本發(fā)明屬于儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種35mpa車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

能源是社會(huì)存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著工業(yè)化的進(jìn)程和人們生活水平的提高，對(duì)能源的需求與日俱增。現(xiàn)代工業(yè)依賴的化石燃料儲(chǔ)量有限、不可再生，且在使用中存在環(huán)境污染等問(wèn)題，因此尋找可再生的綠色能源迫在眉睫。氫能作為一種清潔、高效的二次能源，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)化石燃料的理想能源。在氫能系統(tǒng)中，氫氣的安全儲(chǔ)存是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

常用的儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和以儲(chǔ)氫材料為介質(zhì)的固態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要使用大容量氣罐和鋼瓶來(lái)儲(chǔ)存氣態(tài)氫，具有較高的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，但其體積儲(chǔ)氫密度低、壓力高、安全性差，而且壓縮氫氣還需使用加壓設(shè)備，增加了成本和能耗，純氫的壓縮還會(huì)導(dǎo)致純氫的純度降低；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的儲(chǔ)氫密度高，但能耗大、成本高，對(duì)隔熱裝置要求苛刻，而且存在揮發(fā)損失及安全性差等問(wèn)題；利用儲(chǔ)氫材料的固態(tài)儲(chǔ)氫是將儲(chǔ)氫材料存入密閉容器中，利用儲(chǔ)氫材料的吸氫能力實(shí)現(xiàn)氫氣的固態(tài)儲(chǔ)存，其具有高的體積儲(chǔ)氫密度，甚至比液氫的體積儲(chǔ)氫密度還要高，但是其重量?jī)?chǔ)氫率相對(duì)較低，且吸放氫過(guò)程受到傳熱的限制，使得固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的充裝和排放速率較慢。

將輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器與金屬氫化物相結(jié)合，在體積一定的高壓容器中填裝部分儲(chǔ)氫材料以提高體積儲(chǔ)氫密度,而系統(tǒng)整體的重量與體積儲(chǔ)氫密度可以通過(guò)儲(chǔ)氫材料的裝入比例加以調(diào)整，可以同時(shí)獲得較高的體積儲(chǔ)氫密度和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，并具有快速的充裝和排放速率，同時(shí)提高儲(chǔ)氫罐使用安全性。因此，輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐具有廣闊前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐，儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)所占罐體體積小于50％，儲(chǔ)氫能力是同規(guī)格的純高壓儲(chǔ)氫罐1.5倍以上。

本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐，包括一個(gè)罐體狀的金屬內(nèi)襯，在金屬內(nèi)襯外纏依次繞有纖維增強(qiáng)層和外層纖維纏繞層；在金屬內(nèi)襯的兩端分別設(shè)有左端塞和右端塞，在罐體內(nèi)腔設(shè)有多個(gè)沿罐體軸向間隔布置導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板，在相鄰導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板之間分布有若干沿罐體軸向設(shè)置的儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)，儲(chǔ)氫金屬沉積在導(dǎo)電金屬材質(zhì)的金屬基質(zhì)上，形成合金片結(jié)構(gòu)；導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板支撐起合金片結(jié)構(gòu)，并將合金片結(jié)構(gòu)分隔成兩部分；若干組導(dǎo)熱管均勻分布在儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)之間的縫隙中，并穿過(guò)右端塞與外部管路連接。

作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)采用鋁合金或者不銹鋼材料制作，儲(chǔ)氫金屬通過(guò)電化學(xué)作用沉積在導(dǎo)電金屬材質(zhì)的金屬基質(zhì)上，形成合金片結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，各片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)之間留有空隙，為儲(chǔ)氫金屬吸氫體積膨脹留出空間；各片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)沿罐體軸向布置，且其兩側(cè)與罐體金屬內(nèi)襯內(nèi)壁貼合；分隔成兩部分的合金片結(jié)構(gòu)的各片金屬基質(zhì)相互錯(cuò)開(kāi)。

作為優(yōu)選，在左端塞上以螺旋密封方式安裝有氫氣閥蓋，充氫管路和放氫管路從左端塞進(jìn)出。

作為優(yōu)選，所述導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板為銅粉或不銹鋼粉的燒結(jié)體，過(guò)濾精度小于0.5微米；導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板的外徑與罐體內(nèi)徑相等。

作為優(yōu)選，所述導(dǎo)熱管為不銹鋼或鋁合金材料；導(dǎo)熱管中通入有換熱介質(zhì)。

作為優(yōu)選，所述金屬內(nèi)襯為鋁合金或不銹鋼材料，采用熱擠壓工藝加工而成。

作為優(yōu)選，所述纖維增強(qiáng)層為碳纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料，采用濕法纏繞工藝?yán)p繞。

作為優(yōu)選，所述外層纖維纏繞層為玻璃纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料。

作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)氫金屬為稀土系ab5型、鈦系ab型、鈦系ab2型、鈦釩固溶體型儲(chǔ)氫合金中的一種或一種以上；儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)所占罐體體積小于50％。

本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫能力是同規(guī)格的純高壓儲(chǔ)氫罐1.5倍以上，同時(shí)具有較高的體積儲(chǔ)氫密度和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，儲(chǔ)氫罐體積和內(nèi)部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)氫質(zhì)量相同的純高壓儲(chǔ)氫罐，提高了儲(chǔ)氫罐的使用安全性，并減少了所占汽車空間。

(2)本發(fā)明的車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐中，儲(chǔ)氫金屬的存放方式考慮了儲(chǔ)氫金屬在吸/放氫過(guò)程中的體積膨脹和合金粉末化，并改善了其導(dǎo)熱性能，提高了該車載儲(chǔ)氫罐使用壽命。

(3)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，考慮了儲(chǔ)氫金屬在吸/放氫過(guò)程中的體積膨脹和合金粉末化，其公稱工作壓力不小于35mpa，導(dǎo)熱性能良好，儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)所占罐體體積小于50％，儲(chǔ)氫能力是同規(guī)格的純高壓儲(chǔ)氫罐1.5倍以上。

附圖說(shuō)明

圖1為一種35mpa車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐剖視圖。

圖2為中間片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)外形示意圖。

圖3為非中間片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)外形示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1-氫氣閥蓋；2-左端塞；3-金屬內(nèi)襯；4-纖維增強(qiáng)層；5-外層纖維纏繞層；6-導(dǎo)熱管；7-導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板；8-儲(chǔ)氫金屬；9-金屬基質(zhì)；10-右端塞。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但并不作為對(duì)發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1所示，該車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐，包括一個(gè)罐體狀的金屬內(nèi)襯3，在金屬內(nèi)襯3外纏依次繞有纖維增強(qiáng)層4和外層纖維纏繞層5；在金屬內(nèi)襯3的兩端分別設(shè)有左端塞2和右端塞10，在罐體內(nèi)腔設(shè)有多個(gè)沿罐體軸向間隔布置導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7，在相鄰導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7之間分布有若干沿罐體軸向設(shè)置的儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)9，儲(chǔ)氫金屬8沉積在導(dǎo)電金屬材質(zhì)的金屬基質(zhì)9上，形成合金片結(jié)構(gòu)；導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7支撐起合金片結(jié)構(gòu)，并將合金片結(jié)構(gòu)分隔成兩部分；若干組導(dǎo)熱管6均勻分布在儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)9之間的縫隙中，并穿過(guò)右端塞10與外部管路連接。

導(dǎo)熱管6通過(guò)焊接方式與右端塞10連接，換熱介質(zhì)通過(guò)入熱管6實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫金屬8與外界的熱量交換，維持罐體內(nèi)壓強(qiáng)和溫度，為儲(chǔ)氫金屬8和氫氣提供合適的反應(yīng)條件。氫氣閥蓋1以螺旋密封方式安裝在左端塞1上，充氫管路和放氫管路從左端塞1進(jìn)出。

其中，儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)9采用鋁合金或者不銹鋼材料制作，儲(chǔ)氫金屬8通過(guò)電化學(xué)作用沉積在導(dǎo)電金屬材質(zhì)的金屬基質(zhì)9上，形成合金片結(jié)構(gòu)。導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7支撐起合金片結(jié)構(gòu)，并將合金片結(jié)構(gòu)分隔成兩部分。各片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)9之間留有空隙，為儲(chǔ)氫金屬8吸氫體積膨脹留出空間；各片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)9沿罐體軸向布置，且其兩側(cè)與罐體金屬內(nèi)襯3內(nèi)壁貼合。圖2和圖3分別給出了中間片和非中間片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)外形示意圖。

儲(chǔ)氫金屬8材料為鈦-鉻-錳(ti-cr-mn)合金，用高能研磨機(jī)或者球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)其固體合金化，鈦-鉻-錳(ti-cr-mn)儲(chǔ)氫合金有效吸氫量為1.9％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。鈦-鉻-錳(ti-cr-mn)儲(chǔ)氫合金通過(guò)電化學(xué)作用沉積在導(dǎo)電金屬材質(zhì)的金屬基質(zhì)9上，形成合金片結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)所占罐體體積小于50％。取儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)占罐體容積為30％，罐體70％的容積用于高壓儲(chǔ)氫，罐內(nèi)溫度為20℃，壓力為40mpa，則根據(jù)實(shí)際氣體方程及m＝nm計(jì)算得高壓儲(chǔ)氫部分儲(chǔ)氫質(zhì)量為3.675kg，罐體內(nèi)存放儲(chǔ)氫金屬8鈦-鉻-錳(ti-cr-mn)共220kg，則儲(chǔ)氫金屬8儲(chǔ)氫質(zhì)量為4.18kg，總共儲(chǔ)氫質(zhì)量為7.855kg，其儲(chǔ)氫能力是同規(guī)格純高壓儲(chǔ)氫罐1.5倍，可供汽車行駛700km以上。純高壓儲(chǔ)氫罐若要儲(chǔ)存相同質(zhì)量的氫氣，其罐內(nèi)壓強(qiáng)要達(dá)到70mpa以上，本發(fā)明設(shè)計(jì)的儲(chǔ)氫罐容量增加，但壓強(qiáng)大大減小，提高了其使用安全性。

金屬基質(zhì)9其材料為鋁合金或者不銹鋼材料，與導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7焊接，提高儲(chǔ)氫金屬8的傳熱性能，共10片，每片厚度為8mm，長(zhǎng)度為100mm，各片金屬基質(zhì)9之間留有10mm的空隙，供儲(chǔ)氫金屬8體積膨脹和導(dǎo)熱管6穿過(guò)；各片金屬基質(zhì)9在縱軸方向上與罐體金屬內(nèi)襯3內(nèi)壁貼合,前半部各片金屬基質(zhì)9與后半部相互錯(cuò)開(kāi)，增大儲(chǔ)氫金屬8利用率，加快儲(chǔ)氫金屬8吸/放氫的速度。

金屬內(nèi)襯3材料為鋁合金或不銹鋼材料，采用熱擠壓工藝加工而成。公稱工作壓力不小于35mpa。其外徑為240mm，內(nèi)徑為200mm，長(zhǎng)度為500mm，根據(jù)公式v＝πr²l，可得罐體容積體積為160l。其儲(chǔ)氫能力是同規(guī)格純高壓儲(chǔ)氫罐1.5倍以上。

纖維增強(qiáng)層4其材料為碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，采用濕法纏繞工藝?yán)p繞。將內(nèi)襯兩端沿軸線方向固定在數(shù)控纏繞機(jī)的芯軸上,然后將浸漬在中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂膠中的連續(xù)纖維,在一定工藝張緊力作用下,將幾束連續(xù)纖維有規(guī)律地纏繞在刷有清漆的內(nèi)襯上,經(jīng)固化即形成纖維纏繞復(fù)合材料高壓容器纖維增強(qiáng)層。

外層纖維纏繞層5為玻璃纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，其比例為1:1最佳。

導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7的材料為銅粉或不銹鋼粉的燒結(jié)體，其外徑與金屬內(nèi)襯3相同，厚度為4mm，上面布有和導(dǎo)熱管6外徑相同的小孔，供導(dǎo)熱管6穿過(guò)，其過(guò)濾精度小于0.5微米，既可以通過(guò)氫氣，又可以過(guò)濾掉因儲(chǔ)氫金屬8粉末化而產(chǎn)生的雜質(zhì)。

導(dǎo)熱管6的材料為不銹鋼或鋁合金，外徑為10mm，壁厚2mm，若干組導(dǎo)熱管6均勻分布在儲(chǔ)氫金屬8和金屬基質(zhì)9形成合金片結(jié)構(gòu)的縫隙中，并穿過(guò)右端塞10與外部管路連接，導(dǎo)熱管6中通入換熱介質(zhì)，換熱介質(zhì)如水通入導(dǎo)熱管6中，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫金屬8吸/放氫時(shí)與外界的熱量交換，同時(shí)維持罐體內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度，提高儲(chǔ)氫金屬8吸/放氫的能力。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。