一種金屬氫化物貯氫裝置與工作方法與流程

2023-05-01 19:48:26

本發明專利涉及一種金屬氫化物貯氫裝置，特別涉及金屬氫化物貯氫裝置的結構設計、金屬氫化物內部布放及裝置充放氫的熱管理。

背景技術：

目前儲氫技術分為兩大類，即物理法和化學法。金屬氫化物儲氫是利用氫氣能夠和金屬反應從而生成金屬氫化物進行貯存的，通過一定的環境條件將氫氣釋放。氫氣能夠和許多金屬反應生成金屬氫化物，這些合金在一定的溫度和壓力環境下會大量吸收氫氣生成金屬氫化物，同時反應具有很好的可逆性，在減小壓力或者升高溫度之後便會發生可逆反應，從而釋放出氫氣，達到淨化和貯存氫氣的目的。

申請號為200820168121.7的專利公開了一種金屬氫化物貯氫裝置，該裝置主要由殼體、貯氫物料片、泡沫狀金屬基板、金屬氫化物粉末和粘結劑的混合物構成。該發明先預製一端封閉,另一端開口的殼體；將金屬氫化物粉末和粘結劑溶液混勻後填入泡沫狀金屬基板孔隙中,在30～60℃烘乾成為貯氫物料片；將己乾燥的貯氫物料片裁切成外徑與貯氫殼體內徑相同的圓片,並在圓片中心製作孔徑為3～10毫米的圓孔將貯氫物料片依次疊層裝入殼體；將內嵌過濾片並具有中心孔的封頭與殼體開口端焊接密封,在封頭中心孔上固定帶閥門的接口。該裝置雖可防止貯氫過程中貯氫金屬粉末的堆積和貯氫量的下降，但裝置簡單卻不易拆裝、維修；貯氫量雖可觀，但無法有效控制氫氣充放的速率；進出氫氣僅用同一通道，大大降低了充放氫氣的速率，尤其在備有充足氫氣的時候，無法實現邊充邊放的作用。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種一種金屬氫化物貯氫裝置。

為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是：

一種金屬氫化物貯氫裝置，由小、中、大直徑依次套裝成兩兩之間設有間隙，開口朝下的桶狀體，其中小直徑形成的空腔為貯氫筒6，小直徑與中直徑之間設有的第一間隙形成的密封環形空腔為熱交換層4，中直徑與大直徑之間設有的第二間隙形成的密封環形空腔為絕熱層3；所述桶狀體的桶壁上端通過管道設有連通熱交換層4的進水口14，下端通過管道設有連通熱交換層4的出水口13；所述桶狀體的頂部緊貼貯氫筒6內壁處對稱開設有進氣孔1和出氣孔2，所述進氣孔1和出氣孔2中分別設有貫穿貯氫筒6的多孔鋼管5，所述多孔鋼管5的管壁上包裹有透氣膜12；所述桶狀體的下端連接有用於密閉的筒蓋7；所述貯氫筒6中通過金屬隔板8設置有若干貯氫單元層。

進一步，所述的貯氫單元層由散熱金屬網格9按井字形豎直排放在上下兩塊金屬隔板8之間構成若干貯氫單元格。

進一步，所述貯氫單元格中還填裝有佔其容積2/3的金屬氫化物。

進一步，所述的第一間隙的尺寸為貯氫筒6直徑的1/40～1/35,第二間隙的尺寸為第一間隙尺寸的1/3～1/2。

進一步，所述的貯氫筒6頂端內平面上還設置有多個錐形支架11。

進一步，所述的進氣孔1、出氣孔2、進水口14和出水口13還分別設置有用於通斷的閥門，其中所述的進氣孔1和出氣孔2中還設置有過濾片。

進一步，所述的桶狀體的下端面與所述的筒蓋7之間還設置有密封圈10。

進一步，所述的桶狀體與所述的筒蓋7的連接為螺紋連接。

本發明的一種金屬氫化物貯氫裝置的工作方法，包括如下三種工作模式：

(1)貯氫過程：貯氫時，將進氣孔1閥門打開，出氣孔2閥門關閉，在進氣孔1外接壓氣機的作用下，把生產製造的氫氣通過進氣孔1經多孔鋼管5流入貯氫筒6內，與貯氫筒6內單元格中的金屬氫化物發生反應後貯存在裝置內部，其中產生的熱量通過熱交換層4中的低溫冷卻水冷卻帶走；

(2)放氫過程：放氫時，將進氣孔1閥門關閉，出氣孔2閥門打開，在熱交換層4內填充50℃～80℃的熱水，從而氫氣順利地排出貯氫筒6；

(3)貯氫和放氫同時進行的過程：將進氣孔(1)閥門和出氣孔(2)閥門同時打開，進氣孔(1)在外接壓氣機的情況下，將氫氣通過多孔鋼管(5)輸入貯氫筒(6)內；同時在熱交換層(4)內填充50℃～80℃的熱水，貯氫筒(6)內的貯氫合金髮生制氫反應，以保證在貯氫過程的同時仍有部分氫氣從出氣孔(2)流出，並通過調節水的溫度來改變制氫反應的速率，從而調節排氣的速度。

本發明以金屬氫化物充放氫裝置為研究對象，設計出滿足了現階段對於充放氫裝置的要求，採用水進行裝置的散熱和加熱；裝置運輸簡易，使用安全，裝置的體積結構簡單合理，有利於拆裝及使用過程中的維修。

本發明採用了貯氫筒上部設置錐形支架、筒蓋置於貯氫筒底部的特殊結構形式；進氣孔及出氣孔分別連接兩根多孔鋼管，多孔鋼管形成輸氣通道輸送氫氣進入貯氫筒內；一方面多孔鋼管用於輸送氫氣，另一方面，多孔鋼管形成的輸氣通道可用於定位縱向裝載有金屬氫化物的單元層，使整個裝置更加穩定可靠；由於金屬氫化物在使用多次之後會發生粉化，在輸氣通道的多孔鋼管上包裹有透氣膜(分子篩)，透氣膜只能通過氫氣，若裝置在運輸過程中發生傾倒，透氣膜便可有效防止粉末進入管道而造成堵塞和洩露。

本發明裝置具有吸收和釋放氫氣過程簡單易控、安全性強、儲氫密度大、儲氫壓力低等顯著優點，可應用於燃料電池、行動裝置、半導體工業等領域。在使用氫氣作為燃料時，可以使用金屬氫化物貯氫的方法來貯存、過濾製備氫氣。相對完善的金屬貯氫充放氫裝置能夠更有效地控制氫燃料的使用、更加節能且能夠提高充放氫的效率以及裝置的使用壽命。

同時在裝置的外層設有絕熱層以滿足絕熱的需要；裝置材料均選用導熱性能更好的材料，以提升整個裝置的導熱性能。

本發明的裝置，分為貯氫筒、熱交換層、絕熱層、進出氣孔以及筒蓋；出於密封性能方面的考慮，裝置的筒蓋處採用螺紋密封及密封圈；其密封方式不僅可以有效地起到防止氣體溢出的作用，而且設計製造簡單、維修方便；由於貯氫筒內的氫氣並不是以氣體的形式存在的，而是和金屬氫化物反應，形成的金屬氫化物，金屬氫化物中的氫氣不易溢出，因此採用螺紋密封可達到相應的密封要求；在貯氫筒的上部設計有兩個通氣孔：進氣孔和出氣孔，進氣孔外接壓氣機以提供高壓氫氣，對氫氣進行加壓可提高金屬氫化物和氫氣反應的速率和效率，從而提高貯氫量及充放氫的速率；出氣孔則無需外接其他裝置，直接通過熱水給貯氫筒加熱便可以達到放氫的目的；在通氣孔上連接有過濾孔和過濾片，其中進氣和出氣的過濾孔和過濾片結構相同，但過濾片的材質不同，進氣過濾片採用過濾棉，出氣過濾片採用燒結鋁濾片；由於在貯氫過程中，需要約十個大氣壓的壓力要求，所以採用壓氣機，用於提供進氣所需壓力，壓氣機外接在進氣孔上。

本發明所涉及貯氫裝置中使用的貯氫材料，主要採用tife0.8mn0.2la0.03合金作為金屬氫化物，放氫所需的溫度在50℃—80℃，完全滿足設計充放氫裝置所採用的水浴加熱活化的性能優化；考慮到金屬氫化物tife0.8mn0.2la0.03貯氫過程中需放熱，在貯氫筒外部設計熱交換層來充放冷卻水和加熱水；考慮到金屬氫化物反應前後體積所發生的變化，在貯氫筒中裝入2/3的金屬氫化物，預留出1/3的膨脹空間，使裝置更加合理穩定；由於節約資源的需要，在裝置空腔外設計絕熱層；貯氫筒內貯氫金屬吸氫後筒內壓力約為十個大氣壓的壓力。

本發明所涉及的這種金屬氫化物貯氫與傳統的高壓容器儲氫相比，它的優勢在於儲氫壓力很低，這意味著提高了裝置的安全性，充氫能耗也明顯降低，所以這項儲氫技術的發展前景很可觀；與壓縮氣體貯氫裝置相比，由於壓縮氣體的裝置主體使用的是鋼瓶，在使用和運輸的過程中會有危險，同時鋼瓶的體積和質量較大，運費高；相比較之下，金屬貯氫的裝置運輸簡易，使用安全，裝置的體積較小；與同類金屬氫化物貯氫裝置相比，本發明採用了貯氫筒上部採用錐形支架、筒蓋置於貯氫筒底部的特殊結構形式；進氣孔及出氣孔分別連接兩根鋼管，多孔鋼管用於輸送氫氣進入金屬隔板組成的各個單元層內；一方面多孔鋼管用於輸送氫氣，另一方面，多孔鋼管用於固定縱向裝有金屬氫化物的單元層，使整個裝置更加穩定；由於金屬氫化物在使用多次之後會發生粉化，在輸氣通道的多孔鋼管上包裹有透氣膜(分子篩)，透氣膜只能通過氫氣，若裝置在運輸過程中發生傾倒，透氣膜便可有效防止粉末進入管道而造成堵塞和洩露。

本發明的裝置滿足了現階段對於充放氫裝置的要求，採用水進行裝置的冷卻和加熱，同時在裝置的外層設有絕熱層滿足絕熱的需要；將筒蓋置於裝置的底部，便於裝置的安裝及維護，並在筒蓋與熱交換層和絕熱層之間採用密封圈、筒蓋與裝置最底部採用螺紋密封，以達到密封、固定的效果；將貯氫筒內部用導熱性能強的金屬隔板分為無數個單元層，大幅減小了金屬氫化物在裝置中的晃動及堆積，提高了裝置的穩定性；在每個單元層中裝入2/3的金屬氫化物，預留出1/3的膨脹空間，使裝置更加合理穩定；進出氣孔連接的多孔鋼管表面包裹有透氣膜，加速氫氣的流通的同時能夠防止金屬粉末外洩入通氣孔中；貯氫筒中每層設有無數個垂直放置的網格，且裝置材料選用導熱性能好的材料，大大提升了整個裝置的導熱性能同時能夠提高5％--10％的充放效率；貯氫筒外圍直接通過冷熱水對貯氫筒進行加熱和冷卻，通過加熱達到放氫的目的，可均勻地放出氫氣，提高了裝置的可控性及穩定性；該裝置儲氫壓力低，降低了充氫過程中的能耗；裝置採取了在較小的儲罐中加入鋁屑的方法來解決分層問題，加強上下之間的熱傳導，從而避免裝置爆炸，大大提高了裝置的安全性；同時，本發明使用了過濾環來裝填過濾片，使得過濾片在過濾環內可以自由拆卸，方便更換，提高了裝置的可維修性。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為圖1局部放大圖；

圖3為圖1俯視圖；

圖4為本發明的貯氫單元層構造示意圖；

圖5為圖4俯視圖；

圖中：1.進氣孔，2.出氣孔，3.絕熱層，4.熱交換層，5.多孔鋼管，6.貯氫筒，7.筒蓋，8.金屬隔板，9.金屬網格，10.密封圈，11.錐形支架，12.透氣膜，13.出水口，14.進水口。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附圖式的方向。因此，使用方向用語是用於說明及理解本發明，而非用於限制本發明。

如圖1及圖2所示，為本發明的一種金屬氫化物貯氫裝置，由貯氫筒6、熱交換層4、絕熱層3、,金屬網格9、金屬隔板8和筒蓋7主要部件組成；整個罐體分為小、中、大三層，其中小直徑形成的圓形空腔為貯氫筒6，主要用來貯存貯氫金屬，提供金屬與氫氣反應的環境條件，裝有金屬氫化物的單元層堆摞在其中；小直徑與中間直徑之間設有的第一間隙形成的密封環形空腔為熱交換層4，用來流通冷、熱水進行冷卻和加熱的，設有水管接口；中間直徑與大直徑之間設有的第二間隙形成的密封環形空腔為絕熱層3，防止加熱時熱量往裝置外逸散，保證了貯氫筒6外側的絕熱性能；桶狀體的桶壁上端通過管道設有連通熱交換層4的進水口14，下端通過管道設有連通熱交換層4的出水口13；桶狀體的頂部緊貼貯氫筒6內壁處對稱開設有進氣孔1和出氣孔2，所述進氣孔1和出氣孔2中分別設有貫穿貯氫筒6的多孔鋼管5，所述多孔鋼管5的管壁上包裹有透氣膜12；桶狀體的下端連接有用於密封裝置的筒蓋7；所述貯氫筒6中通過金屬隔板8設置有若干貯氫單元層，所述貯氫單元層由金屬網格9按井字形豎直排放在上下兩塊金屬隔板8之間，使之形成若干貯氫單元格；所述貯氫筒6頂端內平面上還設置有多個錐形支架11以支撐內部單元層的組裝，並為金屬氫化物的膨脹預留了2.5m3～5m3的膨脹空間；整個罐體均以錳鋼製成，各層之間的間隙以不鏽鋼片焊接的形式固定間隙的尺寸大小並與各層連接。

如圖1以及圖2所示，筒蓋7的設計尺寸遵循整個裝置的設計尺寸以使其可以和貯氫筒6緊密接合；在裝置的頂端設計有兩個通氣孔，一個進氣孔1，一個出氣孔2，進氣孔1外接壓氣機以提供高壓氫氣，對氫氣加壓可以提高金屬氫化物和氫氣反應的速率及效率，從而提高貯氫量；出氣孔2不需要外接其他裝置，直接通過50℃～80℃熱水給貯氫筒6加熱以達到放氫的目的；兩通氣孔分別連接多孔鋼管5，多孔鋼管5將氫氣通過透氣膜12輸送到各個單元層中；以堆砌的方式將各個單元層從底部筒蓋7處自下而上推送入貯氫筒6內進行安裝；單元層上下兩端為金屬隔板8，多孔鋼管5外壁面包裹透氣膜12以分隔金屬合金粉末，由鋁製成的金屬網格9豎直排列於各個單元層中；將筒蓋7置於裝置的底部，筒蓋7的壁厚設計採用和貯氫筒6一樣的設計；在熱交換層4、絕熱層3的底端，與筒蓋7的接觸面處，採用橡膠密封圈10進行密封，筒蓋7內部設有螺紋，擰緊筒蓋7的同時壓緊密封圈10，使整個裝置的密封性能更為優良，穩定性也進一步提高；由於該裝置是由錳鋼材料製成的，所以設計符合實際要求。

如圖4及圖5所示，選取散熱性能好的金屬網格9；若干鋁製金屬網格9會按井字形豎直排放在裝置內部，金屬網格9能夠將貯氫單元層分為若干貯氫單元格，以保證在裝填金屬氫化物粉末後，這些粉末在裝置內部不會因流動而造成局部堆積，並且進一步加強了裝置的導熱性能；在金屬氫化物的填充過程中預留出1/3的膨脹空間，使裝置更加合理穩定；金屬網格9的網孔直徑約為5～8.5微米，研究表明，選擇的貯氫金屬在經過大約10次吸放氫之後，合金粉末直徑會從50微米變為10微米，所以這些粉末不能通過這些金屬網格9，而氫氣在這其中能夠暢通無阻；單元層和多孔鋼管5之間採用隔絕粉末只可氫氣通過的透氣膜12，進一步預防貯氫筒6內貯氫粉末的洩露和堆積；錐形支架11的設計給金屬氫化物粉末預留了2.5m3～5m3的同時，也起到支承、固定裝有貯氫金屬的單元層的作用。

本發明的安裝方法：整個裝置以焊接等方式固定為三層，使用強力膠水將錐形支架11固定於裝置上方的壁面內部；首先，將進氣孔1、出氣孔2及其連接的多孔鋼管5由裝置頂部安裝入裝置的內部，對之後單元層的安裝起到定位的作用；其次，將各個裝有金屬網格9及貯氫金屬的單元層沿多孔鋼管5自下而上安裝入貯氫筒6的內部；最後，在裝置最底端與筒蓋7接觸處安裝橡膠密封圈10，再將筒蓋7與裝置以螺紋連接的方式擰緊，將筒蓋7底部那一面與水平面接觸，將整個裝置安裝放置完好。

本發明裝置的貯氫過程：貯氫時，進氣孔1蓋打開，出氣孔2蓋封閉。在進氣孔1外接壓氣機的作用下，可以把生產製造的氫氣通過多孔鋼管5流入貯氫筒6內部，與貯氫筒6內部的金屬氫化物發生反應後貯存在裝置內部，其中產生的熱量可以通過熱交換層4中的低溫冷卻水來冷卻帶走。

本發明的放氫過程:放氫時，進氣孔1蓋封閉，出氣孔2蓋打開。在熱交換層4內填充50℃～80℃的熱水，從而可以達到金屬氫化物放氫時的溫度需要，使氫氣順利地排出貯氫筒6。

本發明中貯氫和放氫同時進行的過程：進氣孔1蓋和出氣孔2蓋同時打開，在進氣孔1外接壓氣機的作用下，把生產製造的氫氣通過多孔鋼管5流入貯氫筒6內部，在熱交換層4內填充50℃～80℃的熱水，這樣就可以保證在貯氫的過程中部分氫氣進入貯氫筒6內部反應的同時仍有部分氫氣可從多孔鋼管5流出，可以通過調節水的溫度來影響反應的速率，從而調節排氣的速度，以滿足裝置使用過程中的不同需求。

本專利中所設計的金屬氫化物貯氫裝置，內部的導熱性能好，保證了與外界能夠進行充分的熱交換，從而使得氫氣能穩定均勻地釋放出來，並且顯著增加了5％～10％的充放氫速率；貯氫筒內部的各個單元層，減小了貯氫金屬粉末在裝置中的晃動及堆積，大大提高了裝置的穩定性；貯氫筒外側的絕熱性能同樣很顯著；充氫過程中能耗低，裝置的安全性高；採用錐形支架，為裝置膨脹預留空間的同時能夠起到支撐、使裝置穩固的作用；裝置充放氫氣過程中穩定均勻，可控性強；同時，裝置的使用壽命相對較長、節能環保；裝置簡易方便，可拆卸，方便實現維修；能夠進一步提高貯氫裝置的安全、穩定性。

本領域內技術人員所做的普通簡單的更改和替換都是本發明專利的保護範圍之內。