TWI769575B - 一種輕量化儲/放氫罐 - Google Patents

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TWI769575B TW109138561A TW109138561A TWI769575B TW I769575 B TWI769575 B TW I769575B TW 109138561 A TW109138561 A TW 109138561A TW 109138561 A TW109138561 A TW 109138561A TW I769575 B TWI769575 B TW I769575B
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謝宗霖
顏鴻威
蔡豐羽
陳志遠
丘群
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Abstract

本發明是關於一種輕量化儲/放氫罐的結構，本儲/放氫罐乃是利用鋁合金為罐的主體達到輕量化的目的，再以一層鋁陽極處理膜成長於儲/放氫罐表面用以防止氫滲透與氫脆的問題產生，為了強化儲/放氫罐的耐壓強度，儲/放氫罐的外層再以一層碳纖纖維包覆，本儲/放氫罐經充填儲氫合金後可進行充方氫氣的功能並可承受50大氣壓以上的壓力，本儲/放氫罐亦可經由真空閥門的控制進行氫氣的釋放。

Description

一種輕量化儲/放氫罐
為了解決氫的貯存和運輸問題，首先想到的是把氫氣直接貯存在鋼瓶中，然而這種做法是不可取的，因為即使在700atm高壓下，瓶中所裝氫氣的種量還不到鋼瓶本身的百分之一，而且很不安全，一旦洩漏後遇到火花就會***。本發明專利是關於一種輕量化儲/放氫罐的設計，利用儲/放氫罐內的儲氫合金吸附氫氣、並利用罐體的氣體閥門進行氫氣的釋放。
美國為全世界氫能技術與布局最領先的國家、不論在產氫、氫燃料電池、車輛設計、充氫站、各類規範等都較為成熟，近期美國在氫能源的進展以氫燃料電池設計與載具設計為主，即氫能車的設計與整合，因此汽車公司所投入的產學研究相當可觀，固態儲/放氫技術之一為儲/放氫罐，當代產氫與儲氫甚或其他清淨能源技術之障礙皆在於「效益(Performance)」，其中最重要的就是「效率」與「成本」，為了獲得高強度輕量化儲氫罐的要求，具有新穎進度性的儲/放氫罐設計已受到各大廠與研 究單位的重視。
儲氫材料為氫能產業布局之重要性，氫能系統(Hydrogen energy system)的發展可以分為五方面，即氫氣之生產(Production)、運送(Delivery)、儲存(Storage)、轉換(Conversion)以及終端應用(End-use applications)。其中在氫氣運送與儲存方面，需要降低成本、改進效能以及發展先進材料，是氫能應用發展的重要關鍵。根據美國能源部近年公佈的資料，「氫氣儲存」研究計畫是美國能源部最重要的研究發展項目之一，美國能源部並於每年皆提供龐大的研究經費，作為氫氣儲存技術發展之用。事實上，氫儲存就是氫能科技的火車頭，目前國內已有多家廠商投入氫能與燃料電池相關產業發展，儲氫罐主力開發商為漢氫、亞太、旭陽。
日本、美國與歐盟等國家皆積極研發氫能與燃料電池相關應用技術，而以日本為全球最大之燃料電池市場，占全球市場比例約為50%。日本政府傾全力發展氫經濟，從氫氣車、加氫站到家用燃料電池電熱共生系統，除了節能減碳與分散能源的考量之外，更寄望藉領先世界的燃料電池技術，帶動國家產業升級與轉型，策略性地思考氫經濟的全面發展。目前我國氫能與燃料電池產業正規模發展中，國內產業鏈以開發燃料電池系統的廠商居多，例如：中興電工、鼎佳能源、聯合再生能源、美菲德、亞太燃料電池、揚光綠能等。
本發明專利提出一種輕量化儲/放氫罐，本發明專利之創新點在於：(1)輕量化儲/放氫罐本罐體的主要材料為鋁材達到輕量化的目的、(2)罐體的外層包覆一層碳纖維達到強化的目的、(3)罐體的內部施以陽 極處理達到防止氫滲透的目的、(4)罐體外為具有色彩化的鋁陽極處理外殼達到罐體美化的目的。
本發明之輕量化儲/放氫罐的基本結構如第1圖100，包含：儲/放氫罐鋁合金外殼101、儲/放氫罐上蓋102、三通管103、103’、氣體針閥104、氣體出口105、轉接管106、壓力表107、洩壓閥108。
第2圖200顯示更詳細的輕量化儲/放氫罐分解圖，利用鋁合金例如6xxx或7xxx系列或8xxx系列來做為儲/放氫罐體201，為了強化罐體的耐壓強度，罐體乃是利用實心鋁合金圓棒經機械加工後可得中空管罐體的基本雛形；罐體上方設置有儲/放氫罐上蓋202也是利用實心鋁合金柱經機械加工後一體成型的；儲/放氫罐上蓋202下方設置有粉末過濾體203用以防止儲氫合金粉末隨著氫氣散出；罐體下方設置有封口螺絲204用以為儲氫合金填充至罐體內後的封孔用；罐體的外層包覆有碳纖維205用以強化罐體的耐壓性，可進一步利用樹酯或膠類當成黏著劑使碳纖維彼此膠著與固化在一起；為了使儲/放氫罐具美觀化，碳纖維外層可再套上一層具有陽極處理色彩化的鋁合金外殼206；儲/放氫罐上蓋202上方設置有三通管207用以連接真空組件；氣體針閥208連接在三通管的一側用以控制氫氣進出罐體內的流量；氣體針閥208的一側具有氣體出口209用以連接至充氫鋼瓶或是使用負載的連接頭；三通管207’的一側連接轉接管210與壓力表211用以偵測罐內的壓力值；三通管207’的另一側連接洩壓閥212用以罐內當壓力高於設定值時進行自動洩壓的功能。
第3圖300顯示儲/放氫罐剖面圖，包含：儲/放氫罐體301、碳纖維強化材302、陽極處理鋁合金外殼303、儲氫合金填入口304、封口 螺絲305、儲/放氫罐上蓋306、粉末過濾體307。
本發明之一種輕量化儲/放氫罐具有多層材料包覆結構體之特徵，第4圖400顯示該些多層材料的結構，包含：鋁合金罐體401具有鋁合金罐體第一表面402與鋁合金罐體第二表面403，罐體的第一與第二表面具有鋁陽極處理膜披覆404、405，罐體的外層具有碳纖維406包覆，碳纖維的外層具有一鋁合金外殼407包覆，鋁合金外具有一層色彩化的鋁陽極處理膜408。
鋁在適當的陽極處理條件下，可於其表面生成具規則性排列管胞狀結構之氧化鋁膜，當管胞之管徑小於100nm，則稱該氧化膜具有奈米管結構，它是將鋁置於硫酸或草酸陽極處理液中形成，另外，當管胞之管徑大於100nm，則稱該氧化膜具有次微米管結構，它是將鋁置於磷酸陽極處理液中形成；以硫酸陽極液可得最小的管徑約8nm，而磷酸陽極液可得最大的管徑約500nm。陽極氧化鋁膜的孔狀於形成之初為六角型，其乃陽極氧化鋁膜形成時因彼此間的互相推擠而達應力平衡所致，隨著陽極處理時間的增長，較早形成的陽極氧化鋁膜孔狀受到電解液蝕刻後，而形成圓形。
本發明專利利用陽極前處理可協助鋁材經過陽極處理後在其表面形成一高品質的陽極膜。鋁材表面是影響後續陽極處理的重要步驟，鋁材表面前處理包括：
Figure 109138561-A0305-02-0006-5
退火應力釋放：若表面殘留應力不均勻將造成後續陽極膜的厚度不均勻與陽極膜顏色的色差等現象、
Figure 109138561-A0305-02-0006-6
清洗、除油：表面需要除去的污染物包括：鋁合金零件在沖壓、車、銑等加工過程中沾染的各種油污、殘餘拋光膏、手印跡、油封、表面蠟質等、
Figure 109138561-A0305-02-0006-7
表面粗化或拋光：粗化可使鋁材具有消光或霧化表面，拋光可使鋁材具有反射或鏡面效果。
詳細的陽極前處理包括：
Figure 109138561-A0305-02-0007-1
鋁合金基材退火應力消除(100~400℃、5~90min)、
Figure 109138561-A0305-02-0007-4
試片尺寸裁減(各種幾何形狀外觀)、
Figure 109138561-A0305-02-0007-2
表面研磨(80~4000號砂紙)，表面粗化(#40~400噴砂)、
Figure 109138561-A0305-02-0007-3
表面拋光(機械研磨拋光)，電解拋光或化學拋光(溶液拋光)。
鋁合金外殼經前處理與陽極處理後可獲得一層陽極膜，此陽極膜再經染色後可得色彩化的鋁合金外殼，進一步的封孔處理可以使鋁合金外殼的色彩更穩定。
當鋁置於特定的電解液中且控制適當的陽極處理參數，所形成的氧化膜具有規則狀的胞狀(cell)或奈米管結構，奈米管末端與鋁材的介面則形成半球形的阻障層，奈米管的直徑、管密度、管壁厚度、與管長則依陽極處理參數而定。鋁於陽極處理時於表面生成氫氧化鋁陽極膜，該陽極膜成長之初以六角形孔洞往上方成長，隨著時間的增加該六角形孔洞周圍原子的排列漸成非規則性(disorder)的排列，所以孔洞漸轉為圓形孔洞。
為了使本發明之輕量化儲/放氫罐外殼表面獲得不同的質感，本發明案將鋁材外殼進行表面前處理方式包含：鋁材退火應力釋放、噴砂、砂紙研磨、機械拋光、電化學或化學拋光、與犁地等。其中，電化學或化學拋光可以去掉機械拋光中形成的輕微的摩擦條痕和鋁材表面的污染物，進一步使表面平整光滑，能得到高的鏡面光亮度，另外，噴砂快速地使鋁材表面獲得不同的粗糙度。
鋁合金經過噴砂、砂紙研磨、化拋、犁地、與陽極處理後表面可獲得的特徵：
Figure 109138561-A0305-02-0008-8
鋁合金表面經過機械法氧化鋁噴砂(#80)後可獲得均勻的表面粗度、
Figure 109138561-A0305-02-0008-9
鋁合金表面經過化學拋光後表面產生一層具有微孔洞的磷酸鋁膜(Al+H3PO4→Al(H2PO4)+H2)、
Figure 109138561-A0305-02-0008-10
鋁合金表面經過砂紙研磨後仍然殘留砂紙的微細刮痕、
Figure 109138561-A0305-02-0008-11
鋁合金表面經過化學法犁地後可獲得均勻的表面粗度，表一顯示6061鋁合金經過噴砂、砂紙研磨、化拋、犁地、與陽極處理後的表面粗度值，其中鋁合金表面經過噴砂(#80)後可獲得最大的粗度(Ra=2.38μm)，鋁合金表面經過砂紙研磨(#1200)後可獲得最小的粗度(Ra=0.12μm)。
【實施例1】
本發明專利之鋁材普通陽極處理參數為陽極處理時間：20min、陽極電流密度：0.5~12A/dm2因此，由電源供應器輸入至陽極處理槽的電量(Q=It)。電流密度為1~2A/dm2時陽極膜為透明顏色、當電流密度為3~5A/dm2時陽極膜為棕色顏色、當電流密度為6~7A/dm2時陽極膜為深褐色顏色、當電流密度為9~10A/dm2時陽極膜為黑色顏色、當電流密度為11~12A/dm2時陽極膜為黑色顏色，但是有局部白色燒毀痕跡。
【實施例2】
本發明專利之鋁材硬質陽極處理參數為陽極處理時間：40~120min、陽極電流密度：1.0~6.0A/dm2，陽極處理溫度為-6~+4℃，陽及膜的顏色為灰色、棕色、或黑色。
為了測試本發明專利之的耐壓性能，在實施例中通入氬氣並維持一段時間來測試儲/放氫罐的耐壓能力。
【實施例3】
將氬氣通入本發明之儲/放氫罐內，並使罐內維持50atm的氬氣壓力後關閉真空閥門，經由壓力表監測24小時內罐內均可維持50atm的壓力。
【實施例4】
將氬氣通入本發明之儲/放氫罐內，並使罐內維持30atm的氬氣壓力後關閉真空閥門，經由壓力表監測24小時內罐內均可維持30atm的壓力。
【實施例5】
將氬氣通入本發明之儲/放氫罐內，並使罐內維持10atm的氬氣壓力後關閉真空閥門，經由壓力表監測24小時內罐內均可維持10atm的壓力。
【實施例6】
將氬氣通入本發明之儲/放氫罐內，並使罐內維持1.5atm的氬氣壓力後關閉真空閥門，經由壓力表監測24小時內罐內均可維持1.5atm的壓力。
100:儲/放氫罐結構圖
101:儲/放氫罐鋁合金外殼
102:儲/放氫罐上蓋
103、103’:三通管
104:氣體針閥
105:氣體出口
106:轉接管
107:壓力表
108:洩壓閥
200:儲/放氫罐分解圖
201:儲/放氫罐體
202:儲/放氫罐上蓋
203:粉末過濾體
204:封口螺絲
205:碳纖維
206:鋁合金外殼
207、207’:三通管
208:氣體針閥
209:氣體出口
210:轉接管
211:壓力表
212:洩壓閥
300:儲/放氫罐剖面圖
301:儲/放氫罐體
302:碳纖維強化材
303:陽極處理鋁合金外殼
304:儲氫合金填入口
305:封口螺絲
306:儲/放氫罐上蓋
307:粉末過濾體
308:氣體出口
400:儲/放氫罐體
401:鋁合金
402:鋁合金罐體第一表面
403:鋁合金罐體第二表面
404:鋁陽極處理膜
405:鋁陽極處理膜
406:碳纖維
407:鋁合金外殼
408:鋁陽極處理膜
第1圖 儲/放氫罐結構圖
第2圖 儲/放氫罐分解圖
第3圖 儲/放氫罐剖面圖
第4圖 儲/放氫罐體
100:儲/放氫罐結構圖
101:儲/放氫罐鋁合金外殼
102:儲/放氫罐上蓋
103、103’:三通管
104:氣體針閥
105:氣體出口
106:轉接管
107:壓力表
108:洩壓閥

Claims (4)

  1. 一種輕量化儲/放氫罐，包含：以鋁合金組成之罐體，其中該罐體乃是利用實心鋁合金圓棒經機械加工後得之中空管罐體，且該罐體的外層包覆一層碳纖維；其中，利用普通陽極處理方法或硬質陽極處理方法，使該輕量化儲/放氫罐體的內部獲得陽極處理膜，該陽極處理膜具有抵抗氫滲透效果；該罐體的最外層為具有色彩化的鋁陽極處理外殼；更進一步，該輕量化儲/放氫罐包括以下部件：儲/放氫罐上蓋，粉末過濾體，封口螺絲，三通管，氣體針閥，氣體出口，轉接管，壓力表，洩壓閥；其中儲/放氫罐體上方設置有儲/放氫罐上蓋，該儲/放氫罐上蓋是由實心鋁合金柱經機械加工後一體成型的；其中該儲/放氫罐上蓋下方設置有粉末過濾體，用以防止儲氫合金粉末隨著氫氣逸散出；其中該儲/放氫罐體下方設置有封口螺絲，用以作為儲氫合金填充至該儲/放氫罐體內後的封孔用；進一步，利用樹酯或膠類當成黏著劑使碳纖維彼此膠著與固化在一起；其中，該儲/放氫罐上蓋上方設置有三通管用以連接真空組件；另外，包括氣體針閥連接在該三通管的一側用以控制氫氣進出罐體內的流量；該氣體針閥的一側具有氣體出口用以連接至充氫鋼瓶或是使用負載的連接頭； 另外，該三通管的一側連接轉接管與壓力表用以偵測該儲/放氫罐內的壓力值；該三通管的另一側連接洩壓閥，用以罐內當壓力高於設定值時進行自動洩壓的功能。
  2. 如請求項1之一種輕量化儲/放氫罐，其中該儲/放氫罐可耐50atm壓力。
  3. 如請求項1之一種輕量化儲/放氫罐，其中該儲/放氫罐之罐體的材質包含6xxx系列、7xxx系列、8xxx系列鋁合金。
  4. 如請求項1之一種輕量化儲/放氫罐，其中鋁陽極處理外殼包含鍛造材鋁合金與鑄造材鋁合金。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102606874A (zh) * 2012-03-30 2012-07-25 哈尔滨工业大学 带有多层真空绝热层和纤维增强复合材料层的液氧容器
TWM476562U (en) * 2014-01-13 2014-04-21 Bin-Cong Chen Improved vacuum flask structure
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