專利名稱：金屬氫化物儲氫裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氫能領(lǐng)域的儲氫技術(shù)，特別涉及一種關(guān)于燃料電池用的金屬氫化物儲氫裝置及其制作方法。
背景技術(shù)：
隨著人類文明的進步，對煤、石油、天然氣等礦物能源的需求量日益增大，而這些傳統(tǒng)能源的使用，又造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化，例如溫室效應(yīng)和酸雨等。煤、石油、天然氣等是不可再生能源，在地球上的儲量是有限的，人類不可能長期依賴于它們。出于能源危機和環(huán)境保護的考慮，世界先進國家都在研究和開發(fā)新的可替代能源，譬如太陽能、風(fēng)能、氫能、核能、潮汐能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等等。
氫氣燃料熱值高，燃燒相同重量的煤、石油與氫氣，氫氣放出的能量為石油的3倍，煤的6倍；氫燃燒的產(chǎn)物是水，對環(huán)境無污染，真正實現(xiàn)零排放；氫的來源廣泛，可再生和重復(fù)利用，因此氫能作為重要的二次能源和清潔能源，越來越受到人們的重視。
從氫能的角度劃分，氫的使用方式主要有兩種一是用于燃燒，將氫能轉(zhuǎn)化為熱能或電能；二是通過先進的發(fā)電裝置(如燃料電池)，將氫能轉(zhuǎn)化為電力。燃料電池是氫能應(yīng)用最有希望的系統(tǒng)之一，其特點是能量轉(zhuǎn)換率高，燃料多樣化，排氣干凈，噪音低，對環(huán)境污染少，可靠性及維修性好等。目前，燃料電池技術(shù)已有了突飛猛進的發(fā)展，有望在不久的將來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。燃料電池工作時所需的燃料氣體為氫氣(高純氫)，氧化劑為氧氣，氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，同時將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池主要由4部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料電池按電解質(zhì)劃分，共有五大類堿性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質(zhì)子交換膜型。目前應(yīng)用最多的是質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，簡稱PEMFC)。然而，氫氣作為燃料電池的氫源，其儲存方式目前仍存在著許多問題，這嚴(yán)重制約了燃料電池的應(yīng)用。
現(xiàn)燃料電池氫源大多采用高壓氣瓶、液氫方式，其缺陷是體積儲氫密度低；對使用容器性能要求高；存在爆炸危險。金屬氫化物儲氫是一種固態(tài)儲氫技術(shù)，與傳統(tǒng)方法相比，金屬氫化物儲氫更安全、更靈活和更有效。但其也存在一些不足，例如儲氫器未能有效增大容器表面積，會導(dǎo)致金屬氫化物儲氫材料吸放氫時不能與外界環(huán)境進行充分的熱交換，影響了其動力學(xué)性能，吸放氫速率減慢，滿足不了燃料電池氫源的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種帶有散熱片和減壓穩(wěn)壓閥的金屬氫化物儲氫裝置及其制作方法，利用該制作方法制作的金屬氫化物儲氫裝置可在較惡劣的環(huán)境下、甚至一13℃時穩(wěn)定供氫；通過設(shè)置減壓閥，使儲氫裝置內(nèi)的壓力降至小功率燃料電池的工作壓力；設(shè)計和加工散熱片時留有尺寸余地，使散熱片與容器達到緊密配合，增大了容器的散熱面積，從而改善儲氫裝置的熱交換效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案一種金屬氫化物儲存裝置，至少包括兩個儲存容器，每個儲存容器具有一內(nèi)徑、一底端以及一相對于該底端的釋出端口；一個以上的導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的一端定位于儲存容器中，另一端與儲存容器的釋出端口相通；儲存容器中置有金屬氫化物；若干片套置于儲存容器外圍的散熱片，每個散熱片上具有若干向同一方向翻邊的沖孔，沖孔內(nèi)徑大于儲存容器的外徑；各儲存容器的氣體通路通過導(dǎo)管連為一體，導(dǎo)管的其中一個通路與球閥一端連接，球閥的另一端與減壓閥進口端連接。
所述的每個容器的開口以螺紋方式固定接頭，接頭內(nèi)置有防止合金細粉進入氣路的過濾片。
所述的金屬氫化物為AB2型鈦系合金，具體成分為Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.3)，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉而成，將熔煉后的鑄錠破碎成-60目的粉末以備用，該合金經(jīng)過2～3次循環(huán)吸放氫后即可完全活化，儲氫量約為2wt％左右，而且該合金可在較大的溫度區(qū)間工作，甚至在一13℃時也能穩(wěn)定放氫；一定量的導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑，將破碎成粉末的鈦系合金與導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑按一定比例混合，置于儲存容器中。
以兩個或多個通路(通路具體數(shù)量視儲存容器的數(shù)量而定)的不銹鋼管與容器開口的接頭相連，由此將兩個或多個儲存容器的氣體通路連為一體；不銹鋼管的其中一個通路與球閥一端連接，球閥的另一端與減壓穩(wěn)壓閥進口端連接(減壓閥的出口端可通過軟管與燃料電池的氣路相連)；減壓閥內(nèi)置有膜片和彈簧，通過膜片與內(nèi)壁的摩擦、以及彈簧對膜片產(chǎn)生的作用力來實現(xiàn)減壓和穩(wěn)壓的功能，當(dāng)壓力超過一定值后，減壓閥停止工作—即自鎖，保證出口壓力不能對燃料電池造成破壞。
本發(fā)明還提供一種金屬氫化物儲氫裝置的制作方法，其包含以下步驟1)預(yù)制具有一端開口的儲存容器預(yù)先成形體；2)將導(dǎo)氣管一端定位于儲存容器中，另一端與儲存容器開口相通；3)將鈦系合金粉末與一定比例(1～20％)的導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑混合后裝入儲存容器中；4)將接頭固定于容器開口，接頭內(nèi)置過濾片；5)將若干片散熱片鑲套于儲存容器外邊，散熱片上的沖孔與容器外徑過盈配合；6)將具有多通路的導(dǎo)管與固定在儲存容器開口的接頭連接；7)導(dǎo)管剩余的一個通路與球閥一端連接；8)球閥的另一端與減壓穩(wěn)壓閥進口端連接；9)減壓穩(wěn)壓閥以螺釘固定于該儲氫裝置的框架外殼上。
本發(fā)明的優(yōu)點是所述的金屬氫化物儲氫裝置選用的儲氫材料為AB2型鈦系合金，該合金能在較寬的溫度區(qū)間工作，即使是在-13℃時也能穩(wěn)定放氫；采用導(dǎo)熱劑，改善儲氫材料的熱傳導(dǎo)率，使儲氫材料與容器、散熱片進行充分的熱交換；采用抗板結(jié)劑，減緩材料在吸放氫過程中粉化而導(dǎo)致板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生；利用儲氫材料吸氫時造成的容器的體積膨脹，使散熱片與容器達到緊密配合，由此增大了容器的表面積，使得儲氫裝置與外界環(huán)境的熱交換效率明顯提高。制作金屬氫化物儲氫裝置的方法簡易、可靠。


圖1為本發(fā)明金屬氫化物儲氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(剖視)圖2為儲氫單罐的剖面結(jié)構(gòu)示意3為金屬氫化物儲氫裝置的外形示意圖具體實施方式
如圖1、圖3所示，為本發(fā)明金屬氫化物儲氫裝置一實施例其包含三個儲存容器10；多個散熱片11；三根導(dǎo)氣管12；三個瓶口接頭13；一根四通氣路管14；一卡套15；一球閥16及一減壓穩(wěn)壓閥17。導(dǎo)氣管12置于儲存容器10內(nèi)；儲存容器中剩余空間填充AB2型鈦系儲氫材料與一定比例的導(dǎo)熱劑及抗板結(jié)劑20，瓶口接頭13內(nèi)置過濾片22，若干片散熱片11置于儲存容器10外，每一散熱片11具有三個向同一方向翻邊的沖孔21，沖孔的內(nèi)徑大致與儲存容器外徑相等，翻邊既可將若干個散熱片彼此分隔開，也可起到支撐的作用。各儲存容器的氣體通路14通過不銹鋼管連為一體，不銹鋼管的其中一個通路與球閥16一端連接，球閥的另一端與減壓閥17進口端連接。
參見圖2，該儲存容器10具有一內(nèi)徑Di、一外徑Do、一底端18以及一相對該底端的釋出端口19。
為方便制作本發(fā)明的金屬氫化物儲氫裝置，儲存容器10預(yù)先成形體可選用輕質(zhì)、高強度的金屬材料，可承受一定的壓力和溫度，較佳者，是采用旋壓工藝制成、并經(jīng)過熱處理及時效處理后的鋁合金，其極限耐壓可達25MPa。
本發(fā)明選用的儲氫材料為AB2型Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.3)鈦系合金，該合金經(jīng)真空感應(yīng)熔煉而成，將熔煉后的鑄錠破碎成-60目的粉末，該合金經(jīng)過2～3次循環(huán)吸放氫后即可完全活化，儲氫量約為2wt％左右，其可在較大的溫度區(qū)間工作，甚至在-13℃時也能穩(wěn)定放氫；加入一定比例(1～20％)的導(dǎo)熱劑，其由輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)高、且具有一定強度的材料制成，可提高儲氫材料與外界的熱交換效率；加入一定比例(1～20％)的抗板結(jié)劑，該材料具有輕質(zhì)及強度較高的特點，可防止儲氫材料因粉化及粉末遷移而導(dǎo)致的板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。
導(dǎo)氣管12為采用粉末冶金方法制成的多孔金屬管，其一端固定于儲存容器底端，另一端與容器釋出端口19相通，保證氣路的通暢。
所述的每個容器的開口以螺紋(或其它)方式固定接頭，接頭13中置有的過濾片22，可由耐壓的金屬材料經(jīng)壓制、燒結(jié)而成，經(jīng)由壓制、燒結(jié)制得的多孔金屬片為最佳，孔徑約為1～5微米，可防止儲氫材料的細粉進入氣路管14中。
散熱片11由輕質(zhì)且具有一定強度的金屬經(jīng)沖壓而成，散熱片上具有若干向同一方向翻邊的沖孔，(沖孔具體數(shù)量視儲存容器的數(shù)量而定)，沖孔內(nèi)徑略大于儲存容器外徑Do，儲氫材料吸氫后造成容器的膨脹變形，使沖孔21與儲存容器10達到緊密配合，使得散熱片11與儲存容器10的有效接觸面積增大，從而提高了儲氫裝置的熱交換效率，同時每個散熱片的翻邊可分隔、支撐相鄰的散熱片。
減壓穩(wěn)壓閥17以螺釘24固定在框架外殼23上，其由輕質(zhì)、耐壓金屬制成，通過內(nèi)部膜片與內(nèi)壁的摩擦、以及彈簧對膜片產(chǎn)生的作用力來進行減壓，經(jīng)精確的計算和設(shè)計加工，其進口壓力最高可達6MPa，出口壓力仍可以在0.01～0.03MPa(表壓)之間，并且該閥具有自鎖功能(進口壓力超過一定數(shù)值后，該閥將切斷氣路，出口端無氣體流出)，從而確保燃料電池不受損壞。
制作本發(fā)明的金屬氫化物儲氫裝置時先按需要數(shù)量預(yù)制具有一端開口的儲存容器預(yù)先成形體；分別將導(dǎo)氣管12一端定位于儲存容器10中，導(dǎo)氣管12的另一端與儲存容器的釋出端口19相通，為氣體提供通暢的擴散通道；然后填充一定量的未活化的儲氫材料、以及一定比例的導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑20；以螺紋方式將接頭13固定于容器開口處19，再將若干片散熱片11裝配于儲存容器10外，散熱片11和容器10采取過盈配合；將具有多通路的不銹鋼管14以內(nèi)卡套方式與瓶口處的接頭13連接，剩余一通路與球閥16一端連接，球閥16的另一端與減壓閥17的進口端相連，減壓閥17以螺釘24固定在框架外殼23上。
使用該金屬氫化物儲氫裝置之前，先將氫氣經(jīng)由球閥16、氣路管14、容器10的釋出端口19及導(dǎo)氣管12導(dǎo)引給儲氫材料，然后將儲存在金屬氫化物內(nèi)的氫氣完全釋放，依此重復(fù)2～3次，待材料完全活化后，再充入氫氣以備使用。
本發(fā)明為一種突破現(xiàn)有技術(shù)的新穎設(shè)計金屬氫化物儲氫器內(nèi)裝有金屬氫化物儲氫材料，可將氫氣安全地儲存于其中，使用時釋放出高純氫氣。
金屬氫化物儲氫材料在一定溫度下對應(yīng)一定的吸氫平衡壓和放氫平衡壓，其吸、放氫平衡壓隨著溫度的升高而增大，隨著溫度的降低而減小。燃料電池本身可在較寬的外界溫度范圍內(nèi)工作，為了保證其能正常穩(wěn)定的工作，相應(yīng)地要求金屬氫化物儲氫材料也可在較寬的外界溫度范圍內(nèi)放氫。目前，應(yīng)用于儲氫器的金屬氫化物儲氫材料在低于0℃時放氫量大大減少，有的甚至放不出氫。本發(fā)明通過適當(dāng)改變金屬氫化物儲氫材料中Ti/Zr比，可提高材料的吸、放氫平衡壓，在0℃以下時仍能正常穩(wěn)定地放氫，同時放氫量不會減少。
金屬氫化物儲氫材料吸放氫的過程是一熱交換的過程，吸氫時放熱，放氫時則吸熱。金屬氫化物儲氫材料吸放氫時，主要利用容器表面與外界進行熱交換，而現(xiàn)有的儲氫器未能有效增大容器表面積，導(dǎo)致金屬氫化物儲氫材料吸放氫時不能與外界環(huán)境進行充分的熱交換，影響了其動力學(xué)性能，吸放氫速率減慢。本發(fā)明在儲氫器整體體積不變的情況下，增大容器的表面積，則可以提高儲氫材料的熱交換效率，從而保證氫氣的穩(wěn)定輸出。
本發(fā)明所采用的金屬氫化物為低導(dǎo)熱率物質(zhì)，添加了一定量的導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑于儲氫器中，可以提高儲氫材料的熱交換效率，并防止其放氫時板結(jié)。
小功率燃料電池的工作壓力一般在0.01～0.03MPa(表壓)之間，而金屬氫化物儲氫器內(nèi)的壓力一般要高于0.03MPa。本發(fā)明在儲氫器與燃料電池之間裝有減壓穩(wěn)壓閥，防止了因氫氣壓力過高而影響燃料電池性能及對電池造成損壞。
金屬氫化物(metal hydride)儲氫是一種固態(tài)儲氫技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下特點(1)體積儲氫密度高；(2)無需高壓容器和隔熱容器；(3)安全性好，無爆炸危險；(4)可得到超高純氫；(5)循環(huán)使用壽命長。總之，與傳統(tǒng)方法比較，金屬氫化物儲氫更安全、更靈活和更有效。
本發(fā)明儲氫裝置在無熱交換介質(zhì)、空氣不流動的情況下，仍能穩(wěn)定供氫，即使在-13℃時仍可穩(wěn)定地輸出氣體，流量始終保持在2～3升/min，與此同時，散熱片與容器的緊密結(jié)合也進一步提高了容器的抗變形能力；通過減壓穩(wěn)壓閥，可將0.03～4MPa的進口壓力減小并穩(wěn)定在0.01～0.03MPa，同時該閥還具有自鎖功能(進口壓力超過一定數(shù)值后，減壓閥將切斷氣路，出口端無氣體流出)，防止因氫氣壓力過高而影響燃料電池性能及對電池造成損壞，從而使金屬氫化物儲氫裝置可直接應(yīng)用于小功率燃料電池。
金屬氫化物儲氫器除應(yīng)用于燃料電池外，還可應(yīng)用于太陽能光伏技術(shù)、氫原子鐘、半導(dǎo)體生產(chǎn)用高純氫源、熱泵及壓縮機制冷等其它方面。
權(quán)利要求
1.一種金屬氫化物儲氫裝置，其特征在于至少包括兩個儲存容器，每個儲存容器具有一內(nèi)徑、一底端以及一相對于該底端的釋出端口；一個以上的導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的一端定位于儲存容器中，另一端與儲存容器的釋出端口相通；儲存容器中置有金屬氫化物；若干片套置于儲存容器外圍的散熱片，每個散熱片上具有若干向同一方向翻邊的沖孔，沖孔內(nèi)徑大于儲存容器的外徑；各儲存容器的氣體通路通過不銹鋼管連為一體，不銹鋼管的其中一個通路與球閥一端連接，球閥的另一端與減壓閥進口端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氫化物儲氫裝置，其特征在于所述的金屬氫化物為AB2型鈦系合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬氫化物儲氫裝置，其特征在于金屬氫化物AB2型鈦系合金的具體成分為Ti1-xZrx(MnCrVFe)2(x＝0.01～0.3)，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉而成，將熔煉后的鑄錠破碎成-60目的粉末，該合金經(jīng)過2～3次循環(huán)吸放氫后完全活化，將破碎成粉末的鈦系合金與導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑按1～20％混合，置于儲存容器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氫化物儲氫裝置，其特征在于所述的每個容器的開口以固定接頭，接頭內(nèi)置有防止合金細粉進入氣路的過濾片。
5.一種金屬氫化物儲氫裝置的制作方法，其特征在于包含以下步驟1)按需要數(shù)量預(yù)制具有一端開口的儲存容器預(yù)先成形體；2)將導(dǎo)氣管一端定位于儲存容器中，另一端與容器開口相通；3)將鈦系合金粉末與一定比例(1～20％)的導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑混合后裝入儲存容器中；4)將接頭固定于儲存容器開口，接頭內(nèi)置過濾片；5)將若干片散熱片鑲套于儲存容器外邊，散熱片上的沖孔與容器外徑過盈配合；6)將具有多通路的導(dǎo)管固定在儲存容器開口的接頭連接；7)導(dǎo)管剩余的一個通路與球閥一端連接；8)球閥的另一端與減壓穩(wěn)壓閥進口端連接；9)減壓穩(wěn)壓閥固定于該儲氫裝置的框架外殼上。
全文摘要
一種金屬氫化物儲氫裝置及其制作方法，它包括若干個儲存容器，各儲存容器有釋出端口；其中置有一端與儲存容器釋出端口相通的導(dǎo)氣管，它同時置有金屬氫化物；其外圍套有若干散熱片，各散熱片上有若干向同方向翻邊的沖孔，各儲存容器的氣體通路通過導(dǎo)管連為一體，導(dǎo)管的其中一通路與球閥一端連接，球閥另一端與減壓穩(wěn)壓閥進口端連接。其制作方法預(yù)制容器預(yù)形體；將導(dǎo)氣管定位于容器中；鈦系合金粉末與定比例的導(dǎo)熱劑和抗板結(jié)劑混合后裝入容器中；將內(nèi)置過濾片的接頭固定于容器開口；若干片散熱片鑲套于容器外邊，并過盈配合；設(shè)置氣路并使通路與球閥一端連接；球閥的另一端與減壓穩(wěn)壓閥進口端連接。其能穩(wěn)定放氫；熱交換效率明顯提高。
文檔編號F17C11/00GK1609499SQ200310101758
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月23日
發(fā)明者蔣利軍, 鄭強, 苑鵬, 黃倬, 李國斌, 詹鋒, 王樹茂, 尉秀英, 杜軍, 秦光榮, 李法兵 申請人:北京有色金屬研究總院