CN219493819U - 一种多孔石墨网格温度调控金属储氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，属于储氢技术领域。它包括金属储氢腔室，设在金属储氢腔室中的多孔石墨网格和金属储氢材料单元；其中所述的金属储氢腔室设有与金属储氢材料单元相通的加氢口和放氢口，以及多个与多孔石墨网格相通的温度加载口；所述的多孔石墨网格是由多孔石墨材料加工成的纵横交错的网格状骨架，网格状骨架上设有导热膜；所述的金属储氢材料单元填充在网格状骨架的每个空间，从而使二者形成形状与尺寸与金属储氢腔室相适应的一体结构。本实用新型可以实现金属储氢材料温度的升降控制，使金属氢化物的吸氢与放氢过程更顺利地启动与停止。

Description

一种多孔石墨网格温度调控金属储氢装置

技术领域

本实用新型涉及一种金属储氢系统，特别涉及一种通过多孔石墨网格实现温度加载/卸载控制的金属储氢装置。

背景技术

人类迫切需要寻求更高效的、可再生的清洁能源来代替传统的化石燃料。氢能被认为是最具潜力的能量载体之一，而且氢能的使用过程中产物只有水，完全无污染。氢气的高效制取、安全储运和合理应用是开发和利用氢能的三个重要环节。目前，氢气的制取和提纯技术已比较成熟，可实现氢气的规模化生产。由于氢气在常温常压下具有所有能源中最低的密度，且易燃、易爆、易扩散，氢气的储存和运输已成为制约氢能规模化应用的瓶颈问题。

储氢方法包括物理存储和基于材料的存储，其中物理存储分为气态储氢和液态储氢。对于气态储氢，目前氢燃料电池汽车的车载储氢系统采用碳纤维增强复合材料制造超高压容器，极限氢压可达70MPa，但制造成本较高，并存在安全隐患。对于液态储氢，氢气的液化过程将消耗大量能量，占储存氢气总能量的30％～45％，且液氢储存需要保温性极佳的超低温容器。基于材料的存储是让氢储存在不同的介质中，比如存储在固体储氢材料中(固体介质)、液氢载体、材料表面储存等。与本实用新型有关的技术是固体储氢。

固态存储目前大多数处于研究阶段，固体储氢材料，是一类对氢气具有良好吸附性或能与氢发生可逆化学反应而实现氢气储存的材料，具有体积储氢密度高、使用安全、储运便利等优势，目前常用的固体储氢材料是金属氢化物。金属氢化物储氢技术原理是氢气与某种金属单质或合金通过化学反应进行储存和释放。随着更多轻金属基氢化物的发现，更高的体积储氢密度、更优异的储氢效率和可通过温度和氢压调控吸放氢速率的特点，使其成为最具潜力的储氢技术之一。这类储氢材料虽然质量储氢密度大，但是由碱金属或碱土金属与氢气通过离子键相结合形成、键能大。因此，此类金属氢化物热力学稳定，需要较高的温度来推动吸放氢反应的发生。近些年来的研究热点多集中在通过纳米化、合金化、纳米限域和掺杂改性等方法牺牲轻金属储氢体系的部分储氢质量密度来提升其动力学性能且降低其热力学稳定性。然而目前主要的轻金属基氢化物的放氢温度仍在200℃左右，因此，为使金属氢化物放氢过程更顺利地启动与停止仍需寻找新的储氢装置以实现金属温度的快速升降控制。

中国专利申请号2022100764217公开了一种高效储氢瓶，它主要是在氢瓶本体内部通过支撑板设有若干散热管，相邻散热管之间相互贴合，散热管的管壁设计为镂空状结构，散热管内部间隔设有多个由储氢合金制作的网格状吸氢网。其工作原理是：进入氢瓶本体的氢气从各个方向通过散热管镂空处进入散热管，在散热管内被吸氢网吸收而储存，从而解决氢气与储氢材料反应所产生的热量容易形成局部高温，影响储氢装置的安全性和寿命等问题。但是从其结构看，散热管遍布在储氢瓶中，而储氢网又间隔设在散热管中，降低了储氢瓶容量利用率。另外放氢需要通过加热的方式激发储氢合金材料，使储氢合金材料分解，从而使氢气从中释放出来，而该技术提供的储氢瓶温度根本无法调控，所以目前尚不知道它的放氢是如何实现的。

目前市场上出现了一种多孔石墨材料，可以根据需求做成具有支撑力的骨架，比如中国专利申请号202210702344.1公开的多孔透气石墨的制备方法，它是将软炭材料和造孔剂进行一次混捏后，加入粘结剂进行二次混捏，形成混合物料，然后再经压制成型、炭化和石墨化处理形成的，得到的多孔石墨材料既有一定的机械强度，又具备优异的透气性和导热性。如果将这种多孔石墨材料用在储氢装置上并优化储氢装置结构，可使金属氢化物放氢过程更顺利地启动与停止。

发明内容

为了实现金属储氢材料温度的升降控制，使金属氢化物的吸氢与放氢过程更顺利地启动与停止，本实用新型提供一种多孔石墨网格温度调控金属储氢装置。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，它包括金属储氢腔室，其特征在于，它还包括设在金属储氢腔室中的多孔石墨网格和金属储氢材料单元；其中：

所述的金属储氢腔室是一个带有上下端盖的保温封闭壳体，壳体的上下端盖上分别预留有多个加氢口和放氢口，加氢口和放氢口均与金属储氢材料单元相通，壳体两端预留有多个温度加载口，温度加载口与多孔石墨网格相通，温度加载口上通过三通阀分别接入气态高温流体与气态低温流体；

所述的多孔石墨网格是由多孔石墨材料加工成的纵横交错的网格状骨架，形成类似于棋盘格状结构，网格状骨架上设有导热膜，防止高温流体溢出同时可以调控金属储氢材料单元的温度；

所述的金属储氢材料单元填充在网格状骨架的每个空间，从而使二者形成形状与尺寸与金属储氢腔室相适应的一体结构。

进一步：所述的金属储氢材料单元是由吸氢金属粉末压制而成的坯体。

进一步：所述的金属储氢腔室的材质为可抑制氢脆材料。

进一步：所述金属储氢腔室尺寸可根据用途分为加氢站级、加氢罐车级、大型客车级、小型客车级，其形状可制成圆柱体、长方体或正方体，与此同时，多孔石墨网格和金属储氢材料单元形成的一体结构相应也为圆柱体、长方体或正方体，大小与金属储氢腔室相适应，从而确保该一体结构在金属储氢腔室的稳定性。

进一步，所述的导热膜优选硅树脂材质的导热膜，在满足导热的同时又具有耐温的性能。

本实用新型的工作原理是通过在储氢罐内铺置多孔石墨网格进行高温或低温流体在其中的快速流动及热量传递，实现对储氢罐内金属储氢材料单元的温度控制，进而实现金属储氢材料吸放氢的顺利启动。具体工作方法为：

放氢过程中，通过向多孔石墨网格中注入气态高温流体，例如过热蒸汽，流体温度根据金属储氢材料的最佳放氢温度进行设置，高温流体通过多孔石墨网格和导热膜将热量热传导给金属储氢材料单元，金属储氢材料快速达到最佳放氢温度后金属氢化物分解，氢气沿罐体上的放氢口流出。

吸氢过程中，通过向多孔石墨网格中注入低温气态流体，防止金属储氢材料吸氢放热导致的局部温度升高，从加氢口进入的氢气被金属储氢材料吸收被储存。

本实用新型可带来如下有益效果：

1.本实用新型利用多孔石墨作为金属储氢材料骨架，不但保障了金属储氢材料在罐体中的稳定性，更重要的是为高低温气态流体提供换热通道。

2.本实用新型在多孔石墨骨架上设有导热膜，使得流经多孔石墨骨架的高低温流体的热量能热传导给金属储氢材料，实现金属储氢材料温度的调控，同时隔绝了罐体中氢气和高低温流体，保持了氢气的原有纯度。

3.本实用新型将金属储氢材料填充在多孔石墨骨架中，利用多孔石墨的延展性吸纳金属储氢材料吸氢后产生的一部分膨胀力，延长金属材料使用寿命，同时增强金属储氢腔室的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型，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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例内部结构的主视示意图。

图2为本实用新型实施例内部结构的俯视示意图。

图3是多孔石墨网格与导热膜结合示意图。

图中：1-加氢口；2-放氢口；3-金属储氢腔室；4-多孔石墨网格；5-温度加载单元接口；6-高温气态流体接口；7-低温气态流体接口；8-加氢管路；9-金属储氢材料单元；10-放氢管路；11-螺栓螺母结构，12-导热膜。

具体实施方式

下面结合附图1对本实用新型的结构做详细的描述。

如图1-3所示，本实用新型所述的多孔石墨网格金属储氢系统整体包括保温的金属储氢腔室3、多孔石墨网格4和金属储氢材料单元9，从图中看出，金属储氢腔室3为一个长方体形状，金属储氢腔室3上端盖上设有多个与金属储氢材料单元9相通的多个放氢管路10，多个放氢管路10通过一根总管与放氢口2相通；相应的，在金属储氢腔室3下端盖上设有多个与金属储氢材料单元9相通的加氢管路8，多个加氢管路8通过一根总管与加氢口1相通。在金属储氢腔室3左右两端设有多个温度加载单元接口5，从图中看出，温度加载单元接口5刚好与多孔石墨网格4相通。温度加载单元接口5上装上三通阀，三通阀的另两个接口分别作为高温气态流体接口6和低温气态流体接口7。

所述的多孔石墨网格4是由多孔石墨材料加工成的横纵交错的棋盘格状，并涂覆上导热膜12，在多孔石墨网格4横纵交错形成的空间中插入金属储氢材料单元9，形成图中所示的类似拼图的结构。从而使得多孔石墨网格4不但为注入高温或低温气态流体提供流动通道，进而使金属储氢腔室3中的金属储氢材料单元9升温或降温，以实现金属储氢系统放氢与吸氢的调控，而且使注入的高/低温流体与氢气互不干扰。

要求多孔石墨网格4孔径在200μm～500μm之间，抗压强度在30MPa～50MPa之间。

所述的金属储氢材料单元9由吸氢金属粉末压坯制成，所述金属粉末压坯根据多孔石墨网格4单元尺寸进行制作，以使金属粉末压坯与多孔石墨网格4紧密贴合，以实现更好的传热效果并增强储氢密度，所述金属储氢材料可选用Mg、Mg₂Ni、LaMg₁₇Ni等质量储氢密度较高的金属或合金。

所述金属储氢材料单元9尺寸为[(L-d(m-1))/m]×[(D-d(n-1))/n]×[(L-d(s-1))/s]，所述金属储氢材料单元数量为m×n×s个；其中m、n、s分别代表多孔石墨网格4在长宽高三个方向上的单元快个数；所述的L、D、H分别代表长方体状金属储氢腔室3内腔的长宽高。

实施例中的金属储氢腔室3的材质优选可抑制氢脆材料，例如：奥氏体不锈钢、沉淀强化奥氏体合金、低合金钢、铝合金及铜合金等。实施例中的导热膜优选有机硅密封胶，比如中国专利申请号202210281354.2公开的高导热单组分有机硅密封胶，或者市售的耐高温有机硅树脂；可以通过涂覆的方式在多孔石墨骨架上形成导热膜，也可以事先加工成导热膜，然后热固在多孔石墨骨架上。

本实用新型金属储氢腔室3的上下端盖与罐身为分体式，比如图1中所示的螺栓螺母结构11将端盖与罐身壳体连接在一起。

下面详细叙述本实用新型加氢和放氢过程，从而对工作机理有更清晰的理解。

当需要加氢时，先通过低温气态流体接口7向多孔石墨网格4充入低温气态流体，等低温气态流体充满多孔石墨网格4的骨架后，通过加氢口1和加氢管路8向各个金属储氢材料单元9加入氢气，氢气被金属储氢材料吸收被储存，在此过程中产生的热量被低温气态流体吸收而抵消。

当需要放氢时，先通过高温气态流体接口6向多孔石墨网格4充入高温气态流体，高温气态流体携带的热量迅速沿多孔石墨骨架扩散，进而带入金属储氢系统的热量通过高导热密封胶热传导给金属储氢材料单元9，金属储氢材料吸热释放出氢气，氢气从放氢管路10汇聚到放氢口2流出。

上述实施例是本实用新型的一个例子，并不作为对技术方案的限制，具体保护范围以权利要求书记载的为准。

Claims (5)

1.一种多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，它包括金属储氢腔室，其特征在于，它还包括设在金属储氢腔室中的多孔石墨网格和金属储氢材料单元；其中：

所述的金属储氢腔室是一个带有上下端盖的保温封闭壳体，壳体的上下端盖上分别预留有多个加氢口和放氢口，加氢口和放氢口均与金属储氢材料单元相通，壳体两端预留有多个温度加载口，温度加载口与多孔石墨网格相通，温度加载口上通过三通阀分别接入气态高温流体与气态低温流体；

所述的多孔石墨网格是由多孔石墨材料加工成的纵横交错的网格状骨架，形成类似于棋盘格状结构，网格状骨架上设有导热膜，防止高温流体溢出同时可以调控金属储氢材料单元的温度；

所述的金属储氢材料单元填充在网格状骨架的每个空间，从而使二者形成形状与尺寸与金属储氢腔室相适应的一体结构。

2.如权利要求1所述的多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，其特征在于，所述的金属储氢材料单元是由吸氢金属粉末压制而成的坯体。

3.如权利要求1所述的多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，其特征在于，所述的金属储氢腔室的材质为可抑制氢脆材料。

4.如权利要求3所述的多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，其特征在于，所述金属储氢腔室形状为圆柱体、长方体或正方体。

5.如权利要求1所述的多孔石墨网格温度调控金属储氢装置，其特征在于，所述的导热膜为有机硅树脂材质的导热膜。