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一種儲氫床性能綜合測試裝置及采用其的測定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種儲氫床性能綜合測試裝置及采用其的測定方法，目的在于解決目前的研究主要針對儲氫材料本身進行測試，而儲氫床儲存與供給的性能測定鮮有報道的問題。其包括第一氣源、第二氣源、管路集合面板等。本發(fā)明能夠?qū)浯驳男阅苓M行綜合測試，準確測定儲氫床的性能，為儲氫床的氫氣儲存與供給提供準確的結(jié)果。本發(fā)明能夠測量儲氫床的吸放氫容量、吸放氫速率、吸放氫循環(huán)性能、床體的溫升速率和冷卻速率，測量儲氫床的氫同位素效應(yīng)，實現(xiàn)儲氫床中He-3的回收。同時，還能為儲氫床提供高氫壓和高真空氣氛，為其提供滿足要求的混合氣，實現(xiàn)氣體在本發(fā)明裝置內(nèi)部的循環(huán)，在儲氫床放氫過程中進行過壓保護，通過數(shù)據(jù)采集完成對儲氫床性能的測定。
【專利說明】一種儲氫床性能綜合測試裝置及采用其的測定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲氫領(lǐng)域，具體為一種儲氫床性能綜合測試裝置及采用其的測定方法，本發(fā)明能夠?qū)浯驳亩喾N性能進行測試，其中的氫為氕、氘、氚。

【背景技術(shù)】
[0002]能源與環(huán)境是當今世界關(guān)注的重要問題，獲得一種清潔、高效的可再生能源已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的保障。氘氚核聚變能具有資源無限、釋放能量巨大、不污染環(huán)境等優(yōu)點，因而被認為是未來人類獲取能源的主要方式。而氫能則是通過氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的能量，其作為一種來源廣泛、清潔、高效的可再生能源，目前在交通運輸領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大前景，對于緩解交通運輸所帶來的環(huán)境污染，具有重要意義。氘氚核聚變的燃料為氘、氚氣體，氫能的燃料氣為氫氣，它們均為氫的同位素，安全、高效地儲存和供給氕、氘、氚燃料氣(以下統(tǒng)稱為氫氣)成為這兩種可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的必要技術(shù)要求。
[0003]氫氣的儲存主要通過如下三種方式:1)將氫氣轉(zhuǎn)換成高壓氣態(tài)進行儲存；2)將氫氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)氫進行儲存；3 )采用儲氫材料對氫氣進行儲存。采用高壓氣態(tài)儲氫的方式，具有操作方便、充放氫速度快的優(yōu)點，但存在儲氫密度低、壓縮功消耗較大，以及安全性較差等問題。采用將氫氣裝換成液態(tài)進行儲存的方式，其儲氫密度高，但液化需要較大的能量，儲存時需要保持絕熱，同時成本昂貴，對安全技術(shù)要求較高。而采用儲氫材料對氫氣進行儲存的方式，具有種類多樣、儲氫密度高、安全方便等優(yōu)點，被認為是氫氣儲存與供給最有潛力的技術(shù)之一，也是人們研究的重點。
[0004]在實際應(yīng)用中，儲氫材料主要是放置在具有一定構(gòu)造、形狀的容器中，容器與儲氫材料形成儲氫床，通過儲氫床實現(xiàn)氫氣的儲存與供給。其中，儲氫床對氫氣的儲存與供給的性能是否滿足技術(shù)要求，不僅取決于儲氫材料本身的儲氫性能，還與儲氫床的結(jié)構(gòu)是否有利于傳熱、傳質(zhì)有關(guān)。目前，現(xiàn)有的儲氫性能測試裝置主要針對儲氫材料本身。如中國專利CN200910011065.5公開了一種儲氫合金熱致吸放氫循環(huán)綜合測試設(shè)備，CN200810205106.X公開了一種全自動儲氫材料性能測試儀及其測試方法，CN00108000.8公開了混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置及測試方法；可以看出，這些專利都針對的是儲氫材料本身的性能測試，而針對儲氫床儲存與供給氫氣的性能的測定則鮮有報道。
[0005]因此，迫切需要一種新的裝置，以解決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對目前的研究主要針對儲氫材料本身進行測試，而儲氫床儲存與供給氫氣的性能測定鮮有報道的問題，提供一種儲氫床性能綜合測試裝置及采用其的測定方法。本發(fā)明構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理，能夠?qū)浯驳男阅苓M行綜合測試，準確測定儲氫床的性能，為儲氫床的氫氣儲存與供給提供準確的結(jié)果。本發(fā)明能夠測量儲氫床的吸放氫容量、吸放氫速率、吸放氫循環(huán)性能、床體的溫升速率和冷卻速率，測量儲氫床的氫同位素效應(yīng)，實現(xiàn)儲氫床中He-3的回收。同時，本發(fā)明還能為儲氫床提供高氫壓和高真空氣氛，為其提供滿足比例要求的混合氣，實現(xiàn)氣體在本發(fā)明裝置內(nèi)部的循環(huán)，在儲氫床放氫過程中進行過壓保護，通過數(shù)據(jù)采集完成對儲氫床性能的測定。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對儲氫床性能的測定，對于實現(xiàn)儲氫床中氫氣的有效儲存與供給，具有重要意義。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種儲氫床性能綜合測試裝置，包括第一氣源、第二氣源、管路集合面板、儲氫床、計量罐、緩沖罐、用于氫氣回收的尾氣床、四極質(zhì)譜儀、用于提供氫氣的增壓床、數(shù)據(jù)采集器、溫控儀、真空泵、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道，所述第一氣源通過第一管道與管路集合面板相連，所述第二氣源通過第二管道與管路集合面板相連，所述儲氫床通過第三管道與管路集合面板相連，所述計量罐通過第四管道與管路集合面板相連，所述計量罐通過第五管道與儲氫床相連，所述計量罐通過第六管道與緩沖罐相連，所述緩沖罐通過第七管道與儲氫床相連，所述尾氣床通過第八管道與管路集合面板相連，所述四極質(zhì)譜儀通過第九管道與管路集合面板相連，所述增壓床通過第十管道與管路集合面板相連，所述管路集合面板與數(shù)據(jù)采集器相連，所述溫控儀設(shè)置在儲氫床上，所述管路集合面板與真空泵相連，所述第一管道、第二管道上分別設(shè)置有流量計，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道上分別設(shè)置有閥門，所述管路集合面板上還設(shè)置有高壓壓力變送器、低壓壓力變送器、真空計，所述計量罐上設(shè)置有低壓壓力變送器、溫度測定裝置，所述緩沖罐上設(shè)置有低壓壓力變送器、溫度測定裝置，所述增壓床上設(shè)置有高壓壓力變送器、溫度測定裝置，所述第三管道上還設(shè)置有流量計。
[0008]所述尾氣床為ZrCo基金屬氫化物床或Ti基金屬氫化物床。
[0009]所述增壓床為LaNi5基金屬氫化物床或V基金屬氫化物床。
[0010]所述溫度測定裝置為熱電偶。
[0011]所述儲氫床上還設(shè)置有溫度測定裝置。
[0012]所述第三管道、第五管道、第七管道、第八管道上分別設(shè)置有過濾器。
[0013]所述第十管道上設(shè)置有過濾器。
[0014]所述第六管道上設(shè)置有渦旋泵、循環(huán)泵。
[0015]所述閥門為隔膜閥。
[0016]所述計量罐、緩沖罐分別采用不銹鋼材料制備而成。
[0017]所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道分別采用不銹鋼內(nèi)拋光管。
[0018]所述計量罐與管路集合面板之間還設(shè)置有第十一管道，所述第十一管道上設(shè)置有陶瓷泵。
[0019]所述第十一管道采用不銹鋼內(nèi)拋光管。
[0020]采用前述儲氫床性能綜合測試裝置進行測定的方法，包括如下步驟:
(一)密封性能測試
開啟與管路集合面板相連的真空泵、真空計，真空泵通過第三管道與儲氫床連通，通過真空泵將儲氫床抽真空，關(guān)閉真空泵，通過真空計觀察儲氫床的壓力是否上升，確定儲氫床的密封性能；
(二)儲氫床吹掃確定儲氫床密封性能良好后，對儲氫床進行吹掃；
若儲氫床處于吸氫狀態(tài)，將第一氣源通過第一管道與管路集合面板連通，將儲氫床通過第三管道與管路集合面板連通，對儲氫床進行充氣，充氣完成后，關(guān)閉第一管道，同時開啟真空泵，對儲氫床進行抽真空，抽真空完成后，關(guān)閉真空泵，反復(fù)多次，完成對儲氫床的吹掃；
或者若儲氫床處于放氫狀態(tài)，通過溫控儀將儲氫床進行升溫，同時開啟與管路集合面板相連的真空泵，抽真空完成后，關(guān)閉第三管道，完成對儲氫床的吹掃；
(三)吸氫測試
先將第一氣源通過第一管道與管路集合面板連通，再將計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，通過第一氣源向計量罐中充入氫氣，然后關(guān)閉第一管道、第四管道，待計量罐的壓力穩(wěn)定后，再將計量罐通過第五管道與儲氫床連通，使儲氫床開始吸氫，記錄計量罐隨時間變化的壓力值，得到儲氫床的吸氫曲線；
或者先將增壓床通過第十管道與管路集合面板連通，開啟高壓壓力變送器，并將增壓床加熱，使增壓床釋放氫氣，通過高壓壓力變送器觀察壓力值，當壓力值達到所需壓力時，開啟第三管道，將儲氫床與管路集合面板連通，使儲氫床開始吸氫，記錄第三管道上的流量計中的氫氣累計流量隨時間變化的壓力值，得到儲氫床的吸氫曲線；
(四)放熱效應(yīng)及傳熱效果測試
在吸氫測試的過程中，記錄儲氫床的溫度變化；
(五)靜態(tài)放氫測試
將真空泵與管路集合面板連通，再將第四管道打開，使計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，將計量罐抽至一定壓力，關(guān)閉真空泵和第四管道，再通過溫控儀將儲氫床進行加熱，待儲氫床的溫度穩(wěn)定后，開啟第五管道，向計量罐釋放氫氣，記錄計量罐中氫氣壓力隨時間的變化，得到儲氫床的靜態(tài)等溫放氫曲線；
(六)動態(tài)放氫測試
將真空泵與管路集合面板連通，再將第四管道打開，使計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，將計量罐抽至一定壓力，關(guān)閉真空泵和第四管道，再通過溫控儀將儲氫床進行加熱，待儲氫床的溫度穩(wěn)定后，打開第七管道、第六管道及設(shè)置在第六管道上的渦旋泵、循環(huán)泵，使儲氫床通過緩沖罐向計量罐中釋放氫氣，記錄計量罐中氫氣壓力隨時間的變化，得到儲氫床的動態(tài)等溫放氫曲線；
(七)同位素效應(yīng)測試
打開第一管道、第四管道，將第一氣源與管路集合面板連通、管路集合面板與計量罐連通，向計量罐中加入一定量的氫氣，再將第一管道關(guān)閉、第二管道打開，使第二氣源依次通過第二管道、管路集合面板、第四管道與計量罐連通，向計量罐中加入一定量的氘氣，關(guān)閉第二管道、打開第九管道，使四極質(zhì)譜儀通過第九管道與管路集合面板連通，通過四極質(zhì)譜儀記錄計量罐中混合氣的氫氘比，得吸入氣的氫氘比；關(guān)閉第九管道、第四管道，開啟第五管道，使儲氫床吸收計量罐中的混合氣，待計量罐中的壓力穩(wěn)定時，儲氫床吸氣完畢；然后關(guān)閉第五管道，打開第四管道、第八管道，使計量罐與管路集合面板連通、管路集合面板與尾氣床連通，用尾氣床吸收計量罐中的剩余混合氣，待尾氣床吸收完畢后，關(guān)閉第八管道、第四管道；然后打開第七管道，使儲氫床與緩沖罐連通，并通過溫控儀將儲氫床加熱，待儲氫床溫度穩(wěn)定后，將第六管道及設(shè)置在第六管道上的渦旋泵、循環(huán)泵打開，儲氫床通過緩沖罐向計量罐中釋放氫氘混合氣，待儲氫床放氣完畢后，關(guān)閉第七管道、第六管道、設(shè)置在第六管道上的渦旋泵與循環(huán)泵，并將第四管道、第九管道打開，使計量罐與管路集合面板連通、四極質(zhì)譜儀與管路集合面板連通，通過四極質(zhì)譜儀測定計量罐中的氫氘比，得放出氣的氫氘比；根據(jù)放出氣的氫氘比與吸入氣的氫氘比的對比，得到儲氫床的氫氘同位素效應(yīng)；同理，也可以測得儲氫床的氫氚、氘氚同位素效應(yīng)；
(A) He-3 回收
若儲氫床中貯存有氚，氚會衰變生成價格昂貴的He-3 ;通過溫控儀將儲氫床加熱，然后開啟第五管道，使含有He-3和氚同位素氣體的混合氣通過第五管道進入到計量罐中；然后關(guān)閉第五管道，開啟第四管道、第八管道，使計量罐與管路集合面板連通、管路集合面板與第八管道連通，用尾氣床吸收混合氣中的氚同位素氣體，待吸收完成后，關(guān)閉第四管道、第八管道，使He-3殘留在計量罐中，通過計量罐進行He-3的回收。
[0021]步驟八中，可增加一個氣體收集容器與管路集合面板相接，實現(xiàn)He-3的轉(zhuǎn)移。He-3殘留在計量罐后，打開第十一管道、陶瓷泵，使計量罐與管路集合面板相連，氣體收集容器通過管路集合面板與計量罐連通，陶瓷泵將He-3轉(zhuǎn)移至氣體收集容器中，收集完畢后，關(guān)閉第十一管道，通過氣體收集容器完成He-3的轉(zhuǎn)移。
[0022]針對前述問題，本發(fā)明提供一種儲氫床性能綜合測試裝置及采用其的測定方法。本發(fā)明的裝置主要由第一氣源、第二氣源、管路集合面板、儲氫床、計量罐、緩沖罐、尾氣床、四極質(zhì)譜儀、增壓床、數(shù)據(jù)采集器、溫控儀、真空泵等組成。
[0023]本發(fā)明中，第一氣源、第二氣源能夠為系統(tǒng)提供氣體，氣體種類可為H2、D2> T2、Ar、He、O2等任意氣體。管路集合面板，英文稱為manifold，其是管路、閥門與壓力變送器、真空計、熱電偶等的信號線所集成的面板。儲氫床的氫可為氕、氘、氚，即儲氫床能夠用于氕、氘、氚氣的存儲。尾氣床作為一種用于氫氣回收的金屬氫化物床，其中金屬氫化物的種類為ZrCo基金屬氫化物或Ti基金屬氫化物。增壓床為一種用于提供高壓、高純氫氣的金屬氫化物床，其中的金屬氫化物的種類為LaNi5基金屬氫化物或V基金屬氫化物，可提供氫氣壓力范圍為廣200 bar。四極質(zhì)譜儀用于分析氫的同位素效應(yīng)以及測量系統(tǒng)中氣體的成分。壓力變送器用于把系統(tǒng)管路中、計量罐、緩沖罐、增壓床、尾氣床、儲氫床中的壓力值變?yōu)殡娦盘?，分為高壓壓力變送器、低壓壓力變送器兩種，高壓壓力變送器的量程為(T20MPa，低壓壓力變送器的量程為(T5bar。真空計用于測量系統(tǒng)或其組件在真空狀態(tài)下的壓力，最大測試壓力為10 torr。溫控儀為一種溫度控制器，控制儲氫床、尾氣床、增壓床的溫度變化和溫度變化速率。流量計用于量測和控制從氣源流入系統(tǒng)以及流入、流出儲氫床的流量值；通過控制不同氣源流入量的多少，可實現(xiàn)向系統(tǒng)提供任意配比的氣體。溫度測定裝置可采用熱電偶，熱電偶能用于實時測量增壓床、尾氣床、儲氫床中的溫度。計量罐、緩沖罐分別采用不銹鋼材料制備而成，計量罐、緩沖罐的使用壓力分別為(Γ0.25 MPa，計量罐能夠用于暫存氣體以及計量氣體變化量，緩沖罐則用于暫存氣體、計量氣體變化量和對儲氫床進行過壓保護，有效保護裝置安全。數(shù)據(jù)采集器為一種無紙記錄儀，能夠記錄相應(yīng)的信號。各組件之間通過管路相連，組件與管路之間通過閥門或焊接的方式相連，管路可采用不銹鋼內(nèi)拋光管組成。溫控儀能夠控制儲氫床、尾氣床、增壓床的溫度變化和溫度變化速率的方式，根據(jù)熱電偶反饋的實時信號對儲氫床、尾氣床、增壓床進行加熱，加熱方式為電阻加熱，加熱溫度范圍為室溫至700°C。真空泵用于整個系統(tǒng)的抽真空，可使整個系統(tǒng)的真空度達10_8Pa以上。閥門能用于隔斷和接通系統(tǒng)的各個組件，使用壓力范圍為(Γ240 bar，優(yōu)選采用隔膜閥，如Swagelok公司的。
[0024]進一步，還包括過濾器，過濾器用于過濾增壓床、尾氣床、儲氫床所釋放出氫氣中的粉塵，保證所釋放氫氣的純度。進一步，還包括渦旋泵、循環(huán)泵，渦旋泵用于把緩沖罐中的氣體泵輸至計量罐，并使緩沖罐保持較低壓力；循環(huán)泵用于把緩沖罐中的氣體泵輸至計量罐，并使計量罐的壓力能夠達到I bar以上。進一步，還包括陶瓷泵，其用于把計量罐中的氣體泵輸至管路集合面板、儲氫床、尾氣床、增壓床。
[0025]同時，本發(fā)明還提供采用前述儲氫床性能綜合測試裝置進行測定的方法。采用本發(fā)明的裝置能夠用于測量儲氫床的吸放氫容量、吸放氫速率、吸放氫循環(huán)性能、床體的溫升速率和冷卻速率；還能用于測量儲氫床的氫同位素效應(yīng)，實現(xiàn)儲氫床中He-3的回收；同時，本發(fā)明還能為儲氫床提供高氫壓和高真空氣氛，并提供滿足比例要求的混合氣。而且，本發(fā)明可實現(xiàn)氣體在系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)，并在儲氫床放氫過程中進行過壓保護，還能實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)實時采集。
[0026]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明功能豐富，實現(xiàn)了對儲氫床整體儲氫性能的綜合測試，并且，裝置的使用壓力、溫度范圍廣，從高真空到高壓均可測；同時，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時測量與自動采集；本發(fā)明還可節(jié)約資源，其中的氫同位素氣體可循環(huán)使用，通過尾氣床可以回收尾氣；本發(fā)明的裝置對儲氫床進行了過壓保護，安全性高；本發(fā)明的組件之間采用管道、閥門連接，易于安裝與拆卸，維護快捷、方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖中標記:1為第一氣源,2為第二氣源,3為管路集合面板,4為儲氫床,5為計量罐，6為緩沖罐，7為尾氣床，8為四極質(zhì)譜儀，9為增壓床，10為數(shù)據(jù)采集器，11為溫控儀，12為真空泵，13為第一管道，14為第二管道，15為第三管道，16為第四管道，17為第五管道，18為第六管道，19為第七管道，20為第八管道，21為第九管道，22為第十管道，23為流量計，24為高壓壓力變送器，25為低壓壓力變送器，26為真空計，27為溫度測定裝置，28為過濾器，29為第十一管道，30為陶瓷泵，31為渦旋泵，32為循環(huán)泵。

【具體實施方式】
[0029]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0030]本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0031]本發(fā)明采用的裝置如圖1所示。
[0032]該裝置包括第一氣源、第二氣源、管路集合面板、儲氫床、計量罐、緩沖罐、用于氫氣回收的尾氣床、四極質(zhì)譜儀、用于提供氫氣的增壓床、數(shù)據(jù)采集器、溫控儀、真空泵、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道、第十一管道。
[0033]其中，第一氣源通過第一管道與管路集合面板相連，第二氣源通過第二管道與管路集合面板相連，儲氫床通過第三管道與管路集合面板相連，計量罐通過第四管道與管路集合面板相連，計量罐通過第五管道與儲氫床相連，計量罐通過第六管道與緩沖罐相連，緩沖罐通過第七管道與儲氫床相連，尾氣床通過第八管道與管路集合面板相連，四極質(zhì)譜儀通過第九管道與管路集合面板相連，增壓床通過第十管道與管路集合面板相連，管路集合面板與數(shù)據(jù)采集器相連，溫控儀設(shè)置在儲氫床上，管路集合面板與真空泵相連。
[0034]第一管道、第二管道上分別設(shè)置有流量計，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道上分別設(shè)置有閥門，管路集合面板上還設(shè)置有高壓壓力變送器、低壓壓力變送器、真空計，計量罐上設(shè)置有低壓壓力變送器、溫度測定裝置，緩沖罐上設(shè)置有低壓壓力變送器、溫度測定裝置，增壓床上設(shè)置有高壓壓力變送器、溫度測定裝置，儲氫床上還設(shè)置有溫度測定裝置，第三管道上還設(shè)置有流量計。
[0035]第三管道、第五管道、第七管道、第八管道、第十管道上分別設(shè)置有過濾器。第六管道上設(shè)置有渦旋泵、循環(huán)泵。第十一管道設(shè)置在計量罐與管路集合面板之間，第十一管道上設(shè)置有陶瓷泵。
[0036]本發(fā)明的實施例中，溫度測定裝置為熱電偶，閥門為隔膜閥，計量罐、緩沖罐分別采用不銹鋼材料制備而成，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道、第十一管分別采用不銹鋼內(nèi)拋光管。尾氣床采用ZrCo基金屬氫化物床或Ti基金屬氫化物床。增壓床采用LaNi5基金屬氫化物床或V基金屬氫化物床。
[0037]本發(fā)明中，第一氣源、第二氣源為系統(tǒng)提供氣體，氣體種類可為H2、D2、T2、Ar、He、02等；計量罐用于暫存氣體以及計量氣體變化量；緩沖罐除用于暫存氣體、計量氣體變化量，還能對儲氫床進行過壓保護。本發(fā)明的增壓床內(nèi)的金屬氫化物的種類為LaNi5基金屬氫化物或V基金屬氫化物，能夠提供高壓、高純氫氣，尾氣床中的金屬氫化物的種類為ZrCo基金屬氫化物或Ti基金屬氫化物，用于氫氣的回收。四極質(zhì)譜儀用于分析氫的同位素效應(yīng)以及測量系統(tǒng)中氣體的成分；真空計能用于測量系統(tǒng)或其組件在真空狀態(tài)下的壓力；壓力變送器包括高壓壓力變送器、低壓壓力變送器，其能夠?qū)毫χ缔D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，高壓壓力變送器的量程?T20MPa，低壓壓力變送器的量程為(T5bar。儲氫床的氫可為氕、氘、氚；溫控儀能控制溫度變化和溫度變化速率的方式；過濾器用于過濾釋放出氫氣中的粉塵，保證所釋放氫氣的純度；熱電偶能用于實時測量增壓床、尾氣床、儲氫床中的溫度。
[0038]實施例1密封性能測試
檢查各部件連接好后，開啟與管路集合面板相連的真空泵、真空計，真空泵通過第三管道與儲氫床連通，通過真空泵將儲氫床抽真空3(T60min，至真空計的數(shù)值為10_8Pa時，關(guān)閉真空泵。觀察壓力是否上升，如果上升或者系統(tǒng)壓力根本抽不到10_8Pa，說明儲氫床有漏點或者閥門沒接好，需要重新安裝儲氫床或者對儲氫床進行補漏。若壓力不上升，則說明不漏，儲氫床密封性能良好。
[0039]實施例2儲氫床吹掃確定儲氫床密封性能良好后，對儲氫床進行吹掃。
[0040]若儲氫床中的儲氫材料處于吸氫狀態(tài)，將第一氣源通過第一管道與管路集合面板連通，將儲氫床通過第三管道與管路集合面板連通，對儲氫床充2?3 bar氫氣，充氣完成后，關(guān)閉第一管道，同時開啟真空泵，對儲氫床進行抽真空l(Tl5min，抽真空完成后，關(guān)閉真空泵。反復(fù)2?3次，完成對儲氫床的吹掃。
[0041]若儲氫床處于放氫狀態(tài)，通過溫控儀將儲氫床升溫至110°C，同時開啟與管路集合面板相連的真空泵，抽真空3(T60min。抽真空完成后，關(guān)閉第三管道，完成對儲氫床的吹掃。
[0042]實施例3吸氫測試
若儲氫床需要的吸氫壓力小于0.25 MPa，可以從計量罐吸氫，通過記錄計量罐的壓力隨時間的變化，來測試儲氫床的吸氫動力學(xué)性能及吸氫量。先將第一氣源通過第一管道與管路集合面板連通，再將計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，通過第一氣源向計量罐中充入0.Γ0.25 MPa氫氣。然后關(guān)閉第一管道、第四管道，待計量罐穩(wěn)定后，再將計量罐通過第五管道與儲氫床連通，使儲氫床開始吸氫，記錄計量罐隨時間變化的壓力值，得到儲氫床的吸氫曲線。
[0043]若儲氫床需要的吸氫壓力大于0.25 MPa，可以由增壓床釋放氫氣并達到所需要的氫壓，通過記錄第三管道上的流量計中氫氣的流量隨時間的增量，來測試測試儲氫床的吸氫動力學(xué)性能及吸氫量。先將增壓床通過第十管道與管路集合面板連通，開啟高壓壓力變送器，并將增壓床加熱，使增壓床釋放氫氣，通過高壓壓力變送器觀察壓力值，當壓力值達到所需壓力時，開啟第三管道，將儲氫床與管路集合面板連通，使儲氫床開始吸氫，記錄第三管道上的流量計中氫氣流動累計量隨時間變化的壓力值，得到儲氫床的吸氫曲線。
[0044]同時,儲氫過程是個放熱過程,在儲氫床進行吸氫時會因為放熱導(dǎo)致儲氫床溫度的升高。因此，本系統(tǒng)還可以通過實時監(jiān)測儲氫床吸氫時床體溫度的變化來判斷儲氫床中儲氫材料的放熱效應(yīng)大小以及床體結(jié)構(gòu)傳熱效果的優(yōu)劣。
[0045]實施例4靜態(tài)放氫測試
將真空泵與管路集合面板連通，再將第四管道打開，使計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，將計量罐抽至一定壓力，關(guān)閉真空泵和第四管道。再通過溫控儀將儲氫床進行加熱，待儲氫床的溫度穩(wěn)定后，開啟第五管道，向計量罐釋放氫氣，記錄計量罐中氫氣壓力隨時間的變化，得到儲氫床的靜態(tài)等溫放氫曲線。
[0046]實施例5動態(tài)放氫測試
將真空泵與管路集合面板連通，再將第四管道打開，使計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，將計量罐抽至一定壓力，關(guān)閉真空泵和第四管道，再通過溫控儀將儲氫床進行加熱，待儲氫床的溫度穩(wěn)定后，打開第七管道、第六管道及設(shè)置在第六管道上的渦旋泵、循環(huán)泵，使儲氫床通過緩沖罐向計量罐中釋放氫氣，記錄計量罐中氫氣壓力隨時間的變化，得到儲氫床的動態(tài)等溫放氫曲線。
[0047]靜態(tài)放氫是指向一個固定的定容容器內(nèi)放氫；動態(tài)放氫則主要用于測試儲氫床在實際供氣狀態(tài)下或升溫時，床體氫壓增加過高需要過壓保護時的放氫性能。本發(fā)明能夠?qū)浯苍陟o態(tài)和動態(tài)兩種情況下的放氫性能進行有效測試。
[0048]實施例6儲氫床氫氣同位素效應(yīng)測試
在氘氚核聚變堆中，儲氫床需要供給具有一定氘氚比的氘氚混合氣體。由于許多儲氫材料都有氫同位素效應(yīng)，儲氫床放氣時并不能按照吸氣時氘氚混合氣的比例放出，因此，需要對儲氫床的同位素效應(yīng)進行研究與測試，以期放出滿足比例要求的混合氣。具體測試過程如下。
[0049]打開第一管道、第四管道，將第一氣源與管路集合面板連通、管路集合面板與計量罐連通，向計量罐中加入一定量的氫氣，再將第一管道關(guān)閉、第二管道打開，使第二氣源依次通過第二管道、管路集合面板、第四管道與計量罐連通，向計量罐中加入一定量的氘氣，關(guān)閉第二管道、打開第九管道，使四極質(zhì)譜儀通過第九管道與管路集合面板連通，通過四極質(zhì)譜儀記錄計量罐中混合氣的氫氘比，得吸入氣的氫氘比。關(guān)閉第九管道、第四管道，開啟第五管道，使儲氫床吸收計量罐中的混合氣，待計量罐中的壓力穩(wěn)定時，儲氫床吸氣完畢。然后關(guān)閉第五管道，打開第四管道、第八管道，使計量罐與管路集合面板連通、管路集合面板與尾氣床連通，用尾氣床吸收計量罐中的剩余混合氣，待尾氣床吸收完畢后，關(guān)閉第八管道、第四管道。然后打開第七管道，使儲氫床與緩沖罐連通，并通過溫控儀將儲氫床加熱，待儲氫床溫度穩(wěn)定后，將第六管道及設(shè)置在第六管道上的渦旋泵、循環(huán)泵打開，儲氫床通過緩沖罐向計量罐中釋放氫氘混合氣，待儲氫床放氣完畢后，關(guān)閉第七管道、第六管道、設(shè)置在第六管道上的渦旋泵與循環(huán)泵，并將第四管道、第九管道打開，使計量罐與管路集合面板連通、四極質(zhì)譜儀與管路集合面板連通，通過四極質(zhì)譜儀測定計量罐中的氫氘比，得放出氣的氫氘比。根據(jù)放出氣的氫氘比與吸入氣的氫氘比的對比，得到儲氫床的氫氘同位素效應(yīng)。
[0050]同理，采用該裝置可以測得儲氫床的氫氚、氘氚同位素效應(yīng)。
[0051]實施例7 He-3回收
通過溫控儀將儲氫床加熱，然后開啟第五管道，使含有He-3和氚同位素氣體的混合氣通過第五管道進入到計量罐中。然后關(guān)閉第五管道，開啟第四管道、第八管道，使計量罐與管路集合面板連通、管路集合面板與第八管道連通，用尾氣床吸收混合氣中的氚同位素氣體，待吸收完成后，關(guān)閉第四管道、第八管道，使He-3殘留在計量罐中，通過計量罐進行He-3的回收。
[0052]或者，可增加一個與管路集合面板相接的氣體收集容器，實現(xiàn)He-3的轉(zhuǎn)移。打開第十一管道、陶瓷泵，使計量罐與管路集合面板相連，氣體收集容器通過管路集合面板與計量罐連通，陶瓷泵將He-3轉(zhuǎn)移至氣體收集容器中，收集完畢后，關(guān)閉第十一管道，通過氣體收集容器完成He-3的轉(zhuǎn)移。
[0053]He-3作為氚衰變后會形成的價格昂貴產(chǎn)物，同時其存在系統(tǒng)內(nèi)也會影響系統(tǒng)性能，因此，需要定期對其進行收集。
[0054]通過實際使用驗證，表明本發(fā)明能夠?qū)浯驳男阅苓M行有效測定，并且具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，裝置的使用壓力、溫度范圍廣，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時測量與自動采集，He-3回收等特點，對于實現(xiàn)儲氫床性能的測定具有重要意義。
[0055]同時，本發(fā)明對儲氫床進行了過壓保護，安全性高；組件之間采用管道、閥門連接，易于安裝與拆卸，維護快捷、方便。
[0056]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權(quán)利要求】
1.一種儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，包括第一氣源、第二氣源、管路集合面板、儲氫床、計量罐、緩沖罐、用于氫氣回收的尾氣床、四極質(zhì)譜儀、用于提供氫氣的增壓床、數(shù)據(jù)采集器、溫控儀、真空泵、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道，所述第一氣源通過第一管道與管路集合面板相連，所述第二氣源通過第二管道與管路集合面板相連，所述儲氫床通過第三管道與管路集合面板相連，所述計量罐通過第四管道與管路集合面板相連，所述計量罐通過第五管道與儲氫床相連，所述計量罐通過第六管道與緩沖罐相連，所述緩沖罐通過第七管道與儲氫床相連，所述尾氣床通過第八管道與管路集合面板相連，所述四極質(zhì)譜儀通過第九管道與管路集合面板相連，所述增壓床通過第十管道與管路集合面板相連，所述管路集合面板與數(shù)據(jù)采集器相連，所述溫控儀設(shè)置在儲氫床上，所述管路集合面板與真空泵相連，所述第一管道、第二管道上分別設(shè)置有流量計，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道、第七管道、第八管道、第九管道、第十管道上分別設(shè)置有閥門，所述管路集合面板上還設(shè)置有高壓壓力變送器、低壓壓力變送器、真空計，所述計量罐上設(shè)置有低壓壓力變送器、溫度測定裝置，所述緩沖罐上設(shè)置有低壓壓力變送器、溫度測定裝置，所述增壓床上設(shè)置有高壓壓力變送器、溫度測定裝置，所述第三管道上還設(shè)置有流量計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述尾氣床為ZrCo基金屬氫化物床或Ti基金屬氫化物床。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述增壓床為LaNi5基金屬氫化物床或V基金屬氫化物床。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述儲氫床上還設(shè)置有溫度測定裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述第三管道、第五管道、第七管道、第八管道上分別設(shè)置有過濾器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述第十管道上設(shè)置有過濾器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述第六管道上設(shè)置有渦旋泵、循環(huán)泵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述儲氫床性能綜合測試裝置，其特征在于，所述計量罐與管路集合面板之間還設(shè)置有第十一管道，所述第十一管道上設(shè)置有陶瓷泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述儲氫床性能綜合測試裝置進行測定的方法，其特征在于，包括如下步驟: (一)密封性能測試 開啟與管路集合面板相連的真空泵、真空計，真空泵通過第三管道與儲氫床連通，通過真空泵將儲氫床抽真空，關(guān)閉真空泵，通過真空計觀察儲氫床的壓力是否上升，確定儲氫床的密封性能； (二)儲氫床吹掃 確定儲氫床密封性能良好后，對儲氫床進行吹掃； 若儲氫床處于吸氫狀態(tài)，將第一氣源通過第一管道與管路集合面板連通，將儲氫床通過第三管道與管路集合面板連通，對儲氫床進行充氣，充氣完成后，關(guān)閉第一管道，同時開啟真空泵，對儲氫床進行抽真空，抽真空完成后，關(guān)閉真空泵，反復(fù)多次，完成對儲氫床的吹掃； 或者若儲氫床處于放氫狀態(tài)，通過溫控儀將儲氫床進行升溫，同時開啟與管路集合面板相連的真空泵，抽真空完成后，關(guān)閉第三管道，完成對儲氫床的吹掃； (三)吸氫測試 先將第一氣源通過第一管道與管路集合面板連通，再將計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，通過第一氣源向計量罐中充入氫氣，然后關(guān)閉第一管道、第四管道，待計量罐壓力穩(wěn)定后，再將計量罐通過第五管道與儲氫床連通，使儲氫床開始吸氫，記錄計量罐隨時間變化的壓力值，得到儲氫床的吸氫曲線； 或者先將增壓床通過第十管道與管路集合面板連通，開啟高壓壓力變送器，并將增壓床加熱，使增壓床釋放氫氣，通過高壓壓力變送器觀察壓力值，當壓力值達到所需壓力時，開啟第三管道，將儲氫床與管路集合面板連通，使儲氫床開始吸氫，記錄第三管道上的流量計中的氫氣累計流量隨時間變化的壓力值，得到儲氫床的吸氫曲線； (四)放熱效應(yīng)及傳熱效果測試 在吸氫測試的過程中，記錄儲氫床的溫度變化； (五)靜態(tài)放氫測試 將真空泵與管路集合面板連通，再將第四管道打開，使計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，將計量罐抽至一定壓力，關(guān)閉真空泵和第四管道，再通過溫控儀將儲氫床進行加熱，待儲氫床的溫度穩(wěn)定后，開啟第五管道，向計量罐釋放氫氣，記錄計量罐中氫氣壓力隨時間的變化，得到儲氫床的靜態(tài)等溫放氫曲線； (六)動態(tài)放氫測試 將真空泵與管路集合面板連通，再將第四管道打開，使計量罐通過第四管道與管路集合面板連通，將計量罐抽至一定壓力，關(guān)閉真空泵和第四管道，再通過溫控儀將儲氫床進行加熱，待儲氫床的溫度穩(wěn)定后，打開第七管道、第六管道及設(shè)置在第六管道上的渦旋泵、循環(huán)泵，使儲氫床通過緩沖罐向計量罐中釋放氫氣，記錄計量罐中氫氣壓力隨時間的變化，得到儲氫床的動態(tài)等溫放氫曲線； (七)同位素效應(yīng)測試 打開第一管道、第四管道，將第一氣源與管路集合面板連通、管路集合面板與計量罐連通，向計量罐中加入一定量的氫氣，再將第一管道關(guān)閉、第二管道打開，使第二氣源依次通過第二管道、管路集合面板、第四管道與計量罐連通，向計量罐中加入一定量的氘氣，關(guān)閉第二管道、打開第九管道，使四極質(zhì)譜儀通過第九管道與管路集合面板連通，通過四極質(zhì)譜儀記錄計量罐中混合氣的氫氘比，得吸入氣的氫氘比；關(guān)閉第九管道、第四管道，開啟第五管道，使儲氫床吸收計量罐中的混合氣，待計量罐中的壓力穩(wěn)定時，儲氫床吸氣完畢；然后關(guān)閉第五管道，打開第四管道、第八管道，使計量罐與管路集合面板連通、管路集合面板與尾氣床連通，用尾氣床吸收計量罐中的剩余混合氣，待尾氣床吸收完畢后，關(guān)閉第八管道、第四管道；然后打開第七管道，使儲氫床與緩沖罐連通，并通過溫控儀將儲氫床加熱，待儲氫床溫度穩(wěn)定后，將第六管道及設(shè)置在第六管道上的渦旋泵、循環(huán)泵打開，儲氫床通過緩沖罐向計量罐中釋放氫氘混合氣，待儲氫床放氣完畢后，關(guān)閉第七管道、第六管道、設(shè)置在第六管道上的渦旋泵與循環(huán)泵，并將第四管道、第九管道打開，使計量罐與管路集合面板連通、四極質(zhì)譜儀與管路集合面板連通，通過四極質(zhì)譜儀測定計量罐中的氫氘比，得放出氣的氫氘比；根據(jù)放出氣的氫氘比與吸入氣的氫氘比的對比，得到儲氫床的氫氘同位素效應(yīng)；同理，也可以測得儲氫床的氫氚、氘氚同位素效應(yīng)； (A) He-3 回收 若儲氫床中貯存有氚，氚會衰變生成價格昂貴的He-3 ;通過溫控儀將儲氫床加熱，然后開啟第五管道，使含有He-3和氚同位素氣體的混合氣通過第五管道進入到計量罐中?’然后關(guān)閉第五管道，開啟第四管道、第八管道，使計量罐與管路集合面板連通、管路集合面板與第八管道連通，用尾氣床吸收混合氣中的氚同位素氣體，待吸收完成后，關(guān)閉第四管道、第八管道，使He-3殘留在計量罐中，通過計量罐進行He-3的回收。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述儲氫床性能綜合測試裝置進行測定的方法，其特征在于，步驟八中，可增加一個與管路集合面板相接的氣體收集容器，實現(xiàn)He-3的轉(zhuǎn)移； He-3殘留在計量罐后，打開第十一管道、陶瓷泵，使計量罐與管路集合面板相連，氣體收集容器通過管路集合面板與計量罐連通，陶瓷泵將He-3轉(zhuǎn)移至氣體收集容器中，收集完畢后，關(guān)閉第十一管道，通過氣體收集容器完成He-3的轉(zhuǎn)移。
【文檔編號】G01N7/00GK104181075SQ201410426146
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】寇化秦, 羅文華, 黃志勇, 蒙大橋, 桑革, 張光輝 申請人:四川材料與工藝研究所