CN118019640A

CN118019640A - 用于储存或传输氢气的装置及其制备方法

Info

Publication number: CN118019640A
Application number: CN202280065534.5A
Authority: CN
Inventors: C·埃茨斯托弗
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-05-10
Also published as: KR20240055771A; DE102021122024A1; WO2023025632A1

Abstract

本发明涉及一种用于储存或传输氢气的装置，特别是氢气罐或氢气管路，其中该装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D_内部<D₂<...<D_n。

Description

用于储存或传输氢气的装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于储存或传输氢气的装置及其制备工艺。

背景技术

氢气作为能源正变得越来越重要，尤其是在机动领域应用中替代化石燃料，但也可用于铁矿石的直接还原或用于燃料电池发电。

此外，在许多技术应用中，无论氢气以何种形式释放，都会对技术中使用的材料产生影响。这主要包括深层钻探技术，也包括防酸建筑以及整个天然气和石油行业。

氢气的储存以及氢气在技术工艺中的存在都是一项挑战。

在适当装备的内燃机中使用氢气作为直接燃烧的燃料，在燃料电池中使用氢气发电，以及在储存氢气用于例如直接还原铁矿石时，都需要合适的储存设施和储存方法。但是，在众多可能的燃料中，氢气显然具有巨大的潜在危险。

当氢气逸出时，会与周围空气形成易燃混合物，其中，如果氢气含量大于18％，则氢气和氧气形成均匀的爆炸性混合物。

在所有原子中，氢的尺寸最小，因此能够在许多材料中扩散，这使得许多材料不适合完全适合用于传统燃料容器。高温或高压会进一步加剧扩散过程。特别的问题存在于金属容器中，因为它们会发生通常所说的氢脆。这就意味着，材料会随着时间的推移而变脆，因此不再能以足够的稳定性来抵抗例如入侵荷载。虽然塑料封套实际上不会产生这种影响，但许多可能的塑料材料还是难以回收利用。

如果使用液化氢，它可能会从容器中蒸发或排出，在这种情况下，必须抵消体积的急剧增加以及压力的增加，特别是通过使用超压阀，这可能意味着相当大的氢气损失。

从大体上讲，在加压容器中储存的问题如今已经解决，但已知的解决方案非常复杂和昂贵，而且容器相对较重。

在相应的管道中传输氢气时，上述问题也会相应出现。

然而，在处理或提取诸如甲烷或天然气之类的烃类气体的过程中也会出现这些问题，其中也会出现氢气暴露。

除了以液体或加压气体的形式储存外，还有一种通常被称为金属混合储存系统的方法，将氢气储存在金属晶格的间隙中。吸附储存也是已知的。

如前所述，金属会发生脆化，尤其是钢，众所周知其会发生氢致开裂或氢脆。在这种情况下，即使是ppm量级的少量氢气也足以导致部件过早失效。随着时间的推移，这种脆化会降低强度，金属材料具有不同的氢耐受性。这方面的一个特殊挑战是，高强度钢材料对氢脆的反应特别敏感。可以用强度较低的材料制作金属容器，特别是钢制容器，以抵消这种情况。但这也使得这种容器必须有更厚的壁，才能提供所需的稳定性。这导致重量增加，并且在机动领域的使用中，由于更大的重量而导致更高的燃料消耗。此外，储存氢气的压力可能会受到限制，从而也会降低储存容量。虽然由CFK(碳纤维增强材料)制成的储罐在储存方面确实具有优势，但它们难以回收，而且比金属制成的储罐昂贵得多。虽然在金属氢化物中储存在原则上确实可行，但在机动领域的应用中必须严格看待，例如，因为装载是一个缓慢而困难的过程。

虽然氢气阻隔是一种可行的解决方案，但薄阻隔层也存在风险，因为即使是最小的局部损坏也会导致组件失效和罐体爆裂。此外，必须随后施加阻隔层，并且需要额外的工作步骤。更糟糕的是，即使是这些阻隔层也不是100％不透氢的，使得氢原子迟早会渗透到每种材料中。化学势是氢气扩散和一般扩散的原因。粒子扩散到化学势较低的位置，从而平衡化学势，达到能量上更有利的状态。固体中任何元素的局部化学势都由多种因素决定，如局部结构的化学成分和温度。然而，最重要的因素是元素本身的浓度。

根据扩散定律，氢气穿过壁的扩散也会导致材料中相应局部区域的氢电势特别低，从而导致向外的浓度梯度，在这些区域氢气会积聚并导致浓度过高。由于氢脆，这些局部过量浓度对金属容器尤其危险。

H₂分子首先附着在表面并离解形成氢原子，其中氢原子渗透钢。来自气体本身的氢原子也可以渗透材料，但粒子更有可能在渗透之前发生重新组合。

例如，镀锌被作为阻隔层。如上所述，通过镀锌确实可以部分防止氢气的渗透，但薄锌涂层，通常在低两位数微米范围内，很容易受到损坏。通常在钢板两侧设置的阻隔还能防止氢从材料中回流。因此，对于此类材料，材料中的氢含量会随着时间的延长而增加。如前所述，如果达到临界氢浓度，可能会导致部件因氢脆而失效。

DE102017204240A1公开了一种由钢制成的整体部件，其中不同的层是通过选择性淬火和氮化从其内部产生的。其目的是生产不同的层，以实现可靠的储氢。然而，这是存在问题的，因为氮化中的扩散深度不能确保材料之间的精确过渡。同样，通过壁厚进行选择性冷却也是一个更难以控制的过程。整体基体分析中的微小波动都会导致结果发生巨大变化。虽然在该文献中假设形成具有马氏体和奥氏体两个明确界定的层的部件，但是并没有形成这种明确界定的层，而是产生奥氏体和马氏体之间的连续过渡的壁，且具有贝氏体混合相和不同的比例残余奥氏体。这种工艺不仅相当复杂，而且无法生产出具有确定属性的组件。

US3785949B1涉及一种具有大量层的罐，在该罐中产生的任何压力都将通过阀从内部排放到外部。这显然是为了通过转移氢气来防止超压或材料失效。转移到外层意味着特别是氢敏感层与氢接触并承受机械应力。外层的焊接连接会引起进一步的不稳定性。

发明内容

本发明所要解决的问题是创造一种用于储存或传输氢气的装置，这种装置设计简单，能够以简单可靠的方式生产，而且具有很高的稳定性和很好的耐氢性。

该问题通过具有权利要求1的特征的装置来解决。

在其从属权利要求中公开了有利的修改。

另一个问题是创造一种易于控制、廉价和可靠的装置的生产工艺。

该问题通过具有权利要求13的特征的工艺来解决。

在其从属权利要求中公开了有利的改进。

根据本发明，用于储存或传输氢气的装置可以例如是储存氢气的储罐，也可以是传输氢气的管道，特别是将氢气传输到容器或从容器传输到用户的管道。特别地，该装置也可以是用于内燃机等的气缸的供应管路。

下文中使用容器的表述时，也指在任何实施方案中传输氢气的管道和装置，反之亦然。

除非另有说明，否则下面提供的所有重量或百分比都是重量百分比。

根据本发明，一种用于容纳、储存或传输氢气的装置由金属制成，特别是由钢制成，更特别地在这里由不同钢种制成。因此，产生了由金属制成的多层结构。这种多层结构至少有两层。根据本发明，内层，即面向待传输或储存的氢气的层，由具有低的氢气易损性和低的氢扩散系数的材料，特别是钢材料制成。

冶金结合的外层材料具有更高的氢扩散系数。优选地，冶金结合的外层材料也具有明显高于该材料的拉伸强度。

根据本发明，这导致内部氢不敏感材料的氢浓度急剧下降。因此，外部材料中的浓度保持在较低水平。由于外层的扩散系数相对较高，通过内层扩散的氢很快就会向外扩散，外层材料中的氢浓度不会超过临界值。

因此，根据本发明，不是试图阻止不可避免的氢气进入，而是控制氢气的进入，并将其保持在可接受的范围内。当然，可以使用多个冶金结合层来代替彼此结合的两个层，由此，根据本发明，每个附加的外部钢层必须分别具有甚至更高的氢扩散系数。

优选地，使用压焊方法来产生材料之间的冶金结合。众所周知的压焊方法通常被称为辊压焊接，其中两层或更多层，特别是不同钢种的层，被辊压在一起。与试图通过化学影响实现多层的现有技术相比，压焊方法实现了具有精确的厚度定义和性能定义的层序列。此外，这种已知的压焊方法还能确保材料之间的边界层没有孔隙，从而防止氢原子在结合面上重新结合。

本发明特别涉及一种用于储存或传输氢气的装置，特别是氢气罐或氢气管路，其中该装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D_内部<D₂<...<D_n。

在一种修改方式中，内层的厚度(t_i)相对于相邻层的厚度(t₂)表现如下：D_i*t₂<D₂*t_i。

在一种修改方式中，所述层由钢材料或镍基合金制成。

在一种修改方式中，各层之间采用冶金粘合剂粘接、压焊或联合管拉伸。

在一种修改方式中，装置的内部具有由塑料和/或陶瓷制成的内衬。这种内衬的目的是提供化学腐蚀保护。

在一种修改方式中，该装置的外部具有有机或金属防腐层，其具有对于氢气的扩散系数D低于最外层的扩散系数。

这些可以是，例如，聚合物溶液，例如橡胶涂层或合成树脂基或丙烯酸基涂料。金属涂层的适用性在很大程度上取决于其组成和应用方法。例如，纯锌在奥氏体范围内具有非常低的扩散系数，但作为合金，扩散系数会变化几个数量级，并且在含有12％Ni的情况下，氢的扩散系数约为0.5*10^-12。测量结果还显示了应用方法的影响：采用PVD法涂覆的锌防腐涂层显示出极高的氢渗透性。因此，应避免采用热浸镀锌或电解镀锌防腐措施，而应优先采用其他应用技术、防腐层或涂料涂层的合金成分。

在一种修改方式中，多层结构的厚度在2到45mm之间，其中，最内层的厚度至少为0.3mm。

根据一种修改方式，最牢固层的屈服强度＞350MPa，优选＞500MPa，特别优选＞650MPa。

在一种修改方式中，提供具有相对较低的氢扩散系数的材料作为在内部与氢接触的材料，例如高锰奥氏体Twip、奥氏体不锈钢或镍基合金。

在一种修改方法中，外层和/或中间层采用延迟转变淬火和回火钢、可淬火硼锰合金或可淬火和回火铬钼合金。

在一种修改方式中，以下材料从内向外定位，由此第三外层是可选的：

本发明的另一方面涉及一种用于储存或传输氢气的装置的制备工艺，特别是氢气罐或氢气管路，其中该装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D_内部<D₂<...<D_n，其中，至少两个金属层采用冶金粘合剂粘接。

在一种修改方式中，用于形成所述装置的材料为辊包层、爆炸包层或联合拉管。

在一种修改方式中，将塑料或陶瓷衬垫涂覆到朝向氢的内层，以防止氢离解。与金属相比，塑料内衬本身具有氢渗透性。

在一种修改方式中，在外层的外部涂覆由扩散系数低于所述外层材料的材料制成的金属或有机防腐层。

在一种修改方式中，以相同的方式焊接每层材料，以形成封闭容器或连接管段，从而使焊缝具有与主体其余部分相当的材料结构。

在一种修改方式中，使用HF或MIG/MAG或WIG焊接来焊接材料层。这些焊接方法使得各个层能够以相同的方式进行焊接，同时对边缘进行适当的准备。相比之下，激光焊接无法单独连接材料层。

另一方面所述的装置作为储存所产生的氢气的固定式氢气罐，或作为发电和供热的固定式内燃发动机的氢气罐或用作建筑物供暖系统中使用的氢气罐，或作为用于储存金属矿的直接还原系统中所用的氢气的氢气罐的用途。

另一方面涉及该装置在机动应用中作为汽车、卡车、农用车辆、船舶和飞机中的氢气罐以及在航空航天技术中的用途。

另一方面涉及所述的装置在燃料供应管路和类似管路的用途，所述燃料供应管路或类似管路用于将氢气供应到燃烧室或喷射装置或金属矿石的直接还原系统或作为管道。

另一个方面涉及该装置在深层钻探技术领域的应用，如作为钻杆的一部分、作为内衬或衬里和管道、在化工厂建设中用于传输氢气以及在氢气暴露区域用于储罐和管道建设。

在上文提及氢气的情况下，应注意的是，这也包括氢气暴露。这种暴露也可能发生在上述处理其他气体如甲烷或天然气的方法和用途中。这还包括此类气体或氢气的地下储存或碳氢化合物气体的合成。

附图说明

本发明将借助附图举例说明。在附图中：

图1：氢气对材料造成破坏的机理；

图2：扩散与化学势的函数关系；

图3：氢气在传统钢制容器中氢浓度变化的情况；

图4：两侧都有阻挡层的材料横截面上的氢浓度；

图5：本发明结构中的氢分布；

图6：本发明中的强示意性的两层结构；

图7：本发明的三层结构的示意图；

图8：在用电子显微镜拍摄的视图中显示了奥氏体不锈钢与通过抽空包覆组生产的硬化和回火钢之间的材料结合；

图9：强示意性的双层材料结构中氢气浓度随材料厚度变化；

图10：强示意性的三层材料结构中氢气浓度随材料厚度变化；

具体实施方式

图1显示了化学势和浓度之间的关系。

图2显示了单壁传统钢容器中的关系，其中氢分子和氢原子存在于容器内部，扩散到钢中，但只有一小部分再次扩散出来。这里的氢分子首先附着在涂层表面，然后离解形成氢原子，渗透到钢中。虚线表示会对钢材造成损害的临界浓度；实线表示氢气的基本浓度，向外侧递减。如上文所述，根据扩散定律，氢气通过壁，此处为单壁钢容器，扩散时会产生向外的浓度梯度，如实线所示。然而，在材料中存在一些局部点的氢气电势特别低，氢气在这些点积聚并导致浓度增加。这些点通常被称为氢陷阱，会导致局部超过临界浓度，因此必须假设损坏发生在这些点上。

图3显示了一种材料，特别是钢材料的相应状态，该材料也具有阻挡层，如金属锌层。浓度确实基本上较低，由此可知，氢的初始浓度基本上较低，但由此可知，两侧的阻挡层阻止氢从材料中逸出。随着时间的推移，材料中的氢含量会增加，因此从长远来看，浓度梯度会发生变化(上曲线)，此外，上述氢陷阱会导致局部超过临界浓度。

图4显示了根据本发明的结构中的状态。这里可以看到两层，一层是朝向氢气设置的内层，另一层是朝向外部设置的外层。内部材料具有相对较高的抗氢扩散能力。这一点从曲线及其非常陡峭的下降可以明显看出，氢浓度在材料厚度上急剧下降。同时，这种材料对氢损伤相对不敏感。根据本发明，外层材料对氢气的扩散系数比内层还要高，因此从内层进入外层的氢气不会向外扩散(图4，下曲线部分)。在这种情况下，即使不可避免的氢陷阱也不会导致超过临界浓度。在这种情况下，外层例如较厚，特别是由较高质量的钢制成，这种刚材这在很大程度上不适合作为内层，但由于其高拉伸强度和屈服强度，确保了相应容器的机械稳定性。这在机动领域应用中的碰撞稳定性尤为重要。一方面，它比较容易建造，重量轻，制造成本低；另一方面，它具有很高的稳定性，至少可以减少有时对氢气容器采取的极端保护措施。

图5显示了该结构的基本表现；其中，氢气的层厚度(t_i＝内层厚度，t_a＝外层厚度)和扩散系数(D_i和D_a)表现如下：

D_i×T_a<D_a×t_i。

如果内层的材料含量较低，D_i明显小于D_a，这是特别有利的。这在内层材料中实现了更大的浓度梯度，并保持外层材料中的氢浓度较低。

当然，如图6所示，也可以设想一种由三部分组成的材料，其中的层厚度和扩散系数如图6所示，表现如下：

D₁×t₂≤D₂×t₁且D₂×t₃<D₃×t₂。

例如，如果要进一步降低外层中的氢浓度，或出于加工原因(外层的简单连接)，这样的层排列是有利的。如果需要，也可以通过可延展的外层D₂保护高强度但脆的层D₂不受机械影响。

D₁<D₂<D₃的关系仍然适用，因此氢浓度的持续下降主要发生在内层。

氢在钢中的扩散系数主要受结构和化学成分的影响。扩散受到许多其他因素的影响，例如晶粒尺寸分布和相组成。就晶粒尺寸分布而言，相对于晶粒尺寸氧化，晶粒尺寸分布对晶格扩散具有特别的影响。

因此，对于本发明中的多层结构，为了获得有效数据，有必要单独确定所用材料的扩散系数。但是，可以假设一些一般影响，并在下面进行解释。

关于化学成分，即钢中的合金，可以说合金元素镍、钼、钴、硅、硫、碳和铬降低了钢中氢的扩散系数。换句话说，特别是在不锈钢中也使用的合金元素。在结构方面，奥氏体的扩散系数比纯铁素体的扩散系数高105倍。马氏体和贝氏体位于奥氏体和铁素体之间。但应注意的是，实际扩散速率在很大程度上取决于残余奥氏体含量或相组成以及晶粒大小。

例如，铁素体纯铁在室温下的扩散系数为7×10^-9m²/秒。合金含量或碳含量越高，扩散系数越小，X65钢的扩散系数约为4.5×10^-10m²/秒，而HSLA100钢的扩散系数仅为4.5x10^-13m²/秒。

如上所述，不锈钢的氢扩散率较低，但相组成起决定性作用。例如，铁素体不锈钢的扩散系数可达5×10^-13或更高，而马氏体不锈钢的扩散系数略低，奥氏体不锈钢的扩散系数为5×10^-16m²/秒。

因此，与氢气接触的内层材料应选用氢扩散系数较低的材料，如高锰奥氏体Twip、奥氏体不锈钢(如304L、316L)或镍基合金(如合金625或合金825)。

锰含量高的牌号的示例具有以下成分，例如：

碳(C)0.3-1

锰(Mn)13-24

硅(Si)0.01-2

铝(Al)0.03-2.5

铬(Cr)0.03-2.5

钛(Ti)0.01-0.08

氮(N)<0.04

磷(P)<0.03

硫(S)<0.02

镍(Ni)<1

残余铁和与熔化有关的杂质

对于奥氏体不锈钢牌号，适合使用下列合金成分的钢材：

碳(C)0.01-0.1

锰(Mn)0.2-2.0

硅(Si)0.01-1

铬(Cr)16-20

钛(Ti)0.01-0.08

氮(N)<0.05

磷(P)<0.04

硫(S)<0.015

钼(Mo)1-2.5

镍(Ni)7-15

残余铁和与熔化有关的杂质。

适合的镍基合金是具有以下成分的合金：

碳(C)0.01-0.1

锰(Mn)0.01-1

硅(Si)0.02-0.5

铝(Al)0.02-0.4

钴(Co)<1

铬(Cr)18-24

铜(Cu)0.05-3

铁(Fe)<18

钼(Mo)2-10

铌3-4.5

钛(Ti)<0.04

磷(P)<0.02

硫(S)<0.01

残余镍和与熔化有关的杂质。

合适的外层和中间层是延缓转变的淬火和回火钢、可硬化的硼锰合金以及可回火的铬钼合金。一种可能的合金成分如下，例如：

碳(C)0.08-0.6

锰(Mn)0.5-3.0

铝(AI)0.01-0.07

硅(Si)0.01-0.7

铬(Cr)0.02-2

钛(Ti)0.01-0.08

氮(N)<0.02

硼(B)0.002-0.02

磷(P)<0.01

硫(S)<0.01

钼(Mo)0.01-0.5

残余铁和与熔化有关的杂质。

如果提供额外的外层，则主要使用铁素体钢，如IF钢、结构钢或微合金钢。下表显示了合适的微合金钢的示例：

碳(C)0.02-0.15

锰(Mn)0.2-2.0

铝(Al)0.01-0.07

硅(Si)<0.5

铬(Cr)<0.3

钛(Ti)+铌(Nb)0.01-0.15

氮(N)<0.02

硼(B)<0.02

磷(P)<0.01

硫(S)<0.01

钼(Mo)<1

残余铁和与熔化有关的杂质。

这导致以下可能的设定，例如：

1.TWIP–38MnSi4(+S355)

2.316L–34CrMo4(+S235)

3.合金625–42CrMo4(+340LA)

4.304L–34MnB5(+420LA)

在一个示例中，相应的设置是辊式包覆的，其中钢板叠层以本质上已知的方式形成，在推杆式炉中加热至轧制温度，接着热轧，然后冷轧。对这些复合板的测试表明，这些材料能够承受氢气暴露。正如所料，在键合平面上没有氢的复合。

热轧包覆工艺有利地利用气密密封的抽空包覆组进行，以便在加热到轧制温度的过程中最大限度地减少结合面上氧化物的形成。图8中的金相截面显示了各种可能材料之间的材料结合。

事实证明，通过某些材料组合，包层平面中的纯镍层可以增加包层中的粘附力。与奥氏体相比，辅助层的厚度较低，纯镍中氢的扩散系数相对较高(10^-10m²/sec)，这就是使用本发明粘合促进剂的原因之一。

在以下示例中示出了一个可能的实施例，其仅是示例并且应当被理解为非限制性的。

内层为316L型钢，厚度为2毫米，成分的重量百分比为

C＝0.016；

Cr＝17.2；

Ni＝10.2；

Mn＝0.9；

Si＝0.46；

Mo＝2.03，

P＝0.0025，

S＝0.001，

N＝0.035，

残余铁和与熔化有关的杂质

氢气扩散系数为5*10^-16m²/s，外层为34MoCr4钢，厚度为10mm，各组分的重量百分比如下：

C＝0.35；

Mn＝0.5；

Si＝0.25；

Cr＝1.04；

Mo＝0.18；

S＝0.015；

P＝0.016，

残余铁和与熔化有关的杂质

氢扩散系数为1×10^-13m²/s的材料被轧制在一起。

在静止状态下，扩散介质进入和通过壁的浓度可以近似线性表示，其中多层材料中各自浓度梯度的斜率与扩散系数间接成正比。由于选择了包层选择，上述示例中的大部分氢浓度(约占总浓度梯度的97％)在达到包层时已经下降，外层的氢含量保持在较低水平。如图9所示。

另一个非限制性示例涉及三层结构，内层由镍基合金625制成，厚度为0.5毫米，各成分的重量百分比为

C＝0.013；

Al＝0.2；

Si＝0.16；

Cr＝21.2；

Mo＝8.2；

Ti＝1.4；

Nb＝3.6；

残留镍和不可避免的生产相关杂质

氢扩散系数约为2×10^-15m²/s，第二中间层由42CrMo4钢材料制成，厚度为10mm，各成分的重量百分比为：

C＝0.415，

Cr＝0.99；

Mo＝0.22，

Mn＝0.6；

Si＝0.19；

残余铁和不可避免的与熔化有关的杂质

氢扩散系数约为1.5×10^-13m²/s，第二中间层由340LA钢材料制成，厚度为3mm，各成分的重量百分比为：

C＝0.079，

Si＝0.02，

Mn＝0.33，

Al＝0.042，

Cr＝0.02；

Nb＝0.054，

B＝0.0002；

Mo＝0.003

残余铁和不可避免的与熔化有关的杂质

氢扩散系数约为4×10^-11m²/s，并用通过辊包覆在一起。在此示例中也可以计算氢的分布。

在这里，由合金625制成的内层也已经降低了约78％的氢气浓度。这已经显著地降低了中间层中的氢气含量。微合金外层对浓度梯度的改变不大，但其良好的可焊性使其可以安装手柄或把手。

如图10所示。

根据本发明，相应生产的装置可以用作固定的氢罐，例如用于发电和供热的固定式内燃机。随着该技术的进一步实施，用作建筑物供暖系统中使用的氢罐也是理所当然的。

此外，这样的装置可以有利地用于机动领域应用中。这些特别但不限于在汽车、卡车、农用车、船舶和飞机中的应用，但也用于一般航空航天工业中的应用。

由于本发明还包括管道的生产，因此以较小的规模提供这种管道作为燃料供应管路和用于将氢气供应到燃烧室或喷射装置或金属矿石的直接还原系统的类似管路。此外，这种管道还可以作为管道在更大范围内使用。

然而，在深层钻探技术领域，所述装置作为钻杆的一部分，作为衬管或衬里和管路，以及在化工厂建设中，无论是用于氢气传输，还是用于氢气暴露区域的储罐和管道建设，这些积极的特性也是非常有利的。氢气暴露不仅发生在氢气的加工、提取或储存过程中，也发生在天然气的加工、提取或储存过程中。

因此，本发明可以制造出一种用于储存和/或传输氢气的装置，这种装置可以可靠地、机械地、安全地、经久耐用储存或传输氢气。

根据本发明的方法，可以以简单的方式，尤其是以工业规模生产这种装置。

Claims

1.一种用于储存或传输氢气的装置，特别是氢气罐或氢气管路，其中所述装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D_内部<D₂<...<D_n，各所述层之间采用冶金粘合剂粘接、压焊或联合管拉伸。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，内层(t_i)的厚度相对于相邻层(t₂)的厚度表现如下：D_i*t₂<D₂*t_i。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少两个金属层。

4.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述金属层具有不同的合金成分。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述层由钢材料或镍基合金制成。

6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的内部具有由塑料和/或陶瓷制成的内衬。

7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的外部具有有机或金属防腐层，所述防腐层的氢扩散系数D低于最外层的扩散系数。

8.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，外部的涂层由聚合物溶液形成，如橡胶涂层，或合成树脂基或丙烯酸基涂料，和/或由锌镍合金形成，或由使用PVD方法施加的锌层或锌合金层形成。

9.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述多层结构的厚度在2至45mm之间，其中最内层的厚度至少为0.3mm。

10.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，最牢固层的屈服强度大于350MPa，优选大于500MPa，更优选大于650MPa。

11.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，与氢气接触的内层材料为氢扩散系数相对较低的材料，如高锰奥氏体Twip、奥氏体不锈钢，或镍基合金。

12.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，外层或中间层或两层均采用延迟转变硬化和回火钢、可硬化硼锰合金或可回火铬钼合金。

13.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，从内到外存在以下材料排列，第三外层可选的为：

第一层TWIP第二层38MnSi4第三层S355或

第一层316L第二层34CrMo4第三层S235或

第一层625合金第二层42CrMo4第三层340LA或

第一层304L第二层34MnB5第三层420LA。

14.一种用于储存或传输氢气的装置的生产方法，特别是氢气罐或氢气管路，其中所述装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D_内部<D₂<...<D_n，其特征在于，至少两个金属层采用冶金粘合剂粘接。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，用于形成所述装置的材料为辊包层、爆炸包层或联合拉管。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，为了防止氢气解离，在内层朝向氢气的一侧涂上一层塑料或陶瓷制成的内衬。

17.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述外层的外部涂覆由扩散系数低于所述外层的材料制成的金属或有机防腐层。

18.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，以相同的方式焊接每层材料，以形成封闭容器或连接管段，从而使焊缝具有与主体其余部分相当的材料结构。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述材料的层通过HF或MIG/MAG或WIG焊接进行焊接。

20.根据权利要求1至12中任一项所述的装置作为储存所产生的氢气的固定式氢气罐，或作为发电和供热的固定式内燃发动机的氢气罐或用作建筑物供暖系统中使用的氢气罐，或作为用于储存金属矿的直接还原系统中所用的氢气的氢气罐的用途。

21.根据权利要求1至12中任一项所述的装置在机动领域应用中的用途，如汽车、卡车、农用车、船舶和飞机中的氢气罐，以及在航空航天技术中的用途。

22.根据权利要求1至12中任一项所述的装置作为燃料供应管路和类似管路的用途，所述燃料供应管路或类似管路用于将氢气供应到燃烧室或喷射装置或金属矿石的直接还原系统或作为管道。

23.根据权利要求1至12之一所述装置在深层钻探技术领域的用途，如作为钻杆的一部分、作为内衬或衬里和管道、在化工厂建设中用于传输氢气以及在发生氢气暴露的地区用于储罐和管道建设。