一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的制作方法

本发明属于氢能的储氢技术领域，特别地，涉及一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐。

背景技术：

目前，随着能源危机的加剧和环保意识的加强，氢能的利用越来越受到广泛的关注，其中氢的存储是在氢能在实用过程中的主要技术瓶颈之一

现有技术中较为实用的储氢方式主要有三种：高压容器储氢(如钢瓶)、低温液氢储罐(低温杜瓦罐)以及金属氢化物固态储氢。其中的金属氢化物固态储氢技术是利用氢气与储氢合金的反应来实现氢气的储存，与其他储氢方式相比，具有储氢密度高、压力低、安全性好、氢气纯度高等优点，是储氢技术发展的一个重要方向。

但是，目前金属氢化物固态储氢技术还存在以下技术瓶颈：

1)储氢合金发生粉化影响储氢罐的传热性能。储氢合金吸氢时产生大量热量，放氢时需从外部吸收大量热量，而温度则严重影响储氢合金的吸/放氢速率；此外储氢合金在吸/放氢过程中会发生剧烈的晶格膨胀/收缩，使得储氢合金发生粉化，粉化后导致储氢合金的传热性能极差(其有效热导率约为1W/m/K左右)，使得金属氢化物储氢罐内部的储氢合金粉末床体的传热是影响储氢罐性能的主要因素之一。

2)储氢合金粉末的局部聚集易引发储氢罐安全事故。在储氢合金膨胀/收缩和重力的作用下，使得储氢合金粉末会逐渐发生沉降，这将导致储氢合金粉末在储氢罐内某些部位集聚，聚集的储氢合金在吸氢膨胀时会对罐体施加极大的应力，将导致罐体发生过量塑性变形甚至破裂，引发安全事故。

为了防止出现上述问题，第一应改善储氢合金粉末床体的换热性能，以确保金属氢化物储氢罐吸/放氢的快速进行；第二应防止储氢合金粉末在储氢罐内的局部聚集，以确保储氢合金粉末在罐体内均匀分布，防止因应力过大导致罐体过量变形，保证使用安全性和寿命。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐。该金属氢化物储氢罐内部设置有螺旋结构件，该螺旋结构件主要起到两个方面的有效作用：1)起到换热结构的效果，提高储氢合金粉末床体的传热性能，提高金属氢化物储氢罐的充/放氢性能；2)在储氢合金粉末装填时，通过旋转螺旋结构件，使储氢合金粉末充分搅拌，保证储氢合金粉末在装填过程中的分布均匀性，在储氢罐使用过程中，螺旋结构件又可起到储氢合金粉末的固定支撑作用，防止由于吸/放氢时的膨胀/收缩导致储氢合金粉的局部聚集，使储氢合金粉末一直保持均匀分布状态，避免金属氢化物储氢罐因局部应力过大而发生过量塑性变形甚至破裂，保证金属氢化物储氢罐长期使用过程中的安全性和寿命。

本发明采用的技术方案是，一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐，包括罐体2、导气管3、储氢合金粉末1、过滤片5和阀门6，其特征在于，所述储氢罐还包括螺旋结构件4。

优选地，所述导气管3沿轴向设置在罐体2内部中心位置，用于保证氢气在所述储氢合金粉末1内畅通；所述螺旋结构件4置于所述罐体2内部，沿所述导气管3轴向设置，所述螺旋结构件4整体上呈水平方向设置，对所述储氢合金粉末1起到固定支撑作用；所述储氢合金粉末1填充于所述螺旋结构件4和所述罐体2之间。

优选地，所述罐体2由不锈钢无缝管与封头焊接而成，外径为90-110mm；壁厚3-4mm；直筒部分长400-600mm；总长为480-680mm。

优选地，所述螺旋结构件4的外径为80-100mm，且设置成小于罐体2的内径。

优选地，所述导气管3的外径为10-15mm；壁厚为2-5mm；过滤精度为2-3μm。

优选地，所述螺旋结构件4的中心直径为10-15mm，且设置成与所述导气管3的外径一致。

优选地，所述螺旋结构件4的材质为高热导率的金属，厚度为1-2mm，螺距为40-60mm。

优选地，所述螺旋结构件4的材质为铝、铜、铝合金或铜合金。

优选地，所述储氢合金粉末1为稀土系AB5型、钛系AB型、钛系AB2型或钛钒固溶体，所述储氢合金粉末1的总重量为10-15kg。

优选地，所述过滤片5厚度为0.8-1.2mm；过滤精度为0.4-0.5μm。

本发明所具有的有益效果为：

1)本发明的储氢罐结构简单、制造加工容易；

2)本发明的储氢罐的螺旋结构件起到增强传热的作用，可有效提高储氢合金粉末床体的传热效率，提高储氢罐的充/放氢性能；

3)本发明的储氢罐在储氢合金粉末装填过程中，通过螺旋结构件顺时针/逆时针的交替旋转，可保证储氢合金粉末的均匀分布；

4)本发明的储氢罐在使用过程中，螺旋结构件对储氢合金粉末起到固定支撑作用，使储氢合金粉末一直保持均匀分布状态，避免其局部聚集，避免储氢罐因局部应力过大而发生过量塑性变形甚至破裂，保证安全性和寿命。

附图说明

图1是本发明的一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的结构剖面图；

图2是本发明的一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的螺旋结构件和导气管的结构示意图；

图3是本发明的一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的优选实施例与现有技术中不带螺旋结构的金属氢化物储氢罐的充氢曲线对比图；

图4是本发明的一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的优选实施例与现有技术中不带螺旋结构的金属氢化物储氢罐的应变曲线对比图；

其中图中附图标记为：

1-储氢合金粉末，2-罐体，3-导气管，4-螺旋结构件，5-过滤片，6-阀门。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一个宽泛实施例中，一种带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐，包括罐体、导气管、螺旋结构件、储氢合金粉末、过滤片和阀门等，其中，

罐体为轴向延伸的常规结构；

导气管沿轴向设置在罐体内部中心位置，用于保证氢气在储氢合金粉末内畅通；

螺旋结构件置于罐体内部，沿导气管轴向设置，螺旋结构件整体上呈水平方向设置，对储氢合金粉末起到固定支撑作用；

储氢合金粉末填充于螺旋结构件和罐体之间；

过滤片设置在罐体的顶部出口位置，用于避免储氢合金粉末随氢气流出储氢罐；

阀门设置在罐体外部，用于控制进出导气管的氢气。

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

如图1和2所示，一种带螺旋结构的金属氢化物储氢罐，包括罐体2、导气管3、螺旋结构件4、储氢合金粉末1、过滤片5和阀门6等。其中，

罐体2由不锈钢无缝管与封头焊接而成，外径为90-110mm，优选地为108mm；壁厚3-4mm，优选地为3.5mm；直筒部分长400-600mm，优选地为500mm；总长为480-680mm，优选地为580mm。

导气管3沿轴向设置在罐体2内部中心位置，外径10-15mm，优选地为12mm；壁厚为2-5mm，优选地为3mm；过滤精度为2-3μm，优选地为2.5μm。

螺旋结构件4置于罐体2内部，沿导气管3轴向设置，整体上呈水平方向设置，螺旋结构件4的材质为铝、铜、铝合金、铜合金等高热导率金属，优选地为纯铝；厚度为1-2mm，优选地为1.5mm；螺距为40-60mm，优选地为50mm；外径为80-100mm，优选地为100mm，螺旋结构件4的外径设置成稍小于罐体2的内径；中心直径为10-15mm，优选地为12mm，保证与导气管3紧密配合。

储氢合金粉末1填充于螺旋结构件4和罐体2之间，优选地为稀土系AB5型、钛系AB型、钛系AB2型、钛钒固溶体等，其中钛系AB2型优选地为(TiZr)1(VFeCrMn)2，储氢合金粉末1的总重量为10-15kg，优选地为14kg。

过滤片5厚度为0.8-1.2mm，优选地为1mm；过滤精度为0.4-0.5μm，优选地为0.5μm。

应当意识到，上述有关罐体2、导气管3、螺旋结构件4和过滤片5的尺寸参数仅为示例，而不应当理解为对本发明的任何限制。

为测试螺旋结构件对金属氢化物储氢罐的有益影响，对本发明的带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的优选实施例和与之尺寸相同的不带螺旋结构的金属氢化物储氢罐的充氢性能以及罐体的中间位置在多次充氢过程中的最大应变量进行了对比测试，分别如图3和图4所示。

图3是充氢曲线对比示意图。

该对比测试中，两个储氢罐的充氢条件完全相同，最大充氢压力均为4.2Mpa，在相同充氢压力条件下，本发明的带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐的充氢速度明显大于同尺寸的不带螺旋结构的金属氢化物储氢罐，说明了该螺旋结构件可有效提高金属氢化物储氢罐的性能，这主要是因为螺旋结构件的加入，提高储氢罐内储氢合金粉末床体的传热性能。

图4是在前10次充氢过程中的最大应变对比曲线示意图。

该对比测试中，两个储氢罐的充氢条件完全相同，最大充氢压力均为4.2MPa，在相同充氢压力条件下，同尺寸的不带螺旋结构的金属氢化物储氢罐罐体的应变逐渐变大，这主要是因为储氢合金粉末在吸/放氢过程中因膨胀/收缩导致进一步粉化，同时在重力的作用下逐渐下下聚集，从而导致应变增加，而本发明的带有螺旋结构的金属氢化物储氢罐罐体的应变在数次充氢过程中几乎保持不变，说明螺旋结构件对储氢合金粉末起到了一定了固定支撑作用，可使储氢合金粉末一直保持初始的均匀分布状态，因此罐体受到的应变没有明显的增加。

最后需要指出的是：以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。