CN1294376C - 金属氢化物储氢装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属氢化物储氢装置及其制作方法，它包括三个并排的经旋压加工且耐压的储存容器；每个容器内装填有低温稳定放氢的金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管；若干紧密配合于容器外围的散热片将三个容器连成一体，三个容器的气体通路通过不锈钢管连在一起，其端部与球阀连结，球阀的另一端与带有自锁功能的减压稳压阀连接。其制作方法：预制三个具有一端开口的瓶式耐压容器；将导气管定位于容器中；钛系合金粉末与定比例的导热剂和抗板结剂混合后装入容器中；将内置过滤片的接头固定于容器开口；若干片散热片镶套于容器外边，并过盈配合；设置气路并使通路与球阀一端连接；球阀的另一端与减压稳压阀进口端连接。其能稳定放氢；热交换效率明显提高。
Description
技术领域
本发明属于氢能领域的储氢技术，特别涉及一种关于燃料电池用的金属氢化物储氢装置及其制作方法。
背景技术
随着人类文明的进步，对煤、石油、天然气等矿物能源的需求量日益增大，而这些传统能源的使用，又造成生态环境的严重恶化，例如温室效应和酸雨等。煤、石油、天然气等是不可再生能源，在地球上的储量是有限的，人类不可能长期依赖于它们。出于能源危机和环境保护的考虑，世界先进国家都在研究和开发新的可替代能源，譬如太阳能、风能、氢能、核能、潮汐能、地热能、生物质能等等。
氢气燃料热值高，燃烧相同重量的煤、石油与氢气，氢气放出的能量为石油的3倍，煤的6倍；氢燃烧的产物是水，对环境无污染，真正实现零排放；氢的来源广泛，可再生和重复利用，因此氢能作为重要的二次能源和清洁能源，越来越受到人们的重视。
从氢能的角度划分，氢的使用方式主要有两种：一是用于燃烧，将氢能转化为热能或电能；二是通过先进的发电装置(如燃料电池)，将氢能转化为电力。燃料电池是氢能应用最有希望的系统之一，其特点是：能量转换率高，燃料多样化，排气干净，噪音低，对环境污染少，可靠性及维修性好等。目前，燃料电池技术已有了突飞猛进的发展，有望在不久的将来实现产业化。燃料电池工作时所需的燃料气体为氢气(高纯氢)，氧化剂为氧气，氢和氧通过电化学反应生成水，同时将化学能转换成电能。燃料电池主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料电池按电解质划分，共有五大类：碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型。目前应用最多的是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC)。然而，氢气作为燃料电池的氢源，其储存方式目前仍存在着许多问题，这严重制约了燃料电池的应用。
现燃料电池氢源大多采用高压气瓶、液氢方式，其缺陷是：体积储氢密度低；对使用容器性能要求高；存在爆炸危险。金属氢化物储氢是一种固态储氢技术，与传统方法相比，金属氢化物储氢更安全、更灵活和更有效。但其也存在一些不足，例如储氢器未能有效增大容器表面积，会导致金属氢化物储氢材料吸放氢时不能与外界环境进行充分的热交换，影响了其动力学性能，吸放氢速率减慢，满足不了燃料电池氢源的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带有散热片和减压稳压阀的金属氢化物储氢装置及其制作方法，利用该制作方法制作的金属氢化物储氢装置可在较恶劣的环境下、甚至-13℃时稳定供氢；通过设置减压阀，使储氢装置内的压力降至小功率燃料电池的工作压力；设计和加工散热片时留有尺寸余地，使散热片与容器达到紧密配合，增大了容器的散热面积，从而改善储氢装置的热交换效率。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种金属氢化物储存装置，包括三个并排的经旋压加工且耐压的储存容器；每个容器内装填有低温稳定放氢的金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管；若干紧密配合于容器外围的散热片将三个容器连成一体，三个容器的气体通路通过不锈钢管连在一起，其端部与球阀连结，球阀的另一端与带有自锁功能的减压稳压阀连接。
所述的每个容器的开口以螺纹方式固定接头，接头内置有防止合金细粉进入气路的过滤片。
所述的金属氢化物为AB2型钛系合金，具体成分为Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01~0.3)，经真空感应熔炼而成，将熔炼后的铸锭破碎成-60目的粉末以备用，该合金经过2~3次循环吸放氢后即可完全活化，储氢量约为2wt％左右，而且该合金可在较大的温度区间工作，甚至在-13℃时也能稳定放氢；一定量的导热剂和抗板结剂，将破碎成粉末的钛系合金与导热剂和抗板结剂按一定比例混合，置于储存容器中。
以两个或多个通路(通路具体数量视储存容器的数量而定)的不锈钢管与容器开口的接头相连，由此将两个或多个储存容器的气体通路连为一体；不锈钢管的其中一个通路与球阀一端连接，球阀的另一端与减压稳压阀进口端连接(减压阀的出口端可通过软管与燃料电池的气路相连)；减压阀内置有膜片和弹簧，通过膜片与内壁的摩擦、以及弹簧对膜片产生的作用力来实现减压和稳压的功能，当压力超过一定值后，减压阀停止工作一即自锁，保证出口压力不能对燃料电池造成破坏。
本发明还提供一种金属氢化物储氢装置的制作方法，其包含以下步骤：
1)预制三个具有一端开口的瓶式耐压容器；
2)将导气管一端定位于储存容器中，另一端与容器开口相通；
3)将钛系合金粉末与一定比例(1~20％)的导热剂和抗板结剂混合后装入储存容器中；
4)将接头固定于容器开口，接头内置过滤片；
5)将若干片散热片镶套于储存容器外边，散热片上的冲孔与容器外径过盈配合；
6)将具有多通路的导管与固定在储存容器开口的接头连接；
7)导管剩余的一个通路与球阀一端连接；
8)球阀的另一端与减压稳压阀进口端连接；
9)减压稳压阀以螺钉固定于该储氢装置的框架外壳上。
本发明的优点是：所述的金属氢化物储氢装置选用的储氢材料为AB2型钛系合金，该合金能在较宽的温度区间工作，即使是在-13℃时也能稳定放氢；采用导热剂，改善储氢材料的热传导率，使储氢材料与容器、散热片进行充分的热交换；采用抗板结剂，减缓材料在吸放氢过程中粉化而导致板结现象的发生；利用储氢材料吸氢时造成的容器的体积膨胀，使散热片与容器达到紧密配合，由此增大了容器的表面积，使得储氢装置与外界环境的热交换效率明显提高。制作金属氢化物储氢装置的方法简易、可靠。
附图说明
图1为本发明金属氢化物储氢装置的结构示意图(剖视)
图2为储氢单罐的剖面结构示意图
图3为金属氢化物储氢装置的外形示意图
具体实施方式
如图1、图3所示，为本发明金属氢化物储氢装置一实施例：其包含：三个储存容器10；多个散热片11；三根导气管12；三个瓶口接头13；一根四通气路管14；一卡套15；一球阀16及一减压稳压阀17。导气管12置于储存容器10内；储存容器中剩余空间填充AB2型钛系储氢材料与一定比例的导热剂及抗板结剂20，瓶口接头13内置过滤片22，若干片散热片11置于储存容器10外，每一散热片11具有三个向同一方向翻边的冲孔21，冲孔的内径大致与储存容器外径相等，翻边既可将若干个散热片彼此分隔开，也可起到支撑的作用。各储存容器的气体通路14通过不锈钢管连为一体，不锈钢管的其中一个通路与球阀16一端连接，球阀的另一端与减压阀17进口端连接。
参见图2，该储存容器10具有一内径Di、一外径Do、一底端18以及一相对该底端的释出端口19。
为方便制作本发明的金属氢化物储氢装置，储存容器10预先成形体可选用轻质、高强度的金属材料，可承受一定的压力和温度，较佳者，是采用旋压工艺制成、并经过热处理及时效处理后的铝合金，其极限耐压可达25MPa。
本发明选用的储氢材料为AB2型Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01~0.3)钛系合金，该合金经真空感应熔炼而成，将熔炼后的铸锭破碎成-60目的粉末，该合金经过2~3次循环吸放氢后即可完全活化，储氢量约为2wt％左右，其可在较大的温度区间工作，甚至在-13℃时也能稳定放氢；加入一定比例(1~20％)的导热剂，其由轻质、导热系数高、且具有一定强度的材料制成，可提高储氢材料与外界的热交换效率；加入一定比例(1~20％)的抗板结剂，该材料具有轻质及强度较高的特点，可防止储氢材料因粉化及粉末迁移而导致的板结现象的发生。
导气管12为采用粉末冶金方法制成的多孔金属管，其一端固定于储存容器底端，另一端与容器释出端口19相通，保证气路的通畅。
所述的每个容器的开口以螺纹(或其它)方式固定接头，接头13中置有的过滤片22，可由耐压的金属材料经压制、烧结而成，经由压制、烧结制得的多孔金属片为最佳，孔径约为1~5微米，可防止储氢材料的细粉进入气路管14中。
散热片11由轻质且具有一定强度的金属经冲压而成，散热片上具有若干向同一方向翻边的冲孔，(冲孔具体数量视储存容器的数量而定)，冲孔内径略大于储存容器外径Do，储氢材料吸氢后造成容器的膨胀变形，使冲孔21与储存容器10达到紧密配合，使得散热片11与储存容器10的有效接触面积增大，从而提高了储氢装置的热交换效率，同时每个散热片的翻边可分隔、支撑相邻的散热片。
减压稳压阀17以螺钉24固定在框架外壳23上，其由轻质、耐压金属制成，通过内部膜片与内壁的摩擦、以及弹簧对膜片产生的作用力来进行减压，经精确的计算和设计加工，其进口压力最高可达6MPa，出口压力仍可以在0.01~0.03MPa(表压)之间，并且该阀具有自锁功能(进口压力超过一定数值后，该阀将切断气路，出口端无气体流出)，从而确保燃料电池不受损坏。
制作本发明的金属氢化物储氢装置时：先按需要数量预制具有一端开口的储存容器预先成形体；分别将导气管12一端定位于储存容器10中，导气管12的另一端与储存容器的释出端口19相通，为气体提供通畅的扩散通道；然后填充一定量的未活化的储氢材料、以及一定比例的导热剂和抗板结剂20；以螺纹方式将接头13固定于容器开口处19，再将若干片散热片11装配于储存容器10外，散热片11和容器10采取过盈配合；将具有多通路的不锈钢管14以内卡套方式与瓶口处的接头13连接，剩余一通路与球阀16一端连接，球阀16的另一端与减压阀17的进口端相连，减压阀17以螺钉24固定在框架外壳23上。
使用该金属氢化物储氢装置之前，先将氢气经由球阀16、气路管14、容器10的释出端口19及导气管12导引给储氢材料，然后将储存在金属氢化物内的氢气完全释放，依此重复2~3次，待材料完全活化后，再充入氢气以备使用。
本发明为一种突破现有技术的新颖设计：
金属氢化物储氢器内装有金属氢化物储氢材料，可将氢气安全地储存于其中，使用时释放出高纯氢气。
金属氢化物储氢材料在一定温度下对应一定的吸氢平衡压和放氢平衡压，其吸、放氢平衡压随着温度的升高而增大，随着温度的降低而减小。燃料电池本身可在较宽的外界温度范围内工作，为了保证其能正常稳定的工作，相应地要求金属氢化物储氢材料也可在较宽的外界温度范围内放氢。目前，应用于储氢器的金属氢化物储氢材料在低于0℃时放氢量大大减少，有的甚至放不出氢。本发明通过适当改变金属氢化物储氢材料中Ti/Zr比，可提高材料的吸、放氢平衡压，在0℃以下时仍能正常稳定地放氢，同时放氢量不会减少。
金属氢化物储氢材料吸放氢的过程是一热交换的过程，吸氢时放热，放氢时则吸热。金属氢化物储氢材料吸放氢时，主要利用容器表面与外界进行热交换，而现有的储氢器未能有效增大容器表面积，导致金属氢化物储氢材料吸放氢时不能与外界环境进行充分的热交换，影响了其动力学性能，吸放氢速率减慢。本发明在储氢器整体体积不变的情况下，增大容器的表面积，则可以提高储氢材料的热交换效率，从而保证氢气的稳定输出。
本发明所采用的金属氢化物为低导热率物质，添加了一定量的导热剂和抗板结剂于储氢器中，可以提高储氢材料的热交换效率，并防止其放氢时板结。
小功率燃料电池的工作压力一般在0.01~0.03MPa(表压)之间，而金属氢化物储氢器内的压力一般要高于0.03MPa。本发明在储氢器与燃料电池之间装有减压稳压阀，防止了因氢气压力过高而影响燃料电池性能及对电池造成损坏。
金属氢化物(metal hydride)储氢是一种固态储氢技术，与现有技术相比，有以下特点：(1)体积储氢密度高；(2)无需高压容器和隔热容器；(3)安全性好，无爆炸危险；(4)可得到超高纯氢；(5)循环使用寿命长。总之，与传统方法比较，金属氢化物储氢更安全、更灵活和更有效。
本发明储氢装置在无热交换介质、空气不流动的情况下，仍能稳定供氢，即使在-13℃时仍可稳定地输出气体，流量始终保持在2~3升/min，与此同时，散热片与容器的紧密结合也进一步提高了容器的抗变形能力；通过减压稳压阀，可将0.03～4MPa的进口压力减小并稳定在0.01～0.03MPa，同时该阀还具有自锁功能(进口压力超过一定数值后，减压阀将切断气路，出口端无气体流出)，防止因氢气压力过高而影响燃料电池性能及对电池造成损坏，从而使金属氢化物储氢装置可直接应用于小功率燃料电池。
金属氢化物储氢器除应用于燃料电池外，还可应用于太阳能光伏技术、氢原子钟、半导体生产用高纯氢源、热泵及压缩机制冷等其它方面。
Claims (5)
1、一种金属氢化物储氢装置，其特征在于：包括三个并排的经旋压加工且耐压的储存容器；每个容器内装填有低温稳定放氢的金属氢化物粉，中心插有多孔的导气管；若干紧密配合于容器外围的散热片将三个容器连成一体，三个容器的气体通路通过不锈钢管连在一起，其端部与球阀连结，球阀的另一端与带有自锁功能的减压稳压阀连接。
2、根据权利要求1所述的金属氢化物储氢装置，其特征在于：所述的金属氢化物为AB2型钛系合金，具体成分为Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.03)。
3、根据权利要求2所述的金属氢化物储氢装置，其特征在于：所述合金经真空熔炼并破碎成-60目粉末，经过2～3次吸放氢循环即完全活化，将特种导热纤维和抗板结剂按1～20％混合填装在储氢装置内。
4、根据权利要求1所述的金属氢化物储氢装置，其特征在于：接头内置有防止合金细粉进入气路的经由压制、烧结制得的多孔过滤片。
5、一种金属氢化物储氢装置的制作方法，其特征在于包含以下步骤：
1)预制三个具有一端开口的瓶式耐压容器；
2)将导气管一端定位于储存容器中，另一端与容器开口相通；
3)将钛系合金粉末与1～20％比例的导热剂和抗板结剂混合后装入储存容器中；
4)将接头固定于储存容器开口，接头内置过滤片；
5)将若干散热片镶套于储存容器外边，散热片上的冲孔与容器外径过盈配合；
6)将具有多通路的导管与固定在储存容器开口的接头连接；
7)导管剩余的一个通路与球阀一端连接；
8)球阀的另一端与减压稳压阀进口端连接；
9)减压稳压阀固定于该储氢容器的框架外壳上。
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