【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于储存或传输氢气的装置及其制备工艺。
技术介绍
1、氢气作为能源正变得越来越重要，尤其是在机动领域应用中替代化石燃料，但也可用于铁矿石的直接还原或用于燃料电池发电。
2、此外，在许多技术应用中，无论氢气以何种形式释放，都会对技术中使用的材料产生影响。这主要包括深层钻探技术，也包括防酸建筑以及整个天然气和石油行业。
3、氢气的储存以及氢气在技术工艺中的存在都是一项挑战。
4、在适当装备的内燃机中使用氢气作为直接燃烧的燃料，在燃料电池中使用氢气发电，以及在储存氢气用于例如直接还原铁矿石时，都需要合适的储存设施和储存方法。但是，在众多可能的燃料中，氢气显然具有巨大的潜在危险。
5、当氢气逸出时，会与周围空气形成易燃混合物，其中，如果氢气含量大于18％，则氢气和氧气形成均匀的爆炸性混合物。
6、在所有原子中，氢的尺寸最小，因此能够在许多材料中扩散，这使得许多材料不适合完全适合用于传统燃料容器。高温或高压会进一步加剧扩散过程。特别的问题存在于金属容器中，因为它们会发生通常所说的氢脆。这就意味着，材料会随着时间的推移而变脆，因此不再能以足够的稳定性来抵抗例如入侵荷载。虽然塑料封套实际上不会产生这种影响，但许多可能的塑料材料还是难以回收利用。
7、如果使用液化氢，它可能会从容器中蒸发或排出，在这种情况下，必须抵消体积的急剧增加以及压力的增加，特别是通过使用超压阀，这可能意味着相当大的氢气损失。
8、从大体上讲，在加压容器中储存的问题如今已经
9、在相应的管道中传输氢气时，上述问题也会相应出现。
10、然而，在处理或提取诸如甲烷或天然气之类的烃类气体的过程中也会出现这些问题，其中也会出现氢气暴露。
11、除了以液体或加压气体的形式储存外，还有一种通常被称为金属混合储存系统的方法，将氢气储存在金属晶格的间隙中。吸附储存也是已知的。
12、如前所述，金属会发生脆化，尤其是钢，众所周知其会发生氢致开裂或氢脆。在这种情况下，即使是ppm量级的少量氢气也足以导致部件过早失效。随着时间的推移，这种脆化会降低强度，金属材料具有不同的氢耐受性。这方面的一个特殊挑战是，高强度钢材料对氢脆的反应特别敏感。可以用强度较低的材料制作金属容器，特别是钢制容器，以抵消这种情况。但这也使得这种容器必须有更厚的壁，才能提供所需的稳定性。这导致重量增加，并且在机动领域的使用中，由于更大的重量而导致更高的燃料消耗。此外，储存氢气的压力可能会受到限制，从而也会降低储存容量。虽然由cfk(碳纤维增强材料)制成的储罐在储存方面确实具有优势，但它们难以回收，而且比金属制成的储罐昂贵得多。虽然在金属氢化物中储存在原则上确实可行，但在机动领域的应用中必须严格看待，例如，因为装载是一个缓慢而困难的过程。
13、虽然氢气阻隔是一种可行的解决方案，但薄阻隔层也存在风险，因为即使是最小的局部损坏也会导致组件失效和罐体爆裂。此外，必须随后施加阻隔层，并且需要额外的工作步骤。更糟糕的是，即使是这些阻隔层也不是100％不透氢的，使得氢原子迟早会渗透到每种材料中。化学势是氢气扩散和一般扩散的原因。粒子扩散到化学势较低的位置，从而平衡化学势，达到能量上更有利的状态。固体中任何元素的局部化学势都由多种因素决定，如局部结构的化学成分和温度。然而，最重要的因素是元素本身的浓度。
14、根据扩散定律，氢气穿过壁的扩散也会导致材料中相应局部区域的氢电势特别低，从而导致向外的浓度梯度，在这些区域氢气会积聚并导致浓度过高。由于氢脆，这些局部过量浓度对金属容器尤其危险。
15、h2分子首先附着在表面并离解形成氢原子，其中氢原子渗透钢。来自气体本身的氢原子也可以渗透材料，但粒子更有可能在渗透之前发生重新组合。
16、例如，镀锌被作为阻隔层。如上所述，通过镀锌确实可以部分防止氢气的渗透，但薄锌涂层，通常在低两位数微米范围内，很容易受到损坏。通常在钢板两侧设置的阻隔还能防止氢从材料中回流。因此，对于此类材料，材料中的氢含量会随着时间的延长而增加。如前所述，如果达到临界氢浓度，可能会导致部件因氢脆而失效。
17、de102017204240a1公开了一种由钢制成的整体部件，其中不同的层是通过选择性淬火和氮化从其内部产生的。其目的是生产不同的层，以实现可靠的储氢。然而，这是存在问题的，因为氮化中的扩散深度不能确保材料之间的精确过渡。同样，通过壁厚进行选择性冷却也是一个更难以控制的过程。整体基体分析中的微小波动都会导致结果发生巨大变化。虽然在该文献中假设形成具有马氏体和奥氏体两个明确界定的层的部件，但是并没有形成这种明确界定的层，而是产生奥氏体和马氏体之间的连续过渡的壁，且具有贝氏体混合相和不同的比例残余奥氏体。这种工艺不仅相当复杂，而且无法生产出具有确定属性的组件。
18、us3785949b1涉及一种具有大量层的罐，在该罐中产生的任何压力都将通过阀从内部排放到外部。这显然是为了通过转移氢气来防止超压或材料失效。转移到外层意味着特别是氢敏感层与氢接触并承受机械应力。外层的焊接连接会引起进一步的不稳定性。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的问题是创造一种用于储存或传输氢气的装置，这种装置设计简单，能够以简单可靠的方式生产，而且具有很高的稳定性和很好的耐氢性。
2、该问题通过具有权利要求1的特征的装置来解决。
3、在其从属权利要求中公开了有利的修改。
4、另一个问题是创造一种易于控制、廉价和可靠的装置的生产工艺。
5、该问题通过具有权利要求13的特征的工艺来解决。
6、在其从属权利要求中公开了有利的改进。
7、根据本专利技术，用于储存或传输氢气的装置可以例如是储存氢气的储罐，也可以是传输氢气的管道，特别是将氢气传输到容器或从容器传输到用户的管道。特别地，该装置也可以是用于内燃机等的气缸的供应管路。
8、下文中使用容器的表述时，也指在任何实施方案中传输氢气的管道和装置，反之亦然。
9、除非另有说明，否则下面提供的所有重量或百分比都是重量百分比。
10、根据本专利技术，一种用于容纳、储存或传输氢气的装置由金属制成，特别是由钢制成，更特别地在这里由不同钢种制成。因此，产生了由金属制成的多层结构。这种多层结构至少有两层。根据本专利技术，内层，即面向待传输或储存的氢气的层，由具有低的氢气易损性和低的氢扩散系数的材料，特别是钢材料制成。
11、冶金结合的外层材料具有更高的氢扩散系数。优选地，冶金结合的外层材料也具有明显高于该材料的拉伸强度。
12、根据本专利技术，这导致内部氢不敏感材料的氢浓度急剧下降。因此，外部材料中的浓度保持在较低水平。由于外层的扩散系数相对较高，通过内层扩散的氢很快就会向外扩散，外层材料中的氢浓度不会超过临界值。
【技术保护点】
1.一种用于储存或传输氢气的装置，特别是氢气罐或氢气管路，其中所述装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D内部<D2<...<Dn，各所述层之间采用冶金粘合剂粘接、压焊或联合管拉伸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，内层(ti)的厚度相对于相邻层(t2)的厚度表现如下：Di*t2<D2*ti。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少两个金属层。
4.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述金属层具有不同的合金成分。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述层由钢材料或镍基合金制成。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的内部具有由塑料和/或陶瓷制成的内衬。
7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的外部具有有机或金属防腐层，所述防腐层的氢扩散系数D低于最外层的扩散系数。
8.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于
9.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述多层结构的厚度在2至45mm之间，其中最内层的厚度至少为0.3mm。
10.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，最牢固层的屈服强度大于350MPa，优选大于500MPa，更优选大于650MPa。
11.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，与氢气接触的内层材料为氢扩散系数相对较低的材料，如高锰奥氏体Twip、奥氏体不锈钢，或镍基合金。
12.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，外层或中间层或两层均采用延迟转变硬化和回火钢、可硬化硼锰合金或可回火铬钼合金。
13.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，从内到外存在以下材料排列，第三外层可选的为：
14.一种用于储存或传输氢气的装置的生产方法，特别是氢气罐或氢气管路，其中所述装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(D)低于随后各层的扩散系数D内部<D2<...<Dn，其特征在于，至少两个金属层采用冶金粘合剂粘接。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，用于形成所述装置的材料为辊包层、爆炸包层或联合拉管。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，为了防止氢气解离，在内层朝向氢气的一侧涂上一层塑料或陶瓷制成的内衬。
17.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述外层的外部涂覆由扩散系数低于所述外层的材料制成的金属或有机防腐层。
18.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，以相同的方式焊接每层材料，以形成封闭容器或连接管段，从而使焊缝具有与主体其余部分相当的材料结构。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述材料的层通过HF或MIG/MAG或WIG焊接进行焊接。
20.根据权利要求1至12中任一项所述的装置作为储存所产生的氢气的固定式氢气罐，或作为发电和供热的固定式内燃发动机的氢气罐或用作建筑物供暖系统中使用的氢气罐，或作为用于储存金属矿的直接还原系统中所用的氢气的氢气罐的用途。
21.根据权利要求1至12中任一项所述的装置在机动领域应用中的用途，如汽车、卡车、农用车、船舶和飞机中的氢气罐，以及在航空航天技术中的用途。
22.根据权利要求1至12中任一项所述的装置作为燃料供应管路和类似管路的用途，所述燃料供应管路或类似管路用于将氢气供应到燃烧室或喷射装置或金属矿石的直接还原系统或作为管道。
23.根据权利要求1至12之一所述装置在深层钻探技术领域的用途，如作为钻杆的一部分、作为内衬或衬里和管道、在化工厂建设中用于传输氢气以及在发生氢气暴露的地区用于储罐和管道建设。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于储存或传输氢气的装置，特别是氢气罐或氢气管路，其中所述装置从朝向氢气的内侧到外侧形成多层结构，其中位于更内侧的层对氢气的扩散系数(d)低于随后各层的扩散系数d内部<d2<...<dn，各所述层之间采用冶金粘合剂粘接、压焊或联合管拉伸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，内层(ti)的厚度相对于相邻层(t2)的厚度表现如下：di*t2<d2*ti。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少两个金属层。
4.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述金属层具有不同的合金成分。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述层由钢材料或镍基合金制成。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的内部具有由塑料和/或陶瓷制成的内衬。
7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的外部具有有机或金属防腐层，所述防腐层的氢扩散系数d低于最外层的扩散系数。
8.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，外部的涂层由聚合物溶液形成，如橡胶涂层，或合成树脂基或丙烯酸基涂料，和/或由锌镍合金形成，或由使用pvd方法施加的锌层或锌合金层形成。
9.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述多层结构的厚度在2至45mm之间，其中最内层的厚度至少为0.3mm。
10.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，最牢固层的屈服强度大于350mpa，优选大于500mpa，更优选大于650mpa。
11.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，与氢气接触的内层材料为氢扩散系数相对较低的材料，如高锰奥氏体twip、奥氏体不锈钢，或镍基合金。
12.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，外层或中间层或两层均采用延迟转变硬化和回火钢、可硬化硼锰合金或可回火铬钼合金。
13.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特...
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