本發(fā)明涉及利用充裝固態(tài)儲氫合金材料的高壓罐儲氫裝置技術(shù)領(lǐng)域

背景技術(shù)：

氫能源成為解決未來人類能源危機的終極方案，同時也是人類解決目前面臨的環(huán)境問題的一條很有希望的途徑。氫作為新能源，有著無可比擬的優(yōu)勢。然而，從氫氣的制取到具體的應(yīng)用，氫氣的存儲和運輸是必不可少的一環(huán)。2006年11月13日，氫能界的主要科學(xué)家向八國集團提交了有關(guān)氫能的《百年備忘錄》，指出解決21世紀初人類正面臨氣候變化和傳統(tǒng)石化能源日益緊張的兩大危機的解決方案中，氫能是最優(yōu)方案，但必須攻克儲氫這一難題。

目前氫氣的儲運技術(shù)一般分為三種：高壓氣態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、低溫液態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫是指在氫氣臨界溫度以上通過高壓壓縮的方式存儲氣態(tài)氫，通常采用氣罐作為容器，簡便易行，其優(yōu)點是存儲能耗低、成本低(壓力不太高時)，充放氣速度快，在常溫下就可進行放氫，其缺點是存儲的體積和質(zhì)量密度低。即使加壓到30MPa時，質(zhì)量儲氫密度仍不到3％，而且運輸和使用過程中存在易爆的隱患，在氫燃料電池車上的應(yīng)用還存在問題。低溫液態(tài)儲氫，需要將氣態(tài)氫氣降溫到20K的低溫，變?yōu)橐簯B(tài)氫后存儲在一個液體氫儲存箱中。相對于高壓氣態(tài)儲氫來說，液氫的密度很高，但是由于必須裝備冷卻裝置，其質(zhì)量儲氫密度受到限制，而且僅僅把氣態(tài)氫氣冷卻成為液態(tài)氫就要用掉所儲存能量的33％，另外為了維持低溫還將消耗更多的能量，需要極好的保溫絕熱保護層以防止液氫蒸發(fā)或者沸騰，成本很高，而且液氫儲存箱體積也較大，質(zhì)量儲氫密度不太高。金屬氫化物儲氫的原理實質(zhì)上就是一種化學(xué)儲氫方法，其機理是金屬的特殊晶格結(jié)構(gòu)，在一定條件下(如一定的溫度和壓力下)，氫原子較容易進入金屬晶格的四面體或八面體間隙中，這些金屬合金與氫氣產(chǎn)生化合反應(yīng)生成金屬氫化物，其可儲存相當于其體積1000～3000倍的氫氣，這些具有儲氫能力的合金稱作“儲氫合 金”。儲氫合金吸收和釋放氫氣是一個可逆的過程，在吸收氫氣過程中，儲氫合金會釋放大量熱量，若熱量不迅速散出，則會影響吸氫過程，使儲氫合金局部溫度過高導(dǎo)致部分老化失效；在釋放氫氣過程中，儲氫合金要吸收大量熱量，若溫度不均勻，則會影響放氫速度，同時還會使外部供給的熱量被局部集中，導(dǎo)致溫度過高使儲氫合金被老化失效。因此，儲氫合金的吸氫和放氫過程中，最為重要的一個控制手段就是對儲氫合金加熱和冷卻的熱控制。若熱控制越好，則越有利于儲氫合金的儲放氫性能，和儲氫材料的使用壽命。

現(xiàn)有技術(shù)中已存在一些固體儲氫裝置，如中國發(fā)明授權(quán)公告號CN101245895B的發(fā)明專利，其包括一個筒體，兩端具有氫氣進出閥門，筒體內(nèi)縱向設(shè)有數(shù)個導(dǎo)熱片，在筒體內(nèi)裝有儲氫合金粉末，這些導(dǎo)熱片埋設(shè)在這些儲氫合金粉末中；此外，該筒體是由一個筒身本體和一個帶有儲氫合金粉末灌裝口的封頭組合而成。該現(xiàn)有技術(shù)的儲氫裝置，所裝的儲氫粉末是直接充裝到儲氫罐中，這為放氫時氫氣的潔凈度帶來很多問題，使氫氣中含有儲氫合金的微細粉末；而若采用塊狀的儲氫合金材料，由于塊狀儲氫材料“塊體”特性，無法很均勻地埋設(shè)導(dǎo)熱片或混入導(dǎo)熱纖維實現(xiàn)熱傳遞，因此對于塊狀儲氫合金材料的加熱/冷卻問題，該現(xiàn)有技術(shù)并未提出解決方案。此外，該儲氫裝置的筒體是兩部分連接而成的，在焊接或連接部位易形成漏點，屬于較薄弱的部位，這些薄弱部位往往在儲運過程中，成了安全隱患。因此，針對現(xiàn)有的儲氫容器，仍有改善的必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目是提供一種適于盛裝塊狀儲氫合金的儲氫裝置，所述儲氫裝置具有更好的冷卻和加熱的熱控制性能，能夠使塊狀儲氫合金在吸氫時的熱量順利排出；在放氫時，儲氫合金的受熱更快更均勻，保證較好的儲放氫性能，延長儲氫材料的使用壽命。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種固態(tài)高壓混合儲氫裝置，其包括：一個母罐，該母罐一端開口為進/出氣口，另一端開口設(shè)有多條換熱管；多個子罐，安裝于該母罐內(nèi)，各子罐內(nèi)填充有塊狀儲氫合金材料，所述換熱管接入至各該子罐，能夠?qū)υ撟庸迌?nèi)的儲氫合金材料加熱或冷卻處理；所述各子罐與母罐的內(nèi)腔連通。

本發(fā)明采用選擇使用塊狀的儲氫合金，相對傳統(tǒng)的粉末狀的儲氫合金，可以使放出的氫氣更潔凈；但是塊狀儲氫合金由于較為致密，故熱傳導(dǎo)時不能通過混入較多的傳熱纖維或直接埋入傳熱翅片的方式來較好地實現(xiàn)均勻和快速的傳熱功效。本發(fā)明是通過在內(nèi)部容積較大的母罐內(nèi)，安裝數(shù)個直徑較小的子罐的復(fù)合儲氫容器結(jié)構(gòu)，相對于直接將塊狀儲氫合金放置于母罐內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)，由于子罐的直徑遠小于母罐，為細長柱狀體，可使各換熱管所連接的各子罐的熱傳導(dǎo)半徑較小，且各子罐內(nèi)儲氫合金的傳熱表面積相對更大，故散熱面積也較大；因此，換熱管可均勻而快速地給塊狀儲氫合金加熱或冷卻，有利于各子罐內(nèi)儲氫合金材料溫度的均勻分布，避免儲氫合金內(nèi)局部溫度過高引起儲氫性能老化、失效。

此外，所述母罐為兩端開口結(jié)構(gòu)，其一端設(shè)置換熱管結(jié)構(gòu)，另一端設(shè)置進/出氣管閥，避免在母罐的同一端開口既安裝換熱管又安裝進/出氣管閥，兩端開口分別具有不同的功用，可有效提高母罐內(nèi)的空間利用率。

一個實施方案中，所述母罐包括內(nèi)膽和纏繞在內(nèi)膽外部的纖維纏繞層，所述纖維纏繞層是由玻璃纖維、碳纖維、復(fù)合纖維浸漬于環(huán)氧樹脂后，在施加一定的張力的情況下纏繞在內(nèi)膽外側(cè)，與內(nèi)膽固化成為一個整體，纖維層是復(fù)合增強層，與內(nèi)膽共同承受內(nèi)壓。由于所述纖維纏繞層強度比鋼材高，密度比鋼材低，所以該母罐比傳統(tǒng)純鋼母罐重量降低1/3，大大提高了儲氫裝置的單位重量儲氫率。

一個實施方案中，所述母罐內(nèi)設(shè)有一個子罐安裝基座，所述子罐安裝基座具有數(shù)個安裝孔，這些安裝孔可供所述數(shù)個子罐獨立置入并固定于其中。

在一些實施例中，所述子罐安裝基座位于靠近該母罐的一端部；在另一些實施例中，所述子罐安裝基座位于該母罐的中部；且所述安裝基座上設(shè)有氣體可透過部分。

一個實施方案中，所述母罐的內(nèi)膽為兩端縮口的鋼內(nèi)膽，所述鋼內(nèi)膽為無縫鋼管旋壓一體成形結(jié)構(gòu)。

所述母罐內(nèi)膽為兩端縮口的結(jié)構(gòu)，兩端開口的縮口內(nèi)徑較小，有利于采用密封塞密封兩端開口或在兩端開口安裝進/出氣組件及換熱管組件，以及這些組件與母罐內(nèi)膽兩開口的高效密封。而無縫鋼管旋壓成型的母罐結(jié)構(gòu)，系為一體的罐身結(jié)構(gòu)，密封性好，抗壓能力強，無接縫，無漏點，抗沖擊性好， 減少儲運中的安全隱患。

在一些實施例中，所述纖維層纏繞在所述鋼內(nèi)膽兩端的內(nèi)徑開始縮小的起始點之間。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果包括：可有效提升母罐的空間利用率，增大儲氫合金充裝量，提高同等壓力下的儲氫率50％；減小熱傳導(dǎo)半徑，提高儲氫合金的熱控制性，提高儲氫放氫性能及延長儲氫合金使用壽命。母罐采用一體成型結(jié)構(gòu)，外采用纖維纏繞層，減少儲氫裝置的重量，提高儲氫裝置的單位重量儲氫率。本發(fā)明的儲氫裝置，尤其適用安裝于氫氣加氣站，提高加氫站的單位體積儲氫密度和動態(tài)響應(yīng)特性，由于該儲氫裝置在放氫時具有穩(wěn)定的高坪臺壓，可以減少高壓壓縮機的開啟頻率，降低能耗，滿足加氫站氫氣儲存、加注的應(yīng)用要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的A-A截面示意圖。

具體實施方式

體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上是當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明一種固態(tài)高壓混合儲氫裝置的一個具體實施例，如圖1-2所示，舉例來講，儲氫裝置包含一個母罐及7個子罐4。其中，母罐是由母罐內(nèi)膽3以及鋼內(nèi)膽外部的纖維纏繞層2所組成。所述母罐內(nèi)膽3為兩端縮口的無縫鋼管旋壓一體制成件。所述纖維纏繞層2可為碳纖維、玻璃纖維、復(fù)合纖維浸漬于環(huán)氧樹脂再纏繞在鋼內(nèi)膽上固化而成。該纖維纏繞層2對母罐內(nèi)膽起承壓增強作用，纖維纏繞層2覆蓋了母罐內(nèi)膽3的大部分主體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，覆蓋在母罐內(nèi)膽3兩端其直徑開始縮小的兩個起始點之間。且由于纖維纏繞層2的強度高、比重輕，故會大幅降低儲氫裝置整體的重量。

在母罐內(nèi)膽3的內(nèi)部安裝有7個細長的子罐4，這些子罐4的內(nèi)部填充有塊狀儲氫合金材料5，其中1個子罐4可安裝在正中心，另外6個圍繞該中心的子罐等間距地分布。母罐內(nèi)膽3的一端開口可供接入換熱管1，各換 熱管1連接至各子罐4，通過向換熱管1輸入傳熱介質(zhì)對子罐4內(nèi)的儲氫合金材料加熱或冷卻。母罐內(nèi)膽3的另一端開口為進/出氣口，如圖1所示，其是通過一個螺紋連接的螺塞6，螺塞6與母罐端面之間采用O型圈密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)密封，該螺塞6上設(shè)有進/出氣閥。在該母罐內(nèi)膽3的內(nèi)腔內(nèi)還設(shè)有一個子罐安裝基座7，子罐安裝基座7上具有數(shù)個安裝孔，這些安裝孔恰可供各子罐4插入固定于其中，所述子罐安裝基座7具有可供氣體通過的結(jié)構(gòu)。通過向母罐內(nèi)膽3的進/出氣口通入高壓氫氣，可使氫氣被子罐4內(nèi)的儲氫合金材料5吸收，這些子罐4共用母罐內(nèi)膽3的一個進/出氣口。

其中，母罐內(nèi)膽3采用無縫鋼管旋壓成型，無接縫、無焊接點，故母罐密封性好，無漏點，安全性高。而各個子罐4的直徑小(細長柱狀)，每一個子罐4內(nèi)儲氫合金材料5的熱傳導(dǎo)半徑小，使儲氫合金材料5能夠均勻換熱，有利于熱量的均勻分布，儲氫合金材料5具有更大的表面積，故換熱面積也較大，換熱更快，熱量可很快被換熱管吸收傳至外界，因此能更好地防止儲氫合金材料老化，避免塊狀的儲氫合金材料5內(nèi)部某局部溫度過高引起失效。所述儲氫合金材料5選擇為塊狀體，使放出的氫氣更潔凈。

所述母罐內(nèi)膽3為兩端縮口的結(jié)構(gòu)，兩端開口的縮口內(nèi)徑較小，在密封處理上相對于大口徑的開口，縮口具有十分有利的條件。無論是采用螺塞密封兩端開口或在兩端開口安裝進/出氣組件及換熱管組件，都可較為容易地實現(xiàn)高效密封。

在本發(fā)明的一個實施例中，如圖1-2所示，換熱管1為金屬換熱管，所述金屬換熱管貫穿各子罐4的內(nèi)部空間，較佳位于各罐4的中心線上，便于對儲氫合金材料換熱。該實施方式，能夠使熱/冷傳遞的路徑很小，有效提升儲氫裝置的熱控制性，提高儲放氫性能。此外，由于這些子罐4的設(shè)置，可增大儲氫合金材料5的表面積(散熱界面)，可快速將熱量傳遞出去，避免儲氫放出大量熱的過程中，熱量局部堆積引起溫度過高而讓儲氫合金發(fā)生老化。

所述儲氫裝置的制造工序包括：

子罐安裝基座7提前在無縫鋼管內(nèi)安置，通過一體旋壓成型工藝在無縫鋼管的兩端形成具有縮口的母罐內(nèi)膽3；從內(nèi)膽3遠離子罐安裝基座7的一端裝入數(shù)個子罐4，例如按照圖2的布置安裝7個子罐，各子罐4安裝至該 子罐安裝基座7的各個獨立安裝孔內(nèi)并固定；將各子罐4所連接的換熱管1自一端引出；在母罐內(nèi)膽3另一端的縮口內(nèi)安裝螺塞6及進/出氣閥。通過纏繞工藝步驟，將碳纖維、玻璃纖維、復(fù)合纖維浸漬于環(huán)氧樹脂后，使纖維在一定張力條件下纏繞于無縫鋼管內(nèi)膽3外側(cè)，并通過固化工藝與內(nèi)膽3固化成一體，從而形成纖維纏繞層2。其中，所述纖維纏繞層2與內(nèi)膽3共同承受內(nèi)膽3的內(nèi)部應(yīng)力。所述旋壓成型工藝，一般是指金屬工件通過旋轉(zhuǎn)使之受力點由點到線由線到面，同時在某個方向用旋輪給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動而成型某一形狀的技術(shù)。此技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù)，故不詳述。

經(jīng)不同的儲氫合金材料5填裝和試驗驗證，本發(fā)明的儲氫裝置的儲氫壓力可達到35～85MPa，放氫壓力穩(wěn)定在35MPa以上，不僅儲氫裝置的儲/放氫性能穩(wěn)定，且儲氫裝置使用壽命有明顯延長。

除非特別限定，本發(fā)明所用術(shù)語均為本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義。本發(fā)明所描述的實施方式僅出于示例性目的，并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種其他替換、改變和改進，因而，本發(fā)明不限于上述實施方式，而僅由權(quán)利要求限定。