一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲氫罐設(shè)計

作者簡介：
殷凡青，男，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

摘要
隨著傳統(tǒng)化石燃料儲量的減少和二氧化碳排放導(dǎo)致的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，世界各國都在大力發(fā)展新能源汽車。氫燃料電池汽車具有“零排放，無污染”的優(yōu)點，是未來新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。車載儲氫技術(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于車載儲氫技術(shù)的要求，基于現(xiàn)有的儲氫技術(shù)，發(fā)明設(shè)計了一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲氫罐。

1 研究背景

現(xiàn)代工業(yè)依賴的傳統(tǒng)化石燃料儲量有限、不可再生，而且存在二氧化碳排放污染環(huán)境等問題，因此尋找可再生的綠色能源勢在必行。氫能源作為一種資源豐富、清潔無污染、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，新能源汽車將會逐漸取代傳統(tǒng)燃料汽車。氫燃料電池汽車具有“零排放，無污染”的優(yōu)點，是未來新能源汽車發(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)之一就是車載儲氫技術(shù)。本文基于氫燃料電池汽車對于車載儲氫技術(shù)的要求，根據(jù)現(xiàn)有常見的儲氫方式，設(shè)計了一種車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲氫罐。

2 現(xiàn)有儲氫方式

現(xiàn)有常見的儲氫方式主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和以儲氫材料為介質(zhì)的固態(tài)儲氫三種方式。

高壓氣態(tài)儲氫主要使用大容量輕質(zhì)高壓氣罐或傳統(tǒng)鋼瓶來儲存氣態(tài)氫，具有較高的質(zhì)量儲氫密度，但其體積儲氫密度低、壓力高、安全性差[1]，而且占用汽車空間大，難以保證汽車的實用空間，同時，壓縮氫氣還需使用加壓設(shè)備，增加了成本和能耗，純氫的壓縮還會導(dǎo)致純氫的純度降低；低溫液態(tài)儲氫技術(shù)是將氫氣冷卻到-253℃使之液化，然后灌裝到低溫絕熱儲氫罐進(jìn)行儲存[2]，其儲氫密度高，但能耗大、成本高，對隔熱裝置要求苛刻，而且存在揮發(fā)損失及安全性差等問題[3]；固態(tài)儲氫是將儲氫材料存入密閉容器中，利用儲氫材料的吸氫能力實現(xiàn)氫氣的固態(tài)儲存，具有很高的體積儲氫密度。常用的儲氫材料主要有金屬氫化物、配位氫化物、納米儲氫材料、液態(tài)有機液體儲氫材料等[4]。其中，金屬氫化物是最為常見的儲氫材料。但是固態(tài)儲氫方式的質(zhì)量儲氫密度相對較低，且吸放氫過程受到熱量交換的限制，使得固態(tài)儲氫裝置的充裝和釋放速率較慢。

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



三種儲氫方式的各自缺點限制它們在車載儲氫技術(shù)上的應(yīng)用，都不能夠滿足車載儲氫的技術(shù)要求。
3 儲氫罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

3.1 儲氫罐總體結(jié)構(gòu)
本文發(fā)明設(shè)計的車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲氫罐包括一個罐體狀的金屬內(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)有多個沿罐體軸向間隔布置導(dǎo)氣金屬隔離過濾板7，在相鄰導(dǎo)氣金屬隔離過濾板7之間分布有若干沿罐體軸向設(shè)置的儲氫金屬基質(zhì)9，儲氫金屬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均勻分布在儲氫金屬基質(zhì)9之間的縫隙中，并穿過右端塞10與外部管路連接。罐體結(jié)構(gòu)圖如圖1。



圖1 儲氫罐總體結(jié)構(gòu)

1-氫氣閥蓋；2-左端塞；3-金屬內(nèi)襯；4-纖維增強層；5-外層纖維纏繞層；6-導(dǎo)熱管；7-導(dǎo)氣金屬隔離過濾板；8-儲氫金屬；9-金屬基質(zhì)；10-右端塞
3.2 罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文設(shè)計的復(fù)合式儲氫罐結(jié)構(gòu)[5]主要包括罐體、儲氫金屬結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱管等結(jié)構(gòu)。其中罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足罐體有較大的強度，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通過右端塞10中與外部管路連接，實現(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，長度為500mm，根據(jù)公式：
（1）
可得罐體容積體積為160L。其儲氫能力是同規(guī)格純高壓儲氫罐1.5倍以上纖維增強層4其材料為碳纖維—環(huán)氧樹脂復(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)氧樹脂復(fù)合材料。其比例為1:1最佳。
3.3 儲氫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文設(shè)計的復(fù)合式儲氫罐的核心部分在于儲氫金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計。儲氫金屬結(jié)構(gòu)由導(dǎo)氣金屬隔離過濾板7、儲氫金屬8和金屬基質(zhì)9組成。儲氫金屬8通過電化學(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)，以改善儲氫金屬8的導(dǎo)熱性能。導(dǎo)氣金屬隔離過濾板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相互錯開，以增大氣道利用率，加快儲氫金屬8和氫氣的反應(yīng)速度。各片儲氫金屬基質(zhì)9之間留有空隙，為儲氫金屬8吸氫體積膨脹留出空間；各片儲氫金屬基質(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，實現(xiàn)儲氫金屬8吸放氫時與外界的熱量交換，同時維持罐體內(nèi)的壓強和溫度，提高儲氫金屬8吸放氫的能力。



圖3 儲氫金屬結(jié)構(gòu)
6-導(dǎo)熱管；7-導(dǎo)氣金屬隔離過濾板；8-儲氫金屬；9-金屬基質(zhì)
導(dǎo)氣金屬隔離過濾板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，其過濾精度小于0.5 微米，既可以通過氫氣，又可以過濾掉因儲氫金屬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)氣金屬隔離過濾板7焊接，提高儲氫金屬8的傳熱性能，共10片，每片厚度為8mm，長度為100mm，各片金屬基質(zhì)9之間留有10mm的空隙，供儲氫金屬8體積膨脹和導(dǎo)熱管6穿過；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與后半部相互錯開，增大儲氫金屬8利用率，加快儲氫金屬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氫金屬基質(zhì)外形示意圖。



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

3.4 儲氫金屬選擇
金屬氫化物是復(fù)合儲氫系統(tǒng)的核心部分，其性能的好壞直接影響著儲氫系統(tǒng)的使用。復(fù)合儲氫系統(tǒng)用金屬氫化物首先必須具備較大的質(zhì)量儲氫密度，使得復(fù)合式儲氫罐的儲氫質(zhì)量在5kg以上，從而保證汽車的續(xù)航能力（>500km）。同時，金屬氫化物吸放氫過程的熱效應(yīng)要小，不能引起高壓容器內(nèi)壓強過大的變化，對環(huán)境條件要求簡單，最好能夠在常溫下，完成放氫過程。
表2 各種儲氫金屬的儲氫能力
在氫的存儲領(lǐng)域中應(yīng)用的儲氫合金主要有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。各種儲氫金屬的儲氫能力如表2所示。



由表3-1并考慮各種儲氫金屬的工作環(huán)境，選中儲氫金屬8材料為鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）合金[6]，用高能研磨機或者球磨機實現(xiàn)其固體合金化，鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）儲氫合金有效吸氫量為1.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
儲氫金屬8材料為鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）合金。鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）儲氫合金通過電化學(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)。儲氫金屬結(jié)構(gòu)所占罐體體積小于50%。取儲氫金屬結(jié)構(gòu)占罐體容積為30%，罐體70%的容積用于高壓儲氫，罐內(nèi)溫度為20℃，壓力為40MPa，則根據(jù)實際氣體方程：
及 （2）
計算得高壓儲氫部分儲氫質(zhì)量為3.675kg，罐體內(nèi)存放儲氫金屬8鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）共220kg，則儲氫金屬8儲氫質(zhì)量為4.18kg，總共儲氫質(zhì)量為7.855kg，其儲氫能力是同規(guī)格純高壓儲氫罐1.5倍，可供汽車行駛700km以上。純高壓儲氫罐罐若要儲存相同質(zhì)量的氫氣，其罐內(nèi)壓強要達(dá)到70MPa以上，本發(fā)明設(shè)計的儲氫罐容量增加，但壓強大大減小，提高了其使用安全性。

4 結(jié)論

本文發(fā)明設(shè)計的車載輕質(zhì)高壓金屬氫化物復(fù)合式儲氫罐，同時具有較高的體積儲氫密度和質(zhì)量儲氫密度，儲氫性能遠(yuǎn)高于現(xiàn)在常見的純高壓儲氫，而其體積和內(nèi)部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲氫能力相同的純高壓儲氫罐，在提高儲氫罐使用安全性的同時，還減少了所占汽車空間，保證了汽車的實用空間。儲氫金屬的存放方式考慮了儲氫金屬在吸放氫過程中的體積膨脹和合金粉末化，并改善了其導(dǎo)熱性能，提高了該車載儲氫罐使用壽命。同時，提高了儲氫金屬的質(zhì)量儲氫密度，改善了儲氫金屬氫氣充裝和排放速率較慢的缺點，能夠很好的滿足車載儲氫的要求，具有很好的發(fā)展前景。