CN207687661U - 一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶 - Google Patents

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冼静江
林梓荣
赖永鑫
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Abstract

本实用新型涉及一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，主要包括：阀座、金属内衬、金属封装的相变材料层、相变材料、纤维增强层、碳纤维保护层；其中，阀座与金属内衬相连通为一体结构；所述金属内衬外依次包覆着金属封装的相变材料层、纤维增强层及纤维保护层，所述相变材料封装在所述相变材料层中。本实用新型利用相变材料的可逆相变为储氢气瓶快速加注过程中产生的温升进行自主控温，从而无需在加氢站中额外投资氢气加注预冷装置，具有降低加氢站的建设成本、控温耗能小、储氢气瓶结构简洁等有益效果。

Description

一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶
技术领域
本实用新型属于氢气高压存储领域，特别涉及一种氢燃料电池汽车用的70MPa可自主控温的高压储氢气瓶。
背景技术
随着人类社会的快速发展，煤、石油、天然气三大化石能源的消耗速度日益加快，其带来的供应短缺和环境问题也越来越受到各界的关注。氢气因其燃烧产物只生成水，且来源丰富，被誉为是本世纪最具发展潜力的清洁能源载体，而以氢气为能源的燃料电池汽车具有环保、高效、零污染、零排放的特点。
正如传统汽油车需要一个油箱，氢燃料电池汽车也需要一个氢气存储设备，为了达到更多的续航里程，燃料电池汽车的需要尽可能地装载更多地氢气。目前主要的目前主要的储氢技术有：液氢储存、金属氢化物储氢、吸附储氢和气态高压储氢等。高压储氢是在常温下，将氢气压缩至２０ＭＰａ～７０ＭＰａ的高压进行储存，具有充放速度快、设备结构简单、能耗低等优点，是目前氢燃料电池汽车采用的主流储氢方式，燃料电池汽车用高压储氢气瓶正是利用这一方式进行储氢。车用气瓶可为四种类型：Ⅰ型和Ⅱ型气瓶的重容比较大，难以满足单位质量储氢密度的要求；Ⅲ型和Ⅳ型气瓶一般由内胆、纤维缠绕复合材料增强层和复合材料保护层等三层组成，由于纤维材料具有强度大、比重小等特点，非常适合用于高压储氢气瓶。Ⅲ型气瓶和Ⅳ型气瓶的区别为前者采用金属内胆而后者为塑料内胆。目前，基于安全性的考虑，我国禁止使用Ⅳ型气瓶。
氢燃料电池汽车在加注时，一般要求加注时间控制在３～５分钟，且充装量至少为５ｋｇ，以满足续航里程的需要。储氢气瓶在加注过程中，由于节流、压缩、动能转换为内能、环境换热等因素，储氢气瓶的温度会急剧升高。由于复合材料及用于粘合的树脂材料对温度较为敏感，温度过高时可能出现复合材料层的剥离，因此，国际标准 ISO 15869和美国汽车工程学会标准 SAE J2601均限制了车载储氢瓶的工作温度范围为－４０℃～85 ℃。
针对储氢气瓶存在的可能过热的问题，目前使用的方法主要是：先让氢气通过一个预冷装置，将氢气预冷至－２０℃甚至－４０℃后再进行加注。这种方法主要的缺点是增加了加氢站的设备投资且增加了加注过程中的能耗。除了使用预冷***，目前还鲜有其它方法。
经过对已有技术的文献检索，公开号为CN103438349A的中国专利通过在储氢瓶内部添加螺旋状的铝带填充物，以控制储氢瓶在加注过程中的温升，其不足之处在于加入的铝带仅仅增强了储氢罐内部的换热情况，并无法将加注过程中产生的热量及时传递到外部。公开号为CN103883874A中国专利则是使用一种外换热结构，氢气加注时在外换热结构中通入导热液体以实现氢气瓶的控温，其不足之处在于外换热结构较为复杂，且需要额外添加一套供导热液循环的设备。
实用新型内容
为了克服现有氢燃料电池汽车领域储氢气瓶加注温控技术的不足，本实用新型提出了一种70MPa可实现自主控温的高压储氢气瓶，该方案将相变储能材料应用于储氢气瓶，利用相变材料发生可逆的相变过程对储氢气瓶进行自主的温度控制，具体技术方案如下：
一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，主要包括：阀座、金属内衬、金属封装的相变材料层、相变材料、纤维增强层、碳纤维保护层；其中，阀座与金属内衬相连通为一体结构；所述金属内衬外依次包覆着金属封装的相变材料层、纤维增强层及纤维保护层，所述相变材料封装在所述相变材料层中。实施氢气加注操作时，由于温度上升，达到相变材料的相变温度后，发生相变吸收热量，以达到控制温度的目的。
作为本实用新型的优选方案之一，所用相变材料的相变温度为40℃~70℃。
作为本实用新型的优选方案之一，所用相变材料为无机相变材料、有机相变材料或复合相变材料。
作为本实用新型的优选方案之一，所述的无机相变材料包括磷酸盐Na2HPO4·12H2O、镁的卤化物MgCl2·4 H2O，所述的有机相变材料包括石蜡、多元醇或脂肪酸。
作为本实用新型的优选方案之一，所述的复合相变材料为两种以上的无机相变材料或有机相变材料的混合物。
作为本实用新型的优选方案之一，所述的金属内衬和金属封装的相变材料层所用的金属材料均为经过阳极氧化处理的6061铝合金材料。
作为本实用新型的优选方案之一，所述的纤维增强层及纤维保护层所用的材料为碳纤维或玻璃纤维。
作为本实用新型的优选方案之一，所述的金属封装的相变材料层中设置有将所述相变材料分隔的铝翅片。所述铝翅片的作用一是增强金属封装的相变材料层的强度，二是强化储氢气瓶与相变材料间的传热。
作为本实用新型的优选方案之一，所述铝翅片的厚度为10mm~20mm，间隔为30mm~40mm。
与现有的技术方案相比，本实用新型带来的有益效果有：
1.将相变材料应用于高压储氢气瓶中，在进行氢气加注时，储氢气瓶可实现自主控温，从而无需在加氢站中额外投资氢气加注预冷装置，有效地降低了加氢站的建设成本。
2.本实用新型所述的储氢气瓶所用的控温方式为相变控温，相比于其它方式具有耗能小、储氢气瓶结构简洁等特点。
3.本实用新型所述的储氢气瓶设置了铝翅片，强化了储氢气瓶与相变材料间的传热，从而更好地实现控温效果。
附图说明
图1是本实用新型的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶结构示意图。
图中所示为：1-阀座；2-金属内衬；3-相变材料层；4-相变材料；5-纤维增强层；6-纤维保护层。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合本实用新型的附图对本实用新型所采用的技术方案进行描述。需要注意的是，所述的实施例并非本实用新型的唯一实施例，且所述的实施例并不用以限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，主要包括：阀座1、金属内衬2、金属封装的相变材料层3、相变材料4、纤维增强层5、碳纤维保护层6；其中，阀座1与金属内衬2相连通，通过焊接的方式成为一体结构；所述金属内衬2外依次包覆着金属封装的相变材料层3、纤维增强层5次及纤维保护层6，所述相变材料4封装在所述相变材料层3中。纤维增强层5通过干法缠绕、湿法缠绕和半湿法缠绕等缠绕工艺与金属封装的相变材料层3结合；最外层为碳纤维保护层6，对储氢气瓶起到缓冲碰撞的保护作用。
所述的金属内衬2和金属封装的相变材料层3所用的金属材料均为经过阳极氧化处理的6061铝合金材料。
所述的纤维增强层5及纤维保护层6所用的材料为碳纤维或玻璃纤维。
在本实施案例中，储氢气瓶的主要参数为：容积74L，储氢气瓶外径451mm，储氢气瓶长度900mm，金属内衬2内径360mm，金属内衬2厚度为8mm，金属封装的相变材料层厚度20mm，所述的纤维增强层5及纤维保护层6所用的材料为碳纤维或玻璃纤维，所述纤维增强层厚度为16.5mm，纤维保护层厚度为1mm。所述的相变材料4的相变温度为40℃~70℃，包括石蜡、多元醇或脂肪酸、复合相变材料，本实施例所用相变材料4为石蜡，其相变温度范围为44～48℃。
另外所述的金属封装的相变材料层3中设置有将所述相变材料4分隔的铝翅片，所述铝翅片的厚度为10mm~20mm，间隔为30mm~40mm。铝翅片的作用一是增强金属封装的相变材料层的强度，二是强化储氢气瓶与相变材料间的传热。
本实用新型所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其自主控温的方法是：氢气在快速加注的过程中，由于节流、压缩、动能转换为内能、环境换热等因素，储氢气瓶的温度快速升高，当储氢气瓶的温度达到储氢气瓶中相变材料的相变温度时，相变材料发生相变，同时快速吸收氢气瓶产生的热量，以达到控温的效果。当快速加注结束后，储氢气瓶与外部环境发生对流换热，储氢气瓶的温度随之降低，此时，储氢气瓶中相变材料发生逆向相变，回到原来的状态，在下一次快速加注时实现同样的过程。
需要强调的是，上述的实施方式并不用以限制本实用新型的保护范围，凡是在本实用新型的精神和原则之内，所做的改进、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于，主要包括：阀座（1）、金属内衬（2）、金属封装的相变材料层（3）、相变材料（4）、纤维增强层（5）、碳纤维保护层（6）；其中，阀座（1）与金属内衬（2）相连通为一体结构；所述金属内衬（2）外依次包覆着金属封装的相变材料层（3）、纤维增强层（5）及纤维保护层（6），所述相变材料（4）封装在所述相变材料层（3）中。
2.根据权利要求1所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于：所用相变材料（4）的相变温度为40℃~70℃。
3.根据权利要求2所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于：所用相变材料（4）为无机相变材料、有机相变材料或复合相变材料。
4.根据权利要求1所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于，所述的金属内衬（2）和金属封装的相变材料层（3）所用的金属材料均为经过阳极氧化处理的6061铝合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于，所述的纤维增强层（5）及纤维保护层（6）所用的材料为碳纤维或玻璃纤维。
6.根据权利要求2所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于，所述的金属封装的相变材料层（3）中设置有将所述相变材料（4）分隔的铝翅片。
7.根据权利要求6所述的一种70MPa可自主控温的高压储氢气瓶，其特征在于，所述铝翅片的厚度为10mm~20mm，间隔为30mm~40mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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