金屬氫化物儲氫裝置及其製作方法
2023-10-10 18:45:49
專利名稱：金屬氫化物儲氫裝置及其製作方法
技術領域：
本發明屬於氫能領域的儲氫技術，特別涉及一種關於燃料電池用的金屬氫化物儲氫裝置及其製作方法。
背景技術：
隨著人類文明的進步，對煤、石油、天然氣等礦物能源的需求量日益增大，而這些傳統能源的使用，又造成生態環境的嚴重惡化，例如溫室效應和酸雨等。煤、石油、天然氣等是不可再生能源，在地球上的儲量是有限的，人類不可能長期依賴於它們。出於能源危機和環境保護的考慮，世界先進國家都在研究和開發新的可替代能源，譬如太陽能、風能、氫能、核能、潮汐能、地熱能、生物質能等等。
氫氣燃料熱值高，燃燒相同重量的煤、石油與氫氣，氫氣放出的能量為石油的3倍，煤的6倍；氫燃燒的產物是水，對環境無汙染，真正實現零排放；氫的來源廣泛，可再生和重複利用，因此氫能作為重要的二次能源和清潔能源，越來越受到人們的重視。
從氫能的角度劃分，氫的使用方式主要有兩種一是用於燃燒，將氫能轉化為熱能或電能；二是通過先進的發電裝置(如燃料電池)，將氫能轉化為電力。燃料電池是氫能應用最有希望的系統之一，其特點是能量轉換率高，燃料多樣化，排氣乾淨，噪音低，對環境汙染少，可靠性及維修性好等。目前，燃料電池技術已有了突飛猛進的發展，有望在不久的將來實現產業化。燃料電池工作時所需的燃料氣體為氫氣(高純氫)，氧化劑為氧氣，氫和氧通過電化學反應生成水，同時將化學能轉換成電能。燃料電池主要由4部分組成，即陽極、陰極、電解質和外部電路。燃料電池按電解質劃分，共有五大類鹼性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質子交換膜型。目前應用最多的是質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，簡稱PEMFC)。然而，氫氣作為燃料電池的氫源，其儲存方式目前仍存在著許多問題，這嚴重製約了燃料電池的應用。
現燃料電池氫源大多採用高壓氣瓶、液氫方式，其缺陷是體積儲氫密度低；對使用容器性能要求高；存在爆炸危險。金屬氫化物儲氫是一種固態儲氫技術，與傳統方法相比，金屬氫化物儲氫更安全、更靈活和更有效。但其也存在一些不足，例如儲氫器未能有效增大容器表面積，會導致金屬氫化物儲氫材料吸放氫時不能與外界環境進行充分的熱交換，影響了其動力學性能，吸放氫速率減慢，滿足不了燃料電池氫源的要求。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種帶有散熱片和減壓穩壓閥的金屬氫化物儲氫裝置及其製作方法，利用該製作方法製作的金屬氫化物儲氫裝置可在較惡劣的環境下、甚至一13℃時穩定供氫；通過設置減壓閥，使儲氫裝置內的壓力降至小功率燃料電池的工作壓力；設計和加工散熱片時留有尺寸餘地，使散熱片與容器達到緊密配合，增大了容器的散熱面積，從而改善儲氫裝置的熱交換效率。
為實現上述目的，本發明採取以下設計方案一種金屬氫化物儲存裝置，至少包括兩個儲存容器，每個儲存容器具有一內徑、一底端以及一相對於該底端的釋出埠；一個以上的導氣管，導氣管的一端定位於儲存容器中，另一端與儲存容器的釋出埠相通；儲存容器中置有金屬氫化物；若干片套置於儲存容器外圍的散熱片，每個散熱片上具有若干向同一方向翻邊的衝孔，衝孔內徑大於儲存容器的外徑；各儲存容器的氣體通路通過導管連為一體，導管的其中一個通路與球閥一端連接，球閥的另一端與減壓閥進口端連接。
所述的每個容器的開口以螺紋方式固定接頭，接頭內置有防止合金細粉進入氣路的過濾片。
所述的金屬氫化物為AB2型鈦系合金，具體成分為Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.3)，經真空感應熔煉而成，將熔煉後的鑄錠破碎成-60目的粉末以備用，該合金經過2～3次循環吸放氫後即可完全活化，儲氫量約為2wt％左右，而且該合金可在較大的溫度區間工作，甚至在一13℃時也能穩定放氫；一定量的導熱劑和抗板結劑，將破碎成粉末的鈦系合金與導熱劑和抗板結劑按一定比例混合，置於儲存容器中。
以兩個或多個通路(通路具體數量視儲存容器的數量而定)的不鏽鋼管與容器開口的接頭相連，由此將兩個或多個儲存容器的氣體通路連為一體；不鏽鋼管的其中一個通路與球閥一端連接，球閥的另一端與減壓穩壓閥進口端連接(減壓閥的出口端可通過軟管與燃料電池的氣路相連)；減壓閥內置有膜片和彈簧，通過膜片與內壁的摩擦、以及彈簧對膜片產生的作用力來實現減壓和穩壓的功能，當壓力超過一定值後，減壓閥停止工作—即自鎖，保證出口壓力不能對燃料電池造成破壞。
本發明還提供一種金屬氫化物儲氫裝置的製作方法，其包含以下步驟1)預製具有一端開口的儲存容器預先成形體；2)將導氣管一端定位於儲存容器中，另一端與儲存容器開口相通；3)將鈦系合金粉末與一定比例(1～20％)的導熱劑和抗板結劑混合後裝入儲存容器中；4)將接頭固定於容器開口，接頭內置過濾片；5)將若干片散熱片鑲套於儲存容器外邊，散熱片上的衝孔與容器外徑過盈配合；6)將具有多通路的導管與固定在儲存容器開口的接頭連接；7)導管剩餘的一個通路與球閥一端連接；8)球閥的另一端與減壓穩壓閥進口端連接；9)減壓穩壓閥以螺釘固定於該儲氫裝置的框架外殼上。
本發明的優點是所述的金屬氫化物儲氫裝置選用的儲氫材料為AB2型鈦系合金，該合金能在較寬的溫度區間工作，即使是在-13℃時也能穩定放氫；採用導熱劑，改善儲氫材料的熱傳導率，使儲氫材料與容器、散熱片進行充分的熱交換；採用抗板結劑，減緩材料在吸放氫過程中粉化而導致板結現象的發生；利用儲氫材料吸氫時造成的容器的體積膨脹，使散熱片與容器達到緊密配合，由此增大了容器的表面積，使得儲氫裝置與外界環境的熱交換效率明顯提高。製作金屬氫化物儲氫裝置的方法簡易、可靠。
圖1為本發明金屬氫化物儲氫裝置的結構示意圖(剖視)圖2為儲氫單罐的剖面結構示意3為金屬氫化物儲氫裝置的外形示意圖具體實施方式
如圖1、圖3所示，為本發明金屬氫化物儲氫裝置一實施例其包含三個儲存容器10；多個散熱片11；三根導氣管12；三個瓶口接頭13；一根四通氣路管14；一卡套15；一球閥16及一減壓穩壓閥17。導氣管12置於儲存容器10內；儲存容器中剩餘空間填充AB2型鈦系儲氫材料與一定比例的導熱劑及抗板結劑20，瓶口接頭13內置過濾片22，若干片散熱片11置於儲存容器10外，每一散熱片11具有三個向同一方向翻邊的衝孔21，衝孔的內徑大致與儲存容器外徑相等，翻邊既可將若干個散熱片彼此分隔開，也可起到支撐的作用。各儲存容器的氣體通路14通過不鏽鋼管連為一體，不鏽鋼管的其中一個通路與球閥16一端連接，球閥的另一端與減壓閥17進口端連接。
參見圖2，該儲存容器10具有一內徑Di、一外徑Do、一底端18以及一相對該底端的釋出埠19。
為方便製作本發明的金屬氫化物儲氫裝置，儲存容器10預先成形體可選用輕質、高強度的金屬材料，可承受一定的壓力和溫度，較佳者，是採用旋壓工藝製成、並經過熱處理及時效處理後的鋁合金，其極限耐壓可達25MPa。
本發明選用的儲氫材料為AB2型Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.3)鈦系合金，該合金經真空感應熔煉而成，將熔煉後的鑄錠破碎成-60目的粉末，該合金經過2～3次循環吸放氫後即可完全活化，儲氫量約為2wt％左右，其可在較大的溫度區間工作，甚至在-13℃時也能穩定放氫；加入一定比例(1～20％)的導熱劑，其由輕質、導熱係數高、且具有一定強度的材料製成，可提高儲氫材料與外界的熱交換效率；加入一定比例(1～20％)的抗板結劑，該材料具有輕質及強度較高的特點，可防止儲氫材料因粉化及粉末遷移而導致的板結現象的發生。
導氣管12為採用粉末冶金方法製成的多孔金屬管，其一端固定於儲存容器底端，另一端與容器釋出埠19相通，保證氣路的通暢。
所述的每個容器的開口以螺紋(或其它)方式固定接頭，接頭13中置有的過濾片22，可由耐壓的金屬材料經壓制、燒結而成，經由壓制、燒結製得的多孔金屬片為最佳，孔徑約為1～5微米，可防止儲氫材料的細粉進入氣路管14中。
散熱片11由輕質且具有一定強度的金屬經衝壓而成，散熱片上具有若干向同一方向翻邊的衝孔，(衝孔具體數量視儲存容器的數量而定)，衝孔內徑略大於儲存容器外徑Do，儲氫材料吸氫後造成容器的膨脹變形，使衝孔21與儲存容器10達到緊密配合，使得散熱片11與儲存容器10的有效接觸面積增大，從而提高了儲氫裝置的熱交換效率，同時每個散熱片的翻邊可分隔、支撐相鄰的散熱片。
減壓穩壓閥17以螺釘24固定在框架外殼23上，其由輕質、耐壓金屬製成，通過內部膜片與內壁的摩擦、以及彈簧對膜片產生的作用力來進行減壓，經精確的計算和設計加工，其進口壓力最高可達6MPa，出口壓力仍可以在0.01～0.03MPa(表壓)之間，並且該閥具有自鎖功能(進口壓力超過一定數值後，該閥將切斷氣路，出口端無氣體流出)，從而確保燃料電池不受損壞。
製作本發明的金屬氫化物儲氫裝置時先按需要數量預製具有一端開口的儲存容器預先成形體；分別將導氣管12一端定位於儲存容器10中，導氣管12的另一端與儲存容器的釋出埠19相通，為氣體提供通暢的擴散通道；然後填充一定量的未活化的儲氫材料、以及一定比例的導熱劑和抗板結劑20；以螺紋方式將接頭13固定於容器開口處19，再將若干片散熱片11裝配於儲存容器10外，散熱片11和容器10採取過盈配合；將具有多通路的不鏽鋼管14以內卡套方式與瓶口處的接頭13連接，剩餘一通路與球閥16一端連接，球閥16的另一端與減壓閥17的進口端相連，減壓閥17以螺釘24固定在框架外殼23上。
使用該金屬氫化物儲氫裝置之前，先將氫氣經由球閥16、氣路管14、容器10的釋出埠19及導氣管12導引給儲氫材料，然後將儲存在金屬氫化物內的氫氣完全釋放，依此重複2～3次，待材料完全活化後，再充入氫氣以備使用。
本發明為一種突破現有技術的新穎設計金屬氫化物儲氫器內裝有金屬氫化物儲氫材料，可將氫氣安全地儲存於其中，使用時釋放出高純氫氣。
金屬氫化物儲氫材料在一定溫度下對應一定的吸氫平衡壓和放氫平衡壓，其吸、放氫平衡壓隨著溫度的升高而增大，隨著溫度的降低而減小。燃料電池本身可在較寬的外界溫度範圍內工作，為了保證其能正常穩定的工作，相應地要求金屬氫化物儲氫材料也可在較寬的外界溫度範圍內放氫。目前，應用於儲氫器的金屬氫化物儲氫材料在低於0℃時放氫量大大減少，有的甚至放不出氫。本發明通過適當改變金屬氫化物儲氫材料中Ti/Zr比，可提高材料的吸、放氫平衡壓，在0℃以下時仍能正常穩定地放氫，同時放氫量不會減少。
金屬氫化物儲氫材料吸放氫的過程是一熱交換的過程，吸氫時放熱，放氫時則吸熱。金屬氫化物儲氫材料吸放氫時，主要利用容器表面與外界進行熱交換，而現有的儲氫器未能有效增大容器表面積，導致金屬氫化物儲氫材料吸放氫時不能與外界環境進行充分的熱交換，影響了其動力學性能，吸放氫速率減慢。本發明在儲氫器整體體積不變的情況下，增大容器的表面積，則可以提高儲氫材料的熱交換效率，從而保證氫氣的穩定輸出。
本發明所採用的金屬氫化物為低導熱率物質，添加了一定量的導熱劑和抗板結劑於儲氫器中，可以提高儲氫材料的熱交換效率，並防止其放氫時板結。
小功率燃料電池的工作壓力一般在0.01～0.03MPa(表壓)之間，而金屬氫化物儲氫器內的壓力一般要高於0.03MPa。本發明在儲氫器與燃料電池之間裝有減壓穩壓閥，防止了因氫氣壓力過高而影響燃料電池性能及對電池造成損壞。
金屬氫化物(metal hydride)儲氫是一種固態儲氫技術，與現有技術相比，有以下特點(1)體積儲氫密度高；(2)無需高壓容器和隔熱容器；(3)安全性好，無爆炸危險；(4)可得到超高純氫；(5)循環使用壽命長。總之，與傳統方法比較，金屬氫化物儲氫更安全、更靈活和更有效。
本發明儲氫裝置在無熱交換介質、空氣不流動的情況下，仍能穩定供氫，即使在-13℃時仍可穩定地輸出氣體，流量始終保持在2～3升/min，與此同時，散熱片與容器的緊密結合也進一步提高了容器的抗變形能力；通過減壓穩壓閥，可將0.03～4MPa的進口壓力減小並穩定在0.01～0.03MPa，同時該閥還具有自鎖功能(進口壓力超過一定數值後，減壓閥將切斷氣路，出口端無氣體流出)，防止因氫氣壓力過高而影響燃料電池性能及對電池造成損壞，從而使金屬氫化物儲氫裝置可直接應用於小功率燃料電池。
金屬氫化物儲氫器除應用於燃料電池外，還可應用於太陽能光伏技術、氫原子鐘、半導體生產用高純氫源、熱泵及壓縮機製冷等其它方面。
權利要求
1.一種金屬氫化物儲氫裝置，其特徵在於至少包括兩個儲存容器，每個儲存容器具有一內徑、一底端以及一相對於該底端的釋出埠；一個以上的導氣管，導氣管的一端定位於儲存容器中，另一端與儲存容器的釋出埠相通；儲存容器中置有金屬氫化物；若干片套置於儲存容器外圍的散熱片，每個散熱片上具有若干向同一方向翻邊的衝孔，衝孔內徑大於儲存容器的外徑；各儲存容器的氣體通路通過不鏽鋼管連為一體，不鏽鋼管的其中一個通路與球閥一端連接，球閥的另一端與減壓閥進口端連接。
2.根據權利要求1所述的金屬氫化物儲氫裝置，其特徵在於所述的金屬氫化物為AB2型鈦系合金。
3.根據權利要求2所述的金屬氫化物儲氫裝置，其特徵在於金屬氫化物AB2型鈦系合金的具體成分為Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.3)，經真空感應熔煉而成，將熔煉後的鑄錠破碎成-60目的粉末，該合金經過2～3次循環吸放氫後完全活化，將破碎成粉末的鈦系合金與導熱劑和抗板結劑按1～20％混合，置於儲存容器中。
4.根據權利要求1所述的金屬氫化物儲氫裝置，其特徵在於所述的每個容器的開口以固定接頭，接頭內置有防止合金細粉進入氣路的過濾片。
5.一種金屬氫化物儲氫裝置的製作方法，其特徵在於包含以下步驟1)按需要數量預製具有一端開口的儲存容器預先成形體；2)將導氣管一端定位於儲存容器中，另一端與容器開口相通；3)將鈦系合金粉末與一定比例(1～20％)的導熱劑和抗板結劑混合後裝入儲存容器中；4)將接頭固定於儲存容器開口，接頭內置過濾片；5)將若干片散熱片鑲套於儲存容器外邊，散熱片上的衝孔與容器外徑過盈配合；6)將具有多通路的導管固定在儲存容器開口的接頭連接；7)導管剩餘的一個通路與球閥一端連接；8)球閥的另一端與減壓穩壓閥進口端連接；9)減壓穩壓閥固定於該儲氫裝置的框架外殼上。
全文摘要
一種金屬氫化物儲氫裝置及其製作方法，它包括若干個儲存容器，各儲存容器有釋出埠；其中置有一端與儲存容器釋出埠相通的導氣管，它同時置有金屬氫化物；其外圍套有若干散熱片，各散熱片上有若干向同方向翻邊的衝孔，各儲存容器的氣體通路通過導管連為一體，導管的其中一通路與球閥一端連接，球閥另一端與減壓穩壓閥進口端連接。其製作方法預製容器預形體；將導氣管定位於容器中；鈦系合金粉末與定比例的導熱劑和抗板結劑混合後裝入容器中；將內置過濾片的接頭固定於容器開口；若干片散熱片鑲套於容器外邊，並過盈配合；設置氣路並使通路與球閥一端連接；球閥的另一端與減壓穩壓閥進口端連接。其能穩定放氫；熱交換效率明顯提高。
文檔編號F17C11/00GK1609499SQ200310101758
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月23日 優先權日2003年10月23日
發明者蔣利軍, 鄭強, 苑鵬, 黃倬, 李國斌, 詹鋒, 王樹茂, 尉秀英, 杜軍, 秦光榮, 李法兵 申請人:北京有色金屬研究總院