【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種用于儲存或傳輸氫氣的裝置及其制備工藝。
技術介紹
1、氫氣作為能源正變得越來越重要，尤其是在機動領域應用中替代化石燃料，但也可用于鐵礦石的直接還原或用于燃料電池發電。
2、此外，在許多技術應用中，無論氫氣以何種形式釋放，都會對技術中使用的材料產生影響。這主要包括深層鉆探技術，也包括防酸建筑以及整個天然氣和石油行業。
3、氫氣的儲存以及氫氣在技術工藝中的存在都是一項挑戰。
4、在適當裝備的內燃機中使用氫氣作為直接燃燒的燃料，在燃料電池中使用氫氣發電，以及在儲存氫氣用于例如直接還原鐵礦石時，都需要合適的儲存設施和儲存方法。但是，在眾多可能的燃料中，氫氣顯然具有巨大的潛在危險。
5、當氫氣逸出時，會與周圍空氣形成易燃混合物，其中，如果氫氣含量大于18％，則氫氣和氧氣形成均勻的爆炸性混合物。
6、在所有原子中，氫的尺寸最小，因此能夠在許多材料中擴散，這使得許多材料不適合完全適合用于傳統燃料容器。高溫或高壓會進一步加劇擴散過程。特別的問題存在于金屬容器中，因為它們會發生通常所說的氫脆。這就意味著，材料會隨著時間的推移而變脆，因此不再能以足夠的穩定性來抵抗例如入侵荷載。雖然塑料封套實際上不會產生這種影響，但許多可能的塑料材料還是難以回收利用。
7、如果使用液化氫，它可能會從容器中蒸發或排出，在這種情況下，必須抵消體積的急劇增加以及壓力的增加，特別是通過使用超壓閥，這可能意味著相當大的氫氣損失。
8、從大體上講，在加壓容器中儲存的問題如今已經
9、在相應的管道中傳輸氫氣時，上述問題也會相應出現。
10、然而，在處理或提取諸如甲烷或天然氣之類的烴類氣體的過程中也會出現這些問題，其中也會出現氫氣暴露。
11、除了以液體或加壓氣體的形式儲存外，還有一種通常被稱為金屬混合儲存系統的方法，將氫氣儲存在金屬晶格的間隙中。吸附儲存也是已知的。
12、如前所述，金屬會發生脆化，尤其是鋼，眾所周知其會發生氫致開裂或氫脆。在這種情況下，即使是ppm量級的少量氫氣也足以導致部件過早失效。隨著時間的推移，這種脆化會降低強度，金屬材料具有不同的氫耐受性。這方面的一個特殊挑戰是，高強度鋼材料對氫脆的反應特別敏感。可以用強度較低的材料制作金屬容器，特別是鋼制容器，以抵消這種情況。但這也使得這種容器必須有更厚的壁，才能提供所需的穩定性。這導致重量增加，并且在機動領域的使用中，由于更大的重量而導致更高的燃料消耗。此外，儲存氫氣的壓力可能會受到限制，從而也會降低儲存容量。雖然由cfk(碳纖維增強材料)制成的儲罐在儲存方面確實具有優勢，但它們難以回收，而且比金屬制成的儲罐昂貴得多。雖然在金屬氫化物中儲存在原則上確實可行，但在機動領域的應用中必須嚴格看待，例如，因為裝載是一個緩慢而困難的過程。
13、雖然氫氣阻隔是一種可行的解決方案，但薄阻隔層也存在風險，因為即使是最小的局部損壞也會導致組件失效和罐體爆裂。此外，必須隨后施加阻隔層，并且需要額外的工作步驟。更糟糕的是，即使是這些阻隔層也不是100％不透氫的，使得氫原子遲早會滲透到每種材料中。化學勢是氫氣擴散和一般擴散的原因。粒子擴散到化學勢較低的位置，從而平衡化學勢，達到能量上更有利的狀態。固體中任何元素的局部化學勢都由多種因素決定，如局部結構的化學成分和溫度。然而，最重要的因素是元素本身的濃度。
14、根據擴散定律，氫氣穿過壁的擴散也會導致材料中相應局部區域的氫電勢特別低，從而導致向外的濃度梯度，在這些區域氫氣會積聚并導致濃度過高。由于氫脆，這些局部過量濃度對金屬容器尤其危險。
15、h2分子首先附著在表面并離解形成氫原子，其中氫原子滲透鋼。來自氣體本身的氫原子也可以滲透材料，但粒子更有可能在滲透之前發生重新組合。
16、例如，鍍鋅被作為阻隔層。如上所述，通過鍍鋅確實可以部分防止氫氣的滲透，但薄鋅涂層，通常在低兩位數微米范圍內，很容易受到損壞。通常在鋼板兩側設置的阻隔還能防止氫從材料中回流。因此，對于此類材料，材料中的氫含量會隨著時間的延長而增加。如前所述，如果達到臨界氫濃度，可能會導致部件因氫脆而失效。
17、de102017204240a1公開了一種由鋼制成的整體部件，其中不同的層是通過選擇性淬火和氮化從其內部產生的。其目的是生產不同的層，以實現可靠的儲氫。然而，這是存在問題的，因為氮化中的擴散深度不能確保材料之間的精確過渡。同樣，通過壁厚進行選擇性冷卻也是一個更難以控制的過程。整體基體分析中的微小波動都會導致結果發生巨大變化。雖然在該文獻中假設形成具有馬氏體和奧氏體兩個明確界定的層的部件，但是并沒有形成這種明確界定的層，而是產生奧氏體和馬氏體之間的連續過渡的壁，且具有貝氏體混合相和不同的比例殘余奧氏體。這種工藝不僅相當復雜，而且無法生產出具有確定屬性的組件。
18、us3785949b1涉及一種具有大量層的罐，在該罐中產生的任何壓力都將通過閥從內部排放到外部。這顯然是為了通過轉移氫氣來防止超壓或材料失效。轉移到外層意味著特別是氫敏感層與氫接觸并承受機械應力。外層的焊接連接會引起進一步的不穩定性。
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的問題是創造一種用于儲存或傳輸氫氣的裝置，這種裝置設計簡單，能夠以簡單可靠的方式生產，而且具有很高的穩定性和很好的耐氫性。
2、該問題通過具有權利要求1的特征的裝置來解決。
3、在其從屬權利要求中公開了有利的修改。
4、另一個問題是創造一種易于控制、廉價和可靠的裝置的生產工藝。
5、該問題通過具有權利要求13的特征的工藝來解決。
6、在其從屬權利要求中公開了有利的改進。
7、根據本專利技術，用于儲存或傳輸氫氣的裝置可以例如是儲存氫氣的儲罐，也可以是傳輸氫氣的管道，特別是將氫氣傳輸到容器或從容器傳輸到用戶的管道。特別地，該裝置也可以是用于內燃機等的氣缸的供應管路。
8、下文中使用容器的表述時，也指在任何實施方案中傳輸氫氣的管道和裝置，反之亦然。
9、除非另有說明，否則下面提供的所有重量或百分比都是重量百分比。
10、根據本專利技術，一種用于容納、儲存或傳輸氫氣的裝置由金屬制成，特別是由鋼制成，更特別地在這里由不同鋼種制成。因此，產生了由金屬制成的多層結構。這種多層結構至少有兩層。根據本專利技術，內層，即面向待傳輸或儲存的氫氣的層，由具有低的氫氣易損性和低的氫擴散系數的材料，特別是鋼材料制成。
11、冶金結合的外層材料具有更高的氫擴散系數。優選地，冶金結合的外層材料也具有明顯高于該材料的拉伸強度。
12、根據本專利技術，這導致內部氫不敏感材料的氫濃度急劇下降。因此，外部材料中的濃度保持在較低水平。由于外層的擴散系數相對較高，通過內層擴散的氫很快就會向外擴散，外層材料中的氫濃度不會超過臨界值。
【技術保護點】
1.一種用于儲存或傳輸氫氣的裝置，特別是氫氣罐或氫氣管路，其中所述裝置從朝向氫氣的內側到外側形成多層結構，其中位于更內側的層對氫氣的擴散系數(D)低于隨后各層的擴散系數D內部<D2<...<Dn，各所述層之間采用冶金粘合劑粘接、壓焊或聯合管拉伸。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，內層(ti)的厚度相對于相鄰層(t2)的厚度表現如下：Di*t2<D2*ti。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有至少兩個金屬層。
4.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述金屬層具有不同的合金成分。
5.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述層由鋼材料或鎳基合金制成。
6.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置的內部具有由塑料和/或陶瓷制成的內襯。
7.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置的外部具有有機或金屬防腐層，所述防腐層的氫擴散系數D低于最外層的擴散系數。
8.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于
9.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述多層結構的厚度在2至45mm之間，其中最內層的厚度至少為0.3mm。
10.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，最牢固層的屈服強度大于350MPa，優選大于500MPa，更優選大于650MPa。
11.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，與氫氣接觸的內層材料為氫擴散系數相對較低的材料，如高錳奧氏體Twip、奧氏體不銹鋼，或鎳基合金。
12.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，外層或中間層或兩層均采用延遲轉變硬化和回火鋼、可硬化硼錳合金或可回火鉻鉬合金。
13.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，從內到外存在以下材料排列，第三外層可選的為：
14.一種用于儲存或傳輸氫氣的裝置的生產方法，特別是氫氣罐或氫氣管路，其中所述裝置從朝向氫氣的內側到外側形成多層結構，其中位于更內側的層對氫氣的擴散系數(D)低于隨后各層的擴散系數D內部<D2<...<Dn，其特征在于，至少兩個金屬層采用冶金粘合劑粘接。
15.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，用于形成所述裝置的材料為輥包層、爆炸包層或聯合拉管。
16.根據權利要求13或14所述的方法，其特征在于，為了防止氫氣解離，在內層朝向氫氣的一側涂上一層塑料或陶瓷制成的內襯。
17.根據權利要求13-15中任一項所述的方法，其特征在于，在所述外層的外部涂覆由擴散系數低于所述外層的材料制成的金屬或有機防腐層。
18.根據權利要求13至16中任一項所述的方法，其中，以相同的方式焊接每層材料，以形成封閉容器或連接管段，從而使焊縫具有與主體其余部分相當的材料結構。
19.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述材料的層通過HF或MIG/MAG或WIG焊接進行焊接。
20.根據權利要求1至12中任一項所述的裝置作為儲存所產生的氫氣的固定式氫氣罐，或作為發電和供熱的固定式內燃發動機的氫氣罐或用作建筑物供暖系統中使用的氫氣罐，或作為用于儲存金屬礦的直接還原系統中所用的氫氣的氫氣罐的用途。
21.根據權利要求1至12中任一項所述的裝置在機動領域應用中的用途，如汽車、卡車、農用車、船舶和飛機中的氫氣罐，以及在航空航天技術中的用途。
22.根據權利要求1至12中任一項所述的裝置作為燃料供應管路和類似管路的用途，所述燃料供應管路或類似管路用于將氫氣供應到燃燒室或噴射裝置或金屬礦石的直接還原系統或作為管道。
23.根據權利要求1至12之一所述裝置在深層鉆探技術領域的用途，如作為鉆桿的一部分、作為內襯或襯里和管道、在化工廠建設中用于傳輸氫氣以及在發生氫氣暴露的地區用于儲罐和管道建設。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種用于儲存或傳輸氫氣的裝置，特別是氫氣罐或氫氣管路，其中所述裝置從朝向氫氣的內側到外側形成多層結構，其中位于更內側的層對氫氣的擴散系數(d)低于隨后各層的擴散系數d內部<d2<...<dn，各所述層之間采用冶金粘合劑粘接、壓焊或聯合管拉伸。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，內層(ti)的厚度相對于相鄰層(t2)的厚度表現如下：di*t2<d2*ti。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有至少兩個金屬層。
4.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述金屬層具有不同的合金成分。
5.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述層由鋼材料或鎳基合金制成。
6.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置的內部具有由塑料和/或陶瓷制成的內襯。
7.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置的外部具有有機或金屬防腐層，所述防腐層的氫擴散系數d低于最外層的擴散系數。
8.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，外部的涂層由聚合物溶液形成，如橡膠涂層，或合成樹脂基或丙烯酸基涂料，和/或由鋅鎳合金形成，或由使用pvd方法施加的鋅層或鋅合金層形成。
9.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述多層結構的厚度在2至45mm之間，其中最內層的厚度至少為0.3mm。
10.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，最牢固層的屈服強度大于350mpa，優選大于500mpa，更優選大于650mpa。
11.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，與氫氣接觸的內層材料為氫擴散系數相對較低的材料，如高錳奧氏體twip、奧氏體不銹鋼，或鎳基合金。
12.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，外層或中間層或兩層均采用延遲轉變硬化和回火鋼、可硬化硼錳合金或可回火鉻鉬合金。
13.根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特...
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