包括有整体式热管理系统的氢储床系统的制作方法

专利名称：包括有整体式热管理系统的氢储床系统的制作方法
技术领域：
本发明用于解决比较麻烦的热管理问题，迄今为止这些问题具有麻烦的氢储床系统(hydrogen storage bed system)。本发明的创新设计包括整体式热管理系统，其可均匀并有效地加热和冷却储氢合金，这种合金能够第一次地实际使用最普遍存在的燃料的最终来源即氢，其能用于下一个千年及以后。更具体地说，本发明介绍了热发生器如催化燃烧器、冷却装置如热交换器和热分配系统如热总线或热管与热分配片的集成。
背景技术：
作为燃料的氢具有巨大的能量，当其被氧化或燃烧时只产生水作为其燃烧产物。氢的容易燃烧、高效无污染的燃烧以及对包括内燃机在内的现有动力源的改进相对容易的特点使得氢成为用于耗能较多的经济的理想能源。Stanford Ovshinsky及其研究组和能源变换设备有限公司很久以来就认识到氢作为最优燃料的潜在价值。根据这种认识，对可支持氢的储存(于1999年11月6日提交的美国专利申请No.09/435497)和运输的装置的研发一直在持续，其中包括可支持氢经济体系的基础设施(于1999年11月22日提交的美国专利申请No.09/444810)。
虽然氢为最优燃料，然而其储存和运输存在着困难。在液态下，氢由于蒸发而存在着严重的损耗；另外，在对氢进行压缩和制冷以得到其液态的方面也存在着初始的较高能量消耗。在气态下，为了得到经济的储量，氢必须被压缩，这种压缩气体的保存需要厚壁容器，这种容器本身就必须较重且应制成较坚固。Ovshinsky研究组通过开发储氢合金以及具有较大的储氢量且可在相对较低的温度下以较高速率充填氢和释放氢的金属和金属合金来致力于解决上述需求。
这种氢储存在材料的分子或晶体结构中的大容量固体储存材料的开发已经成为基于氢能源的经济中的相关但侧重点不同的解决方案的关键所在。这就是用于便携式应用、尤其是用于便携式动力需求的少量氢的可靠且可重复的储存和释放。对于这些应用来说，需要能够可靠和有效地对储存材料进行完全的充填和释放，这种材料安装成可使动力源运转，动力源可以是氢内燃机、采用氢燃料电池运转的电动机，或者是其它消耗氢的动力系统。与这些需求相关的需求是应保证这种系统及其容器能够承受与动力传输有关的持续振动。如Ovshinsky研究组所介绍的那样，金属氢化物材料近来成为普遍关心的一个焦点，其可用作运输应用中的通用固态氢储存装置，并用于可靠地按照需求或如所需地储存并释放氢作为动力。
用于动力的能量生成是引起令人讨厌的“温室效应气体”的一个较大且正在增长的部分，温室效应气体正以巨大的体积稳定地增加到地球大气中。在这些气体中，所产生的体积较大的二氧化碳尤其是它们中的一种麻烦的气体，这是因为二氧化碳是碳基燃料的燃烧产物，其所产生的体积非常大，还产生了一氧化碳，它是另一种温室效应气体，其在呼吸时会引起额外的中毒问题。采用氢作为燃料可以容易地消除碳氧化物的产生，并只产生水作为其燃烧产物。尤其在动力燃料应用中，用氢代替汽油、液化石油气(LPG)、酒精、燃油或其它碳基燃料能够极大地降低这种使全球变暖且有毒的材料的产生和释放。
如上述’810专利申请中所提到的，氢储存材料的细致的热管理对金属氢化物或其它储存材料的氢化和脱氢或充填和释放的可靠循环是很重要的。本发明人在此提供了一种用于在充填或燃料补给期间控制热量的释放以及在从氢储存材料的安装储存容器或储床中释放或使用燃料期间产生和控制热量施和的装置。这些发明人已经开发并现已公开了用于根据需要选择性地或均匀地加热或冷却储床的装置，以用于在传送中产生能量和对“加油站”中的“储气罐”进行燃料补给。这可通过设计加热和冷却装置或其组合来实现，这种设计使得在储存材料床中连接了用于将加热或冷却能力传送到这种储床中的远处的装置。作为考虑之一，下述发明的一部分为使储存容器的内部与大气热绝缘，从而保证热管理如所期望地进行以实现平稳的操作，无论动力车辆是否由这种燃料储床来操作。
另外，本发明的储存容器的大小通常可形成了无限大的体积和尺寸，它们可通过增设多个有效尺寸的容器而结合到系统中。发明人已经有效地开发并现已提供了可携带并储存氢燃料的装置，其可用于任何用途、形状或大小的动力车辆，包括但不限于小汽车、卡车、火车、飞行器和水运工具。采用氢燃料使车辆运转的应用是朝向重大且有效地减小当前发生的且有时是灾难性的全球变暖问题的一大步骤。
发明概要本发明包括氢储床系统，其包括压力容器、设置在压力容器内的储氢合金，以及整体式地设置在压力容器内的整体式热管理系统。整体式热管理系统包括热发生装置、冷却装置和热分配装置。
热发生装置包括一个或多个电加热件和催化燃烧器，优选后者。催化燃烧器设计成可燃烧氢、汽油、燃油、丙烷、柴油或天然气中的一种或多种，优选丙烷和氢。冷却装置包括设计成可利用空气、氢、水或有机冷却剂的管式热交换器。空气、氢、水是优选的冷却剂。热发生装置和冷却装置可结合成一个设计用于加热和冷却的单元。
热分配装置包括与所述热发生装置和所述冷却装置热耦合的散热器，以及与所述散热器热耦合并散布在储氢合金中的热分配片。热分配片和散热器由从包括有传热石墨、不锈钢、镁和镁合金的组中选出的材料形成。或者，热分配装置可包括与所述热发生装置和所述冷却装置热耦合的热管而不是散热器。热分配片与热管热耦合并散布在储氢合金中。同样，热分配片由从包括有传热石墨、不锈钢、镁和镁合金的组中选出的材料形成。
储氢合金选自T-Zr基合金和Mg基合金。优选的大容量Mg基储氢合金含有超过90％重量的镁，并含有至少一种改性元素。所述至少一种改性元素形成了镁基合金，其能够储存至少7％重量的氢并在300℃下在1.5分钟内吸收氢的所有储量的80％。改性元素主要包括Ni和Mm(混合稀土)，还可包括添加元素如Al、Y和Si。因此，合金通常含有0.5-2.5％重量的镍和约1.0-4.0％重量的Mm(主要含有Ce、La和Pr)。合金还可含有3-7％重量的Al、0.1-1.5％重量的Y和0.3-1.5％重量的硅中的一种或多种。储氢合金的形式为粉末、颗粒或其混合物，后者为优选。
压力容器由从包括有不锈钢或纤维增强聚合物的组中选出的一种或多种材料形成。优选的压力容器为多层结构如三层结构，其包括1)由不与氢和所述储氢合金发生反应并能承受系统的操作温度的轻质材料形成的内层；2)由轻质绝缘材料形成的中间层；以及3)由可承受储床系统的工作压力的纤维增强聚合物复合材料形成的外层。
氢储床系统还可包括设置在储氢合金的整个内部的热电偶，以便通过检测合金释放区域内的温度峰值来确定系统充填状态。
最后，系统可包括氢气分配系统以提高储氢合金的氢化/脱氢速度。分配系统通常包括分配总管和一个或多个可渗透氢气的分配管。
附图简介

图1是本发明的氢储床系统的一个实施例的横向剖视图的示意性图示；图2显示了根据本发明的具有多层结构的压力容器的储床系统1的外观图；图3是用于根据本发明的储床系统1的空气冷却和水冷却的以克为单位的储存氢与以分钟为单位的时间的曲线图；图4是根据本发明的储床系统1的在释放氢的时间内的温度和时间的曲线图，温度由分布在储床内的热电偶测得，其表示此热管理系统是有效的；图5是本发明的氢储床系统的第二实施例的横向剖视图的示意性图示，其与图1所示系统类似但大于图1所示系统；图6是本发明的氢储床系统的第三实施例的横向剖视图的示意性图示，其包括有组合式加热/冷却装置；图7是本发明的氢储床系统的第四实施例的横向剖视图的示意性图示，其包括有层叠在储氢合金的层之间的平面组合式加热/冷却装置；图8a是本发明的氢储床系统的第五实施例的纵向剖视图的示意性图示，其在热分配装置中包括有热管而不是散热器；图8b是图8a所示氢储床系统的第五实施例的横向剖视图的示意性图示；图9a是本发明的氢储床系统的第六实施例的纵向剖视图的示意性图示，其包括有不同结构的热管；和图9b是图9a所示氢储床系统的第六实施例的横向剖视图的示意性图示。
发明的详细介绍本发明包括集成有热发生和热交换装置的固态金属氢化物的氢储床系统。此储存系统包括储存合金，其可吸收和放出氢以用于储存和日后在例如为汽车提供动力的应用中使用。此储床系统包括一个或多个整体式热发生装置以提供所需的热量，从而从储氢合金中释放出所储存的氢。热发生装置还与冷却系统集成在一起，冷却系统在储氢合金充填有氢时可除去形成氢化物所产生的热量。系统还包括热分配装置，以便在系统内远离加热/冷却装置的位置之间传热。热分配装置设置成可均匀地向系统提供/从系统中除去热量，因此可在整个系统内保持一个均匀的温度。在下文中将结合具体的实施例来讨论本发明。
图1是本发明的氢储床系统1的一个实施例的横向剖视图的示意性图示。系统1包括其中含有储氢合金3的压力容器2。整体式热管理系统包括热发生装置4和冷却装置5。这里所用的用语“加热装置”和“热发生装置”可互换地使用，指现场式热发生装置。加热和冷却装置与热分配系统紧密地热接触，此热分配系统包括散热器6以及分布于其上的热分配片7。在将氢充填到储氢合金3中的过程中，由储氢合金3中的氢化物形成所产生的热量传送给分配片7，然后传送给散热器6，最终传送给冷却装置5。在从储氢合金3中释放氢的过程中，在热发生装置4中产生的热量传送给散热器6，然后传送给分配片7，最终传送给储氢合金3，这些热量在此处可用于释放氢。
压力容器2可由能在储床系统1的操作温度下承受氢的平衡压力的任何材料形成。此材料必须不会与所储存的氢和储氢合金3发生反应，并且必须能承受系统的典型操作温度。此材料还必须不允许氢扩散从中通过，并且在容器的寿命期间不会发生氢脆变。温度和压力当然取决于所使用的特定储氢合金3。通常对于镁基合金来说，压力在20巴和20巴以下的范围内，温度在450℃和450℃以下的范围内。压力容器2的典型制作材料包括金属如不锈钢。压力容器2还可制成热绝缘，这是通过用绝缘材料来制作容器或通过在传热材料如金属的外部或内部进行绝缘来实现的。压力容器2是否绝缘将取决于是否采用了压力容器2来从外部进行加热和冷却。如果采用外部加热和冷却，那么对压力容器2进行绝缘就会不利于实现这个目的。压力容器2也可单独由纤维增强的聚合材料如碳纤维增强的环氧树脂材料等制成，或者由它与其它材料相结合地制成(即多层压力容器)。这种纤维增强聚合物和多层结构材料的优点在于减轻了重量。图2显示了根据本发明的储床系统1的外观视图，其具有多层式压力容器2、氢输入/输出端口14和加热/冷却端口13。图2中的插图显示了压力容器2的多层结构。内层10由不与氢和储氢合金3发生反应并能承受系统的操作温度的轻质材料形成。中间层11由特别设计成可降低从储床系统到外部环境的热量损失的轻质绝缘材料形成。最后，外层为纤维增强聚合物的复合材料，其可承受储床系统的工作压力。
可采用能安全和有效地储存和释放氢的任何合金作为本发明的储存系统1中的储氢合金3。特别有用的为合金如Ti-Zr基的AB2、室温储氢合金和大容量Mg基储氢合金。最有用的是在Ovshinsky等人于1999年11月6日提交的题为“可实现氢基生态系统的大储量合金”的未决美国专利申请No.09/435497(“′497申请”)中所详细介绍的大容量高活性储氢合金。通常来说，大容量的Mg基储氢合金含有超过90％重量的镁，并含有至少一种改性元素。所述至少一种改性元素形成了镁基合金，其能够储存至少7％重量的氢并在300℃下在1.5分钟内吸收氢的所有储量的80％。改性元素主要包括Ni和Mm(混合稀土)，还可包括添加元素如Al、Y和Si。因此，合金通常含有0.5-2.5％重量的镍和约1.0-4.0％重量的Mm(主要含有Ce、La和Pr)。合金还可含有3-7％重量的Al、0.1-1.5％重量的Y和0.3-1.5％重量的硅中的一种或多种。
储氢合金3可以粉末形式用于储存系统1中，或者如Ovshinsky等人于2000年8月8日提交的题为“颗粒形式的氢的安全经济的运输”的美国专利申请No.09/634678中所介绍地那样颗粒化。虽然在一些情况下使用粉末材料可便于将粉末装入到系统中，然而，粉末很难搬运且使用时存在危险，因此在一些情况下，在系统1中装入颗粒化的储氢合金是有利的。另外，当只使用粉末时通常很难在储床系统1中得到储氢合金3的足够高的封装密度。因此，在储床系统1中装入粉末和颗粒的混合物形式的储氢合金3是有利的。
在储存在这些上述储氢合金3中的氢的释放过程中，需要热量以从合金中释放氢。通常来说，存在着许多可提供热量的方法。例如，当氢将供应到内燃机中时，热量可来自内燃机自身的排气。然而，本发明设计成可在所得到的外部热量很少或没有时使用，例如在将氢供应到燃料电池中时。因此，需要其它的热源。
热发生装置4提供了释放所储存的氢所需的热量。热发生装置4可以是任何能就地产生用于从储氢合金3中释放氢所需的热量的装置。具体地说，热发生装置可包括电加热件或催化燃烧器。催化燃烧器和催化燃烧工艺在本领域中已众所周知，并且是用于产生热量的优选装置。催化燃烧器实质上是通过在存在催化剂的情况下使燃料(如氢或烃)与氧化剂(如氧气或空气)化学结合来工作，燃料和氧化剂在此时可发生反应以形成燃烧产物和热量。此热量然后直接或间接地传送到周围环境(在本发明中为储氢合金)中。
催化燃烧器提供了用于加热本发明的储氢合金3的内部热源。典型的催化燃烧器包括无孔腔体，其不允许在燃烧器内部和金属氢化物材料或其它传热装置之间存在氧、氢或燃烧产物的流动。腔体最好由无孔的传热材料形成。在腔体内容纳有催化剂。通常来说，催化剂是可降低燃烧反应的激活能的催化剂。燃料和压缩空气或氧气一起流入到燃烧器中并从中通过。催化剂可催化燃料和氧气(或空气中的氧气)之间的反应。产生于催化燃烧的热量用于将储存系统中的储氢合金加热到氢化物材料可放出氢的温度之上。在此时，燃烧器所产生的热量可用于以下两个方面(1)保持金属氢化物储存材料的温度(即补偿从材料中传出的热量)，和(2)提供用于从储氢合金中放出氢的热量。
虽然氢自身可以燃烧或催化式燃烧以提供释放所储存的氢所需的热量，然而这会降低可用于为其它装置如燃料电池提供能量的可用氢，因此增加了提供固定质量的氢所需的储床的重量和体积。例如，在典型的燃料电池车辆中，可能需要一些所储存的氢来提供释放所有储存的氢并加热周围部件(即外壳、传热元件等)所需的热量。显然，必须降低可用氢的这种损失。因此可使用第二燃料。第二燃料可以是能够容易地得到的、成本较低且易于储存的任何燃料。这种燃料的例子为汽油、燃油、丙烷、柴油和天然气等。优选的燃料为丙烷，储存丙烷的优选方法是以液态形式储存。具体地说，应当注意的是，在典型的氢动力燃料电池车辆中，只需要两加仑的丙烷就可释放出行驶300英里所需的全部储存氢。这使得这种车辆成为排放物非常少的车辆。
冷却装置5去除在储氢合金3的充填过程中所产生的热量。也就是说，在对储氢合金3充填氢的过程中会释放出热量(即氢化热)。为了在充填过程中维持适当的操作温度，必须去除此热量。冷却装置5通常是热交换器装置，例如流经管或其它封闭空间的冷却剂。冷却剂可以是任何传统的冷却剂，例如空气或水。冷却剂也可以是氢，如在Ovshinsky等人于2000年4月26提交的题为“具有最高冷却效率的氢冷却储氢单元”的美国专利申请No.09/558827中所介绍的，氢可成为优良的冷却介质。冷却剂也可以是在本领域中用作冷却剂的任何有机材料。用于形成交换器的材料当然取决于所用的特定冷却剂。材料必须不与冷却剂、氢和储氢合金3发生反应，并且必须能承受系统1的典型操作温度。特定材料应是传热的，可包括金属如不锈钢或其它传热材料。
在另一实施例中，热发生装置4和冷却装置5可以组合在一个装置中(例如见图6)。通过将这两个装置组合成一个，就可以显著地降低储床系统1的整体重量和体积。当采用空气或氢作为冷却介质时，这种组合最有利。这是因为，在系统的加热(释放时需要进行的)过程中，燃料和空气被添加到催化燃烧器中并发生反应以对储床系统1进行加热。或者，在冷却过程中(充填时需要进行的)，空气或氢单独地添加到催化燃烧器中，所加入的气体用作冷却剂，除去氢化物形成所产生的热量。如果采用这一选择，可能需要降低催化剂在加热装置内部上的覆盖率，以便增强传送给冷却介质的热量。
散热器6与热发生装置4和冷却装置5热连接。散热器6在氢的释放过程中将热量从加热装置4均匀地分配到热分配片7上，在氢的充填过程中接收来自热分配片7的热量并将其传送给冷却装置5。散热器6和热分配片7的组合保证了整个储床系统1中的适当传热，并还确保整个储床系统1尽可能地处于均匀的温度。散热器6和热分配片7最好但并不必须由相同的材料形成。材料应当尽可能轻，但必须可传热。材料还必须不会与所储存的氢或储氢合金发生反应，并且能够承受系统1的典型操作温度。
散热器6和热分配片7最好由金属如不锈钢形成，优选的金属为镁或结构用镁合金。镁及其合金是可传热、轻重量、在传热和结构上性能优异，并通常不与所储存的氢和储氢合金3发生反应。散热器6和热分配片还可由传热石墨制成。散热器6应足够大以在热量传入或传出系统1时用作热量的储热器或热体。大的储热器保证了系统1内的热量能够在系统的整个体积(即储氢材料和热分配片7)上相当均匀地分布。散热器6的形状使得所有的热分配片7能够在储氢合金3的整体上均匀地设置。示例根据图1所示实施例生产了储床系统1。系统1包括由不锈钢形成的圆柱形压力容器2，其中含有镁基储氢合金3。镁合金由FC-76表示，其组分为95.6％重量的镁，1.6％重量的Ni，0.8％重量的Si和2.0％重量的Mm。整体式热管理系统包括电式热发生装置4和管式热交换冷却装置5，空气和水冷却剂从冷却装置5中流过。加热和冷却装置与散热器6紧密地热接触，散热器6由纯镁形成并大致地成形为矩形板，其位于圆柱形压力容器2内，使得板的长度横跨过柱体的长度，并且板的宽度横跨过柱体的直径。热分配片7与散热器6热连接。热分配片7从散热器6上伸出，并相当均匀地分布在储氢合金3的整体上。热分配片7由纯镁形成并成形为矩形板。矩形板或箔片热分配片7设置在圆柱形压力容器2内，使得其长度横跨过柱体的长度。矩形板热分配片7的一边与散热器6热接触，而另一边与压力容器2相邻。
将一又三分之一克FC-76镁基储氢合金粉末3封装到储床系统1中，封装密度为约0.6克/毫升(这可通过压实粉末和颗粒来增强)。对系统进行充填，使其储量约为85克氢。如显示了以克为单位的储存氢与以分钟为单位的时间的曲线的图3所示，空气冷却和水冷却都能有效地实现正确的充填。曲线A显示了空气冷却的储存氢与时间的关系，而曲线A显示了水冷却的储存氢与时间的关系。从图中可知，两种冷却剂都有效，然而水冷却能明显实现更快速的充填，基本上可在10分钟以内完成充填循环。
图4是在从储床中释放氢的过程中的温度和时间的曲线图。温度由分布在储床中的热电偶测得。曲线A绘出了用于加热合金并因此释放所储存的氢的电加热器的温度(也由热电偶测得)。从图中可清楚地看出，储床系统的温度在整个过程中相当均匀，因此表明了本发明的热管理系统是有效的。曲线近端处的温度升高表明在氢的充填耗尽时的系统温度升高。
图5是本发明的氢储床系统1的第二实施例的横向剖视图的示意性图示。与图1所示系统类似，此实施例的系统1包括其中含有储氢合金3的压力容器2。此整体式热管理系统包括七个加热装置4和七个冷却装置5(其集成在一个用于双重用途的加热和冷却装置中)。加热和冷却装置与热分配系统紧密地热接触，热分配系统包括三个具有均匀分布的热分配片7的散热器6。在此系统中，三个散热器6在压力容器2中相当均匀地间隔开，一些热分配片7设置成使其相对边与两个散热器6热接触。
图6是本发明的氢储床系统1的第三实施例的横向剖视图的示意性图示。系统1包括其中含有储氢合金3的圆柱形压力容器2。整体式热管理系统包括组合式加热/冷却装置8，其为设置在圆柱形压力容器2内的中空螺旋体，其中此中空螺旋体的中心轴线与圆柱形压力容器2的中心轴线重合。此中空螺旋体的内部涂覆有催化材料以形成催化燃烧器。因此，中空螺旋体的内部在燃料和氧化剂从中流过时用作加热器，在冷却气体(例如空气或氢)从中流过时用作冷却器。
应当注意的是，由于此中空螺旋体与储氢合金3紧密热接触并在其中非常均匀地分布，因此额外的热分配件如散热器和热分配片并不是必要的。然而，如果发现热量在系统1内并不均匀地分布，那么就应根据需要来增设这些热分配件。
图7是本发明的氢储床系统1的第四实施例的横向剖视图的示意性图示。系统1包括其中含有储氢合金3的压力容器2。压力容器具有矩形或方形截面，并可具有伸长轴线或为立方形。储氢合金3设置在压力容器内的层中，在层之间设置了包括有组合式加热/冷却装置8的整体式热管理系统。组合式加热/冷却装置8是设置在储氢合金3的层之间的中空板。中空板的内部涂覆有催化材料以形成催化燃烧器。因此，中空板的内部在燃料和氧化剂从中流过时用作加热器，在冷却气体(例如空气或氢)从中流过时用作冷却器。应当注意的是，由于此中空板与储氢合金3紧密热接触并在其中非常均匀地分布，因此额外的热分配件如散热器和热分配片并不是必要的。然而，如果发现热量在系统1内并不均匀地分布，那么就应根据需要来增设这些热分配件。
图8a是本发明的氢储床系统1的第五实施例的纵向剖视图的示意性图示。系统1包括其中含有储氢合金3的圆柱形压力容器2。整体式热管理系统包括至少一个组合式加热/冷却装置8，它是设置于圆柱形压力容器2内的一个中空盘形件，其中此中空盘形件的中心轴线与圆柱形压力容器2的中心轴线重合。此中空盘形件的内部涂覆有催化材料以形成催化燃烧器。因此，中空盘形件的内部在燃料和氧化剂从中流过时用作加热器，在冷却气体(例如空气或氢)从中流过时用作冷却器。加热/冷却装置8与包括有热管9和分布于其中的热分配片7的热分配系统紧密地热接触。热管9的一端与组合式加热/冷却装置的中空盘形件8的一个圆形表面热接触。热管沿圆柱形压力容器2的长度从组合式加热/冷却装置8上沿两个方向延伸到圆柱形压力容器2的端部。热分配片7是均匀地设置在圆柱形压力容器2内的组合式加热/冷却装置8和圆柱形压力容器2的端部之间的圆柱盘形件。热分配片7的中心轴线与圆柱形压力容器2的中心轴线重合。热分配片7与热管9热接触，并轴向地延伸到圆柱形压力容器2的内壁。
图8b是图8a所示的氢储床系统1的第五实施例的横向剖视图的示意性图示。此图显示了圆柱形压力容器2和储氢合金3在系统1内的定位。其中尤其显示了热管9分布在系统1内的方式和热管9如何沿圆柱形压力容器2的长度延伸。
热管是一种利用蒸发和凝结循环以将热量以最小的温度降从热的或热量输入区域传送到冷的或热量输出区域的装置。一种类型的热管包括封闭的容器，其中包括抽吸材料层，此材料层饱和有可蒸发液体并从热量输入区域延伸到热量输出区域。容器的热量输入区域的热量增加使得供应到其中的液体蒸发。蒸气移动到容器的热量输出区域并在此处凝结。凝结的液体通过抽吸材料的毛细作用而返回到热量输入区域。应当注意的是，虽然在本发明的特定实施例中所介绍的热管为管形，然而现代热管技术允许采用任何近似的中空形状来形成热管，因此其它形状也可采用并且是有效的。
图9a是本发明的氢储床系统1的第六实施例的纵向剖视图的示意性图示。系统1包括其中含有储氢合金3的圆柱形压力容器2。整体式热管理系统包括至少一个组合式加热/冷却装置8，其为设置在圆柱形压力容器2内的中空矩形板，使得中空矩形板的长度横跨过柱体的长度，并且中空矩形板的宽度横跨过柱体的直径。加热/冷却装置8与包括有热管9和分布于其中的热分配片7的热分配系统紧密地热接触。热管9的一端与组合式加热/冷却装置的中空板8的一个较大矩形表面热接触。热管从与之热接触的加热/冷却装置8处向外延伸，沿基本上垂直的方向从组合式加热/冷却装置8的较大矩形表面延伸到圆柱形压力容器2的壁上。热分配片7是矩形板或箔片，其设置在圆柱形压力容器2内并使其长度横跨过柱体的长度。矩形板或箔片设置在圆柱形压力容器2内且大致平行于加热/冷却装置的中空板8，矩形板或箔片的长度横跨过柱体的长度，板的宽度从柱体内壁上的一点横跨到柱体内壁上的另一点。热分配片7与热管9热接触。
图9b是图9a所示氢储床系统1的第六实施例的横向剖视图的示意性图示。此图显示了圆柱形压力容器2和储氢合金3在系统1中的定位。其中尤其显示了热管9分布在系统1内的方式和热管9如何沿圆柱形压力容器2的直径宽度延伸以及热分配片7的定位。
应当注意的是，多个本发明的储床系统可一起设置在一个大型的容器中。此容器可以是绝缘的，并可为储床系统提供外部加热和冷却。容器也可以是压力密封壳。另外，可将热电偶放置在储床系统中以监测系统的不同部分中的温度，因此，通过测量不同位置处的温度峰值，就可确定燃料的体积。
最后，本发明的氢储床系统1可包括氢气分配系统以提高储氢合金的氢化/脱氢速度。分配系统通常包括分配总管和一个或多个分布于储氢合金内的可渗透氢气的分配管。
虽然已经通过优选实施例和工艺介绍了本发明，然而应当理解，本发明并不限于所介绍的实施例和工艺。相反，本发明覆盖了包括于由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等效设置。
权利要求
1.一种氢储床系统，包括压力容器；设置在所述压力容器内的储氢合金；和整体式地设置在所述压力容器内的整体式热管理系统，其包括热发生装置；冷却装置；和热分配装置。
2.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述热发生装置从包括有电加热件和催化燃烧器的组中选出。
3.根据权利要求2所述的氢储床系统，其特征在于，所述热发生装置为一个或多个催化燃烧器。
4.根据权利要求3所述的氢储床系统，其特征在于，所述催化燃烧器设计成可燃烧从包括有氢、汽油、燃油、丙烷、柴油和天然气的组中选出的至少一种燃料。
5.根据权利要求4所述的氢储床系统，其特征在于，所述催化燃烧器设计成可燃烧丙烷。
6.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述冷却装置包括管式热交换器。
7.根据权利要求6所述的氢储床系统，其特征在于，所述管式热交换器设计成可采用从包括有空气、氢、水和有机冷却剂的组中选出的至少一种冷却剂。
8.根据权利要求7所述的氢储床系统，其特征在于，所述管式热交换器设计成可采用空气作为冷却剂。
9.根据权利要求7所述的氢储床系统，其特征在于，所述管式热交换器设计成可采用氢作为冷却剂。
10.根据权利要求7所述的氢储床系统，其特征在于，所述管式热交换器设计成可采用水作为冷却剂。
11.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述热发生装置和所述冷却装置组合成一个设计成可催化式地燃烧丙烷或氢并采用空气或氢作为冷却剂的单元。
12.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述热分配装置包括与所述热发生装置和所述冷却装置热耦合的散热器。
13.根据权利要求12所述的氢储床系统，其特征在于，所述热分配装置还包括与所述散热器热耦合并散布在所述储氢合金内的热分配片。
14.根据权利要求13所述的氢储床系统，其特征在于，所述热分配片和所述散热器由从包括有传热石墨、不锈钢、镁和镁合金的组中选出的材料形成。
15.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述热分配装置包括与所述热发生装置和所述冷却装置热耦合的热管。
16.根据权利要求15所述的氢储床系统，其特征在于，所述热分配装置还包括与所述热管热耦合并散布在所述储氢合金内的热分配片。
17.根据权利要求16所述的氢储床系统，其特征在于，所述热分配片由从包括有传热石墨、不锈钢、镁和镁合金的组中选出的材料形成。
18.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述储氢合金从包括有T-Zr基合金和Mg基合金的组中选出。
19.根据权利要求18所述的氢储床系统，其特征在于，所述储氢合金为Mg基合金。
20.根据权利要求19所述的氢储床系统，其特征在于，所述合金包括至少90％重量的镁。
21.根据权利要求20所述的氢储床系统，其特征在于，所述合金还包括0.5-2.5％重量的镍。
22.根据权利要求21所述的氢储床系统，其特征在于，所述合金还包括1.0-4.0％重量的混合稀土。
23.根据权利要求22所述的氢储床系统，其特征在于，所述合金还包括1.0-4.0％重量的混合稀土。
24.根据权利要求23所述的氢储床系统，其特征在于，所述混合稀土主要包括Ce、La和Pr。
25.根据权利要求23所述的氢储床系统，其特征在于，所述合金还包括选自包括有3-7％重量的Al、0.1-1.5％重量的Y和0.3-1.5％重量的硅的组中的一项或多项。
26.根据权利要求19所述的氢储床系统，其特征在于，所述储氢合金为粉末、颗粒或它们的混合物的形式。
27.根据权利要求26所述的氢储床系统，其特征在于，所述储氢合金为粉末和颗粒的混合物的形式。
28.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述压力容器由从包括有不锈钢或纤维增强聚合物的组中选出的一种或多种材料形成。
29.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述压力容器为多层结构。
30.根据权利要求29所述的氢储床系统，其特征在于，所述压力容器为三层结构。
31.根据权利要求30所述的氢储床系统，其特征在于，所述三层结构包括由不与氢和所述储氢合金发生反应并能承受所述系统的操作温度的轻质材料形成的内层；由轻质绝缘材料形成的中间层；和由可承受所述储床系统的工作压力的纤维增强聚合物复合材料形成的外层。
32.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述储氢合金的整个内部中的热电偶，以便通过检测所述合金的释放区域内的温度峰值来确定所述系统的充填状态。
33.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述系统还包括氢气分配系统，以便提高所述储氢合金的氢化/脱氢的速度。
34.根据权利要求33所述的氢储床系统，其特征在于，所述氢气分配系统包括分配总管和一个或多个分布在所述储氢合金中的可渗透氢气的分配管。
35.根据权利要求1所述的氢储床系统，其特征在于，所述整体式热管理系统还包括传热突出部分，其在所述压力容器内延伸和分布并与所述储氢合金传热式地接触；和加热/冷却用散热器，其位于所述压力容器内并与所述传热突出部分、所述热发生装置和所述冷却装置形成传热关系；因此，热量可通过所述传热突出部分和所述加热/冷却用散热器从所述热发生装置传送给所述储氢合金并从所述储氢合金传送给所述冷却装置。
36.根据权利要求所述19的氢储床系统，其特征在于，所述Mg基合金具有95.6％重量的镁、1.6％重量的Ni、0.8％重量的Si和2.0％重量的Mm的组分。
全文摘要
一种氢储床系统(1)，其包括压力容器(2)、设置在压力容器(2)内的储氢合金(3)，以及整体式地设置在压力容器内的热管理系统。此整体式热管理系统包括热发生装置(4)、冷却装置(5)和包括了带有热分配片(7)的散热器(6)的热分配装置。
文档编号F17C11/00GK1481275SQ01820924
公开日2004年3月10日 申请日期2001年12月14日 优先权日2000年12月20日
发明者S·R·奥夫辛斯基, R·T·杨, 李洋, V·迈尔斯尼科夫, V·索波勒夫, S R 奥夫辛斯基, 杨, 辗, 鼓峥品 申请人:能源变换设备有限公司