CN1430010A - 一种用于镁基储氢材料的蓄热式高效储氢器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于镁基储氢材料的蓄热式高效储氢器,该储氢器为圆柱体状,外罩和内罩之间形成真空层,内罩内壁有绝缘层,蓄热管在绝缘层内均匀分布,传热管为螺旋状,在最外层蓄热层的内侧,氢气分布及过滤管穿过氢气过滤层安装在内罩中间水平位置,氢气过滤层安装在支撑板上,支撑板安装在内罩上,传热管一端有输入端口,另一端有输出端口。本发明是将镁基储氢材料在吸氢过程中产生的能量(热量),通过蓄热管将其蓄积起来,长期保储存在储氢器内部,在放氢过程中,这部分能量将满足镁基储氢材料的放氢过程的部分需要,从而达到节约能量,降低镁基材料储氢器综合能耗的目的。
Description
技术领域:
本发明提出一种用于镁基储氢材料的蓄热式高效储氢器,该储氢器可为需要氢气源的场所提供氢气。
背景技术:
镁基储氢材料虽然应用范围是非常广泛的,如可以用于提纯分离,热泵,恒温***,同位素分离、温度传感器、燃料电池等多种应用,但从能量的角度来说,镁基储氢材料的成本与天然气、汽油等比较还不占优势,在利用中还受到一些因素如吸放氢温度、循环寿命、热效应等因素的制约。从某种意义上来说,镁基储氢材料的应用研究,与其充放氢性能上的缺陷,可以结合特定使用场合加以克服,以减少能耗,提高能量的综合利用率。对于储氢材料应用来说,相对成熟的金属基储氢材料是LaNi5系和FeTi系,它们的应用场所很多,储氢容器的设计也多种多样。而镁基材料应用还远不如其它种类的材料。由于镁基材料的充放氢的热效应比较大,放氢温度一般在300℃左右,给使用带来一定的困难。为了达到能应用具有较大储氢容量的镁基材料的目的,有些研究工作者曾尝试用联合应用储氢材料的方法,以克服镁基材料的不足,如用联合使用FeTi-Mg2Ni等。Daimler-Benz公司开发的FeTi-Mg2Ni联合应用方案,利用汽车发动机废气的余热来加热Mg2Ni,使其放氢。另一种比较直接的方法就是在储存材料的容器箱内留有少量氢气,放氢时点燃氢气,用其燃料产生的热量来达到放氢的目的,如现在的装置,使用镍包覆的镁作为储氢合金,储氢量最大为6.5wt%,用于燃烧掉的氢气占总储量的57%,所以相当于实际储量仅为2.8%。有关工业化镁基材料的容器设计情况也只有少数几例,如Mg2Cu存储容积为圆柱体,使用含铬3%的钢材,40cm长,直径为5cm,Mg2Cu净重80kg,热交换容量为20KW,最大压力为30atm,温度为300-380℃。另一种设计是Mg-10%Ni的存储,使用的是316#不锈钢,16cm直径、50cm高的圆柱体,壁厚0.2cm,容器具重5.5kg,Mg-10Ni材料净重3.5kg,置于5个网状托架内。有效存储氢气0.26kg,占总重的1.8wt%。充气时,需将容器置于氮气构成的压力箱中,做为平衡气,以防止充氢容器破裂。综上所述,镁基储氢材料的应用的两个最主要的难点是:放氢温度过高,放氢吸热量过大,要消耗大量的热,能量有效利用率低;同时镁基储氢材料的充放氢动力学性能也较差。镁基储氢材料的应用还比较落后,有很多应用领域还没有充分开拓。
发明内容:
本发明针对现有技术的不足,提出的用于镁基储氢材料的蓄热式高效储氢器,目的是为需要氢气源的场所方便的提供氢气。做到能耗低,容量大,方便安全。本发明的主要内容是,以镁基储氢材料为主的高容量的储氢器。该容器在工作时,具有蓄热功能,可以蓄积吸氢过程放出的热量以及其它方式提供的热量,该储氢器内部一直保持较高的温度,可以随时进行吸氢和放氢,从而使该储氢器成为实用化的氢气供应源,直接为燃料电池等项目服务。由于该储氢器的蓄热设计,使得镁基储氢材料在放氢过程中消耗的能量将大大降低,从而解决镁基储氢材料放氢温度高、消耗能量过大的问题。发明要点是:(1)储氢器内部蓄热功能的设计。拟采用盐类、有机物等物质的相变热等加以解决,要求蓄热物质具有较大的相变潜热和适当的相变温度,能方便的蓄积储氢材料吸氢时放出的热量;或者利用化学反应的原理,即吸氢时放出的热量使物质分解,蓄积能量,当发生化合反应时放出的热量可以有效的供镁基储氢材料放氢时用。另外该蓄热设计还必须能方便地接受其它方式提供的热量,如工厂和装置产生的废热等。(2)储氢器的保温设计问题。储氢器壁的绝热保温是该蓄热型储氢器关键技术之一,本发明通过真空防辐射层和保温层以及在容器壁上做涂层(防辐射)的方法加以解决。下面结合附图详细阐述本发明原理和结构。本发明主要由支撑环1,蓄热管2,氢气分布及过滤管3,绝热层4,氢气过滤层6,传感器管7,安全阀8,支撑板9,传热管10,真空管11,传热管输入端头12,传热管输出端头13,内罩14,外罩15组成,其中内罩14和外罩15之间为真空层5,在内罩14和外罩15中间装支撑环1,内罩14和外罩15均为圆柱体,绝热层4紧靠内罩14内壁,在绝热层4内侧按圆环状均匀分布地装有若干个蓄热管2,传热管10呈螺旋状安装在最外层蓄热管2内侧,传热管10呈螺旋状形成的空间周围均匀分布地装有若干个蓄热管2,氢气分布及过滤管3穿过外罩15、内罩14及绝热层4和氢气过滤管6水平装在绝热层4中心位置,传热管10一端有输入端头12,另一端有输出端头13,支撑板9竖直固定在绝热层4后部,支撑板9上装有氢气过滤层6,传感器管7穿过外罩15和内罩14及绝热层4,固定在在支撑板9上端,安全阀8穿过外罩15和内罩14及绝热层4,固定在在支撑板9下端,氢气分布及过滤管3上有若干个均匀圆孔,真空管11穿过外罩15,并焊在外罩15上,传热管10内用导热油作传热介质。本发明工作原理是:利用氢气与镁基材料的可逆反应,可以有效的存储和释放氢气。镁基材料吸氢时放出大量的热,为了综合利用能量,设计了具有蓄热功能和对外界绝热的储氢器。蓄热措施:在储氢材料周围排布装有蓄热物质的蓄热管,可有效存储氢材料吸氢时储热量。绝热措施:1)设计了具有真空夹层的双层容器(防热传导);2)内层容器内壁包有一层绝热层;3)内层容器内壁具有涂层。具体工作过程:吸氢时,氢气通过3进入储氢器,在此过程中,放出大量的热,储氢器内的温度可保持在320℃-360℃,部分热量存储在蓄热管2内,多余的热量利用传热管10传出。放氢时,氢气同样也通过过滤管3放出去,蓄热管可部分提供放氢时所需的热量,其余所需热量可通过传热管10来补充。本发明应用前景十分广泛,特别是在燃料电池领域,作为氢气的供应源,可为燃料电池提供氢气源,是氢氧燃料电池的不可缺少的组成部分。在燃料电池中,氢气与氧气可以在电极中反应直接产生电能,特别是近年来,氢氧燃料电池技术获得了长足的进展,如质子交换膜燃料电池(PEMFC),它特别适合作为可移动的动力源,电动汽车、电动自行车、航天器和AIP潜艇理想的电源之一,可以预见,PEMFC必然在军民两个领域得到大力发展。PEMFC燃料电池应用的最大的障碍之一就是氢气的供应问题,以气体的形式供气,不但效率低,而且很多危险,液体氢则更加不安全,条件也更苛刻。以镁基储氢材料储氢器为载体的供气方式,不但安全,而且其供氢的体积密度超过液态氢。虽然固体储氢材料(金属氢化物)的种类很多,如LaNi5型,FeTi型和锆系合金,但是满足大规模应用、高容量的储氢材料只有镁基材料,所以成功的高效镁基储氢材料储氢器,是燃料电池可靠的、理想的供氢方式。高效镁基储氢材料储氢器发展和进步,必然带动和推动燃料电池应用的发展,解决氢气供应问题之后,燃料电池必将成为新一代电动汽车动力来源,不但可以解决石油供应不足问题,更给环境带来莫大的好处,具有良好的经济效益和社会效益。除此之外,蓄热型镁基储氢容器,作为方便的氢气供应源,还可以为其它方面提供氢气供应,如野外作业、厂矿等氢气供应源,以满足其对动力及热量的需要。本发明达到的目标:较低的能耗,较高的储氢容量和快速的吸放氢过程,方便的操作规程过程。具体目标是:能耗<22%。
附图说明:
图1为本发明原理结构图。
图2为本发明图1左视图。
具体实施方式:
本发明外罩直径510毫米,内容积100升,外罩为普通不锈钢制造,内罩由21Cr3MoWV制造,氢气过滤层由泡沫铝制造,氢气过滤层具有过滤粉尘的作用,安全阀为普通件,传热管直径为16毫米,支撑环为绝缘材料制造,蓄热管直径8毫米,为27根,氢气分布及过滤管直径6毫米,管上有若干个小孔,周围有过滤层。本发明主要技术指标:储氢器内部温度为280-360℃,出口氢气压力为0.2-0.3MPa,充氢压力1-3MPa。
Claims (1)
1、一种用于镁基储氢材料的蓄热式高效储氢器,其特征在于:主要由支撑环[1],蓄热管[2],氢气分布及过滤管[3],绝热层[4],氢气过滤层[6],传感器管[7],安全阀[8],支撑板[9],传热管[10],真空管[11],传热管输入端头[12],传热管输出端头[13],内罩[14],外罩[15]组成,其中内罩[14]和外罩[15]之间为真空层[5],在内罩[14]和外罩[15]中间装支撑环[1],内罩[14]和外罩[15]均为圆柱体,绝热层[4]紧靠内罩[14]内壁,在绝热层[4]内侧按圆环状均匀分布地装有若干个蓄热管[2],传热管[10]呈螺旋状安装在最外层蓄热管[2]内侧,传热管[10]呈螺旋状形成的空间周围均匀分布地装有若干个蓄热管[2],氢气分布及过滤管[3]穿过外罩[15]、内罩[14]及绝热层[4]和氢气过滤管[6]水平装在绝热层[4]中心位置,传热管[10]一端有输入端头[12],另一端有输出端头[13],支撑板[9]坚直固定在绝热层[4]后部,支撑板[9]上装有氢气过滤管[6],传感器管[7]穿过外罩[15]和内罩[14]及绝热层[4],固定在在支撑板[9]上端,安全阀[8]穿过外罩[15]和内罩[14]及绝热层[4],固定在在支撑板[9]下端,氢气分布及过滤管[3]上有若干个均匀圆孔,真空管[11]穿过外罩[15],并焊在外罩[15]上,传热管[10]内用导热油作传热介质。
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