631上滑移；第二滑轨632安装于滑座635上，第二滑轨632沿第二方向(例如Y轴方向)布置，第二驱动件634驱动填料件62沿第二方向在第二滑轨632上滑移。在第一驱动件633和第二驱动件634的联合驱动下，使填料件62的出料口能够移动至工作平面的容易位置，从而使填料件62打印出形状复杂的固氢纤维111。第一驱动件633和第二驱动件634具体可以为步进电机、伺服电机等。

当固态储氢件1的厚度较大时，需要固氢层11的层数较多。由于固氢层11的堆积层数较多高，物料较软，如果通过一次性打印出固态储氢件1的整体的方法，会导致固氢层11出现倾斜或塌陷等问题。为解决这一问题，如图15所示，在本申请的一个实施例中，填料结构6的数量为多个，各填料结构6沿模体4的转动方向依次布置。

具体的，填料结构6的数量可以为两个、三个、四个等。以四个填料结构6为例，四个填料结构6依次为第一填料结构、第二填料结构、第三填料结构和第四填料结构。

如图6、图7、以及图10至图13所示，首先，将未装填物料的模孔41转动至第一填料结构，并将下冲头5贯穿通孔611，使下冲头5的顶面与填料基座61的底面齐平，形成第一固氢层的打印平面，第一填料结构在该平面上打印第一固氢层；第一填料结构完成物料打印后，上模座2和下模座3彼此分离，再将该模孔41转动至第二填料结构下方，同时下冲头5需下降一个第一固氢层的厚度；上模座2和下模座3靠近后，需使第一固氢层的顶面与填料基座61的底面齐平，形成第二固氢层的打印平面，第二填料结构在该平面上打印第二固氢层；第二填料结构完成物料打印后，上模座2和下模座3彼此分离，再将该模孔41转动至第三填料结构下方，同时下冲头5需下降一个第二固氢层的厚度；上模座2和下模座3靠近后，需使第二固氢层的顶面与填料基座61的底面齐平，形成第三固氢层的打印平面，第三填料结构在该平面上打印第三固氢层；同理，通过第四填料结构打印第四固氢层，由此完成固氢层11层数为四的压坯的填料。

为确保填料件62在模孔41中充分填料，填料件62的填料范围需要覆盖至模孔41的外侧。随着模孔41外侧的物料堆积，如不及时清除余料，余料可能向模孔41中塌陷，造成固态储氢件1的不良生产。因此，在本申请的一个实施例中，填料结构6还包括推料装置64，推料装置64沿第二方向可伸缩地连接于填料基座61；推料装置64包括推料件641和伸缩驱动件642，推料件641的一端与填料基座61相抵，伸缩驱动件642与推料件641驱动连接。

其中，推料装置64用于推除填料基座61上的余料。当上模座2和下模座3彼此分离后，通过推料装置64的伸缩推除填料基座61上的余料。推料装置64的工作过程具体为：伸缩驱动件642驱动推料件641伸出，由于推料件641的一端边缘与填料基座61相抵，推料件641能够将填料基座61上的余料从模孔41的外侧推离；伸缩驱动件642驱动推料件641缩回，以使推料件641复位。推料件641具体可以为推板、刮片等。伸缩驱动件642具体可以为液压/气压缸、电动推杆等。

如图16所示，在本申请的一个实施例中，填料基座61上还设有排料口613。

其中，排料口613位于填料基座61的底面。当填料基座61上的余料堆积过多时，余料通过排料口613排出填料基座61。

如图18至图20所示，在本申请的一个实施例中，还包括下冲头限位件9，下冲头限位件9连接于下模座3，下冲头限位件9具有环形滑槽91，下冲头5可滑移地连接于环形滑槽91内，环形滑槽91用于限位下冲头5在对应位置时具有对应工作高度。

其中，下冲头限位件9用于对下冲头5的高度进行限位，以使下冲头5能够以设定深度伸入至模孔41中。下冲头5的一端可滑移地支撑在环形滑槽91中，另一端伸入至模孔41中。环形滑槽91具有光滑且高低不一的底面，底面各处的高度对应下冲头5所需的高度，随着下冲头5在环形滑槽91中的滑移，下冲头5在环形滑槽91上的不同位置能够获得不同的支撑高度。底面各位置的高度由下冲头5对应所需的高度而预先制定。例如，环形滑槽91支撑下冲头5伸入第一填料结构下方的模孔41时，设环形滑槽91此处的高度为0(基准高度)；环形滑槽91支撑下冲头5伸入第二填料结构下方的模孔41时，环形滑槽91此处的高度为-1；环形滑槽91支撑下冲头5伸入第三填料结构下方的模孔41时，环形滑槽91此处的高度为-2；环形滑槽91支撑下冲头5伸入第三填料结构下方的模孔41时，环形滑槽91此处的高度为-3；环形滑槽91支撑下冲头5从模孔41中将压坯顶出时，环形滑槽91此处的高度为+1。环形滑槽91各处的标定高度通过环形的光滑曲面依次连接而成环形滑槽91的底面。下冲头5在环形滑槽91内依次循环移动时，依次获得对应的支撑高度。该环形滑槽91具有支撑精度高、故障率低，使用寿命长等优点。

在本申请的其他实施例中，下冲头5也可通过液压缸、电动推杆等实现定距伸缩功能。

如图21所示，在本申请的一个实施例中，下冲头5包括冲头部51、下冲头本体52、轴承和滚轮53。其中，冲头部51位于下冲头5的顶端，冲头部51用于伸入至模孔41中，冲头部51的上表面作为模孔41的底面，起到承托物料的作用。下冲头本体52是下冲头5的主体部分，下冲头本体52用于支撑冲头部51。下冲头本体52包括立杆部和横轴部，立杆部沿高度方向设置，冲头部51连接于立杆部的顶端，横轴部连接于立杆部的底端，且横轴部与立杆部呈垂直设置。当下冲头5的冲头部51有多个时，多个下冲头5沿横轴部的轴向依次排开地连接在下冲头本体52上。横轴部的两端均安装有轴承和滚轮53，以便于下冲头5在环形滑槽91内移动。

本申请还提供一种固态储氢件1的制造方法，以制造长宽高分别为20mm*20mm*20mm的方块状固态储氢件1为例，制造方法的具体内容如下：

步骤一：将镁基固氢剂、结构强化剂、催化剂和有机溶剂等搅拌均匀，制成黏度较高呈黏胶状的第一原料；将该原料通过一个压力泵注入至第一出料口621；将呈硬蜡状的蒸发剂(第二原料)通过另一个压力泵注入至第二出料口622；随着填料件62沿工作路径的移动，第一出料口621和第二出料口622同时挤出上述两种原料，以打印出固氢层11。

其中，镁基固氢剂具体可以为纳米镁粉、氢化镁粉末等；结构强化剂具体可以为纳米铝粉、锌粉等；催化剂具体可以为镍基催化剂、锂基催化剂、锰基催化剂等；有机溶剂具体可以为聚乙二醇(PEG700-PEG900)、石蜡等；蒸发剂具体可以为聚乙二醇(PEG1000-PEG1400)、石蜡等。

步骤二：在上模座2和下模座3彼此分离时，将未装填物料的模孔41转动至第一填料结构的下方；待上模座2和下模座3彼此靠近合拢后，使下冲头5贯穿通孔611，且使下冲头5的顶面与填料基座61的底面齐平，形成第一固氢层的打印平面，第一填料结构在该平面上打印第一固氢层；第一填料结构完成物料打印后，上模座2和下模座3彼此分离，将新的未装填物料的模孔41转动至第一填料结构的下方，将打印好第一固氢层的模孔41转动至第二填料结构下方，且对应该模孔41的下冲头5需下降一个第一固氢层的厚度；待上模座2和下模座3彼此靠近合拢后，需保持第一固氢层的顶面与填料基座61的底面齐平，形成第二固氢层的打印平面，第二填料结构在该平面上打印第二固氢层；同时，第一填料结构在未装填物料的模孔41上打印第一固氢层。循环执行上述工作过程多次，以得到第三固氢层、第四固氢层、第五固氢层等。

步骤三：各固氢层11在模孔41中依次堆叠后，再经过上冲头7与下冲头5的加压合模，以使各固氢层11压实固化为整体，从而得到固态储氢件1的压坯。

步骤四：将压坯放入真空烧结炉中煅烧，真空烧结炉中需具备真空环境或者保护性气体环境，真空烧结时间不少于2小时，炉中温度为250℃-300℃；直至压坯中的有机溶剂和蒸发剂完全挥发后，再向炉中通入氢气，并在150℃-200℃的温度中，保温至少30分钟，再进行炉内冷却。

步骤五：将烧结好的毛坯置入加工磨床，将毛坯的边角进行打磨处理，防止边角处应力集中造成崩裂现象。

步骤六：将打磨好的产品逐个或抽样送至透气性测试仪进行透气性检测。

通过上述制造方法制得的方块状固态储氢件1(单颗重量约为9.64g)，相比传统制作方法制得的方块状固态储氢件1(单颗重量约为13.50g)，充放氢速度提高约8％，镁基固氢材料利用率提高约12％。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固态储氢件的制造设备，其特征在于，

固态储氢件包括多个依次层叠的固氢层（11），所述固氢层（11）包括多个固氢纤维（111），各所述固氢纤维（111）沿排布方向彼此间隔地布置，所述排布方向与所述固氢纤维（111）的长度方向呈夹角布置，且各所述固氢层（11）的排布方向与相邻的所述固氢层（11）的排布方向呈夹角布置；

制造所述固态储氢件的设备包括：

上模座（2）和下模座（3），所述上模座（2）和所述下模座（3）彼此面对设置，且能够相对彼此靠近或远离；

模体（4），可转动地连接于所述下模座（3）上，所述模体（4）上具有多个模孔（41），所述模孔（41）沿圆周方向彼此间隔地布置于所述模体（4）上；

下冲头（5），位于所述下模座（3），所述下冲头（5）对应连接于所述模孔（41）中，且所述下冲头（5）可伸缩地连接于所述模孔（41）的一端；

填料结构（6），连接于所述上模座（2），所述填料结构（6）用于向所述模孔（41）中填入物料；

上冲头（7），连接于所述上模座（2），所述上冲头（7）可伸缩地连接于所述模孔（41）的另一端，所述上冲头（7）用于压抵所述模孔（41）中的物料，以使所述模孔（41）中形成压坯；

模体驱动装置（8），与所述模体（4）驱动连接，所述模体驱动装置（8）用于驱动所述模体（4）上的模孔（41）沿圆周方向逐次经过填料结构（6）和上冲头（7）。

2.如权利要求1所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，所述填料结构（6）包括填料基座（61）、填料件（62）和填料件驱动装置（63），所述填料基座（61）连接于所述上模座（2），所述填料基座（61）上具有与所述模孔（41）对应的通孔（611），所述填料件（62）可移动地连接于所述填料基座（61）上，且所述填料件（62）能够沿工作路径向所述通孔（611）中填入物料；所述填料件驱动装置（63）与所述填料件（62）驱动连接。

3.如权利要求2所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，所述填料件（62）包括第一出料口（621）和第二出料口（622），所述第一出料口（621）和所述第二出料口（622）布置于所述填料件（62）的移动方向的两侧，所述第一出料口（621）和所述第二出料口（622）能够沿所述填料件（62）的工作路径向所述通孔（611）中填入物料。

4.如权利要求2所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，所述填料件驱动装置（63）包括第一滑轨（631）、第二滑轨（632）、第一驱动件（633）、第二驱动件（634）和滑座（635），所述第一滑轨（631）连接于所述填料基座（61）上且沿第一方向布置，所述滑座（635）可滑移地连接于所述第一滑轨（631）上，所述第二滑轨（632）连接于所述滑座（635）上且沿第二方向布置，所述填料件（62）可滑移地连接于所述第二滑轨（632）上，所述第一驱动件（633）与所述滑座（635）驱动连接，所述第二驱动件（634）与所述填料件（62）驱动连接。

5.如权利要求4所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，所述填料结构（6）还包括推料装置（64），所述推料装置（64）沿所述第二方向可伸缩地连接于所述填料基座（61）；所述推料装置（64）包括推料件（641）和伸缩驱动件（642），所述推料件（641）的一端与所述填料基座（61）相抵，所述伸缩驱动件（642）与所述推料件（641）驱动连接。

6.如权利要求5所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，所述填料基座（61）上还设有排料口（613）。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，所述填料结构（6）的数量为多个，各所述填料结构（6）沿所述模体（4）的转动方向依次布置。

8.如权利要求1至6中任意一项所述的固态储氢件的制造设备，其特征在于，还包括下冲头限位件（9），所述下冲头限位件（9）连接于所述下模座（3），所述下冲头限位件（9）具有环形滑槽（91），所述下冲头（5）可滑移地连接于所述环形滑槽（91）内，所述环形滑槽（91）用于限位所述下冲头（5）在对应位置时具有对应工作高度。

9.一种固态储氢件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

将镁基固氢剂、结构强化剂、催化剂和有机溶剂搅拌成黏胶状的第一原料，将第一原料注入至第一出料口（621）；将可蒸发的第二原料注入至第二出料口（622）；在填料件（62）沿工作路径的移动的同时，所述第一出料口（621）和所述第二出料口（622）分别挤出第一原料和第二原料，以打印出固氢层（11）；

通过多个填料结构（6）依次层叠地打印出各所述固氢层（11），再通过上冲头（7）与下冲头（5）的加压合模，以使各固氢层（11）压实固化为整体，得到固态储氢件的压坯；

将压坯置于真空环境或者保护性气体环境中烧结，得到固态储氢件的毛坯；

将毛坯的边角打磨后得到固态储氢件成品。