一種車載輕質高壓金屬氫化物復合式儲氫罐設計

殷凡青，姜良超，程吉鵬

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

1 研究背景

現代工業依賴的傳統化石燃料儲量有限、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，被認為是替代傳統化石燃料的理想能源。作為傳統化石燃料消耗和二氧化碳排放的主要行業之一，汽車行業也在大力發展新能源汽車，新能源汽車將會逐漸取代傳統燃料汽車。氫燃料電池汽車具有“零排放，無污染”的優點，是未來新能源汽車發展的主要方向之一，具有光明的前景。在氫能系統中，氫氣的安全儲存是最關鍵的環節。而限制氫燃料電池汽車發展的主要技術之一就是車載儲氫技術。本文基于氫燃料電池汽車對于車載儲氫技術的要求，根據現有常見的儲氫方式，設計了一種車載輕質高壓金屬氫化物復合式儲氫罐。

2 現有儲氫方式

現有常見的儲氫方式主要包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和以儲氫材料為介質的固態儲氫三種方式。

高壓氣態儲氫主要使用大容量輕質高壓氣罐或傳統鋼瓶來儲存氣態氫，具有較高的質量儲氫密度，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備，增加了成本和能耗，純氫的壓縮還會導致純氫的純度降低；低溫液態儲氫技術是將氫氣冷卻到-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，而且存在揮發損失及安全性差等問題[3]；固態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氫氣的固態儲存，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。但是固態儲氫方式的質量儲氫密度相對較低，且吸放氫過程受到熱量交換的限制，使得固態儲氫裝置的充裝和釋放速率較慢。

三種儲氫方式各自優缺點比較如表1。

表1 三種儲氫技術比較

三種儲氫方式的各自缺點限制它們在車載儲氫技術上的應用，都不能夠滿足車載儲氫的技術要求。

3 儲氫罐結構設計

本文為滿足氫燃料汽車對車載儲氫的要求，將高壓氣態儲氫方式與固態儲氫中的金屬氫化物儲氫方式相結合，在輕質高壓容器中填裝合適比例的儲氫金屬，設計出了一種車載輕質高壓金屬氫化物復合式儲氫罐。該儲氫罐具有較高的體積儲氫密度和質量儲氫密度，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 儲氫罐總體結構

本文發明設計的車載輕質高壓金屬氫化物復合式儲氫罐包括一個罐體狀的金屬內襯3，在金屬內襯3外纏依次繞有纖維增強層4和外層纖維纏繞層5；在金屬內襯3的兩端分別設有左端塞2和右端塞10，在罐體內腔設有多個沿罐體軸向間隔布置導氣金屬隔離過濾板 7，在相鄰導氣金屬隔離過濾板7之間分布有若干沿罐體軸向設置的儲氫金屬基質9，儲氫金屬8沉積在導電金屬材質的金屬基質9上，形成合金片結構；導氣金屬隔離過濾板7支撐起合金片結構，并將合金片結構分隔成兩部分；若干組導熱管6均勻分布在儲氫金屬基質9之間的縫隙中，并穿過右端塞10與外部管路連接。罐體結構圖如圖1。3

.2 罐體結構設計

本文設計的復合式儲氫罐結構[5]主要包括罐體、儲氫金屬結構及導熱管等結構。其中罐體結構設計不僅要滿足罐體有較大的強度，還要能夠克服“氫脆”現象。罐體結構包括氫氣閥蓋1、左端塞2、金屬內襯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 罐體結構

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進出，導熱管 6通過右端塞 10中與外部管路連接，實現與外界的熱量交換。

金屬內襯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，內徑為200mm，長度為500mm，根據公式：

可得罐體容積體積為160L。其儲氫能力是同規格純高壓儲氫罐1.5倍以上。

纖維增強層4其材料為碳纖維—環氧樹脂復合材料，采用濕法纏繞工藝纏繞。

外層纖維纏繞層5其材料為玻璃纖維一環氧樹脂復合材料。其比例為1:1最佳。

3.3 儲氫金屬結構設計

本文設計的復合式儲氫罐的核心部分在于儲氫金屬結構的設計。儲氫金屬結構由導氣金屬隔離過濾板7、儲氫金屬8和金屬基質9組成。儲氫金屬8通過電化學作用沉積附著在導電金屬材質的金屬基質9上，形成合金片結構，以改善儲氫金屬8的導熱性能。導氣金屬隔離過濾板7支撐起合金片結構，并將合金片結構分隔成兩部分，前后兩部分的合金片結構的各片金屬基質9相互錯開，以增大氣道利用率，加快儲氫金屬8和氫氣的反應速度。各片儲氫金屬基質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9沿罐體軸向布置，且其兩側與罐體金屬內襯3內壁貼合。儲氫金屬結構如圖3所示。

導熱管6的材料為鋁合金，外徑為10mm，壁厚2mm，換熱介質如水通入導熱管6中，實現儲氫金屬8吸放氫時與外界的熱量交換，同時維持罐體內的壓強和溫度，提高儲氫金屬8吸放氫的能力。

圖3 儲氫金屬結構

導氣金屬隔離過濾板7的材料為銅粉或不銹鋼粉的燒結體，其外徑與金屬內襯3相同，厚度為4mm，上面布有和導熱管6外徑相同的小孔，供導熱管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粉末化而產生的雜質。

金屬基質9其材料為鋁合金或者不銹鋼材料，與導氣金屬隔離過濾板 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9之間留有10mm的空隙，供儲氫金屬8體積膨脹和導熱管6穿過；各片金屬基質9在縱軸方向上與罐體金屬內襯3內壁貼合,前半部各片金屬基質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外形示意圖。

圖4 中間片儲氫金屬基質外形示意圖

圖5 非中間片儲氫金屬基質 外形示意圖

3.4 儲氫金屬選擇

金屬氫化物是復合儲氫系統的核心部分，其性能的好壞直接影響著儲氫系統的使用。復合儲氫系統用金屬氫化物首先必須具備較大的質量儲氫密度，使得復合式儲氫罐的儲氫質量在5kg以上，從而保證汽車的續航能力（>500km）。同時，金屬氫化物吸放氫過程的熱效應要小，不能引起高壓容器內壓強過大的變化，對環境條件要求簡單，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

在氫的存儲領域中應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%（質量分數）。

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作用沉積在導電金屬材質的金屬基質9上，形成合金片結構。儲氫金屬結構所占罐體體積小于50%。取儲氫金屬結構占罐體容積為30%，罐體70%的容積用于高壓儲氫，罐內溫度為20℃，壓力為40MPa，則根據實際氣體方程：

計算得高壓儲氫部分儲氫質量為3.675kg，罐體內存放儲氫金屬8鈦-鉻-錳（Ti-Cr-Mn）共220kg，則儲氫金屬8儲氫質量為4.18kg，總共儲氫質量為7.855kg，其儲氫能力是同規格純高壓儲氫罐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量的氫氣，其罐內壓強要達到70MPa以上，本發明設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 結論

本文發明設計的車載輕質高壓金屬氫化物復合式儲氫罐，同時具有較高的體積儲氫密度和質量儲氫密度，儲氫性能遠高于現在常見的純高壓儲氫，而其體積和內部壓力遠遠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，具有很好的發展前景。

參考文獻

[1] 鄭津洋,開方明,劉仲強等.輕質高壓儲氫容器[J].化工學報,2004,55:130-131.

[2] 傅強.輕質高壓儲氫容器整體優化設計[D].浙江大學碩士論文,2004:7-9.

[3] 趙永志,花爭立,歐可升,周池樓,鄭津洋.車載低溫高壓復合儲氫技術研究現狀與挑戰[J].太陽能學報,2013,34(07):1301-1302.

[4] 王振庭,鄭青榕,徐軼群.車載儲氫研究新進展[J].硅谷,2008,(20):118+117.

[5] 張同林.日本新型氫燃料電池汽車及其產業發展前景[J].上海節能,2016,(02):88-89.

[6] 趙棟梁,尚宏偉,李亞琴等.鈦鐵基儲氫合金在車載儲能領域的應用研究[J].稀有金屬,2014,38（6):289-290.