一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：
殷凡青，男，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。

摘要
隨著傳統(tǒng)化石燃料儲(chǔ)量的減少和二氧化碳排放導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都在大力發(fā)展新能源汽車。氫燃料電池汽車具有“零排放，無(wú)污染”的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。車載儲(chǔ)氫技術(shù)是氫燃料電池汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。為了滿足新能源汽車對(duì)于車載儲(chǔ)氫技術(shù)的要求，基于現(xiàn)有的儲(chǔ)氫技術(shù)，發(fā)明設(shè)計(jì)了一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐。

1 研究背景

現(xiàn)代工業(yè)依賴的傳統(tǒng)化石燃料儲(chǔ)量有限、不可再生，而且存在二氧化碳排放污染環(huán)境等問(wèn)題，因此尋找可再生的綠色能源勢(shì)在必行。氫能源作為一種資源豐富、清潔無(wú)污染、可再生、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。作為傳統(tǒng)化石燃料消耗和二氧化碳排放的主要行業(yè)之一，汽車行業(yè)也在大力發(fā)展新能源汽車，新能源汽車將會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)燃料汽車。氫燃料電池汽車具有“零排放，無(wú)污染”的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)新能源汽車發(fā)展的主要方向之一，具有光明的前景。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)。而限制氫燃料電池汽車發(fā)展的主要技術(shù)之一就是車載儲(chǔ)氫技術(shù)。本文基于氫燃料電池汽車對(duì)于車載儲(chǔ)氫技術(shù)的要求，根據(jù)現(xiàn)有常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方式，設(shè)計(jì)了一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐。

2 現(xiàn)有儲(chǔ)氫方式

現(xiàn)有常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方式主要包括高壓氣態(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)氫三種方式。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要使用大容量輕質(zhì)高壓氣罐或傳統(tǒng)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[1]，而且占用汽車空間大，難以保證汽車的實(shí)用空間，同時(shí)，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)氫技術(shù)是將氫氣冷卻到-253℃使之液化，然后灌裝到低溫絕熱儲(chǔ)氫罐進(jìn)行儲(chǔ)存[2]，其儲(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[3]；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，具有很高的體積儲(chǔ)氫密度。常用的儲(chǔ)氫材料主要有金屬氫化物、配位氫化物、納米儲(chǔ)氫材料、液態(tài)有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料等[4]。其中，金屬氫化物是最為常見(jiàn)的儲(chǔ)氫材料。但是固態(tài)儲(chǔ)氫方式的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度相對(duì)較低，且吸放氫過(guò)程受到熱量交換的限制，使得固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的充裝和釋放速率較慢。

三種儲(chǔ)氫方式各自優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1。
表1 三種儲(chǔ)氫技術(shù)比較



三種儲(chǔ)氫方式的各自缺點(diǎn)限制它們?cè)谲囕d儲(chǔ)氫技術(shù)上的應(yīng)用，都不能夠滿足車載儲(chǔ)氫的技術(shù)要求。
3 儲(chǔ)氫罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文為滿足氫燃料汽車對(duì)車載儲(chǔ)氫的要求，將高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式與固態(tài)儲(chǔ)氫中的金屬氫化物儲(chǔ)氫方式相結(jié)合，在輕質(zhì)高壓容器中填裝合適比例的儲(chǔ)氫金屬，設(shè)計(jì)出了一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐。該儲(chǔ)氫罐具有較高的體積儲(chǔ)氫密度和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，滿足車載儲(chǔ)氫要求的充裝和排放速率，同時(shí)提高了儲(chǔ)氫罐使用安全性。

3.1 儲(chǔ)氫罐總體結(jié)構(gòu)
本文發(fā)明設(shè)計(jì)的車載輕質(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。罐體結(jié)構(gòu)圖如圖1。



圖1 儲(chǔ)氫罐總體結(jié)構(gòu)

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
3.2 罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式儲(chǔ)氫罐結(jié)構(gòu)[5]主要包括罐體、儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱管等結(jié)構(gòu)。其中罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足罐體有較大的強(qiáng)度，還要能夠克服“氫脆”現(xiàn)象。罐體結(jié)構(gòu)包括氫氣閥蓋1、左端塞2、金屬內(nèi)襯3、纖維增強(qiáng)層4、外層纖維纏繞層5、右端塞10。如圖2所示。



圖2 罐體結(jié)構(gòu)
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；10-右端塞
在左端塞2上以螺旋密封方式安裝有氫氣閥蓋1，充氫管路和放氫管路從左端塞2進(jìn)出，導(dǎo)熱管6通過(guò)右端塞10中與外部管路連接，實(shí)現(xiàn)與外界的熱量交換。金屬內(nèi)襯3材料為鋁合金，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：
（1）
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。
外層纖維纏繞層5其材料為玻璃纖維一環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。其比例為1:1最佳。
3.3 儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式儲(chǔ)氫罐的核心部分在于儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)由導(dǎo)氣金屬隔離過(guò)濾板7、儲(chǔ)氫金屬8和金屬基質(zhì)9組成。儲(chǔ)氫金屬8通過(guò)電化學(xué)作用沉積附著在導(dǎo)電金屬材質(zhì)的金屬基質(zhì)9上，形成合金片結(jié)構(gòu)，以改善儲(chǔ)氫金屬8的導(dǎo)熱性能。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，前后兩部分的合金片結(jié)構(gòu)的各片金屬基質(zhì)9相互錯(cuò)開(kāi)，以增大氣道利用率，加快儲(chǔ)氫金屬8和氫氣的反應(yīng)速度。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。儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)如圖3所示。
導(dǎo)熱管6的材料為鋁合金，外徑為10mm，壁厚2mm，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。



圖3 儲(chǔ)氫金屬結(jié)構(gòu)
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)
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)。
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。
圖4和圖5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。



圖4 中間片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì) 圖5 非中間片儲(chǔ)氫金屬基質(zhì)
外形示意圖 外形示意圖

3.4 儲(chǔ)氫金屬選擇
金屬氫化物是復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)的核心部分，其性能的好壞直接影響著儲(chǔ)氫系統(tǒng)的使用。復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)用金屬氫化物首先必須具備較大的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，使得復(fù)合式儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫質(zhì)量在5kg以上，從而保證汽車的續(xù)航能力（>500km）。同時(shí)，金屬氫化物吸放氫過(guò)程的熱效應(yīng)要小，不能引起高壓容器內(nèi)壓強(qiáng)過(guò)大的變化，對(duì)環(huán)境條件要求簡(jiǎn)單，最好能夠在常溫下，完成放氫過(guò)程。
表2 各種儲(chǔ)氫金屬的儲(chǔ)氫能力
在氫的存儲(chǔ)領(lǐng)域中應(yīng)用的儲(chǔ)氫合金主要有AB5型稀土系合金、AB2型Laves相合金、AB型Ti-Fe系合金、AB型Ti系合金、A2B型Mg-Ni型合金和AB型Ti系合金等。各種儲(chǔ)氫金屬的儲(chǔ)氫能力如表2所示。



由表3-1并考慮各種儲(chǔ)氫金屬的工作環(huán)境，選中儲(chǔ)氫金屬8材料為鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）合金[6]，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)）。
儲(chǔ)氫金屬8材料為鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）合金。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 （2）
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。

4 結(jié)論

本文發(fā)明設(shè)計(jì)的車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲(chǔ)氫罐，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)氫性能遠(yuǎn)高于現(xiàn)在常見(jiàn)的純高壓儲(chǔ)氫，而其體積和內(nèi)部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)氫能力相同的純高壓儲(chǔ)氫罐，在提高儲(chǔ)氫罐使用安全性的同時(shí)，還減少了所占汽車空間，保證了汽車的實(shí)用空間。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。同時(shí)，提高了儲(chǔ)氫金屬的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，改善了儲(chǔ)氫金屬氫氣充裝和排放速率較慢的缺點(diǎn)，能夠很好的滿足車載儲(chǔ)氫的要求，具有很好的發(fā)展前景。