一种用于储存高压氢气的装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及储氢技术领域，具体涉及一种用于储存高压氢气的装置及系统。

背景技术：

2.氢能作为一种绿、清洁的新型能源，具有高燃烧热值、无污染的特点，是传统化石能源极具吸引力的替代品。燃料电池驱动的汽车通过氢气与空气结合，将化学能转化为电能来为汽车提供动力，而该反应的唯一产物是水，不存在污染物的排放，并且可以循环使用再生成氢气。氢能源的推广非常有望为缓解空气质量问题提供有效解决方案。
3.一直以来，氢气的存储和运输都是氢能应用发展的关键挑战。两个主要问题促使对现在的储氢系统进行革新。首先，氢作为原子半径最小的元素，在许多材料中具有非常高的渗透率。氢渗透会引起储氢材料内部结构发生改变，造成氢脆。氢脆会导致材料的延展性大大降低，进而极易发生开裂和失效。因此，高拉伸强度、不与氢反应以及低的氢扩散性是储氢材料所需的特性。再者，储气系统应可承受因压缩氢气带来的高压，且为了便于运输，这一系统必须是便携可移动的。目前常见的满足这些要求的氢气贮存系统都是由金属材料、合金和/或复合材料制成的，这些材料普遍较重，从而造成储气系统的体积密度和质量密度难以满足需求。
4.高压钢瓶是目前使用最广泛的储氢技术，它提供的重量和体积储氢密度分别为1wt％和16g/l。钢瓶的替代品包括液态氢储罐、复合材料氢储罐、吸附储氢、金属氢化物储氢方式等。
5.液态氢储罐通常只被用于大规模长距离的氢气运输，这是因为氢气液化装置的资本成本和能耗要求过高。虽然这是一项较为成熟的技术，但它很难有效的缩小规模。对于小型储罐，较高的表面/体积比造成的蒸发是一个主要问题。
6.为了减轻结构重量，纤维增强复合材料已知可被用于制造储氢罐。这类储氢罐的内衬通常由铝或聚合物制成，再经由玻璃或碳纤维包覆。这类储气罐可以提供的重量和体积储氢密度可以被提升到5wt％和26g/l。但由于碳纤维的生产成本较高，碳纤维制成的复合材料气瓶要比钢瓶价格高很多。
7.吸附储氢是通过物理吸附的方法将氢分子弱结合到吸附剂表面，然而只有在接近77k的低温下才能获得可观的储氢容量，商业化应用比较困难。
8.金属氢化物是通过氢气分子解离生成氢原子，占据金属、金属间化合物或合金的晶体结构中的间隙位点，形成金属氢化物。这种金属氢化物的形成往往伴随着吸收热的释放(通常为30-70kj/mol)、晶体结构的膨胀(高达30％)以及循环时的爆裂/沉降效应。因此在这一系统中，热控制和对机械形变的控制十分重要。除此之外，过于昂贵的成本也是固体储氢商业化应用的一大障碍。

技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于储存高压氢气的装置及系统，
通过集成的毛细管束进行高压氢气存储，在毛细管束的一端充气、另一端放气，结构简单，使用高效，可重复充装氢气，成本低，实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。
10.本实用新型采用如下技术方案：
11.一种储存高压氢气装置，包括由多个储存氢气的毛细管阵列排布组合而成的储氢单元和分别设置在所述储氢单元两端的两个转接器，每个所述毛细管的两端开口，并分别与两个所述转接器导通，其中一个所述转接器用于外部压缩氢气存入，另一个所述转接器用于内部压缩氢气流出。
12.所述储氢单元自内而外依次设有多个毛细管、增强层和外壳层，所述增强层将多个所述毛细管包覆；所述毛细管沿所述外壳层长度方向通长设置，所述转接器与所述外壳层的端部通过螺纹或胶黏剂固定密封连接。
13.所述转接器包括第一转接器和第二转接器，所述第一转接器内集成有仅可由外向内导通的单向阀，用于将外部压缩氢气储存到所述储氢单元内，所述第二转接器内集成有仅可由内向外导通的单向阀，用于将所述储氢单元内的压缩氢气排出。
14.优选地，所述单向阀为逆止阀。
15.所述毛细管材料的拉伸强度α与材料密度ρ之比满足α/ρ＞1750mpa
·
cm3/g。
16.优选地，所述毛细管材料为镁硅玻璃、硼硅玻璃、熔融石英或聚合物中的一种。
17.所述毛细管的横截面形状为圆形、六边形或四方形中的一种，其直径或截面宽度为1μm-8mm。
18.若相邻所述毛细管之间未能紧密贴合，存在空隙，则应设置有填充剂，所述填充剂为环氧粘合剂或玻璃中的一种。
19.所述增强层和外壳层为金属层、塑料层或复合材料层中的一种。
20.所述第一转接器上远离所述储氢单元的一端设有氢气入口，由外向内导通的所述单向阀靠近所述氢气入口端设置；所述第二转接器上远离所述储氢单元的一端设有氢气出口(221)，由内向外导通的所述单向阀靠近所述氢气出口端设置。
21.一种储存高压氢气系统，包括n(n≥2)个权利所述储存高压氢气装置和设置在所述储存高压氢气装置两端的两个耦合器，n个所述储存高压氢气装置并联后通过所述转接器与所述耦合器导通，所述耦合器上远离所述转接器的一侧设有导管，通过所述导管向所述系统中添加氢气或从中释放氢气。
22.本实用新型技术方案，具有如下优点：
23.a、本实用新型用于储存高压氢气的装置及系统，采用集成的高拉伸强度、低密度毛细管束进行氢气储存，组装灵活，储氢压力高(可达到150mpa)，储氢能力强(重量储氢密度高达16％，体积储氢密度高达60g/l)，实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。
24.b、本实用新型用于储存高压氢气的装置及系统，毛细管束采用双向开口，并在两端分别设置单向阀门，一端用于进气，另一端用于出气，与目前常规的一端开口的容器相比，操作简单，避免了单口容器进行充、放气时端口的频繁拆合，使用更加方便。
25.c、本实用新型用于储存高压氢气的装置及系统，安全性高，相对于高压氢气储罐而言，毛细管储氢技术由无数细小的抗压毛细管组合在一起，形成一个超强的稳定结构。每一根细小的毛细管作为单一压力容器，由于单根毛细管储氢量极少，氢气泄漏不能形成爆炸环境。
26.d、本实用新型用于储存高压氢气的装置及系统，毛细管储氢技术连接便捷、充氢迅速、模块化可替换。毛细管储氢为模块化构成，把一根根细小的毛细管组合在一起构成大的存储单元组件，再把存贮单元组件叠加组成大的存储系统，模块替换非常快捷方便。
27.e、毛细管储氢技术为模块化结构，储氢装置的形状、尺寸与容量可以随意设计和安装。
28.f、本实用新型可以通过选择阵列单元的样式和数量以及特定阵列单元的组装形式来构建特定尺寸和形状的储氢系统，以耦合至任意期望的消费系统。例如可以充分利用汽车内狭窄空间构建储氢系统模块，搭载在氢燃料电池汽车上为燃料电池供能。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本实用新型所提供的储存高压氢气装置结构透视图；
31.图2为图1中储氢单元横断面剖视图(一)；
32.图3为图1中储氢单元横断面剖视图(二)；
33.图4为图1中储氢单元横断面剖视图(三)；
34.图5为本实用新型所提供的储存高压氢气系统整体结构示意图。
35.图中标识如下：
36.1-储氢单元，11-毛细管，12-增强层，13-外壳层；2-转接器，21-第一转接器，211-氢气入口，22-第二转接器，221-氢气出口；3-耦合器；4-导管。
具体实施方式
37.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
40.如图1所示，本实用新型提供了一种储存高压氢气装置，包括由多个储存氢气的毛
细管11阵列排布组合而成的储氢单元1和分别设置在储氢单元1两端的两个转接器2，毛细管11由高抗拉强度α和低质量密度ρ材料制备而成，每个毛细管11的两端开口，并分别与两个转接器2导通，其中一个转接器2用于外部压缩氢气存入，另一个转接器2用于内部压缩氢气流出。本实用新型采用集成的高拉伸强度、低密度毛细管束进行氢气储存，储氢压力高(可达到150mpa)，储氢能力强(重量储氢密度高达16％，体积储氢密度高达60g/l)，实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。本实用新型安全性高，相对于高压氢气储罐而言，毛细管储氢技术由无数细小的抗压毛细管组合在一起，形成一个超强的稳定结构。每一根细小的毛细管作为单一压力容器，由于单根毛细管储氢量极少，氢气泄漏不能形成爆炸环境。
41.进一步地，储氢单元1自内而外依次设有多个毛细管11、增强层12和外壳层13，增强层12将多个毛细管11包覆；毛细管11沿外壳层13长度方向通长设置，转接器2与外壳层13的端部通过螺纹或胶黏剂固定密封连接。转接器2包括第一转接器21和第二转接器22，第一转接器21内集成有仅可由外向内导通的单向阀，用于将外部压缩氢气储存到储氢单元1内，第二转接器22内集成有仅可由内向外导通的单向阀，用于将储氢单元1内的压缩氢气排出。本实用新型结构中毛细管束采用双向开口，并在两端分别设置单向阀门，一端用于进气，另一端用于出气，与目前常规的一端开口的容器相比，操作简单，避免了单口容器进行充、放气时端口的频繁拆合，使用更加方便。本实用新型中单向阀选择逆止阀。
42.单只储氢毛细管11由具有高抗拉强度α和低质量密度ρ的材料制成，其拉伸强度α与材料密度ρ之比满足α/ρ＞1750mpa
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cm3/g，可选择的材料有镁硅玻璃、硼硅玻璃、熔融石英或聚合物等。增强层12和外壳层13可以根据所需厚度、形状和刚度自由选择任何合适的金属、塑料或复合材料，以提供足够的机械强度保护内部的毛细管储氢阵列。
43.毛细管11的横截面形状包括但不限于圆形、六边形、四方形等，其直径或截面宽度为1μm-8mm。可以通过熔化、铜焊、焊接或本领域已知的其他方法将毛细管11的两端加盖状转接器2，压缩氢气可以从一端开口进入毛细管并被贮存在内，从一端开口排出毛细管作为燃料应用。
44.不同截面形状的毛细管通过紧密组合可获得不同结构形状的阵列封装。如图2所示，四边形截面的毛细管11可以紧密结合组装成截面为正方形或长方形状的阵列，并由增强层12加固，包围在外壳层13中。同样的，如图3所示，六边形截面的毛细管11可以组装成截面为六边形状的阵列。应注意的是，在一个阵列中，如果相邻的毛细管之间存在缝隙未能紧密贴合在一起，则管壁与管壁之间的空间应用材料填充，例如环氧粘合剂、玻璃等。在图4中，圆柱形毛细管11可以组装成截面近圆形状的阵列，但紧密堆积的圆柱体之间依然存在着缝隙，可以采用环氧粘合剂或玻璃填充。由以上可知，通过改变毛细管的形状和组合方式，就可以获得任何所需尺寸和形状的毛细管阵列的储氢单元1。
45.另外，第一转接器21上远离储氢单元1的一端设有氢气入口211，由外向内导通的单向阀靠近氢气入口211端设置；第二转接器22上远离储氢单元1的一端设有氢气出口221，由内向外导通的单向阀靠近氢气出口221端设置。单向阀可以控制氢气被密封在毛细管内，并在需要的时候允许氢气通过，如打开第一转接器21上的单向阀时，外部压缩氢气通过氢气入口211添加至储氢单元1加氢，或如打开第二转接器22上的单向阀时，将氢气出口221连接至外部燃氢设备释放氢气。
46.如图5所示，本实用新型还提供了一种用于储存高压氢气系统，包括n(n≥2)个上
述储存高压氢气装置和设置在储存高压氢气装置两端的两个耦合器3，n个储存高压氢气装置并联后通过两个耦合器3分别与第一转接器21上的氢气入口211和第二转接器22上的氢气出口221导通。耦合器3上远离转接器2的一侧设有导管4，通过导管4向系统中添加氢气或从中释放氢气。本实用新型用于储存高压氢气的装置及系统，毛细管储氢技术连接便捷、充氢迅速、模块化可替换。毛细管储氢为模块化构成，把一根根细小的毛细管组合在一起构成大的存储单元组件，再把存贮单元组件叠加组成大的存储系统，模块替换非常快捷方便。
47.由于毛细管储氢技术为模块化结构，本实用新型可以通过选择阵列储氢单元的样式和数量以及特定阵列储氢单元1的组装形式来构建特定尺寸和形状的储存高压氢气系统，以耦合至外部需要的任意期望的氢气消耗系统。例如可以充分利用汽车内狭窄空间构建储氢系统模块，搭载在氢燃料电池汽车上为燃料电池供能。
48.本实用新型未述及之处适用于现有技术。
49.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

技术特征：

1.一种储存高压氢气的装置，其特征在于，包括由多个储存氢气的毛细管（11）阵列排布组合而成的储氢单元（1）和分别设置在所述储氢单元（1）两端的两个转接器（2），每个所述毛细管（11）的两端开口，并分别与两个所述转接器（2）导通，其中一个所述转接器（2）用于外部压缩氢气存入，另一个所述转接器（2）用于内部压缩氢气流出。2.根据权利要求1所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述储氢单元（1）自内而外依次设有多个毛细管（11）、增强层（12）和外壳层（13），所述增强层（12）将多个所述毛细管（11）包覆；所述毛细管（11）沿所述外壳层（13）长度方向通长设置，所述转接器（2）与所述外壳层（13）的端部通过螺纹或胶黏剂固定密封连接。3.根据权利要求1所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述转接器（2）包括第一转接器（21）和第二转接器（22），所述第一转接器（21）内集成有仅可由外向内导通的单向阀，用于将外部压缩氢气储存到所述储氢单元（1）内，所述第二转接器（22）内集成有仅可由内向外导通的单向阀，用于将所述储氢单元（1）内的压缩氢气排出。4.根据权利要求3所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述单向阀为逆止阀。5.根据权利要求1所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述毛细管（11）材料的拉伸强度α与材料密度ρ之比满足α/ρ＞1750mpa
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cm3/g。6.根据权利要求5所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述毛细管（11）材料为镁硅玻璃、硼硅玻璃、熔融石英或聚合物中的一种。7.根据权利要求2所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述毛细管（11）的横截面形状为圆形、六边形或四方形中的一种，其直径或截面宽度为1μm-8mm。8.根据权利要求7所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，若相邻毛细管（11）之间未能紧密贴合，存在空隙，则应设置有填充剂，所述填充剂为环氧粘合剂或玻璃中的一种；所述增强层（12）和外壳层（13）为金属层、塑料层或复合材料层中的一种。9.根据权利要求3所述的储存高压氢气的装置，其特征在于，所述第一转接器（21）上远离所述储氢单元（1）的一端设有氢气入口（211），由外向内导通的所述单向阀靠近所述氢气入口（211）端设置；所述第二转接器（22）上远离所述储氢单元（1）的一端设有氢气出口（221），由内向外导通的所述单向阀靠近所述氢气出口（221）端设置。10.一种储存高压氢气系统，其特征在于，包括n个权利要求1-9任一项所述的储存高压氢气的装置和设置在所述储存高压氢气的装置两端的两个耦合器（3），n个所述储存高压氢气的装置并联后通过所述转接器（2）与所述耦合器（3）导通，所述耦合器（3）上远离所述转接器（2）的一侧设有导管（4），通过所述导管（4）向所述系统中添加氢气或从中释放氢气，其中n≥2。

技术总结

本实用新型公开了一种用于储存高压氢气的装置和系统，所述装置包括由多个储存氢气的毛细管阵列排布组合而成的储氢单元和分别设置在储氢单元两端的两个转接器，每个毛细管的两端开口，并分别与两个转接器导通，其中一个转接器用于外部压缩氢气存入，另一个转接器用于内部压缩氢气流出。多个储氢装置和设置在储氢装置两端的耦合器组合成储氢系统。本实用新型采用集成的高拉伸强度、低密度毛细管束进行氢气储存，组装灵活，储氢压力高，储氢能力强，实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。