CN107270120B - 一种车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，包括一个罐体状金属内衬，在金属内衬外缠依次绕有纤维增强层和外层纤维缠绕层；在金属内衬两端分别设有左右端塞，在罐体内腔设有多个沿罐体轴向间隔布置导气金属隔离过滤板，在相邻导气金属隔离过滤板之间分布有若干沿罐体轴向设置的储氢金属基质，储氢金属沉积在导电金属材质的金属基质上，形成合金片结构；导气金属隔离过滤板支撑起合金片结构，并将合金片结构分隔成两部分；若干组导热管均匀分布在储氢金属基质之间的缝隙中，并穿过右端塞与外部管路连接。本发明结构简单，公称工作压力不小于35MPa，导热性能良好，储氢金属结构占罐体体积小于50％，储氢能力是同规格高压储氢罐1.5倍以上。

Description

一种车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐
技术领域
本发明属于储氢技术领域，特别涉及一种35MPa车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐设计。
背景技术
能源是社会存在与发展的物质基础，随着工业化的进程和人们生活水平的提高，对能源的需求与日俱增。现代工业依赖的化石燃料储量有限、不可再生，且在使用中存在环境污染等问题，因此寻找可再生的绿色能源迫在眉睫。氢能作为一种清洁、高效的二次能源，被认为是替代传统化石燃料的理想能源。在氢能***中，氢气的安全储存是最关键的环节。
常用的储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢和以储氢材料为介质的固态储氢。高压气态储氢主要使用大容量气罐和钢瓶来储存气态氢，具有较高的质量储氢密度，但其体积储氢密度低、压力高、安全性差，而且压缩氢气还需使用加压设备，增加了成本和能耗，纯氢的压缩还会导致纯氢的纯度降低；低温液态储氢的储氢密度高，但能耗大、成本高，对隔热装置要求苛刻，而且存在挥发损失及安全性差等问题；利用储氢材料的固态储氢是将储氢材料存入密闭容器中，利用储氢材料的吸氢能力实现氢气的固态储存，其具有高的体积储氢密度，甚至比液氢的体积储氢密度还要高，但是其重量储氢率相对较低，且吸放氢过程受到传热的限制，使得固态储氢装置的充装和排放速率较慢。
将轻质高压储氢容器与金属氢化物相结合，在体积一定的高压容器中填装部分储氢材料以提高体积储氢密度,而***整体的重量与体积储氢密度可以通过储氢材料的装入比例加以调整，可以同时获得较高的体积储氢密度和质量储氢密度，并具有快速的充装和排放速率，同时提高储氢罐使用安全性。因此，轻质高压金属氢化物复合式储氢罐具有广阔前景。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，储氢金属结构所占罐体体积小于50％，储氢能力是同规格的纯高压储氢罐1.5倍以上。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，包括一个罐体状的金属内衬，在金属内衬外缠依次绕有纤维增强层和外层纤维缠绕层；在金属内衬的两端分别设有左端塞和右端塞，在罐体内腔设有多个沿罐体轴向间隔布置导气金属隔离过滤板，在相邻导气金属隔离过滤板之间分布有若干沿罐体轴向设置的储氢金属基质，储氢金属沉积在导电金属材质的储氢金属基质上，形成合金片结构；导气金属隔离过滤板支撑起合金片结构，并将合金片结构分隔成两部分；若干组导热管均匀分布在储氢金属基质之间的缝隙中，并穿过右端塞与外部管路连接。
作为优选，所述储氢金属基质采用铝合金或者不锈钢材料制作，储氢金属通过电化学作用沉积在导电金属材质的储氢金属基质上，形成合金片结构。
进一步，各片储氢金属基质之间留有空隙，为储氢金属吸氢体积膨胀留出空间；各片储氢金属基质沿罐体轴向布置，且其两侧与罐体金属内衬内壁贴合；分隔成两部分的合金片结构的各片储氢金属基质相互错开。
作为优选，在左端塞上以螺旋密封方式安装有氢气阀盖，充氢管路和放氢管路从左端塞进出。
作为优选，所述导气金属隔离过滤板为铜粉或不锈钢粉的烧结体，过滤精度小于0.5微米；导气金属隔离过滤板的外径与罐体内径相等。
作为优选，所述导热管为不锈钢或铝合金材料；导热管中通入有换热介质。
作为优选，所述金属内衬为铝合金或不锈钢材料，采用热挤压工艺加工而成。
作为优选，所述纤维增强层为碳纤维-树脂复合材料，采用湿法缠绕工艺缠绕。
作为优选，所述外层纤维缠绕层为玻璃纤维-树脂复合材料。
作为优选，所述储氢金属为稀土系AB5型、钛系AB型、钛系AB2型、钛钒固溶体型储氢合金中的一种或一种以上；储氢金属结构所占罐体体积小于50％。
本发明所具有的优点：
(1)本发明的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐储氢能力是同规格的纯高压储氢罐1.5倍以上，同时具有较高的体积储氢密度和质量储氢密度，储氢罐体积和内部压力远远小于储氢质量相同的纯高压储氢罐，提高了储氢罐的使用安全性，并减少了所占汽车空间。
(2)本发明的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐中，储氢金属的存放方式考虑了储氢金属在吸/放氢过程中的体积膨胀和合金粉末化，并改善了其导热性能，提高了该车载储氢罐使用寿命。
(3)本发明装置结构简单，考虑了储氢金属在吸/放氢过程中的体积膨胀和合金粉末化，其公称工作压力不小于35MPa，导热性能良好，储氢金属结构所占罐体体积小于50％，储氢能力是同规格的纯高压储氢罐1.5倍以上。
附图说明
图1为一种35MPa车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐剖视图。
图2为中间片储氢金属基质外形示意图。
图3为非中间片储氢金属基质外形示意图。
图中标号：1-氢气阀盖；2-左端塞；3-金属内衬；4-纤维增强层；5-外层纤维缠绕层；6-导热管；7-导气金属隔离过滤板；8-储氢金属；9-储氢金属基质；10-右端塞。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，该车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，包括一个罐体状的金属内衬3，在金属内衬3外缠依次绕有纤维增强层4和外层纤维缠绕层5；在金属内衬3的两端分别设有左端塞2和右端塞10，在罐体内腔设有多个沿罐体轴向间隔布置导气金属隔离过滤板7，在相邻导气金属隔离过滤板7之间分布有若干沿罐体轴向设置的储氢金属基质9，储氢金属8沉积在导电金属材质的储氢金属基质9上，形成合金片结构；导气金属隔离过滤板7支撑起合金片结构，并将合金片结构分隔成两部分；若干组导热管6均匀分布在储氢金属基质9之间的缝隙中，并穿过右端塞10与外部管路连接。
导热管6通过焊接方式与右端塞10连接，换热介质通过导热管6实现储氢金属8与外界的热量交换，维持罐体内压强和温度，为储氢金属8和氢气提供合适的反应条件。氢气阀盖1以螺旋密封方式安装在左端塞2上，充氢管路和放氢管路从左端塞2进出。
其中，储氢金属基质9采用铝合金或者不锈钢材料制作，储氢金属8通过电化学作用沉积在导电金属材质的储氢金属基质9上，形成合金片结构。导气金属隔离过滤板7支撑起合金片结构，并将合金片结构分隔成两部分。各片储氢金属基质9之间留有空隙，为储氢金属8吸氢体积膨胀留出空间；各片储氢金属基质9沿罐体轴向布置，且其两侧与罐体金属内衬3内壁贴合。图2和图3分别给出了中间片和非中间片储氢金属基质外形示意图。
储氢金属8材料为钛-铬-锰(Ti-Cr-Mn)合金，用高能研磨机或者球磨机实现其固体合金化，钛-铬-锰(Ti-Cr-Mn)储氢合金有效吸氢量为1.9％(质量分数)。钛-铬-锰(Ti-Cr-Mn)储氢合金通过电化学作用沉积在导电金属材质的储氢金属基质9上，形成合金片结构。储氢金属结构所占罐体体积小于50％。取储氢金属结构占罐体容积为30％，罐体70％的容积用于高压储氢，罐内温度为20℃，压力为40MPa，则根据实际气体方程
Figure GDA0002331597180000051
及m＝nM计算得高压储氢部分储氢质量，其中，p为气体压强，V为储氢罐体积，a、b为范德瓦尔常数，T为热力学温度，R为普适气体常数，m为气体质量，M为气体的摩尔质量，n为气体物质的量；高压储氢部分储氢质量为3.675kg，罐体内存放储氢金属8钛-铬-锰(Ti-Cr-Mn)共220kg，则储氢金属8储氢质量为4.18kg，总共储氢质量为7.855kg，其储氢能力是同规格纯高压储氢罐1.5倍，可供汽车行驶700km以上。纯高压储氢罐若要储存相同质量的氢气，其罐内压强要达到70MPa以上，本发明设计的储氢罐容量增加，但压强大大减小，提高了其使用安全性。
储氢金属基质9其材料为铝合金或者不锈钢材料，与导气金属隔离过滤板7焊接，提高储氢金属8的传热性能，共10片，每片厚度为8mm，长度为100mm，各片储氢金属基质9之间留有10mm的空隙，供储氢金属8体积膨胀和导热管6穿过；各片储氢金属基质9在纵轴方向上与罐体金属内衬3内壁贴合,前半部各片储氢金属基质9与后半部相互错开，增大储氢金属8利用率，加快储氢金属8吸/放氢的速度。
金属内衬3材料为铝合金或不锈钢材料，采用热挤压工艺加工而成。公称工作压力不小于35MPa。其外径为240mm，内径为200mm，长度为500mm，根据公式V＝πR2l，可得罐体容积体积为160L。其储氢能力是同规格纯高压储氢罐1.5倍以上。
纤维增强层4其材料为碳纤维-环氧树脂复合材料，采用湿法缠绕工艺缠绕。将内衬两端沿轴线方向固定在数控缠绕机的芯轴上,然后将浸渍在中温固化环氧树脂胶中的连续纤维,在一定工艺张紧力作用下,将几束连续纤维有规律地缠绕在刷有清漆的内衬上,经固化即形成纤维缠绕复合材料高压容器纤维增强层。
外层纤维缠绕层5为玻璃纤维-环氧树脂复合材料，其比例为1:1最佳。
导气金属隔离过滤板7的材料为铜粉或不锈钢粉的烧结体，其外径与金属内衬3相同，厚度为4mm，上面布有和导热管6外径相同的小孔，供导热管6穿过，其过滤精度小于0.5微米，既可以通过氢气，又可以过滤掉因储氢金属8粉末化而产生的杂质。
导热管6的材料为不锈钢或铝合金，外径为10mm，壁厚2mm，若干组导热管6均匀分布在储氢金属8和储氢金属基质9形成合金片结构的缝隙中，并穿过右端塞10与外部管路连接，导热管6中通入换热介质，换热介质如水通入导热管6中，实现储氢金属8吸/放氢时与外界的热量交换，同时维持罐体内的压强和温度，提高储氢金属8吸/放氢的能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，包括一个罐体状的金属内衬(3)，在金属内衬(3)外缠依次绕有纤维增强层(4)和外层纤维缠绕层(5)；在金属内衬(3)的两端分别设有左端塞(2)和右端塞(10)，在罐体内腔设有多个沿罐体轴向间隔布置导气金属隔离过滤板(7)，在相邻导气金属隔离过滤板(7)之间分布有若干沿罐体轴向设置的储氢金属基质(9)，储氢金属(8)沉积在导电金属材质的储氢金属基质(9)上，形成合金片结构；导气金属隔离过滤板(7)支撑起合金片结构，并将合金片结构分隔成两部分；若干组导热管(6)均匀分布在储氢金属基质(9)之间的缝隙中，并穿过右端塞(10)与外部管路连接；
根据实际气体方程
Figure FDA0002331597170000011
及m＝nM计算得高压储氢部分储氢质量，其中，p为气体压强，V为储氢罐体积，a、b为范德瓦尔常数，T为热力学温度，R为普适气体常数，m为气体质量，M为气体的摩尔质量，n为气体物质的量；
所述储氢金属基质(9)采用铝合金或者不锈钢材料制作，储氢金属(8)通过电化学作用沉积在导电金属材质的储氢金属基质(9)上，形成合金片结构；
所述储氢金属(8)材料为钛-铬-锰Ti-Cr-Mn合金，研磨实现其固体合金化；所述合金片结构所占罐体体积小于50％，储氢能力是同规格纯高压储氢罐1.5倍以上。
2.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，各片储氢金属基质(9)之间留有空隙，为储氢金属(8)吸氢体积膨胀留出空间；各片储氢金属基质(9)沿罐体轴向布置，且其两侧与罐体金属内衬(3)内壁贴合；分隔成两部分的合金片结构的各片储氢金属基质(9)相互错开。
3.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，在左端塞(2)上以螺旋密封方式安装有氢气阀盖(1)，充氢管路和放氢管路从左端塞(2)进出。
4.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，所述导气金属隔离过滤板(7)为铜粉或不锈钢粉的烧结体，过滤精度小于0.5微米；导气金属隔离过滤板(7)的外径与罐体内径相等。
5.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，所述导热管(6)其材料为不锈钢或铝合金；导热管(6)中通入有换热介质。
6.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，所述金属内衬(3)为铝合金或不锈钢材料，采用热挤压工艺加工而成。
7.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，所述纤维增强层(4)为碳纤维-树脂复合材料，采用湿法缠绕工艺缠绕。
8.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，所述外层纤维缠绕层(5)为玻璃纤维-树脂复合材料。
9.根据权利要求1所述的车载轻质高压金属氢化物复合式储氢罐，其特征在于，所述储氢金属(8)为稀土系AB5型、钛系AB型、钛系AB2型、钛钒固溶体型储氢合金中的一种或一种以上。
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