專利名稱：一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氫能領(lǐng)域的儲(chǔ)氫技術(shù)，特別涉及一種燃料電池電源用儲(chǔ)氫合金罐及其制作方法。
背景技術(shù)：
氫能具有潔凈、效率高、可再生等諸多優(yōu)點(diǎn)，是受到全世界普遍關(guān)注的一種新型能源。氫燃料電池作為氫能應(yīng)用的典型代表，具有備電時(shí)間長(zhǎng)、高效、環(huán)保、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、分布式發(fā)電和備用電源等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。燃料電池發(fā)電需要大量的氫氣燃料。目前，實(shí)用的氫氣儲(chǔ)存與輸送的方式主要有三種，即高壓容器(主要為鋼瓶)、液氫儲(chǔ)罐(低溫杜瓦瓶)及儲(chǔ)氫合金罐。儲(chǔ)氫合金罐是利用氫氣與合金的化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存氫氣，是一種固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，與其他方式相比，具有儲(chǔ)氫壓力低、密度高、供氫純度高等特點(diǎn)，特別適于做氫燃料電池氫源。儲(chǔ)氫合金吸放氫是一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，伴隨有巨大的熱效應(yīng)，其吸氫時(shí)放熱，放氫時(shí)則吸熱。同時(shí)，儲(chǔ)氫合金吸放氫過(guò)程將產(chǎn)生20%左右的體積膨脹或收縮，使得儲(chǔ)氫合金粉在吸放氫循環(huán)過(guò)程中發(fā)生粉化，易發(fā)生板結(jié)和局部應(yīng)力集中等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致儲(chǔ)氫合金罐性能下降或失效。因此，儲(chǔ)氫合金罐的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)同時(shí)考慮傳熱和傳質(zhì)的要求。隨著固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科技人員陸續(xù)發(fā)表了一些關(guān)于儲(chǔ)氫合金罐的專利技術(shù)，但均存在一定的缺點(diǎn)和不足。對(duì)于小直徑儲(chǔ)氫合金罐，ZL200310101758. 6通過(guò)在儲(chǔ)氫合金罐外壁設(shè)置一定量的翅片，大大增加了儲(chǔ)氫器與環(huán)境的換熱面積，顯著改善了儲(chǔ)氫器的換熱性能，但該結(jié)構(gòu)占用體積相對(duì)較大，且對(duì)大直徑儲(chǔ)氫合金罐作用有限；對(duì)于大直徑高容量?jī)?chǔ)氫合金罐，其對(duì)儲(chǔ)氫合金床體傳熱、傳質(zhì)以及合金裝填的均勻性和一致性要求很高。由于儲(chǔ)氫合金粉末的傳熱性能很差，幾乎與玻璃相當(dāng)，大直徑儲(chǔ)氫合金罐的徑向厚度較大，僅靠合金粉末的熱傳導(dǎo)顯然難以滿足大流量連續(xù)放氫的熱量需求，必須在儲(chǔ)氫合金床體設(shè)置一定長(zhǎng)度的換熱管來(lái)提高熱交換效率。同時(shí)，現(xiàn)有的儲(chǔ)氫合金罐大多直接將儲(chǔ)氫合金粉填充在儲(chǔ)氫罐內(nèi)，并通過(guò)手工或機(jī)械振動(dòng)振實(shí)，合金粉末在罐內(nèi)的裝填均勻性難以保證，且隨著合金粉末在吸放氫過(guò)程中粉化，細(xì)粉逐步聚集，產(chǎn)生板結(jié)和局部應(yīng)力集中，使儲(chǔ)氫合金罐傳質(zhì)性能下降，且易發(fā)生局部不均勻形變，降低儲(chǔ)氫合金的使用壽命，甚至發(fā)生罐體失效、破裂等嚴(yán)重事故。ZL200320U6461. 0公開了一種帶有內(nèi)螺旋換熱管的結(jié)構(gòu)，雖提高了儲(chǔ)氫合金罐的換熱效率，但由于床體徑向上的傳熱仍主要靠?jī)?chǔ)氫合金粉的熱傳導(dǎo)，換熱效率難以滿足千瓦級(jí)燃料電池連續(xù)工作對(duì)大流量、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供氫的要求。與之同時(shí)，螺旋換熱管使得罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)氫合金粉難以均勻裝填，易發(fā)生板結(jié)和應(yīng)力集中等現(xiàn)象，其安全性和可靠性將大幅降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐及其制作方法，利用該方法制作的儲(chǔ)氫合金罐可在-20 50°C的環(huán)境溫度條件下，對(duì)200L/min的速率穩(wěn)定供氫，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)30小時(shí)以上，放氫率>96%。使用時(shí)不需要外部加熱，使用方便、安全可靠。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案—種大直徑儲(chǔ)氫合金罐，該儲(chǔ)氫合金罐包括鋼質(zhì)瓶體，其中，所述的鋼質(zhì)瓶體外徑為Φ 159 600mm，長(zhǎng)度1500 5100mm ；在該鋼質(zhì)瓶體頂部設(shè)有鋼質(zhì)瓶體的瓶口，在鋼質(zhì)瓶體的瓶口處從內(nèi)到外依設(shè)有金屬過(guò)濾片和高壓高真空閥門；在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)的設(shè)有管狀的熱交換器，并在鋼質(zhì)瓶體上分別設(shè)有管狀的熱交換器的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口 ；在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)填充裝填儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊，在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)氣管，該導(dǎo)氣管的管壁為多孔結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)氣管從鋼質(zhì)瓶體的底部直通鋼質(zhì)瓶體的瓶口處。本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐具有較佳傳熱效率、易于裝配，安全性和可靠性高的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，滿足20KW以上級(jí)的燃料電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的供氫要求。在本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐中，所述的鋼質(zhì)瓶體的瓶口位于鋼質(zhì)瓶體的頂部的中心處；所述的導(dǎo)氣管位于鋼質(zhì)瓶體的的中心軸線上，即從鋼質(zhì)瓶體的底部的中心沿鋼質(zhì)瓶體的中心軸線到鋼質(zhì)瓶體的頂部的中心的瓶口。導(dǎo)氣管是由一種多孔材料制成的細(xì)長(zhǎng)直管，放置在鋼質(zhì)瓶體的中心軸線處，穿過(guò)最內(nèi)層環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊的中心孔。在本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐中，所述的熱交換器為一根銅質(zhì)無(wú)縫管或不銹鋼無(wú)縫管，彎折成若干條與鋼質(zhì)瓶體的中心軸線平行的管道，并以鋼質(zhì)瓶體的中心軸線為中心均布在鋼質(zhì)瓶體的中心軸線的四周，在鋼質(zhì)瓶體的橫截面上的熱交換器的若干條管道的橫截面為若干個(gè)圓形，它們圓心均布在以鋼質(zhì)瓶體的橫截面的中心為圓心以該中心分別到各條管道橫截面的中心的距離作為半徑所形成的圓上，而若干條管道中的兩條管道分別為介質(zhì)的進(jìn)口管和介質(zhì)的出口管；介質(zhì)的進(jìn)口管的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口管的介質(zhì)的出口分別位于鋼質(zhì)瓶體的瓶口的兩側(cè)。在本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐中，所述的熱交換器為彎折成六條與鋼質(zhì)瓶體的中心軸線平行的管道；在鋼質(zhì)瓶體的橫截面上的熱交換器的六條管道的橫截面分別為六個(gè)圓形，它們圓心以60度的圓弧的間隔均布在以鋼質(zhì)瓶體的橫截面的中心為圓心以該中心分別到熱交換器的六條管道的橫截面的中心的距離為半徑所形成的圓上。在本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐中，所述的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊為鋁或銅的多孔結(jié)構(gòu)或纖維的多孔結(jié)構(gòu)；所述的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊為多個(gè)不同尺寸的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊。本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，包括鋼質(zhì)瓶體，熱交換器、環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊、導(dǎo)氣管、金屬過(guò)濾片和高壓高真空閥門。鋼質(zhì)瓶體外徑為Φ 159 600mm，長(zhǎng)度1500 5100mm ； 熱交換器為一根銅質(zhì)或不銹鋼無(wú)縫管，彎折成多路與鋼瓶中心軸線平行的管道，多路管道的橫截面并繞成與鋼瓶橫截面上的圓同心而形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，多路管道置于鋼瓶?jī)?nèi)。其兩端穿過(guò)鋼質(zhì)瓶體的上封頭，并與鋼質(zhì)瓶體通過(guò)焊接密封。在鋼質(zhì)瓶體外部的熱交換器兩端為介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口分別與燃料電池冷卻水路的熱水管及冷水管連通；環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊為鋁或銅的多孔或纖維結(jié)構(gòu)，其由多個(gè)不同尺寸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成，分別置于鋼質(zhì)瓶體的內(nèi)壁與熱交換器之間、熱交換器不同直徑環(huán)之間以及內(nèi)層熱交換器與導(dǎo)氣管之間的環(huán)形空間內(nèi)，儲(chǔ)氫合金粉裝填在環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊內(nèi)；導(dǎo)氣管為鎳或銅的多孔燒結(jié)管，孔徑大小為1 5μπι，置于鋼瓶的中心軸線處；金屬過(guò)濾片由于鎳或不銹鋼的粉末燒結(jié)而成，最大孔徑0. 5 μ m,與鋼質(zhì)瓶體通過(guò)釬焊連結(jié)，保證釋放氫氣的達(dá)到超純氫的潔凈度要求。
本發(fā)明通過(guò)將儲(chǔ)氫合金粉末裝填在鋁或銅的多孔或纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)，在吸放氫過(guò)程中，合金細(xì)粉的流動(dòng)和聚集受到限制，有效避免了合金粉化聚集而導(dǎo)致的板結(jié)和局部應(yīng)力集中等現(xiàn)象，大大提高了儲(chǔ)氫合金罐的安全性和可靠性；本發(fā)明根據(jù)儲(chǔ)氫罐及換熱器的尺寸及裝配位置，將鋁或銅的多孔或纖維結(jié)構(gòu)制作成易于裝配的環(huán)形模塊，裝填時(shí)，預(yù)先將合金粉通過(guò)機(jī)械化振動(dòng)等方法將合金粉均勻、致密地裝填在環(huán)形多孔模塊內(nèi)，裝填率>55%， 隨后將裝填儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形模塊通過(guò)機(jī)械吊裝等方式分別置于鋼瓶與熱交換器之間、熱交換器不同直徑環(huán)之間以及內(nèi)層熱交換器與導(dǎo)氣管之間的環(huán)形空間內(nèi)，裝填工藝簡(jiǎn)便，一致性好，便于機(jī)械化操作，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明的制作方法一舉突破了大直徑高容量?jī)?chǔ)氫合金罐的制造難題，可規(guī)模制備外徑Φ 159 600mm，長(zhǎng)1500 5100mm，單體儲(chǔ)氫容量 20 500Nm3的高性能儲(chǔ)氫合金罐。本發(fā)明將燃料電池電池發(fā)電產(chǎn)生的熱水通過(guò)熱交換器弓I入儲(chǔ)氫合金罐，在儲(chǔ)氫合金罐對(duì)燃料電池供氫的同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的熱水對(duì)儲(chǔ)氫合金罐加熱，大幅提高系統(tǒng)的熱交換效率，同時(shí)，鋁或銅的多孔模塊結(jié)構(gòu)大幅提高了床體在徑向上的換熱效率，增強(qiáng)了儲(chǔ)氫合金罐在供氫過(guò)程中床體溫度的均勻性，保證了其儲(chǔ)存的氫氣充分釋放。本發(fā)明制作的儲(chǔ)氫合金罐可在-20 50°C的環(huán)境溫度條件下，以200L/min的速率穩(wěn)定供氫，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)30小時(shí)以上，放氫率彡96%。在本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐中，所述的儲(chǔ)氫合金為鈦系型、AB型合金以及稀土系A(chǔ)B5型合金中的一種，其中，鈦系A(chǔ)B2型合金的具體分子表達(dá)式為=TihZrx(MnCrVFe)2, χ = 0. 1 0. 3 ；鈦系A(chǔ)B型合金的具體分子表達(dá)式為=Tii^nMnxRey, χ = 0. 1 0. 3，y = 0 0. 2，Re為單一稀土元素Y、La或Ce，或者含Y、La和Ce混合稀土金屬；稀土系A(chǔ)B5型合金的具體分子表達(dá)式為ReNi5_xMx，其中，χ = 0. 1 1.0，Re為單一稀土元素Y、La或Ce， 或者含Y、La和Ce混合稀土金屬；M為Al、Co、Mn、Fe、Cu的過(guò)渡金屬的一種或兩種及以上的混合物。本發(fā)明選用的儲(chǔ)氫合金為鈦系A(chǔ)B2型、AB型合金以及稀土系A(chǔ)B5型合金，具體成為為 TihZrx (MnCrVFe) 2(x = 0. 1 0. 3)、TiFe1JMnxRey (χ = 0. 1 0. 3 ;y = 0 0. 2 ;Re 為單一稀土元素Y、La、Ce或含Y、La和Ce混合稀土金屬)和ReNi5_xMx(x = 0. 1 1. 0，Re為單一稀土元素Y、La、Ce或含Y、La和Ce混合稀土金屬；M為Al、Co、Mn、Fe、Cu等過(guò)渡金屬的一種或兩種及以上的混合物)。合金經(jīng)真空感應(yīng)熔煉而成，將熔煉后的鑄錠破碎成-20目的粉末，該合金經(jīng)過(guò)2-3次循環(huán)吸放氫后即可完全活化，儲(chǔ)氫量為1. 5-2. 0wt%。本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐額定充氫壓力在4. OMPa以內(nèi)，除可通過(guò)普通的高壓氣瓶方式對(duì)系統(tǒng)充氫外，還可與電解水制氫方式集成，一舉解決燃料電池商業(yè)化應(yīng)用極為關(guān)鍵的氫源供應(yīng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)制氫-儲(chǔ)氫-用氫一體化工作。大大拓展了燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。本發(fā)明的儲(chǔ)氫合金罐與燃料電池配合，特別適用于備用電源、分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供等場(chǎng)合的應(yīng)用。還可作為機(jī)車、游艇、船舶等移動(dòng)式燃料電池的氫源。一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐的制作方法，包含以下步驟1)設(shè)計(jì)和加工鋼質(zhì)瓶體，將鋼質(zhì)瓶體的直筒與鋼瓶下封頭焊接好；2)設(shè)計(jì)和加工管狀的熱交換器并將其固定在鋼質(zhì)瓶體的直筒內(nèi)；3)預(yù)制若干個(gè)不同尺寸的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊；
4)將儲(chǔ)氫合金粉均勻裝填在環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊內(nèi)；5)將充滿儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊置于鋼質(zhì)瓶體的直筒的環(huán)形空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)模塊化均勻填充，且在鋼質(zhì)瓶體的中心軸線處設(shè)置導(dǎo)氣管；6)將鋼質(zhì)瓶體的上封頭分別與鋼質(zhì)瓶體的直筒和熱交換器的介質(zhì)的進(jìn)口管和介質(zhì)的出口管焊接好，使鋼質(zhì)瓶體的直筒內(nèi)的導(dǎo)氣管直通位于鋼質(zhì)瓶體的上封頭中心的瓶口，并使介質(zhì)的進(jìn)口管的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口管的介質(zhì)的出口分別位于鋼質(zhì)瓶體的瓶口的兩側(cè)；7)將金屬過(guò)濾片通過(guò)釬焊固定在鋼質(zhì)瓶體的瓶口內(nèi)；8)并在瓶口處安裝高壓高真空閥門；9)對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行探傷和氣密性檢測(cè)；10)對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行活化和性能測(cè)試，并粘貼標(biāo)簽和安全標(biāo)識(shí)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)設(shè)置環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊，將儲(chǔ)氫合金粉裝填和固定在具有良好傳熱性能的小空間內(nèi)，有效避免了合金粉化聚集而導(dǎo)致的板結(jié)和局部應(yīng)力集中等現(xiàn)象，大大提高了儲(chǔ)氫合金罐的安全性和可靠性，本發(fā)明的儲(chǔ)氫合金罐裝填方式簡(jiǎn)單、均勻性和一致性好，便于機(jī)械化操作，易于制作大直徑高容量?jī)?chǔ)氫合金罐；通過(guò)換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將燃料電池發(fā)電的冷卻水通過(guò)儲(chǔ)氫合金罐內(nèi)部環(huán)形結(jié)構(gòu)的換熱水管對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行加熱， 大幅提高儲(chǔ)氫合金罐的換熱效率，減小儲(chǔ)氫合金罐放氫對(duì)環(huán)境溫度的依賴。利用該方法制作的儲(chǔ)氫合金罐可在-20 50°C的環(huán)境溫度條件下，以200L/min的速率穩(wěn)定供氫，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)30小時(shí)以上，放氫率彡96%。


圖1是本發(fā)明的大直徑儲(chǔ)氫合金罐的剖面示意圖。圖2是本發(fā)明的彎折成若干條管道的熱交換器展開示意圖。圖3是圖1的A-A剖視示意圖。圖4是本發(fā)明的裝填儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊示意圖。圖5是本發(fā)明的儲(chǔ)氫合金罐以200L/min的速率放氫時(shí)，累積流量、溫度和壓力隨時(shí)間的變化曲線圖。圖6是本發(fā)明的儲(chǔ)氫合金罐以2300L/min的速率放氫時(shí)，累積流量、溫度和壓力隨時(shí)間的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式圖1所示為本發(fā)明一實(shí)施例——大直徑儲(chǔ)氫合金罐的剖面示意圖。其包含鋼瓶筒體(也稱為鋼質(zhì)瓶體的直筒)10、上封頭11、熱交換器12、環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13、導(dǎo)氣管 14、金屬過(guò)濾片15和高壓高真空閥門16。鋼瓶筒體10為旋壓成型的高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管，外徑 Φ480mm，長(zhǎng)3000mm ；熱交換器為一根Φ 20 X 2mm無(wú)縫紫銅管，彎折成6路與鋼瓶筒體10的中軸線平行的管道，如圖2所示；并繞成與鋼瓶筒體橫截面圓同心的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，置于鋼瓶筒體10內(nèi)，如圖3所示，圖3為大直徑儲(chǔ)氫合金罐的橫截面，在圖3中，熱交換器12彎折成6 路管道，熱交換器12的6路管道成60度角均布在與鋼瓶筒體10的橫截面的一個(gè)同心圓弧上，管道彎折部分與圓弧重合；導(dǎo)氣管14為鎳的多孔燒結(jié)管，外徑Φ 16mm，孔徑大小為1 5 μ m，置于鋼瓶筒體10的中心軸線處，熱交換器12和導(dǎo)氣管14在鋼瓶筒體10中的裝配位置如圖3所示。熱交換器12兩端穿過(guò)鋼質(zhì)瓶體的上封頭，并與鋼質(zhì)瓶體通過(guò)焊接密封，當(dāng)對(duì)燃料電池供氫時(shí)，在鋼質(zhì)瓶體外部的熱交換器12兩端為介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口分別與燃料電池冷卻水路的熱水管及冷水管連通，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)氫合金罐的均勻加熱；圖4所示為本發(fā)明裝填儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13，環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13為鋁或銅的多孔或纖維結(jié)構(gòu)，其由多個(gè)大小兩種尺寸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成，分別置于鋼瓶筒體10的內(nèi)壁與熱交換器12之間的外環(huán)以及熱交換器12與導(dǎo)氣管14之間的內(nèi)環(huán)空間內(nèi)，如圖1所示；儲(chǔ)氫合金粉裝填在環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13內(nèi)，金屬過(guò)濾片15由于鎳或不銹鋼的粉末燒結(jié)而成，最大孔徑0. 5 μ m,與鋼質(zhì)瓶體通過(guò)釬焊連結(jié)，保證釋放氫氣的達(dá)到超純氫的潔凈度要求。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的儲(chǔ)氫合金罐以200L/min的速率放氫時(shí)，累積流量、溫度和壓力隨時(shí)間的變化曲線圖。其中，在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)填充環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊所裝填儲(chǔ)氫合金粉的分子式為=Tia95Zraci5(MnCrVFe)2t5可見，在放氫過(guò)程中，床體的平均溫度保持在25 30°C之間，保證了罐體儲(chǔ)存的氫氣充分釋放，其以200L/min的速率放氫，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)30h以上，放氫率>96%。在供氫初始階段，主要消耗儲(chǔ)氫系統(tǒng)儲(chǔ)存容器死體積的氣態(tài)氫氣，儲(chǔ)氫系統(tǒng)氫壓由3. OMI^a迅速降至1.5MPa以內(nèi)，隨后系統(tǒng)氫壓緩慢下降，但保持在 0. 3MPa以上，可滿足20KW級(jí)燃料電池大流量連續(xù)供氫的要求。這樣，采用儲(chǔ)氫合金罐供氫時(shí)，既能保證千瓦級(jí)燃料電池工作對(duì)大流量、穩(wěn)定連續(xù)供氫的要求，又避免了高壓儲(chǔ)氫方式 (^ 15MPa)存在的安全隱患，提高了系統(tǒng)的安全性，完全可滿足燃料電池室內(nèi)電源應(yīng)用的需要。圖6是本發(fā)明儲(chǔ)氫合金罐以2300L/min的速率放氫時(shí)，累積流量、溫度和壓力隨時(shí)間的變化曲線圖。其中，在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)填充環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊所裝填儲(chǔ)氫合金粉的分子式為=Tia95Zraci5(MnCrVFe)215可見，其以2300L/min的速率放氫，連續(xù)工作時(shí)間達(dá)35min以上， 具有較好的超大流量工作性能，可滿足200KW級(jí)燃料電池間歇工作的要求。如圖1所示，本發(fā)明的一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐的制作方法，其包含以下步驟(1)、設(shè)計(jì)和加工鋼質(zhì)瓶體，并將鋼質(zhì)瓶體的直筒10 (也稱為鋼瓶筒體)與下封頭焊接好；(2)、設(shè)計(jì)和加工管狀的熱交換器12并將其固定在鋼質(zhì)瓶體的直筒10內(nèi)；(3)、預(yù)制若干特定尺寸的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13 ；(4)、將儲(chǔ)氫合金粉均勻裝填在環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13內(nèi)；(5)、將充滿儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊13置于鋼質(zhì)瓶體的直筒10的環(huán)形空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)模塊化均勻裝填；且在鋼質(zhì)瓶體的中心軸線處設(shè)置導(dǎo)氣管14 ；(6)、將鋼質(zhì)瓶體的上封頭11分別與鋼質(zhì)瓶體的直筒10和熱交換器12的介質(zhì)的進(jìn)口管和介質(zhì)的出口管焊接好，使鋼質(zhì)瓶體的直筒10內(nèi)的導(dǎo)氣管14直通位于鋼質(zhì)瓶體的上封頭11中心的瓶口，并使介質(zhì)的進(jìn)口管的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口管的介質(zhì)的出口分別位于鋼質(zhì)瓶體的瓶口的兩側(cè)；(7)、將金屬過(guò)濾片15通過(guò)釬焊固定在鋼質(zhì)瓶體的瓶口內(nèi)；(8)、并在瓶口處安裝高壓高真空閥門16 ；(9)、對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行探傷和氣密性檢測(cè)；(10)、對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行活化和性能測(cè)試，并粘貼標(biāo)簽和安全標(biāo)識(shí)。
權(quán)利要求
1.一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐，其特征在于該儲(chǔ)氫合金罐包括鋼質(zhì)瓶體，其中，所述的鋼質(zhì)瓶體外徑為Φ 159 600mm，長(zhǎng)度1500 5100mm ；在該鋼質(zhì)瓶體頂部設(shè)有鋼質(zhì)瓶體的瓶口，在鋼質(zhì)瓶體的瓶口處從內(nèi)到外依設(shè)有金屬過(guò)濾片和高壓高真空閥門；在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)的設(shè)有管狀的熱交換器，并在鋼質(zhì)瓶體上分別設(shè)有管狀的熱交換器的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口 ；在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)填充裝填儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊，在鋼質(zhì)瓶體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)氣管，該導(dǎo)氣管的管壁為多孔結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)氣管從鋼質(zhì)瓶體的底部直通鋼質(zhì)瓶體的瓶口處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，其特征在于所述的鋼質(zhì)瓶體的瓶口位于鋼質(zhì)瓶體的頂部的中心處；所述的導(dǎo)氣管位于鋼質(zhì)瓶體的的中心軸線上，即從鋼質(zhì)瓶體的底部的中心沿鋼質(zhì)瓶體的中心軸線到鋼質(zhì)瓶體的頂部的中心的瓶口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，其特征在于所述的熱交換器為一根銅質(zhì)無(wú)縫管或不銹鋼無(wú)縫管，彎折成若干條與鋼質(zhì)瓶體的中心軸線平行的管道，并以鋼質(zhì)瓶體的中心軸線為中心均布在鋼質(zhì)瓶體的中心軸線的四周，在鋼質(zhì)瓶體的橫截面上的熱交換器的若干條管道的橫截面為若干個(gè)圓形，它們圓心均布在以鋼質(zhì)瓶體的橫截面的中心為圓心以該中心分別到各條管道橫截面的中心的距離作為半徑所形成的圓上，而若干條管道中的兩條管道分別為介質(zhì)的進(jìn)口管和介質(zhì)的出口管；介質(zhì)的進(jìn)口管的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口管的介質(zhì)的出口分別位于鋼質(zhì)瓶體的瓶口的兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，其特征在于所述的熱交換器為彎折成六條與鋼質(zhì)瓶體的中心軸線平行的管道；在鋼質(zhì)瓶體的橫截面上的熱交換器的六條管道的橫截面分別為六個(gè)圓形，它們圓心以60度的圓弧的間隔均布在以鋼質(zhì)瓶體的橫截面的中心為圓心以該中心分別到熱交換器的六條管道的橫截面的中心的距離為半徑所形成的圓上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，其特征在于所述的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊為鋁或銅的多孔結(jié)構(gòu)或纖維的多孔結(jié)構(gòu)；所述的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊為多個(gè)不同尺寸的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑儲(chǔ)氫合金罐，其特征在于所述的儲(chǔ)氫合金為鈦系A(chǔ)B2 型、AB型合金以及稀土系A(chǔ)B5型合金中的一種，其中，鈦系A(chǔ)B2型合金的具體分子表達(dá)式為 Ti1^xZrx (MnCrVFe)2, χ = 0. 1 0. 3 ；鈦系A(chǔ)B型合金的具體分子表達(dá)式為=Tii^hMnxRey, χ =0. 1 0. 3，y = 0 0. 2，Re為單一稀土元素Y、La或Ce，或者含Y、La和Ce混合稀土金屬；稀土系仙5型合金的具體分子表達(dá)式為ReNi5_xMx，其中，χ = 0. 1 1. 0,Re為單一稀土元素Y、La或Ce，或者含Y、La和Ce混合稀土金屬；M為Al、Co、Mn、Fe、Cu的過(guò)渡金屬的一種或兩種及以上的混合物。
7.一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐的制作方法，其特征在于包含以下步驟(1)、設(shè)計(jì)和加工鋼質(zhì)瓶體，將鋼質(zhì)瓶體的直筒與鋼瓶下封頭焊接好；(2)、設(shè)計(jì)和加工管狀的熱交換器并將其固定在鋼質(zhì)瓶體的直筒內(nèi)；(3)、預(yù)制若干個(gè)不同尺寸的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊；G)、將儲(chǔ)氫合金粉均勻裝填在環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊內(nèi)；(5)、將充滿儲(chǔ)氫合金粉的環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊置于鋼質(zhì)瓶體的直筒的環(huán)形空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)模塊化均勻填充，且在鋼質(zhì)瓶體的中心軸線處設(shè)置導(dǎo)氣管；(6)、將鋼質(zhì)瓶體的上封頭分別與鋼質(zhì)瓶體的直筒和熱交換器的介質(zhì)的進(jìn)口管和介質(zhì)的出口管焊接好，使鋼質(zhì)瓶體的直筒內(nèi)的導(dǎo)氣管直通位于鋼質(zhì)瓶體的上封頭中心的瓶口， 并使介質(zhì)的進(jìn)口管的介質(zhì)的進(jìn)口和介質(zhì)的出口管的介質(zhì)的出口分別位于鋼質(zhì)瓶體的瓶口的兩側(cè)；(7)、將金屬過(guò)濾片通過(guò)釬焊固定在鋼質(zhì)瓶體的瓶口內(nèi)；(8)、并在瓶口處安裝高壓高真空閥門；(9)、對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行探傷和氣密性檢測(cè)；(10)、對(duì)儲(chǔ)氫合金罐進(jìn)行活化和性能測(cè)試，并粘貼標(biāo)簽和安全標(biāo)識(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大直徑儲(chǔ)氫合金罐及其制作方法，包括鋼質(zhì)瓶體，熱交換器、環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊、導(dǎo)氣管、金屬過(guò)濾片和高壓高真空閥門。鋼質(zhì)瓶體外徑為Φ159～600mm，長(zhǎng)度1500～5100mm；熱交換器為一根銅質(zhì)或不銹鋼無(wú)縫管，彎折成多路與鋼瓶軸線平行的管道，并繞成與鋼瓶橫截面圓同心的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，置于鋼瓶?jī)?nèi)。環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊為鋁或銅的多孔或纖維結(jié)構(gòu)，其由多個(gè)不同尺寸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成，分別置于鋼質(zhì)瓶體的內(nèi)壁與熱交換器之間、熱交換器不同直徑環(huán)之間以及內(nèi)層熱交換器與導(dǎo)氣管之間的環(huán)形空間內(nèi)，儲(chǔ)氫合金粉裝填在環(huán)形多孔傳質(zhì)模塊內(nèi)；導(dǎo)氣管置于鋼瓶的中心軸線處；金屬過(guò)濾片與瓶體通過(guò)釬焊連結(jié)。該發(fā)明具有制作工藝簡(jiǎn)便，一致性好，便于機(jī)械化操作，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F17C1/00GK102242861SQ20111013830
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者劉曉鵬, 葉建華, 李志念, 王樹茂, 苑慧萍, 蔣利軍 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院