[发明专利]一种储氢合金反应床装置及其使用方法和应用

说明书

本发明涉及储氢合金装备技术领域，具体涉及一种储氢合金反应床装置及其使用方法和应用，更具体涉及一种自由膨胀超低应变高系统储氢密度薄壁储氢合金反应床装置。包括反应床外壳，所述反应床外壳内部设有至少一个活性炭隔板，活性炭隔板与反应床外壳的轴线方向垂直，所述相邻活性炭隔板间或活性炭隔板与封盖间设有金属筒，所述金属筒径向尺寸小于活性炭隔板径向尺寸，金属筒高度与相邻活性炭隔板间或活性炭隔板与封盖间的高度相同，所述封盖位于反应床外壳的一端，封盖设有氢气出入口。每个储氢单元的合金吸放氢过程处于自由膨胀状态，无应力释放，反应床接近“零”应变积累，床壁厚度减小3～10倍，安全可靠性显著提升。

技术领域

本发明涉及储氢合金装备技术领域，具体涉及一种储氢合金反应床装置及其使用方法和应用，更具体涉及一种自由膨胀超低应变高系统储氢密度薄壁储氢合金反应床装置。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在氢能利用领域，氢气的制备技术已逐步实现工业化，末端应用也有成熟的质子交换膜燃料电池(PFMC)，但氢气储运作为连接二者的关键环节，仍需探索高效、稳定、安全的储存方式。高压储氢、液氢储存、金属储氢是当前典型的储氢方法，其中，金属储氢具备储氢密度高、储氢压力低、吸放氢可控、系统安全性等优势，是行业研究热点。金属储氢材料主要有AB₅型、AB₂型、AB型、镁系合金和AB₃型，其中镁系合金储氢理论储氢量(7.6wt％)远远超越其它种类的储氢合金，且储量大，价格低廉，具备极大的应用前景。

MgH₂吸放氢具有“四高一低一慢”特点，即储氢量高(7.6wt％)、工作温度高(～400℃)、蒸汽压高(0.13MPa，500℃)、反应生成焓高(-74.6kJ/molH₂)、熔点低(650℃)、吸放氢速度慢。吸氢粉化是储氢合金固有特性，也是影响反应床长期稳定可靠的核心因素，其危害表现在：①粉末合金易板结、流动性差，极易导致反应床膨胀、塑变然后失效；②粉末合金热导率较初始下降一个数量级，阻碍吸放氢反应的热流传递减缓吸放氢速度；③合金粉化会增加床体气阻，抑制床体内合金吸放氢的传质过程。针对上述合金粉化后的隐患，当前多采用的解决方案是：选用安全填充率一般选用35vol％，并在容器中搭载多重导热措施以强化吸放氢过程的传热传质，同时选用高承压厚壁合金反应床以提升其安全可靠性。

但是发明人研究发现，这些方法虽然可在一定程度上提高吸放氢效率，延长了反应床使用寿命，但也导致反应床系统结构件质量高，约为储氢合金质量的3～15倍，致使反应床系统质量储氢密度低，大多小于1wt％，日本丰田汽车最高实现1.738wt％，距离DOE(美国能源部)的目标5wt％相差甚远，致使整套储氢装置运行能耗高，造价贵，对金属储氢装备的工业化应用带来不利影响。

此外，一些专利虽然公开可以将反应床分为不同区域，填充储氢粉末，但是仍存在吸放氢传导热性能差，合金填充量少，吸放氢容量低、合金板结的问题。

发明内容

为了解决现有储氢合金反应床装置存在的储氢密度低、导热性能差、合金填充量少、吸放氢容量低、储氢合金容易板结的问题，本发明提出一种储氢合金反应床装置及其使用方法和应用，活性炭隔板作为导热储氢和隔层结构件，同时各隔层设置合金自由膨胀区。其优势在于：①导热储氢活性炭隔板作为导热部件，一方面提高吸放氢热传递效果，加速吸放氢效率；另一方面作为储氢载体，在使用环境下储存一定量氢气，较传统合金导热部件(翅片、泡沫金属、导热管等)显著提升系统储氢密度。②隔层内的合金吸放氢过程处于自由膨胀状态，无应力释放，反应床接近“零”应变积累。反应床强度可仅考虑吸放氢平台压力裕量，床壁厚度可减小3～10倍。③储氢合金反应床装置的储氢单元内合金高径比低，合金粉化沉积和循环压缩效应被大幅缓解，合金应力处于自由膨胀状态，安全可靠性显著提升。本发明提供的反应床，床体轻薄，“零”应变积累，系统储氢密度高，吸放氢速率快，安全稳定性高，具备显著的市场应用前景。