一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的制作方法

本发明涉及一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐，属于氢能技术领域。

背景技术：

随着化石能源的逐步匮乏，环境污染的严重恶化，人们越来越重视使用洁净的氢能。而在氢能的使用过程中，不可避免的涉及到氢气的储存问题。氢气的储存技术主要有：高压气态储氢、低温液态储氢，以及采用储氢材料化学反应的固态储氢。高压气态储氢存在体积储氢密度低，使用压力高，容器和加氢设施价格昂贵，安全性差等问题。而低温液态储氢存在低温储氢容器的体积过大，耗能大，易蒸发，成本高等问题。相比之下，采用储氢材料为储存介质的固态储氢技术，具有使用压力低，安全性高，体积储氢密度高，使用条件温和等优点，目前是储氢技术的重要发展方向。而采用储氢材料作为储氢介质，在循环吸放氢过程中会不断粉化成细小粉末颗粒，在重力的作用下，在容器底部堆积，造成传热传质性能恶化进而造成吸放氢速度变慢，另外堆积的细粉在吸氢过程会发生膨胀对容器壁面，特别是容器底部的壁面产生很大的压力，严重时会发生变形甚至破裂，造成安全事故。我国专利号201510706560.3《一种吸氢低应变金属氢化物储氢罐》郭秀梅等人曾经公开一种金属氢化物储氢罐。这种储氢罐存在制造难度大，通用性不佳，不能二次利用，使用时还需要通入冷却水，不太方便，不能彻底解决使用过程中传热传质性能恶化以及吸氢膨胀对容器壁面造成挤压破坏的影响，只能说在初始吸放氢循环过程中可以部分缓解，在长期吸放氢过程中仍会造成罐体破坏。因此，亟需研制一种金属氢化物储氢罐，既能保证良好的传热传质性能，又不会对容器造成破坏，同时还要保证能低成本制造和使用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的缺点，提供了一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐。

本发明的目的是这样实现的，一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐，其特征在于：包括泡沫金属圆盖、气管、法兰盖、螺栓、o型密封圈、散热翅片、罐体、泡沫金属圆筒、泡沫金属圆盘、热管、泡沫金属圆柱；

所述罐体的外壁四周焊接有散热翅片，罐体中的腔体底部装有泡沫金属圆盘，罐体的内壁四周装有泡沫金属圆筒，罐体腔体的中间装有泡沫金属圆柱，泡沫金属圆筒与泡沫金属圆盘之间为间隙配合，泡沫金属圆筒与罐体之间也是间隙配合，泡沫金属圆柱与泡沫金属圆盘之间也是间隙配合；

所述泡沫金属圆盘的上表面放置有多根呈辐射状、均匀分布的热管，多根呈辐射状、均匀分布的热管形成热管层；泡沫金属圆筒上设有与热管相同数量的、且分布均匀的孔，热管与这些孔之间为过盈配合，同时热管穿过孔直接与罐体的壁面相接触；

所述热管层的上方、热管间的间隙位置以及泡沫金属圆盘的上方，铺有储氢材料粉末，储氢材料粉末的上方装有与罐体底部同样规格的泡沫金属圆盘，如此不断重复泡沫金属圆盘、热管、储氢材料粉末的“三明治”结构，直到最终整个罐体的腔体被填满，且填满时“三明治”结构的最上方是储氢材料粉末；

所述储氢材料粉末与泡沫金属圆柱以及泡沫金属圆筒平齐，在储氢材料粉末、泡沫金属圆柱、泡沫金属圆筒的上方设有泡沫金属圆盖；泡沫金属圆盖与罐体之间为过盈配合；

所述罐体的出口呈法兰状，其出口直径与腔体直径大小一致，不存在任何的缩口和扩口结构；罐体的出口上设有密封槽，密封槽内装有o型密封圈；法兰盖上焊接有气管，与下游气路零件相连，用于导入和导出氢气。法兰盖压在o型密封圈上，通过均匀分布的螺栓与罐体紧密的连接在一起；

所述法兰盖上焊接有气管，用于与下游气路零件相连，用于导入和导出氢气。

所述储氢罐整体呈现圆柱形；所述泡沫金属圆盘、泡沫金属圆柱、泡沫金属圆筒的孔径一样，均为微米级，但是要比泡沫金属圆盖的孔径大。

所述罐体的材质为铝，或铝合金，或铜，或铜合金，或碳钢，或不锈钢，罐体的外径为30~150mm，壁厚为2~20mm。

所述散热翅片的材质为铝或铝合金或铜或铜合金，散热翅片为圆形散热翅片，散热翅片的外径与法兰盖外径大小一样，散热翅片与散热翅片之间的间隙大小为10~40mm，呈等间隙分布。

所述泡沫金属圆柱的直径为5~20mm，泡沫金属圆柱的材质为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，泡沫金属圆柱的孔径为10~120ppi；

所述泡沫金属圆筒的壁厚为5~20mm，材质为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，孔径为10~120ppi；

所述泡沫金属圆盘的壁厚为5~50mm，内径为6~21mm，材质为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，孔径为10~120ppi；

所述泡沫金属圆盖的壁厚为5~50mm，材质为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，孔径为90~150ppi，泡沫金属圆盖的孔径为微米级，主要起到气流均匀化及过滤储氢材料粉末的效果。

所述罐体上设有呈均匀分布4~10个罐体螺栓孔，法兰盖上设有呈均匀分布4~10个法兰盖螺栓孔，罐体上的罐体螺栓孔与法兰盖上的法兰盖螺栓孔一一对应，螺栓依次旋于法兰盖螺栓孔、罐体螺栓孔，并旋紧于罐体上，使得法兰盖与罐体紧密的连接在一起。

所述热管的类型为铜-水热管或铜-甲醇热管或铝-丙酮热管或铜-丙酮热管，直径为5~10mm，长度为20~150mm；每层热管的数量为0~10根，呈辐射状水平均匀分布。

所述储氢材料粉末为设定厚度的、粒径为毫米级的储氢材料粉末，储氢材料粉末为ab5型储氢合金或ab2型储氢合金或ab型储氢合金或a2b型储氢合金或mg基储氢合金，粉末粒径为1~10mm；所述储氢材料粉末的总体积与罐体的腔体容积的比值范围为0.3~0.7。

本发明结构合理，通过本发明，一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐，包括泡沫金属圆盖、气管、法兰盖、螺栓、o型密封圈、散热翅片、罐体、泡沫金属圆筒、泡沫金属圆盘、热管、泡沫金属圆柱。储氢罐整体呈现圆柱形。其中，罐体的外壁四周焊接有圆形散热翅片，这有利于罐体与外部环境形成快速换热。罐体中的腔体底部装有泡沫金属圆盘，罐体的内壁四周装有泡沫金属圆筒，腔体的中间装有泡沫金属圆柱，泡沫金属圆筒与泡沫金属圆盘之间为间隙配合，泡沫金属圆筒与罐体之间也是间隙配合，泡沫金属圆柱与泡沫金属圆盘之间也是间隙配合。这些间隙配合有利于实现快速组装。泡沫金属圆盘的上表面是热管层，放置有多根呈辐射状，水平均匀分布的热管。热管是一种高效的传热元件，充分利用导热与相变传热的原理，使温度迅速均匀化，其热量传递效率是铜导热的1490倍，传递速度达到30m/s，使用者不需要通入任何冷却介质就可以实现高效热传递。储氢材料在吸氢时会放出大量的热，在放氢时会吸收大量的热，如果不能及时的将热量导出和导入，将严重影响储氢罐的吸放氢速度。泡沫金属圆筒上有与热管相同数量的、分布均匀的孔，热管与这些孔之间为过盈配合，同时热管穿过这些孔直接与罐体的壁面相接触，这种配合有利于实现高效的热量传递。在热管层的上方以及热管间的间隙位置且泡沫金属圆盘的上方，铺有一定厚度的、粒径为毫米级的储氢材料粉末。在储氢材料粉末的上方装有与罐体底部同样规格的泡沫金属圆盘，如此不断重复泡沫金属圆盘-热管-储氢材料粉末的“三明治”结构，直到最终整个腔体被填满，且填满时“三明治”结构的最上方是储氢材料粉末。储氢材料粉末与泡沫金属圆柱，以及泡沫金属圆筒平齐。在储氢材料粉末，泡沫金属圆柱，泡沫金属圆筒的上方是泡沫金属圆盖。泡沫金属圆盖与罐体之间为过盈配合，泡沫金属圆盖的孔径为微米级，主要起到气流均匀化及过滤储氢材料粉末的效果，同时实现优良的传热效果。泡沫金属圆盘、泡沫金属圆柱、泡沫金属圆筒的孔径一样，均为微米级，但是要比泡沫金属圆盖的孔径大。泡沫金属圆盘、泡沫金属圆柱、泡沫金属圆筒三者的组合，一方面对储氢材料粉末形成支撑和约束，另一方面又有良好的气流分散性和传热效果，保证良好的传热传质性能，同时有效阻碍储氢材料粉末逐步向罐体的底部聚集，而且泡沫金属中存在很多空隙，可以有效的容纳储氢材料粉末吸氢膨胀所产生的应力，避免造成罐体的破裂。罐体的出口呈法兰状，其出口直径与腔体直径大小一致，不存在任何的缩口和扩口结构，这有利于简化组装。罐体的出口上有密封槽，密封槽内装有o型密封圈。法兰盖上焊接有气管，与下游气路零件相连，用于导入和导出氢气。法兰盖压在o型密封圈上，通过均匀分布的螺栓与罐体紧密的连接在一起，以保证整个储氢罐的密封性。

所述罐体的材料为铝，或铝合金，或铜，或铜合金，或碳钢，或不锈钢，罐体的外径为30~150mm，壁厚为2~20mm。所述散热翅片的材料为铝，或铝合金，或铜，或铜合金，翅片的外径与法兰盖外径大小一样，翅片之间的间隙大小为10~40mm，呈等间隙分布。所述泡沫金属圆柱的直径为5~20mm，材料为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，孔径为10~120ppi。所述泡沫金属圆筒的壁厚为5~20mm，材料为铜或铜合金或铝或铝合金或镍，孔径为10~120ppi。所述泡沫金属圆盘的壁厚为5~50mm，内径为6~21mm，材料为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，孔径为10~120ppi。所述泡沫金属圆盖的壁厚为5~50mm，材料为铜，或铜合金，或铝，或铝合金，或镍，孔径为90~150ppi。所述罐体和法兰盖的螺栓孔数量为4~10个，呈均匀分布。所述热管的类型为铜-水热管，或铜-甲醇热管，或铝-丙酮热管，或铜-丙酮热管，直径为5~10mm，长度为20~150mm。每层热管的数量为0~10根，呈现辐射状水平均匀分布。所述储氢材料粉末为ab5型储氢合金，或ab2型储氢合金，或ab型储氢合金，或a2b型储氢合金，或mg基储氢合金，粉末粒径为1~10mm。所述储氢材料粉末的总体积与腔体容积的比值范围为0.3~0.7。

综上，本发明涉及一种储氢技术，特别涉及一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐。该储氢罐主要包括泡沫金属圆盖、气管、法兰盖、螺栓、o型密封圈、散热翅片、罐体、储氢材料粉末、泡沫金属圆筒、泡沫金属圆盘、热管、泡沫金属圆柱。本发明的金属氢化物储氢罐结构简单，生产效率高，组装方便，可避免金属氢化物粉末随气流流出储氢罐破坏下游零部件，具有极佳的传热传质性能，从而保证储氢罐具有很快的吸放氢速度。另外，该储氢罐不会因为金属氢化物粉末自压实和吸氢膨胀而造成对储氢罐罐体的破坏，因此该储氢罐的安全性高，可多次重复使用。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐，其结构简单，组装方便，密封性好，易于实现，传热传质性能优良，不会由于储氢材料吸氢膨胀而造成罐体破裂，长期使用安全性好，吸放氢速度快，不需要通冷却介质，可以多次回收利用，制造成本和使用成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐剖视图；

图2为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的法兰盖俯视结构示意图；

图3为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的罐体俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的散热翅片俯视结构示意图；

图5为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的泡沫金属圆盖俯视结构示意图；

图6为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的泡沫金属圆柱俯视结构示意图；

图7为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的泡沫金属圆盘俯视结构示意图；

图8为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的泡沫金属圆筒俯视结构示意图；

图9为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的热管层俯视结构示意图；

图10为本发明实施例中一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐的吸放氢动力学测试曲线；

图中：1泡沫金属圆盖、2气管、3法兰盖、3-1法兰盖螺栓孔、4螺栓、5o型密封圈、6散热翅片、7罐体、7-1罐体螺栓孔、7-2密封槽、7-3腔体、8储氢材料粉末、9泡沫金属圆筒、10泡沫金属圆盘、11热管、12泡沫金属圆柱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1-9所示，一种低成本、吸放氢速度快、且安全性高的金属氢化物储氢罐，包括：泡沫金属圆盖1、气管2、法兰盖3、螺栓4、o型密封圈5、散热翅片6、罐体7、储氢材料粉末8、泡沫金属圆筒9、泡沫金属圆盘10、热管11、泡沫金属圆柱12。罐体7的外壁四周焊接有圆形散热翅片6。罐体7中的腔体7-3底部装有泡沫金属圆盘10，罐体7的内壁四周装有泡沫金属圆筒9，腔体的中间装有泡沫金属圆柱12，泡沫金属圆筒9与泡沫金属圆盘10之间为间隙配合，泡沫金属圆筒9与罐体7之间也是间隙配合，泡沫金属圆柱12与泡沫金属圆盘10之间也是间隙配合。泡沫金属圆盘10的上表面是热管层，放置有4根呈辐射状、水平均匀分布的热管11。泡沫金属圆筒9上有24个分布均匀的孔，热管11与这些孔之间为过盈配合，同时热管11穿过这些孔直接与罐体7的壁面相接触。在热管层的上方，以及热管11间的间隙位置且泡沫金属圆盘10的上方，铺有厚度为20mm的、粒径为2~5mm的储氢材料粉末8。在储氢材料粉末8的上方装有与罐体7底部同样规格的泡沫金属圆盘10，如此不断重复泡沫金属圆盘-热管-储氢材料粉末的“三明治”结构，直到最终整个腔体7-3被填满，且填满时“三明治”结构的最上方是储氢材料粉末8。储氢材料粉末8与泡沫金属圆柱12，以及泡沫金属圆筒9平齐。在储氢材料粉末8、泡沫金属圆柱12、泡沫金属圆筒9的上方是泡沫金属圆盖1。泡沫金属圆盖1与罐体7之间为过盈配合，泡沫金属圆盖1的孔径为90ppi。泡沫金属圆盘10、泡沫金属圆柱12、泡沫金属圆筒9的孔径一样，均为40ppi。罐体7的出口呈法兰状，其出口直径与腔体7-3直径大小一致，为74mm。罐体7的出口上有密封槽7-2，密封槽7-2内装有o型密封圈5。法兰盖3上焊接有1/4英寸的气管2，与下游气路零件相连。法兰盖3压在o型密封圈5上。法兰盖3和罐体7分别有4个均匀分布的法兰盖螺栓孔3-1和罐体螺栓孔7-1。螺栓4穿过法兰盖螺栓孔3-1和7-1罐体螺栓孔将法兰盖3与罐体7紧密的连接在一起，实现良好密封。

该储氢罐罐体2的材料为铝，罐体的外径为82mm，壁厚为4mm。

该储氢罐散热翅片6的材料为铝，翅片的外径与法兰盖外径大小一样，为136mm，翅片之间的间隙大小为20mm，呈等间隙分布。

该储氢罐泡沫金属圆柱12的直径为10mm，材料为铜，孔径为50ppi。

该储氢罐泡沫金属圆筒9的壁厚为5mm，材料为铜，孔径为50ppi。

该储氢罐泡沫金属圆盘10的壁厚为15mm，内径为11mm，材料为铜，孔径为50ppi。

该储氢罐泡沫金属圆盖1的壁厚为6mm，材料为铜，孔径为100ppi。

该储氢罐热管11的类型为铜-水热管，直径为6mm，长度为32mm。每层热管的数量为4根，呈现辐射状水平均匀分布。

该储氢罐储氢材料粉末8为lani5储氢合金，粉末粒径为2~5mm，储氢材料粉末8的总质量为3.2公斤。

该储氢罐储氢材料粉末8的总体积与腔体7-3容积的比值为0.48。

为测试该储氢罐的吸放氢性能，将该储氢罐与h2at-11520型储氢罐性能测试仪相连，对储氢罐抽真空1个小时，脱除里面的各种气体，将充氢压力调到1mpa，进行充放氢动力学曲线的测试，测试获得的结果如图10所示，图中纵坐标表示吸放氢质量与储氢材料质量的比值，横坐标表示反应时间，由此可见该储氢罐200秒以内即可吸氢饱和，400秒以内即可脱氢完全，吸放氢量接近理论值，表明该储氢罐具有良好的传热传质性能，进而保证了良好的吸放氢性能。