一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置

1.本发明属于储氢技术领域，特别涉及一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置。

背景技术：

2.人类历史进程的推进与能源资源的消耗联系密切，社会进步所需求的能源消耗几乎完全来自于化石燃料，然而其不可再生性导致的能源枯竭，碳排放高引起的环境问题等日益严重，当务之急是加速新能源的开发和利用。氢能作为一种真正的清洁能源，被认为是21世纪最理想的能源，氢气的安全、高效储存尤为关键。
3.现存的氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类：高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。(吴朝玲,李永涛，李媛.氢气储存和运输[m].化学工业出版社,2020.)目前使用较为广泛且具备商业化特性的是高压气态储氢技术，指在常温下将气态的氢压缩至高压状态并储存在储氢容器中，但这种方式储氢密度低、压力高而安全性差、钢瓶结构笨重且形状受限(基本为圆柱型)；其次是低温液态储氢技术，指将液态氢储存在绝热效果良好的容器中，同时最好应附有相应的制冷设施，减少气化。虽然在储氢密度上优势远远大于高压气态储氢，液氢密度约为标况氢气密度的850倍，但在液氢的制取和储存上要求极高，需要消耗大量的能源(低温与超导,2019,47(06):21-29.)；最后是固态储氢技术，指利用储氢材料吸附氢气的能力实现氢气的固态储存，储存压力低，容器形状可做异形，体积储氢密度大但质量储氢密度较低，吸/放氢反应动力学与传热特性有关。
[0004]
目前交通载具，包括汽车、轮船、飞机等，其储氢装置大多数为高压气瓶，瓶身形状固定，体积、质量大，空间利用率低，不便于集成放大，导致氢气携带量少，影响交通载具的续航能力。

技术实现要素：

[0005]
为解决现有交通载具储氢技术中储氢压力高、装置体积大、储氢量少以及安全性差等问题，本发明的目的在于提供一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置。
[0006]
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007]
一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，包括异形集成式金属氢化物储氢反应器和整体装置外部结构框架；整体装置外部结构框架包括受力骨架外板，受力骨架内板以及侧面板；受力骨架外板上设置侧面板，侧面板顶部设置受力骨架内板，受力骨架外板、侧面板与受力骨架内板形成腔体，异形集成式金属氢化物储氢反应器设置在腔体内；异形集成式金属氢化物储氢反应器包括多个片状或柱状且与车身结构一致的异形金属氢化物储氢反应器单元。
[0008]
进一步的，异形金属氢化物储氢反应器单元包括反应器壳体、储氢金属过滤板以及换热管；
[0009]
反应器壳体一端顶部开设有氢气进口，另一端顶部开设有氢气出口，氢气进口和氢气出口处均安装有储氢金属过滤板，反应器壳体内装填储氢金属材料，换热管设置在储氢金属材料内并且两端穿出反应器壳体。
[0010]
进一步的，换热管进口连接有热流进口管路，换热管进口安装有热流进口阀门；出口连接有热流出口管路，出口安装有热流出口阀门。
[0011]
进一步的，反应器壳体一端外侧设置有加氢管路，加氢管路与氢气进口相连通，加氢管路中安装有加氢阀门，反应器壳体另一端外侧设置有放氢管路，放氢管路与氢气出口相连通，放氢管路中安装有放氢阀门。
[0012]
进一步的，换热管与反应器壳体之间采用焊接方式连接；加氢管路与反应器壳体之间以及放氢管路与反应器壳体之间采用螺纹连接；储氢金属过滤板与反应器壳体采用焊接连接。
[0013]
进一步的，反应器壳体、受力骨架外板、受力骨架内板以及侧面板采用不锈钢材料。
[0014]
进一步的，反应器壳体外设置有保温绝热涂层；换热管采用铜或不锈钢材料，换热管的管路形状为直管、翅片管或螺旋管，排布方式为三角形排列或正方形排列。
[0015]
进一步的，换热管中的换热流体采用水或导热油。
[0016]
进一步的，储氢金属材料中混合有膨胀石墨颗粒。
[0017]
进一步的，膨胀石墨颗粒的总量为储氢金属材料与膨胀石墨颗粒总重量的1～5wt.％。
[0018]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019]
本发明通过设置异形集成式金属氢化物储氢反应器和整体装置外部结构框架，异形集成式金属氢化物储氢反应器包括多个片状或柱状异形金属氢化物储氢反应器单元，该反应器单元以储氢金属为储氢介质，具有体积储氢密度高、储氢压力低、储氢安全性高的优势，同时该储氢装置的壳体结构与交通载具受力骨架设计为一体化，即异形储氢装置兼作载具骨架，装置重量均匀分布，符合骨架受力要求，并合理利用储氢金属自身的重量提高载具整体重心的稳定性，从而在保证交通载具受力骨架原有承重、抗撞击等力学性能的前提下，解决了高压储氢气瓶装置结构单一的局限性问题，提高了空间利用率，弥补了固态储氢质量密度低的劣势，增加了行驶安全性。
[0020]
进一步的，本发明中考虑了储氢金属材料在吸氢过程的体积膨胀现象，空间装填率弹性留有裕度，避免储氢反应器发生疲劳损伤，提高循环寿命，同时混合有石墨烯等导热材料颗粒，提高储氢金属材料的整体导热性能。
[0021]
进一步的，本发明中各金属氢化物储氢反应器单元之间结构、功能等相互独立，通过控制换热装置，包括热流阀门开关、热流进口温度、热流循环速率等，实现对各个单元储氢反应器执行吸/放氢任务的独立控制，同时便于单元储氢反应器的单独拆卸、更换与维修，不影响整体装置的正常运行。
附图说明
[0022]
图1为本发明的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置正视结构示意图。
[0023]
图2为本发明的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置侧视结构示意图。
[0024]
图3为本发明的异形集成式金属氢化物储氢反应器俯视结构示意图。
[0025]
图中，1为反应器壳体，2为反应床层，3为储氢金属过滤板，4为换热管，5为加氢管路，6为放氢管路，7为热流进口管路，8为热流出口管路，9为受力骨架外板，10为受力骨架内板，11为侧面板，12为加氢阀门，13为放氢阀门，14为热流进口阀门，15为热流出口阀门。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0027]
本发明提供一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，利用固态储氢材料，如储氢金属、储氢合金等，完成氢气储存任务的装置，同时该装置结构、形状随载具各异，从而满足交通载具储氢对于储氢空间小且储氢量大实际需求。
[0028]
本发明基于金属氢化物和换热流体驱动实现，具有储氢压力低、储氢安全性高、储氢装置异形与交通载具受力骨架一体化、空间利用率大、储氢承重功能集成化、工作控制单元化等优势。
[0029]
参见图1、图2和图3，本发明提供一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，包括异形集成式金属氢化物储氢反应器和整体装置外部结构框架。
[0030]
其中，异形集成式金属氢化物储氢反应器由多个片状或柱状等与车身结构一致的异形金属氢化物储氢反应器单元组成，每个异形金属氢化物储氢反应器单元包括反应器壳体1，反应床层2，储氢金属过滤板3，换热管4，加氢管路5，放氢管路6，热流进口管路7，热流出口管路8，加氢阀门12，放氢阀门13，热流进口阀门14以及热流出口阀门15；整体装置外部结构框架包括受力骨架外板9，受力骨架内板10以及侧面板11。
[0031]
受力骨架外板9上设置异形集成式金属氢化物储氢反应器和侧面板11，异形集成式金属氢化物储氢反应器和侧面板11顶部设置受力骨架内板10。具体的，受力骨架外板9、侧面板11与受力骨架内板10形成腔体，异形集成式金属氢化物储氢反应器设置在腔体内。
[0032]
反应器壳体1、受力骨架外板9、受力骨架内板10以及侧面板11采用不锈钢材料制作，保证交通载具固态储氢与受力骨架一体化装置具备普通受力骨架的承压、抗撞击等力学性能。所述一体化装置整体和各部件的形状结构及尺寸根据实际受力骨架设计、交通载具整体安装配合等相关联，灵活改变，提高空间利用率。
[0033]
反应器壳体1一端顶部开设有氢气进口，另一端顶部开设有氢气出口，所述氢气进口和氢气出口处均安装有储氢金属过滤板3，储氢金属过滤板3的过滤精度依据储氢金属颗粒尺寸设计，反应器壳体1一端外侧设置有加氢管路5，加氢管路5与氢气进口相连通，加氢管路5中安装有加氢阀门12，反应器壳体1另一端外侧设置有放氢管路6，放氢管路6与氢气出口相连通，放氢管路6中安装有放氢阀门13，反应器壳体1内装填储氢金属材料，储氢金属材料堆积成反应床层2，换热管4设置在反应床层2内并且两端(一端为进口，另一端为出口)穿出反应器壳体1，换热管4进口与热流进口管路7相连通，换热管4进口安装有热流进口阀门14；出口与热流出口管路8相连通，出口安装有热流出口阀门15。
[0034]
反应器壳体1外设置有保温绝热涂层。
[0035]
换热管4采用铜或不锈钢材料制作，管路形状结构(如直管、翅片管、螺旋管等)、排
布方式(如三角形排列、正方形排列等)、排布数量等由实际换热需求和换热效果灵活设计。
[0036]
换热管4中的换热流体采用水或导热油。
[0037]
换热管4与反应器壳体1之间采用焊接方式连接，换热流体通过换热管4实现与反应床层2之间的热量交换，通过控制反应器壳体1内温度，提供合适的反应条件。
[0038]
加氢管路5与反应器壳体1之间、放氢管路6与反应器壳体1之间均采用螺纹连接，并做密封处理，能够实现反应器单元的单独拆卸，拆卸步骤为：首先拆卸受力骨架内板10，其次将异形金属氢化物储氢反应器单元与加氢管路5、放氢管路6、热流进口管路7以及热流出口管路8断开，最后将异形金属氢化物储氢反应器单元卸载，完成储异形金属氢化物储氢反应器单元的拆除。
[0039]
储氢金属过滤板3焊接到反应器壳体1内壁上。
[0040]
所述异形金属氢化物储氢反应器单元整体配备有相关控制系统，在控制系统的作用下，换热管4针对不同异形金属氢化物储氢反应器单元对于热量的需求，包括是否需要发生吸/放氢反应、吸/放氢反应速率等，进行选择性热量供给、热流循环速率调整等措施，例如控制管路阀门开关、改变热流进口温度等，实现对各单元储氢反应器的独立控制，保证各单元储氢反应器功能单元化的有效稳定进行。
[0041]
反应器壳体1内的储氢金属材料装填量不宜过满，弹性留有空间供其进行吸氢反应时发生体积膨胀，避免反应器壳体1受压损坏。
[0042]
储氢金属材料为可以与氢气生成金属氢化物的元素，储氢金属材料可以为粉末状、压块状等多种形状，根据所设计反应器结构形状灵活选择。
[0043]
储氢金属材料中混合有反应床层2总质量1～5wt.％的膨胀石墨颗粒，用以改善床层整体的导热性能以提高反应速率。
[0044]
所述储氢反应器单元整体设计应满足重量均布于车架底部，降低整车重心，提高汽车防侧翻性能。
[0045]
所述异形金属氢化物储氢反应器单元之间结构、功能等独立，实现反应器单元化，方便储氢反应器单元的单独控制、维修、更换等操作。
[0046]
下面为具体实施例。
[0047]
实施例1
[0048]
以70mpa车载iv型储氢气瓶为例进行说明，实施例所设计气瓶总体积约66l，筒身外径360mm，长度550mm，筒身厚度23.33mm，封头厚度24.74mm，实际容积计算得约为49.82l。压力0.1mpa，温度0℃时，氢气密度为0.089g/l，假设氢气为理想气体，根据理想气体状态方程pv＝nrt计算，压力70mpa，温度20℃时，氢气密度约为66.86g/l，因此该气瓶可储存氢气的总质量约为3330.97g。
[0049]
以汽车为例，所有异形金属氢化物储氢反应器单元总体积为66l，每个异形金属氢化物储氢反应器单元设计为片状，计算本发明异形金属氢化物储氢反应器单元的储氢量。反应器壳体1材料及厚度与车身相同，约为0.6～2mm，考虑吸/放氢过程容器内部受压，厚度设计为3mm，长度与轴距相同，约为2500～2700mm，高度取常见车底盘厚度，约为100mm，则宽度计算得约为264mm，反应器壳体1实际容积约为64.20l，设反应器壳体1内部装填lani5颗粒，密度为8.4g/cm3，质量储氢密度为1.45wt％，反应床层空间占比为70％，床层孔隙率取0.2，掺杂膨胀石墨颗粒1wt％，则单个片状异形金属氢化物储氢反应器单元可储存氢气的
总质量约为4378.96g，相比之下，占用相同体积的前提下，本发明的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置可携带更多质量的氢气，同时装置结构形状为多个片状单元集成的长方体，反应器壳体1内装有金属氢化物颗粒保证车身总重。因此，可实现提高空间利用率的同时，汽车稳定性和行驶安全性得到了一定程度的保障。
[0050]
实施例2
[0051]
以丰田二代mirai汽车为例，整车长宽高分别为4975mm，1885mm，1470mm，轴距2920mm，储氢罐总储氢重量5.6kg，最大续航里程850km，现用本发明的金属氢化物反应器进行合理估算，以储氢金属lani5储存氢气，其质量储氢密度为1.45wt％，密度为8.4g/cm3，反应床层空间占比为70％，床层孔隙率取0.2，掺杂质量为床层总质量1wt％的膨胀石墨颗粒，则金属氢化物总重计算得267.65kg，整体反应器容积为57.47l，根据整车尺寸合理设计本发明装置尺寸，长为2000mm，宽为1000mm，厚度设计为3mm，则根据计算得出的容积，反应器高度约为30mm，尺寸合理，并可根据需求决定单元储氢反应器的容量与数量。
[0052]
本发明中换热流体流进、流出金属氢化物储氢反应器单元，向金属氢化物床层提供热量，发生吸/放氢反应实现氢气的储存与利用，同时利用控制系统，对各异形金属氢化物储氢反应器单元的热量供给进行单独控制，实现功能单元化。同高压储氢气瓶相比，相同体积占用情况下，该装置可携带更多氢气，提高了汽车的续航能力，同时该装置与交通载具受力骨架结合设计为与其结构一致的异形集成式金属氢化物储氢反应器，实现固态储氢与受力骨架一体化，异形集成式金属氢化物储氢反应器形状不局限于圆柱型罐体，且可均匀布于载具骨架内部，提高空间利用率的同时，合理分配载具重量，稳定载具重心，增加行驶安全性。

技术特征：

1.一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，包括异形集成式金属氢化物储氢反应器和整体装置外部结构框架；整体装置外部结构框架包括受力骨架外板(9)，受力骨架内板(10)以及侧面板(11)；受力骨架外板(9)上设置侧面板(11)，侧面板(11)顶部设置受力骨架内板(10)，受力骨架外板(9)、侧面板(11)与受力骨架内板(10)形成腔体，异形集成式金属氢化物储氢反应器设置在腔体内；异形集成式金属氢化物储氢反应器包括多个片状或柱状且与车身结构一致的异形金属氢化物储氢反应器单元。2.根据权利要求1所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，异形金属氢化物储氢反应器单元包括反应器壳体(1)、储氢金属过滤板(3)以及换热管(4)；反应器壳体(1)一端顶部开设有氢气进口，另一端顶部开设有氢气出口，氢气进口和氢气出口处均安装有储氢金属过滤板(3)，反应器壳体(1)内装填储氢金属材料，换热管(4)设置在储氢金属材料内并且两端穿出反应器壳体(1)。3.根据权利要求2所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，换热管(4)进口连接有热流进口管路(7)，换热管(4)进口安装有热流进口阀门(14)；出口连接有热流出口管路(8)，出口安装有热流出口阀门(15)。4.根据权利要求2所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，反应器壳体(1)一端外侧设置有加氢管路(5)，加氢管路(5)与氢气进口相连通，加氢管路(5)中安装有加氢阀门(12)，反应器壳体(1)另一端外侧设置有放氢管路(6)，放氢管路(6)与氢气出口相连通，放氢管路(6)中安装有放氢阀门(13)。5.根据权利要求4所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，换热管(4)与反应器壳体(1)之间采用焊接方式连接；加氢管路(5)与反应器壳体(1)之间以及放氢管路(6)与反应器壳体(1)之间采用螺纹连接；储氢金属过滤板(3)与反应器壳体(1)采用焊接连接。6.根据权利要求2所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，反应器壳体(1)、受力骨架外板(9)、受力骨架内板(10)以及侧面板(11)采用不锈钢材料。7.根据权利要求2所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，反应器壳体(1)外设置有保温绝热涂层；换热管(4)采用铜或不锈钢材料，换热管(4)的管路形状为直管、翅片管或螺旋管，排布方式为三角形排列或正方形排列。8.根据权利要求2所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，换热管(4)中的换热流体采用水或导热油。9.根据权利要求2所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，储氢金属材料中混合有膨胀石墨颗粒。10.根据权利要求9所述的应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，其特征在于，膨胀石墨颗粒的总量为储氢金属材料与膨胀石墨颗粒总重量的1～5wt.％。

技术总结

本发明公开一种应用于交通载具的固态储氢与受力骨架一体化装置，包括异形集成式金属氢化物储氢反应器和整体装置外部结构框架；整体装置外部结构框架包括受力骨架外板，受力骨架内板以及侧面板；受力骨架外板上设置侧面板，侧面板顶部设置受力骨架内板，受力骨架外板、侧面板与受力骨架内板形成腔体，异形集成式金属氢化物储氢反应器设置在腔体内。本发明可携带更多氢气，提高了汽车的续航能力，同时该装置与交通载具受力骨架结合设计为与其结构一致的异形集成式金属氢化物储氢反应器，实现固态储氢与受力骨架一体化，且均匀布于载具骨架内部，提高空间利用率的同时，合理分配载具重量，稳定载具重心，增加行驶安全性。增加行驶安全性。增加行驶安全性。