一种热管换热泡沫金属储氢瓶及传热方法

技术领域

本发明涉及一种热管换热泡沫金属储氢瓶及传热方法，属于储氢装置技术领域。

背景技术

氢燃料电池凭借其零污染、能源利用率高、启动快等优点，愈发受到全世界科学家们的重视。储氢作为氢燃料电池的关键环节，也成为研究热点。与液态及高压储氢相比，以金属氢化物为储氢材料的固态储氢方式，具有体积存储密度大，小型化，灵活便捷等优点，在电动汽车，重卡等交通工具及航空航天等特殊领域均有应用。

金属氢化物储氢罐，将氢元素以金属化合物的形式储存在罐体中，储氢密度大，且储氢罐中内部压力低，放电时，金属氢化物放出氢气，不放电时，储氢金属与氢气反应生成金属氢化物。这一放电与充氢的过程伴随着大量的放热和吸热反应，且储氢罐温度在一定程度上影响了吸氢放氢的速率。为了使放氢过程中，金属氢化物维持在高放氢速率所需要温度，申请号202110294850.7公开了一种内安装加热管的金属储氢瓶及供气装置，该申请通过在储氢瓶底部加加热管通过电加热以维持金属氢化物的高效反应。同时为了满足吸氢放氢时所需要的快速热交换，申请号202110937421.7的一种储氢瓶公开了一种在通过铜粉烧结成多孔气管，将支气管与瓶体相连，以增强换热的目的。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种热管换热泡沫金属储氢瓶及传热方法。

一种热管换热泡沫金属储氢瓶，瓶体顶部装有瓶口阀，瓶体内腔装有金属氢化物，瓶体底部与底盖通过螺纹体连接，主泡沫金属导气管设于瓶体的内腔中心，主泡沫金属导气管的一端与顶部瓶口阀连接，主泡沫金属导气管的另一端连接底盖，泡沫金属管的一端与主泡沫金属导气管连接，泡沫金属管为轴向均匀且中心对称分别与主泡沫金属导气管连接，泡沫金属管的另一端与瓶体内壁紧密贴合，主泡沫金属导气管在从底部朝上有圆柱形孔洞，底盖中心有凸出圆管，凸出圆管形状为内腔空心结构的圆柱体，凸出圆管与主泡沫金属导气管内腔圆柱形孔洞紧密连接，凸出圆管的内腔插入热管。

泡沫金属管的数量多于2只,泡沫金属管的一端与主泡沫金属导气管连接为一体结构,部分的热管位于瓶体外,泡沫金属管在瓶内为直线，与主泡沫金属导气管的连接角度为30-60°，方向向下,主泡沫金属导气管及若干泡沫金属管骨架外围包裹一层过滤网，过滤网为不锈钢，网孔直径小于5um,热管管壳的形状为圆柱形或者扁平形；管壳的材料为包括铜、铝及不锈钢；吸液芯包括单层、多层网芯、烧结粉末吸液芯及轴向槽道吸液芯；吸液芯的材料包括铜、铝及不锈钢，吸液芯厚度为0.1-0.5cm；内腔工质包括：水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有机物；充液率为20%-50%，内腔压力为0.001MPa-0.1MPa之间。

一种热管换热泡沫金属储氢传热方法，含有以下步骤：储氢瓶的内腔装有金属氢化物及泡沫金属，在充氢时，从储氢瓶的瓶口阀处对储氢瓶充氢，储氢瓶内腔的金属氢化物释放大量热，泡沫金属与储氢瓶的瓶体贴合将热量传递出储氢瓶，热管在储氢瓶内腔的一端为蒸发端，热管吸收热量后，热管的内腔工质发生相变，内腔工质流向储氢瓶外热管的冷凝端，在冷凝端将热量散发，蒸汽变成液体，在热管的内腔吸液芯毛细管的作用下流向蒸发端，如此循环往复，从储氢瓶的瓶口阀处放氢气，泡沫金属通过储氢瓶表面及热管将外界热量均匀传递至金属氢化物，金属氢化物需要吸热，则热管蒸发端和冷凝端位置互换，在放氢时泡沫金属通过储氢瓶表面及热管将外界热量均匀传递至金属氢化物。

本发明所提供的一种热管换热泡沫金属储氢瓶，其有益效果在于：

1、主泡沫金属导气管41与若干泡沫金属加工时为一个整体，强度硬度较高，可以有效的支撑储氢材料，防止其堆积；同时内部多孔结构，可以作为储氢和放氢时氢气流动通道，使氢气能够更加均匀分布在储氢材料周围，保障储氢材料吸放氢气更加完全。

2、泡沫金属导热性能较好，使得储氢材料内部温度分布更加均匀；热管作为一种相变换热元件，与金属泡沫气管紧密贴合，具有好的传热性能，同时，若干泡沫金属与瓶体贴合，使得储氢瓶在储氢时，可以将热量高效的传递出去，加快储氢速率，节省充氢时间；在放氢时，泡沫金属可通过储氢瓶表面及热管将外界热量均匀传递至金属氢化物，使放氢更加完全且高效，加快了氢气在系统的响应时间，大大优化整个系统运行效率。

3、储氢瓶瓶体与底盖分开加工，通过螺栓连接；同时泡沫金属及热管在市场上已大量生产，大大降低瓶子制造难度，可大批量生产。

申请号202210753280.8与202110294850.7所提供的储氢瓶，为了维持储氢瓶金属氢化物的高效反应，在储氢瓶底部开孔加入电加热管，通过电加热满足金属氢化物放氢所需热量，与其相比，本发明利用热管一种高效相变换热元件，无需外部做功部件，不消耗额外的功，仅通过内部工质的相变将外部热量传导至金属储氢瓶内部，同时可根据金属氢化物最佳释放温度改变热管内真空度，调节工质真空度。不仅如此，在加氢时热管也可将储氢瓶内金属氢化物反应所产生的热量散去，大大增大了加氢速率。除了插入换热设备外，与以上两件发明申请相比，本发明将热管插入主金属泡沫内部，泡沫金属导热性能较好，使得储氢材料内部温度分布更加均匀，同时，若干泡沫金属与瓶体贴合，使得储氢瓶在储氢时，可以将热量高效的传递出去，加快储氢速率，节省充氢时间；在放氢时，泡沫金属可通过储氢瓶表面及热管将外界热量均匀传递至金属氢化物，使放氢更加完全且高效，加快了氢气在系统的响应时间，大大优化整个系统运行效率。与此同时，主泡沫金属导气管41与若干泡沫金属加工时为一个整体，强度硬度较高，可以有效的支撑储氢材料，防止其堆积；同时内部多孔结构，可以作为储氢和放氢时氢气流动通道，使氢气能够更加均匀分布在储氢材料周围，保障储氢材料吸放氢气更加完全。

申请号202110937421.7所提供的储氢瓶，公开了一种在通过铜粉烧结成多孔气管，将支气管与瓶体相连，以增强换热的目的。与其相比，本发明利用泡沫金属管代替铜粉烧结多孔管，强度硬度较高，且能制备工艺更简单，可以制备更多结构；最主要的是，本发明加入了热管这一高效换热元件，可以提供更高效的换热，不管是散热还是加热，申请号202110937421.7所提供的储氢瓶仅能通过储氢瓶表面与外界进行热交换进行换热。

本发明的优点是在金属氢化物吸氢时需要释放大量热，放氢时需要吸收大量的热，因此将吸氢时的热量快速散去，放氢时快速将热量传递至金属氢化物，将大大提高储氢罐的吸氢放氢速率，可以更快响应系统所需氢量。本发明增强储氢瓶内金属氢化物反应换热效率，使储氢瓶内温度均匀，提高安全性；提高吸放氢反应速率。本发明能够将吸氢、放氢时瓶内氢气浓度均匀，同时增强金属氢化物反应时交换，大大提高储氢罐吸氢放氢速率。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的热管内部结构示意图。

图中标记：瓶体1、瓶口阀2、底盖31、凸出圆管32、主泡沫金属导气管41、泡沫金属管42、热管5，管壳51、吸液芯52、工质53。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。

实施例1：如图1、图2所示，一种热管换热泡沫金属储氢瓶，利用热管加强换热，泡沫金属管的泡沫金属增强氢气内部流动的储氢瓶。

一种热管换热泡沫金属储氢瓶，包括瓶体1、瓶口阀2、底盖31、凸出圆管32、主泡沫金属导气管41、泡沫金属管42及热管5。瓶体1顶部装有瓶口阀2，瓶体1内腔装有金属氢化物用于储氢，瓶体1底部与底盖31通过螺纹体连接，瓶体1与底盖31均为铝制；主泡沫金属导气管41设于瓶体1的内腔中心，主泡沫金属导气管41的一端紧贴顶部瓶口阀2，主泡沫金属导气管41的另一端紧贴着底盖31，泡沫金属管42的数量多于2只，泡沫金属管42的一端与主泡沫金属导气管41连接，连接为一体结构，泡沫金属管42为轴向均匀且中心对称分布在主泡沫金属导气管41上，泡沫金属管42的另一端与瓶体1内壁紧密贴合；主泡沫金属导气管41在从底部朝上有圆柱形孔洞，底盖31中心有凸出圆管32，凸出圆管32形状为内腔空心结构的圆柱体，凸出圆管32与主泡沫金属导气管41内腔孔洞紧密贴合，凸出圆管32的内腔插入热管5，部分的热管5位于瓶体1外。

本发明所用的热管5为一体式热管，蒸发端和冷凝端可以根据内热温度自动改变，热管5位于瓶体1外部的地方，在充氢时，金属氢化物与氢气反应，放出热量，瓶体1内部温度较高，金属氢化物热量传递至热管5内部，使吸液芯52内部随之发生相变，蒸汽流向从瓶体1外的热管5部分，此时外部的热管5则为冷凝端，蒸汽在冷凝端将热量散发，蒸汽变成液体，在内腔的吸液芯52毛细管的作用下流向蒸发端，如此循环往复，无需外部做功部件。

外部冷凝端可以是自然风冷却，也可以加风扇或者加翅片增大接触面积，这里热管5仅起到传递高效传热的作用。

热管5作为一种相变换热元件，由管壳51、吸液芯52、内腔工质53构成。热管5的管壳51的内腔连接吸液芯52，吸液芯52中含有内腔工质53。

在充氢时，从瓶口阀2处充氢，储氢瓶的瓶体1内腔的金属氢化物释放大量热，热管5在储氢瓶内一端作为蒸发端（在图2热管5的顶部），吸收热量后内腔工质53发生相变，内腔工质53流向储氢瓶外的冷凝端（位于瓶体1外的热管5），在冷凝端将热量散发，蒸汽变成液体，在内腔吸液芯52毛细管的作用下流向蒸发端，如此循环往复，无需外部做功部件。

在放氢时，从瓶口阀2处放氢气，金属氢化物需要吸热，则热管5蒸发端和冷凝端位置互换。

在放氢时泡沫金属可通过储氢瓶表面及热管5将外界热量均匀传递至金属氢化物。这里的热量可以来自于金属储氢瓶被使用的系统中产生的废热，比如燃料电池。

值得注意的是，热管5与内腔工质53的真空度均是可调的，可根据金属氢化物材料所对应的最佳反应温度，选择升高或降低其沸点，温差越大则热管5整体换热效率则越高。

瓶口阀2起开口、闭口的作用。瓶口阀2将内部储氢瓶内部空间与外界隔离，使储氢瓶内部不受外界环境影响，现有的瓶口阀可以满足本储氢瓶所需，如TV-240-310 瓶口阀，集成温度压力释放阀，可以检测瓶内氢气温度。

实施例2：如图1、图2所示，一种热管换热泡沫金属储氢瓶，结构如同实施例1，主泡沫金属导气管41为圆柱形，长度与储氢瓶从顶端到底端一致，直径为储氢瓶直径的1/20-1/5；主泡沫金属导气管41在从底部朝上有圆柱形孔洞，圆柱形孔洞的直径是主泡沫金属导气管41直径的1/3-2/3，长度比主泡沫金属导气管41小1-3cm；主泡沫金属导气管41的孔径为0.1mm-1mm。

底盖31中心有凸出圆管，凸出圆管形状为圆柱体，凸出圆管与主泡沫金属导气管41内部空洞紧密贴合，凸出圆管内腔为空心结构，凸出圆管插入热管5，凸出圆管厚度为0.5-2mm。

泡沫金属管42在瓶内布置的个数为4-30，泡沫金属管42的轴向均匀且中心对称分布在主泡沫金属导气管41上；泡沫金属管42在瓶内为直管，直管与主泡沫金属导气管41的连接角度为30-60°，方向向下；泡沫金属管42的孔径为0.05-0.5mm。

主泡沫金属导气管41与若干泡沫金属管42，在主泡沫金属导气管41及若干泡沫金属管42骨架外围包裹一层过滤网；过滤网为不锈钢，网孔直径小于5um。

主泡沫金属导气管41及若干泡沫金属管42的金属包括：铝、铜、镍、不锈钢及其它合金。

热管5形状为圆柱形，热管5的管壳材料为铜，热管5的管芯为多层铜网芯及烧结铜金属粉末；热管5内腔工质53包括：水、丙酮或者酒精，内腔压力为0.001MPa-0.1Mpa。

实施例3：如图1、图2所示，一种热管换热泡沫金属储氢瓶，包括储氢瓶的瓶体1、瓶口阀2、底盖31、凸出圆管32、主泡沫金属导气管41、泡沫金属管42、热管5。瓶体1顶部装有瓶口阀2，瓶体1内腔装有金属氢化物用于储氢，瓶体1底部与底盖31通过螺纹体连接，瓶体1与底盖31均为铝制；主泡沫金属导气管41设于瓶体中心，一端紧贴顶部瓶口阀2，另一端紧贴着底盖31，若干泡沫金属管42一端与主泡沫金属41一体，另一端与瓶体1内壁紧密贴合，轴向均匀且中心对称分布在主泡沫金属导气管41上；主泡沫金属导气管41在从底部朝上有圆柱形孔洞，底盖31中心有凸出圆管32，形状为圆柱体，与主泡沫金属导气管41内腔孔洞紧密贴合，内腔为空心结构，插入热管5。

主泡沫金属导气管41及泡沫金属管42的泡沫金属为多孔结构内腔孔径较大，均匀的延伸到储氢瓶的内腔空间，同时泡沫金属管42在瓶内为直线，与主泡沫金属导气管41的连接角度为30-60°，方向向下，在充、放氢气时为氢气提供了流动汇聚通道，减小氢气流动阻力，使氢气能够更加快速流动，使氢气能够更加均匀分布在储氢材料周围，保障储氢材料吸放氢气更加完全；与此同时，主泡沫金属导气管41与若干泡沫金属管42加工时为一个整体，强度硬度较高，可以有效的支撑储氢材料，防止其堆积；泡沫金属由金属制备而成，所选泡沫金属为铝、铜、镍、不锈钢及其它合金，导热性能较好，大大增强了储氢罐内腔传热换热效率，使得储氢材料内腔温度分布更加均匀。

储氢材料的金属氢化物为储氢合金，其为LaNi 5 、TiFe、TiMn 2 、Mg 2 Ni基合金等等，储氢材料可以是粉末状，还可以是包状(即储氢合金被包裹形成包状)，本发明对储氢材料的材质及形状不进行限定。

热管5作为一种相变换热元件，与主泡沫金属气管41紧密贴合，具有好的传热性能，同时，若干泡沫金属管42与瓶体1贴合，使得储氢瓶在储氢时，可以将热量高效的传递出去，加快储氢速率，节省充氢时间；在放氢时，泡沫金属可通过储氢瓶表面及热管将外界热量均匀传递至金属氢化物，使放氢更加完全且高效，加快了氢气在系统的响应时间，大大优化整个系统运行效率。

热管5作为一种相变换热元件，由管壳51、吸液芯52及内腔工质53构成。在充氢时，金属氢化物释放大量热，热管5在储氢瓶内一端作为蒸发端，吸收热量后内腔工质53发生相变，流向储氢瓶外的冷凝端，在冷凝端将热量散发，蒸汽变成液体，在内腔吸液芯52毛细管的作用下流向蒸发端，如此循环往复，无需外部做功部件。在放氢时，金属氢化物需要吸热，则热管5蒸发端和冷凝端位置互换。值得注意的是，热管5的内腔工质53及真空度均是可调的，可根据金属氢化物材料所对应的最佳反应温度，选择升高或降低其沸点的金属氢化物材料，温差越大则热管5整体换热效率则越高。

热管管壳51的形状可根据主泡沫金属导气管41槽道改变其形状，可以为圆柱形、扁平形；管壳51材料、吸液芯52类型、内腔工质53也可根据预算及传热性能要求进行搭配挑选，其中管壳51材料包括铜、铝、不锈钢；吸液芯52种类包括，单层、多层网芯、烧结粉末吸液芯、轴向槽道吸液芯；吸液芯52材料包括铜、铝、不锈钢，吸液芯厚度为0.1-0.5cm；内腔工质53包括：水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有机物，充液率为20%-50%，内腔压力为0.001MPa-0.1MPa之间。

为了防止储氢材料金属氢化物在氢气流动时流出瓶外，在泡沫金属骨架外围包裹一层过滤网，过滤网为不锈钢，网孔直径小于5um。储氢瓶的瓶口阀具有过滤、泄压和阻断功能。

如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。