一种用于镁基储氢材料的蓄热式高效储氢器

摘要

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。

说明书

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，恒温系统，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。