CN107859871A

CN107859871A - 一种金属氢化物储氢装置及其储存金属氢化物的方法

Info

Publication number: CN107859871A
Application number: CN201610843106.7A
Authority: CN
Inventors: 徐丽; 盛鹏; 刘海镇; 李瑞文; 陈新; 韩钰; 马光; 李平; 赵广耀; 刘双宇; 王博
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; University of Science and Technology Beijing USTB; Global Energy Interconnection Research Institute; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; University of Science and Technology Beijing USTB; Global Energy Interconnection Research Institute; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明提供了一种金属氢化物储氢装置及其储存金属氢化物的方法，储氢装置包括罐体和阀门，罐体设有横向设置的隔网和与所述阀门相通的多孔导气管构成的所述金属氢化物储氢子区间。本发明提供一种传输效率高、热传导效率好的结构简单的金属氢化物储氢装置，细径隔网是一方面用来存放储氢合金粉的主要载体，另一方面，细径隔网的孔洞将合金粉固定在较小的空间内部，避免了合金粉的堆积，使得氢气与合金粉的接触面积增大；氢气在罐体内部的流通经由导气管上面的小孔进入细径隔网的孔洞中，提高了氢气的传质效率。

Description

一种金属氢化物储氢装置及其储存金属氢化物的方法

技术领域

本发明涉及一种储氢装置，具体涉及一种提高氢气传输速率的金属氢化物储氢装置及其储存金属氢化物的方法。

背景技术

随着石油和煤炭等化石燃料的日渐匮乏和生态环境的不断恶化，开发新型的环保型能源已经是迫在眉睫。作为燃料，氢的质量热值高(其热值1.25×106kJ/kg，为汽油的3倍、焦炭的4.5倍)，是理想的高能清洁燃料之一。氢能作为新能源之一，因其具有来源丰富、可再生、热效率高和燃烧清洁等优点，在未来的能量领域中，占据着重要的地位，已经受到世界各国科研工作者的普遍关注。

氢能的开发与利用涉及氢气的制备，存储，运输和应用四大关键技术。氢气的存储是应用的难题和关键技术。目前，固态金属氢化物储氢技术被广泛研究，金属氢化物具有体积小、储氢密度大、安全性好、能耗低等显著优点，是一种理想的储氢材料。金属氢化物储氢技术，是在一定温度与压力下，金属与氢气反应，会吸收氢而生成金属氢化物，从而将氢储存和固定。该反应有很好的可逆性，适当升高温度和减小压力即可发生可逆反应，此时放出氢气。

将金属氢化物放置于储氢罐中，可以实现氢气的固态储存。金属氢化物储氢罐目前也存在一些问题，金属氢化物在反复的吸氢和放氢循环过程中会出现体积膨胀，并且由于粉末状的金属氢化物在吸放氢过程中会发生流动，甚至堆积，使得内部产生很大的应力，会引起储氢罐的变形开裂；同时，由于金属氢化物粉末易流动，会在进出气口部位塞积，阻碍氢气的进入与输出。金属氢化物的吸放氢过程伴随着很大的热量交换，在吸氢时温度急剧升高，在放氢时温度急剧下降，但是金属氢化物本身的导热性能很差，造成吸放氢速率慢。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种传输效率高、热传导效率好的结构简单的金属氢化物储氢装置。

为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：

一种金属氢化物储氢装置，其包括罐体和阀门，罐体设有横向设置的隔网和与所述阀门相通的多孔导气管构成的所述金属氢化物储氢子区间。

一种金属氢化物储氢装置的第一优选方案，阀门和多孔导气管之间设有过滤网；罐体垂直方向分层设有隔网；所述多孔导气管的数目至少为1，其长度至少与所述罐体高度相等；所述隔网间的距离为45～50mm。

一种金属氢化物储氢装置的第二优选方案，多孔导气管的孔径为1～1.5mm；隔网的孔径为300～400目，厚度为2～2.5mm；制备所述隔网的网材直经为0.5～0.8mm。

一种金属氢化物储氢装置的第三优选方案，多孔导气管的孔径为1mm；隔网的孔径为400目，厚度为2mm；所述网材直径为0.5mm。

一种金属氢化物储氢装置的第四优选方案，罐体由球冠和圆柱体组成，圆柱体的直径和高度比为1:2～2:3。

一种金属氢化物储氢装置的第六优选方案，金属氢化物储氢子区间分布有储氢合金粉，储氢合金粉的的厚度小于相邻隔网距离的3/4；填料区的整体厚度小于所述罐体体积的4/5。

一种金属氢化物储氢装置的第七优选方案，多孔导气管按质量百分比计的下述组份制备：C 0.22-0.30％，Mn≤0.8％，Si≤0.6％，Ni 0.40-0.70％，Cr 13-15％，Ti≤0.006％，Mo 0.4-0.6％，B≤0.003％，P≤0.03％，S≤0.036％，杂质元素≤0.30％，余量为铁。

一种金属氢化物储氢装置的第八优选方案，阀门按质量百分比计，由下述组份制备而成：C≤0.08％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.035％，S≤0.03％，Ni:10.0～14.0％，Cr:16.0～18.5％，Mo:2.0～3.0％，余量为铁。

一种金属氢化物储氢装置的第九优选方案，罐体按质量百分比计，由下述组份制备而成：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.03％，Ni:10.0～14.0％，Cr:16.0～18％，Mo:2.0～3.0％，余量为铁，罐体采用耐高温材料，保证罐体具有很高的强度和良好的热传导效果

一种金属氢化物储氢装置的第十优选方案，储氢合金粉为镁系储氢合金粉、稀土系储氢合金粉、钛系储氢合金粉中的一种。

一种金属氢化物储氢装置储存氢化物的方法，其特征在于，所述方法如下：

(1)将金属氢化物装入所述储氢装置，室温下向所述储氢装置充入4MPa压力的氩气，并保持30分钟压力不下降；

(2)将所述储氢装置以5℃/s从室温升温至60℃，保温30分钟；60℃下抽真空，保持60分钟；60℃下通入氢气使压力达到4MPa，保持2.5小时；随后在60℃下释放所述氢气至压力为0.157MPa，完成一次活化。

(3)重复所述步骤(1)和(2)五次；

(4)进行吸放氢试验，记录压力计数据。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案中细径隔网为储氢合金粉提供了存放空间，细径隔网将合金粉固定在较小的空间内部，避免了合金粉的堆积，减缓了合金粉膨胀对罐体的压力。

2、本发明中提供细径隔网的结构，是由许多孔径为300～400目的小孔构成，孔径能够达到38～45μm，细径隔网的厚度为2～2.5mm，可以为氢气在合金粉之间流动提供良好的通道，提高了氢气传质效率。

3、本发明中的多孔导气管上面分布有许多小的孔洞，一方面有利于在吸氢过程中氢气进入罐体内部与储氢合金粉接触；另一方面，在放氢过程中可以使得底部合金粉放出的氢气也可以快速的释放，提高了储氢合金粉的吸放氢能力。

附图说明

图1是本发明储氢装置结构示意图；

图2是本发明多孔导气管的示意图；

图3是本发明隔网的俯视图；

其中，1、罐体通口；2、阀门；3、过滤网；4、罐体；5、隔网；6、储氢合金粉；7、多孔导气管；8、压力计。

具体实施方式

下面结合附图1～3和具体实施例作进一步详细说明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示一种金属氢化物储氢罐装置，该装置包括罐体(4)上方的罐体通口(1)、罐口处的气体阀门(2)、防止粉末流出罐体的过滤网(3)、细径(400目)隔网(5)，相邻隔网的是填料区，内部含有储氢合金粉(6)，多孔导气管(7)位于罐体内部，导气管至少一根，为金属直管，在直管上面分布有小孔。细径隔网(5)是由孔径为400目的小孔组成，隔网网经为1～2mm，隔网间的距离为45～50mm；制备隔网的网材直经为0.5～0.8mm，优选0.5mm；在相邻隔网之间内部装有储氢合金粉(6)，储氢合金粉的的厚度小于相邻隔网距离的3/4，填料区的整体厚度小于所述罐体体积的4/5，从而提高了氢气与储氢合金粉的接触面积，有利于氢气的传输。罐体由球冠和圆柱体组成，圆柱体的直径和高度比为1:2～2:3。

另外，由于分布着小孔的导气管(7)的存在，多孔导气管(7)的直径为所述罐体主体直径的1/10，能够使得氢气在进入和输出过程迅速完成，提高了储氢合金粉的吸放氢的效率。过滤器网(3)的存在，使得在抽真空和吸放氢过程中，储氢合金粉不会随氢气气流进入气体进出口的内部。

细径隔网(5)是存放储氢合金粉的主要载体，可为氢气在合金粉之间流动提供良好的通道，提高了氢气传质效率。同时，细径隔网(5)的孔洞将合金粉固定在较小的空间内部，避免了合金粉的堆积，使得氢气与合金粉的接触面积增大，提高了氢气的转换效率。

为了进一步的提高氢气在罐体内部的流通，采用一种管道，材质为纯铜，管道周围开有小的孔洞，即多孔导气管；高压状态的氢气进入罐体内部，经由导气管上面的小孔进入细径隔网的孔洞中，进一步的提高了氢气的传质效率。

再者，储氢合金粉在吸氢过程中是一个放热过程，会放出很大的热量。由于细径隔网和铜管具有良好的热传递性能，细径隔网(5)与罐体(4)紧贴着，这就使得吸氢放出的热量能够很快的传导到外界。放氢过程是一个吸热过程，在放氢过程中，外部热量经由细径隔网(5)很好的传递到储氢合金粉(6)，促使放氢过程快速发生。

总的看来，利用细径隔网(5)作为储氢合金粉的反应床，不仅能够大幅度的提高氢气的传质效率，而且还对吸放氢过程中的热量传递起到一定的作用。

下面为储氢装置的使用过程，以LaNi₅材料为例，首先打开金属氢化物储氢罐体，把2mm厚的细径隔网放在储氢罐内部，将细径隔网上的中心孔洞与图2中的多孔导气管(7)对齐。将储氢合金粉(6)装入到罐体(4)内部的填料区中，使得储氢合金粉均匀分布，填充完毕后。在室温下往储氢罐内部充入4Mpa压力的氩气(纯度为99.99％)，并且保持30分钟，通过数显压力计(8)观察储氢罐内的压力是否下降，以此来判断储氢罐的密封性是否良好。若是数显压力计(8)的示数下降，则密封性不好，继续拧紧螺栓，继续测试密封。若是示数保持不变，则密封性良好。

接下来就是对储氢合金粉进行活化，首先将温度控制显示仪开关打开，将储氢罐的温度升到60℃，并进行保温30分钟，设定升温速度为5℃/s。其次在60℃条件下，经由罐体通口(1)对罐体(4)进行抽真空，保持60分钟。然后在60℃条件下经由罐体通口(1)充入氢气，使得罐内的氢气压力达到4MPa，保持2.5小时；最后在60℃条件下经由罐体通口(1)进行放氢，放至氢气压力在0.157MPa左右，以上步骤完成第一次活化；接下来按照如上步骤再次进行活化，反复活化5次，即可完成储氢装置的活化。活化后的储氢装置即可用来进行氢气的快速存储。

最后是利用已经活化的金属氢化物储氢合金粉进行试验。通过控制罐体通口(1)处的阀门(2)使氢气进入储氢罐内，氢气通过多孔导气管(7)进入到细径隔网的各个小的孔隙中。储氢合金粉可快速吸氢形成金属氢化物，体积膨胀，可以有效地利用剩余的空间，避免因体积膨胀引起的罐体开裂。吸氢过程中产生的热量会引起罐体内部的温度升高。储氢罐内部的氢气压力示数降低，通过数显压力计表(8)显示并记录数据。产生的热量可以通过细径隔网，快速传递到罐体，与外界进行热交换。

在放氢过程中，罐体内部的金属氢化物放出氢气，氢气通过细径隔网的孔洞和储氢合金粉，最后通过多孔导气管(7)将氢气聚集到罐体通口(1)处，打开阀门(2)氢气就会排出。在放氢过程中的热传递过程是，外界热量通过罐体(4)传递给细径隔网金属，然后由细径隔网金属传递给金属氢化物，为金属氢化物放氢提供热量。

隔网为铜网；多孔导气管按质量百分比计的下述组份制备：C 0.22-0.30％，Mn≤0.8％，Si≤0.6％，Ni 0.40-0.70％，Cr 13-15％，Ti≤0.006％，Mo 0.4-0.6％，B≤0.003％，P≤0.03％，S≤0.036％，杂质元素≤0.30％，余量为铁。

阀门(2)按质量百分比计，由下述组份制备而成：C≤0.08％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.035％，S≤0.03％，Ni:10.0～14.0％，Cr:16.0～18.5％，Mo：2.0～3.0％，余量为铁。

罐体(4)按质量百分比计，由下述组份制备而成：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.03％，Ni:10.0～14.0％，Cr:16.0～18％，Mo：2.0～3.0％，余量为铁。

储氢合金粉为镁系储氢合金粉、稀土系储氢合金粉、钛系储氢合金粉中的一种。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种金属氢化物储氢装置，其包括罐体和阀门，其特征在于，所述罐体设有横向设置的隔网和与所述阀门相通的多孔导气管构成的所述金属氢化物储氢子区间。

2.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述阀门和多孔导气管之间设有过滤网；所述多孔导气管的数目至少为1，其长度至少与所述罐体高度相等；所述隔网间的距离为45～50mm。

3.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述多孔导气管的孔径为1～1.5mm；所述隔网的网孔孔径为300～400目，隔网厚度为2～2.5mm；制备所述隔网的网材直径为0.5～0.8mm。

4.根据权利要求3所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述多孔导气管的孔径为1mm；所述隔网的孔径为400目，隔网厚度为2mm；所述网材直径为0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述罐体由球冠和圆柱体组成，所述圆柱体的直径和高度比为1:2～2:3。

6.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述多孔导气管按质量百分比计的下述组份制备：C 0.22-0.30％，Mn≤0.8％，Si≤0.6％，Ni 0.40-0.70％，Cr13-15％，Ti≤0.006％，Mo 0.4-0.6％，B≤0.003％，P≤0.03％，S≤0.036％，杂质元素≤0.30％，余量为铁。

7.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述阀门按质量百分比计的下述组份制备：C≤0.08％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.035％，S≤0.03％，Ni:10.0～14.0％，Cr:16.0～18.5％，Mo:2.0～3.0％，余量为铁。

8.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述罐体按质量百分比计的下述组份制备：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.03％，Ni:10.0～14.0％，Cr:16.0～18％，Mo:2.0～3.0％，余量为铁。

9.根据权利要求1所述的一种金属氢化物储氢装置，其特征在于，所述金属氢化物为镁系储氢合金粉、稀土系储氢合金粉或钛系储氢合金粉中的一种。

10.一种权利要求1～9任一项的金属氢化物储氢装置储存金属氢化物的方法，其特征在于，所述方法如下：

(2)将所述储氢装置以5℃/s从室温升温至60℃，保温30分钟；60℃下抽真空，保持60分钟；60℃下通入氢气使压力达到4MPa，保持2.5小时；随后在60℃下释放所述氢气至压力为0.157MPa，完成一次活化；

(3)重复所述步骤(1)和(2)五次；

(4)进行吸放氢试验，记录压力计数据。