[发明专利]宽温区储氢材料低温储氢性能试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种储氢材料低温储氢性能试验装置。特别是一种使用金属有机骨架材料作为储氢材料的宽温区储氢材料低温储氢性能试验装置。属于低温工程与低温技术领域。

背景技术

氢能作为一种储量丰富、来源广泛、含碳量低、化学燃烧值高的绿色能源是化石燃料的理想替代品，是21世纪主要的新能源之一。作为一种新型的清洁能源，氢的廉价制取、安全高效储存与输送及规模应用是当今研究的重点课题，而氢的储存是氢能应用的关键，尤其是用于机动车辆时，主体材料除了满足经济可行的要求之外，还必须拥有高的质量容量和体积容量以及易释放和能循环使用等特点。如对于车用氢气存储系统，国际能源署提出的目标是质量储氢密度大于5％，体积储氢密度大于50kg H₂/m³，并且放氢温度低于423K，循环寿命超过1100次；而美国能源部提出的目标是质量储氢密度不低于6.5％，体积储氢密度不低于62kgH₂/m³，车用储氢系统的实际储氢能力大于3.1kg(相当于小汽车行驶500km所需的燃料)。而储氢材料能可逆地大量吸放氢，在氢的储存及输送过程中已成为一种重要的载体。

储氢材料的储氢性能主要是用压力成分温度(P-C-T)曲线来表征的。通过P-C-T曲线，我们可以看到吸放氢的平台压力大小、吸放氢量的多少、滞后现象以及温度的影响等吸放氢性能，还可以得到相关热力学和动力学参数。由此可以看出，储氢性能试验装置的研制对于储氢材料的研究与开发具有重要的意义。目前，国内外测量储氢材料氢系P-C-T曲线的主要方法有重量法、定容法、定容压差法和定容压差流量计法等。这些方法均是在恒定温度下测量氢压随材料吸氢量的变化曲线，故统称恒温法。其中，定容法因其方法简单、容易实现和具有较高精度而被广泛采用。

目前的储氢材料有金属氢化物类储氢材料、配位氢化物类储氢材料和吸附类储氢材料等。而金属有机骨架材料是一种新型的多孔材料，因其具有高孔性、比表面积大、合成方便、骨架规模大小可变以及可根据目标要求作化学修饰、结构丰富等优点而被认为是最具有储氢前景的储氢材料之一。

目前，国内外仅对一些金属有机骨架材料分别在液氮温度下(77K)、常温和高温下的储氢性能进行了研究，但没有宽温区(77K～300K)范围内金属有机骨架材料储氢性能的研究。所以，也没有相应的试验装置。因此，设计宽温区(77K～300K)范围内的宽温区储氢材料低温储氢性能试验装置，对金属有机骨架材料在宽温区(77K～300K)范围内的储氢性能进行研究是很有必要并且意义重大的。

发明内容

为了弥补已有技术的不足，本发明提供了一种研究金属有机骨架材料在宽温区(77K～300K)范围内低温储氢性能的宽温区储氢材料低温储氢性能试验装置。在试验过程中，试验装置以循环液氮作为冷却工质，并结合电加热来实现宽温区(77K～300K)范围内的温度调节。PID温控仪通过热电偶测得的温度信号对加热丝的加热量进行调节。压力传感器及温度采集仪将测得的数据传输到数据采集系统。样品室法兰布置在样品室底部，内杜瓦与外杜瓦法兰焊接成一体，以确保样品的更换。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明包括液氮杜瓦、高压氢气钢瓶、真空机组、数据采集计算机、温度采集仪、PID温控仪、法兰、铂电阻温度计、样品室、加热丝、冷却盘管、热电偶、内杜瓦、外杜瓦、真空规管、压力传感器和阀门。其中，样品室置于内杜瓦中，内杜瓦与外杜瓦法兰焊接成一体置于外杜瓦内，并与外杜瓦形成真空夹层，加热丝和冷却盘管分别交替缠绕在样品室和内杜瓦的外壁上，热电偶分别安装在样品室和内杜瓦的外壁上，铂电阻温度计安装在样品室的顶部，样品室法兰布置在样品室的底部；第一安全阀和压力传感器均安装在高压氢气钢瓶的输出管道上，第二安全阀安装在内杜瓦法兰上，第三安全阀和真空规管均安装在外杜瓦的外壁上，外杜瓦通过第二抽真空阀门与真空机组连接。

液氮杜瓦的输出端分别通过第一液氮输送阀和第二液氮输送阀与样品室及内杜瓦外壁上的冷却盘管的进口连接，冷却盘管的出口分别通过第一液氮排出阀和第二液氮排出阀与大气相通；高压氢气钢瓶的出口通过氢气充注阀后分成两路，一路通过第一抽真空阀与真空机组连接，另一路又分成两路，一路通过氢气排气阀与大气相通，另一路穿过内杜瓦法兰和样品室的顶部插入到样品室内；加热丝和热电偶均与PID温控仪连接；数据采集计算机通过温度采集仪与铂电阻温度计连接；压力传感器与数据采集计算机连接。