CN105371105B - 一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐 - Google Patents

一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐 Download PDF

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Abstract

本发明属于氢能领域的储氢技术，特别涉及一种吸氢低应变的金属氢化物储氢罐。该储氢罐主要包括罐体、金属氢化物储氢合金床体和弹性缓冲层三部分，弹性缓冲层置于罐体和储氢合金床体之间。金属氢化物储氢合金床体内通有换热管，将金属氢化物储氢合金床体吸放氢过程中产生的热量导出；罐体出口处安装氢气阀门，同时罐体出口端焊接氢气过滤片。本发明的吸氢低应变金属氢化物储氢罐结构简单，易于实现，可有效缓解金属氢化物储氢合金床体吸氢膨胀对罐体的破坏性影响，提高储氢罐的使用安全性。

Description

一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐
技术领域
本发明属于氢能领域的储氢技术，特别涉及一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐。
背景技术
随着能源危机的加剧和环保意识的加强，氢能的利用越来越受到广泛的关注。在氢的实用过程中，氢的存储一直是科学家们研究的重点。常用的储氢技术主要包括：高压气态储氢、低温液态储氢和以储氢材料为介质的固态储氢。
高压气态储氢的主要缺点是体积储氢密度低，70MPa高压气态储氢罐的体积储氢密度仅为28kg H2/m3，而美国DOE 2015年的储氢***目标为40kg H2/m3；受压力容器承压能力及氢气密度的限制，通过进一步提高储氢压力来提高其体积储氢密度的空间有限，另外，制作罐体复合材料碳纤维的价格太高，导致高压气态储氢罐成本较高，为18.9$/kWh。液态储氢商业化的难点是绝热要求导致的低温储箱体积过大；此外，氢气液化成本高、耗能大，液氢的蒸发问题也很难彻底消除。将储氢材料如金属氢化物装填入密闭容器中形成的固态储氢***，利用储氢材料的吸氢能力实现氢气的固态储存，具有体积储氢密度高的特点，其储氢密度可以达到50kg H2/m3，是储氢技术发展的一个重要方向。
目前，各国科学家利用固态储氢技术的优势，开发出的金属氢化物固态储氢***已投入商业应用。但是，金属氢化物储氢材料在循环吸放氢过程中会因体积的膨胀和收缩产生颗粒粉化的现象，堆积的细粉在吸氢过程中产生极大的内应力，该内应力若直接作用于储氢罐体内壁，将会导致罐壁发生应力应变；若应变过大，则容器会发生变形甚至破裂，引发安全事故。因此，亟需研制一种吸氢过程中产生低应变的金属氢化物储氢罐，以保证储氢***使用的安全性。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐，包括罐体2、金属氢化物储氢合金床体1和弹性缓冲层3三部分；其中，弹性缓冲层3置于罐体2和金属氢化物储氢合金床体1之间。金属氢化物储氢合金床体1内通有换热管4，将金属氢化物储氢合金床体1吸放氢过程中产生的热量导出；同时金属氢化物储氢合金床体1中心位置设置导气管5，使氢气在金属氢化物储氢合金床体1内部快速流动；在罐体2出口处安装氢气阀门8，并在罐体2出口端设有氢气过滤片9。
所述罐体2的材料为铝合金、碳钢或不锈钢。
所述的弹性缓冲层3为泡沫镍、泡沫铝或其他具有缓冲功能的弹性结构。
所述金属氢化物储氢合金床体1的材料为Zr基氢化物、Ti基氢化物、V基氢化物或La-Ni基氢化物。
所述的Zr基氢化物为Zr-Co氢化物、Zr-Ni氢化物、Zr-Mn氢化物和Zr-Cr氢化物中的一种或一种以上。
所述的Ti基氢化物为Ti-Fe氢化物、Ti-Mn氢化物和Ti-Cr氢化物中的一种或一种以上。
所述换热管4进水部分为螺旋式盘管，回水部分为直管，进水口(6)和出水口7均为直管；进水口6和出水口7分别位于氢气阀门8两侧，通过焊接方式与罐壁密封。
所述换热管4的材料为不锈钢。
热量导出采用内换热方式。
所述的氢气过滤片9为铜粉或不锈钢粉的烧结体，焊接在罐体2出口，过滤精度小于2.5μm，防止金属氢化物合金床体1吸放氢过程中产生的极细颗粒随氢气进入输气管路。
本发明具有的有益效果为：所述的吸氢低应变金属氢化物储氢罐具有结构简单，易于实现的特点；且在内部储氢合金床体与罐体内壁间采用弹性缓冲层填充，使得储氢合金床体在吸放氢过程产生的应变不直接作用于罐体，罐体外壁产生的应变仅为气态氢产生的低应变，保证金属氢化物储氢罐长期使用的安全性。
附图说明
图1为一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐剖视图；其中，图中标号分别为：1-金属氢化物储氢合金床体；2-罐体；3-弹性缓冲层；4-换热管；5-导气管；6-换热管进水口；7-换热管出水口；8-氢气阀门；9-氢气过滤片；
图2为一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐与普通储氢罐的吸氢应变变化比较图。
具体实施方式
本发明提供了一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐，下面结合附图并以一个储氢量为10m3，公称工作压力4MPa，罐体外径为133mm和壁厚为4mm的低吸氢应变金属氢化物储氢罐为例对本发明做进一步详细的说明。以下所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。
图1为一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐剖视图。该吸氢低应变金属氢化物储氢罐主要包括罐体2、金属氢化物储氢合金床体1和弹性缓冲层3三部分，弹性缓冲层3置于罐体2和金属氢化物储氢合金床体1之间；金属氢化物储氢合金床体1内通有换热管4，将金属氢化物储氢合金床体1吸放氢过程中产生的热量导出；同时金属氢化物储氢合金床体1中心位置设置导气管5，使氢气在床体内部快速流动；在罐体2出口处安装氢气阀门8，并在罐体2出口端设有氢气过滤片9。
该吸氢低应变金属氢化物储氢罐的罐体2材料为铝合金。
该吸氢低应变金属氢化物储氢罐的弹性缓冲层3为厚度为30mm的泡沫镍层，泡沫镍层的孔隙率95％，该泡沫镍层在金属氢化物储氢合金床体2装填之前先行铺设在罐体2的内壁上。
该吸氢低应变金属氢化物储氢罐的金属氢化物储氢合金床体1材料为AB2型(TiZr)1(MnCrVFe)2合金，合金在25℃下的平台压力为1.1MPa，储氢量为1.9wt％(重量百分数)。金属氢化物储氢合金床体1内装填的合金为50kg，并在金属氢化物储氢合金床体1中心位置设置导气管5，供氢气在***内的快速流通。
该吸氢低应变金属氢化物储氢罐的换热管4为直径为的不锈钢管，换热管4进水部分为螺旋式盘管，盘管螺径为40mm，螺距为50mm，回水部分为直管，进水口6和出水口7均为直管，分别位于氢气阀门8两侧，通过焊接方式与罐壁密封连接。
该吸氢低应变金属氢化物储氢罐出气口端焊接一个的不锈钢氢气过滤片9，过滤精度为0.5μm。
为了测试弹性缓冲层3对金属氢化物储氢罐吸氢应变的缓解作用，分别在该吸氢低应变金属氢化物储氢罐外壁和无弹性缓冲层的同规格普通金属氢化物储氢罐外壁中间位置粘贴应变片，并采用TST3822型静态应变仪对两金属氢化物储氢罐吸氢过程中产生的应变进行采集。分步骤将不同压力的氢气通入两金属氢化物储氢罐中，待压力平衡后，测试两金属氢化物储氢罐外壁产生的应变。图2为两金属氢化物储氢罐外部中间位置粘贴的周向应变片在不同压力下的应变曲线图。可见，无弹性缓冲层的金属氢化物储氢罐外壁产生的应变随罐内压力的升高急剧增大，说明内部金属氢化物储氢合金吸氢后的体积膨胀对罐壁产生了极大的应力作用；而吸氢低应变储氢罐外壁应变随罐内氢气压力呈线性变化，并未因金属氢化物储氢合金床体吸氢后的膨胀而发生应变的突然增加，说明弹性缓冲层有效缓解了金属氢化物储氢合金床体膨胀对罐壁产生的应力，大大提高了储氢罐长期使用的安全性。

Claims (4)

1.一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐， 其特征在于， 该储氢罐包括罐体 （2）、金属氢化物储氢合金床体（1）和弹性缓冲层（3）三部分，弹性缓冲层（3）置于罐体（2）和金属氢化物储氢合金床体（1）之间；金属氢化物储氢合金床体（1）内通有换热管（4） ，同时其中心位置设置导气管（5）；罐体（2）出口处安装氢气阀门（8），同时罐体（2）出口端设有氢气过滤片（9）；
所述的弹性缓冲层 （3）为泡沫镍、泡沫铝；
所述换热管（4）进水部分为螺旋式盘管，回水部分为直管，进水口（6）和出水口（7）均为直管；进水口（6）和出水口（7）分别位于氢气阀门（8）两侧，通过焊接方式与罐壁密封；
所述的氢气过滤片（9）为铜粉或不锈钢粉的烧结体，焊接在罐体（2）出口，过滤精度小于 2.5μm；
所述金属氢化物储氢合金床体（1）的材料为 Zr 基氢化物、Ti 基氢化物、V基氢化物或La-Ni 基氢化物；
所述的 Zr 基氢化物为 Zr-Co 氢化物、Zr-Ni 氢化物、Zr-Mn 氢化物和 Zr-Cr氢化物中的一种或一种以上；
所述的 Ti 基氢化物为 Ti-Fe 氢化物、Ti-Mn 氢化物和 Ti-Cr 氢化物中的一种或一种以上。
2.根据权利要求 1 所述的一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐， 其特征在于，所述罐体（2）的材料为铝合金、碳钢或不锈钢。
3.根据权利要求 1 所述的一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐， 其特征在于，所述换热管（4）的材料为不锈钢。
4.根据权利要求 1 所述的一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐， 其特征在于，热量导出采用内换热方式。
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