一种储氢容器的制作方法

1.本实用新型涉及储氢技术领域，具体涉及一种储氢容器。


背景技术：

2.在储氢领域，储氢气瓶的壁面材料在快速加氢过程会不断蓄热升温，为了确保储氢气瓶不因过热而引发气瓶壁面材料的性能下降和气瓶快充效能下降的问题，实际加氢操作中往往增设有预冷装置，以保证加氢操作安全进行，然而，在快充过程结束后，气瓶静置时，气瓶壁面各层固体材料的温度仍会发生变化，同时，由于气瓶制造工艺不同，气瓶结构差别较大，即便限定了类似的快充参数条件，快充结束后储氢瓶内的温升分布也可能存在较大差异，进而难以就固定的氢气快充参数进行预冷。
3.现有技术中，预冷装置辅以多点位下的热电偶、红外测温仪等温度测量装置的采集数据提供支撑，通过实时检测进而确认氢气快充参数，但是，高压储氢气瓶，如70mpa储氢气瓶，其气瓶进气口与阀门连接的密封技术通常采用径向机械密封结构或者复式树脂密封机构，多点位下的热电偶、红外测温仪因为排线点位或配合标准过多，可能会给实际的高压氢气快速加注操作带来潜在的泄压危险。所以加氢操作应尽量避免因排线点位或配合标准过多而引发入射氢流轰鸣、氢气超量泄漏等事故，多点位下的热电偶、红外测温仪可能会给实际的高压氢气快速加注操作带来潜在的泄压危险。


技术实现要素：

4.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中对储氢气瓶的预冷装置进行辅助温度测量的装置，存在导致发生噪声和泄压的风险，从而提供一种储氢容器。
5.本实用新型提供一种储氢容器，包括：瓶体，沿厚度方向自内向外设有内衬层和承压层，所述内衬层呈匀质导热材质设置，所述瓶体的两端分别设置有进气口和瓶底；温度传感单元，沿所述瓶底外缘和/或瓶底中心设置，并对应夹设在所述内衬层和所述承压层之间。
6.瓶体包括：排气口，设置在所述瓶底中心，沿周向设置有所述温度传感单元；底肩，设置在所述瓶底上，沿远离所述进气口方向突出设置，并沿所述瓶底外缘朝向所述排气口方向内径逐渐减小，所述底肩的外缘设置有所述温度传感单元。
7.内衬层呈铝合金材质设置。
8.承压层呈碳纤维－环氧树脂复合材质设置，适于绕设在所述内衬层外侧。
9.储氢容器还包括：外壳层，包设在所述承压层外侧，适于保护所述内衬层。
10.外壳层呈玻璃纤维－环氧树脂复合材质设置，适于绕设在所述承压层外侧。
11.储氢容器，还包括：数据采集装置，设置在所述进气口上，与所述温度传感单元通讯连接，并夹设在所述内衬层和所述承压层之间。
12.温度传感单元和所述数据采集装置与所述内衬层呈粘合连接。
13.沿所述排气口和/或所述进气口的周向设置有辅助夹层。
14.辅助夹层呈不锈钢材质设置。
15.本实用新型技术方案，具有如下优点：
16.通过在远离进气口的一端的瓶底外缘和瓶底中心设置温度传感单元，这样设置，一方面，在储氢气瓶的快充过程中，瓶体内将逐渐形成完整的再循环流，再循环流与高速入射氢气流的混合将促成“尾流”，即高热氢流积聚在内衬层远离进气口端部中心位置的现象，同时，由于氢气密度较小，氢流的浮力效应能进一步促进瓶体内壁与“尾流”间的传热，从而促进“尾流”发展与混合，使得高热氢流流向瓶体上远离进气口的形变位置，综上，瓶状设置的储氢容器，当内衬层呈匀质导热材质设置时，在这两处位置分别为内衬层远离进气口的形变位置和端部中心位置，对应为储氢容器中的温升最高位置，可以较为准确地检测氢气充装过程储氢容器内部的最高温升，为预冷设备提供数据支持。
17.另一方面，这样设置测量点位仅一处或两处，减少了实际加氢操作中温度传感单元、数据采集装置、总控装置连接点位或配合点位等结构的数量，节省了设备购置和安装成本，避免了因排线过多或配合标准过多而引发氢气超量泄漏、入射氢流轰鸣等事故。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述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。
19.图1为本实用新型的实施例中提供的储氢容器的内部结构示意图；
20.图2为温升比例系数与环境温度的关系图；
21.附图标记说明：
22.1、瓶体；11、进气口；12、瓶底；13、排气口；14、底肩；2、内衬层；3、承压层；4、外壳层；5、温度传感单元；6、数据采集装置；7、辅助夹层。
具体实施方式
23.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。
24.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。
25.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。
26.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
27.如图1，本实施例提供一种储氢容器，具体为高压储氢气瓶，高压储氢气瓶的具体型号和内压可以为不同大小，在本实施例中，具体为70mpa储氢气瓶。储氢容器包括：瓶体1和温度传感单元5。
28.在本实施例中，瓶体1呈长筒瓶状，可以为圆筒瓶或方筒瓶状，沿厚度方向自内向外设有内衬层2和承压层3，具体地，内衬层2由匀质导热材质构成，呈各向同性，沿长度方向瓶体1的两端分别设置有进气口11和瓶底12，具体地，在设置有进气口11的端部上还设置有顶肩，进一步地，进气口11上设置有进气阀，并两者在连接位置设置有径向机械密封结构或者复式树脂密封机构，避免氢气泄漏。
29.温度传感单元5分别设置在瓶底12外缘和瓶底12中心位置，具体地，瓶底12外缘指代远离进气口11的瓶体1端部上，沿径向延伸方向上的形状突变位置。作为可变换的实施方式，瓶底12外缘和瓶底12中心位置可以择一设置。进一步地，温度传感单元5对应夹设在内衬层2和承压层3之间。在本实施例中，温度传感单元5具体为温度传感器，可以检测安设位置的温度，其与外部的预冷装置通讯连接。
30.通过在远离进气口11的一端的瓶底12外缘和瓶底12中心设置温度传感单元5，这样设置，一方面，在储氢气瓶的快充过程中，瓶体1内将逐渐形成完整的再循环流，再循环流与高速入射氢气流的混合将促成“尾流”，即高热氢流积聚在内衬层远离进气口端部中心位置的现象，同时，由于氢气密度较小，氢流的浮力效应能进一步促进瓶体1内壁与“尾流”间的传热，从而促进“尾流”发展与混合，使得高热氢流流向瓶体1上远离进气口11的形变位置，综上，瓶状设置的储氢容器，当内衬层2呈匀质导热材质设置时，在这两处位置分别为内衬层2远离进气口11的形变位置和端部中心位置，对应为储氢容器中的温升最高位置，可以较为准确地检测氢气充装过程储氢容器内部的最高温升，为预冷设备提供数据支持，另一方面，这样设置测量点位仅一处或两处，减少了实际加氢操作中温度传感单元5、数据采集装置6、总控装置连接点位或配合点位等结构的数量，节省了设备购置和安装成本，避免了因排线过多或配合标准过多而引发氢气超量泄漏、入射氢流轰鸣等事故。
31.在本实施例中，瓶体1还包括排气口13和底肩14，排气口13设置在瓶底12的中心，沿周向设置有温度传感单元5，底肩14设置在瓶底12上，沿远离进气口11方向突出设置，并沿瓶底12外缘朝向排气口13方向内径逐渐减小，底肩14的外缘设置有温度传感单元5。作为可变换的实施方式，底肩14可以呈平面状设置，作为另一可变换的实施方式，排气口13也可以不设置。
32.进一步地，在本实施例中，内衬层2呈铝合金材质设置，优选地，内衬层2为借助t6态热处理方法加工的6061铝合金内衬层2，这样设置的内衬层2在高压氢服役环境的氢相容性较好，对氢气的密封性较高。此外，在气瓶制造过程中，铝合金的内衬层2可以通过端侧定型、减薄旋压等工艺实现成型，工艺成熟，便于批量制造。
33.储氢气瓶还包括数据采集装置6，数据采集装置6设置在进气口11上，与温度传感单元5电连接，具体通过导线连接，进一步地，导线与数据采集装置6均夹设在内衬层2和承压层3之间，作为可变换的实施方式，数据采集装置6也可以设置在储氢气瓶外部，与温度传
感单元5无线连接。
34.在本实施例中，在铝合金的内衬层2成型后，将温度传感单元5和数据采集装置6接线，并设置表面配胶并涂刷环氧粘合剂，将其粘合连接在预设位置的内衬层2上，即瓶底12外缘、瓶底12中心和进气口11周侧位置，优选地，粘合操作后，还需在约60℃环境下固化1小时左右。
35.在本实施例中，承压层3呈碳纤维－环氧树脂复合材质设置，具体为t800碳纤维复合材料层，绕设在内衬层2外侧，这样设置的承压层3，可以有效承载储氢气瓶内压，且质量较低，可以有效减轻瓶重。
36.储氢气瓶还包括外壳层4，包设在承压层3外侧，适于保护内衬层2。具体地，外壳层4呈玻璃纤维－环氧树脂复合材质设置，绕设在承压层3外侧。作为可变换的实施方式，外壳层4也可以不设置。
37.在本实施例中，承压层3呈碳纤维－环氧树脂复合结构，在温度传感单元5和数据采集装置6完成粘合固化后，绕设在内衬层2上，并进行固化处理，呈玻璃纤维－环氧树脂复合结构的外壳层4再绕设至承压层3上，并进行外壳层4的固化处理，最终完成全气瓶制造。
38.进一步地，在本实施例中，沿排气口13和进气口11的周向设置有辅助夹层7，具体地，辅助夹层7呈不锈钢材质设置，并设置在内衬层2和承压层3之间。作为可变换的实施方式，也可以仅设置在排气口13和进气口11其中之一。
39.作为储氢容器的入射氢流预冷检测方法，包括：
40.s1.获取储氢容器的结构信息；
41.在本实施例中，温度传感单元5和数据采集装置6还与控制器通讯连接，在步骤s1中，包括向控制器内录入储氢容器的第一结构信息。具体地，储氢容器的第一结构信息包括：t
lave
：储氢容器内衬层2的平均厚度；t
cave
：储氢容器承压层3的平均厚度；v
c0
：储氢容器的水容积；ri：储氢容器的内周半径；l
c0
：储氢容器的瓶长；lc：储氢容器的筒体长；hi：储氢容器的封头高度(内筒)；k
mc
：储氢容器承压层3体积折算系数；k
ml
：储氢容器内衬层2体积折算系数。在本实施例中，瓶肩区指代顶肩和底肩。
42.步骤s1还包括：通过控制器内程序运算得到储氢容器的第二结构信息，具体地，储氢容器的第二结构信息包括：
[0043]vl
：储氢容器内衬层2的体积、vc：储氢容器承压层3的体积。其中：
[0044]vl
＝lcπ[(ri+t
lave
)2－r
i2
]+(4/3)π(1+k
ml
)r
i2hi
；
[0045]vc
＝lcπ[(ri+t
cave
+t
lave
)2－(ri+t
lave
)2]+(4/3)π(1+k
mc
)r
i2
(hi+t
lave
)；
[0046]
步骤s1还包括：通过控制器内程序运算得到储氢容器的第三结构信息，具体地，储氢容器的第三结构信息包括：
[0047]al
：储氢容器铝合金内衬层2的比积系数、ac：储氢容器承压层3的比积系数、ar：储氢容器的长径比。其中：
[0048]al
＝v
l
/v
c0
，ac＝vc/v
c0
，ar＝l
c0
/(2ri)；
[0049]
s2.获取储氢容器内的最高温升区域温度。
[0050]
在本实施例中，通过设置温度传感单元5分别测得两处区域温度，即瓶底外缘和瓶底中心位置，控制器获取温度测量值t
e1
、t
e2
进行比较，将取其中较高值定义为te，进而确定储氢容器内的最高温升区域温度。
[0051]
s3.计算承压层3的温升。
[0052]
经实验可知，对于确定的储氢容器内初压p0，承压层3的温升与实际加氢操作时长tf、加氢结束后承压层3出现温度下降拐点的静置时长tm、环境温度t
amb
有关，经程序拟合得到如下形式的温升计算表达式：
[0053]
δ
t
＝te－t
amb＝
c1+c2a
l
+c3ac+c4ar+c5(tf+tm)；
[0054]
其中：δ
t
为承压层3的最高温升，c1、c2、c3、c4、c5均为拟合线性系数。
[0055]
s3.根据计算得出：入射氢流温度。
[0056]
其中，入射氢流建议预冷值
△
tc，其中：
[0057]
△
tc＝δ
t
+c6t
amb
－t
e0
，若
△
tc≤0，则无需预冷，若
△
tc＞0，则入射氢流温度th应预冷至t
amb
－
△
tc。
[0058]
其中：t
e0
为承压层3的预警设定温度，c6为考虑环境温度影响的温升比例系数。
[0059]
例如：对于标称压力70mpa的储氢气瓶设置，t
lave
＝10mm；t
cave
＝25mm；v
c0
＝0.135m3；ri＝0.169m；l
c0
＝1.49m；lc＝1.16m；hi＝0.132m；k
mc
＝0.728；k
ml
＝0.178，并将数据录入控制器中。
[0060]
经计算：v
l
≈0.027675，vc≈0.049275。a
l
＝0.205，ac＝0.365，ar＝4.408。
[0061]
温度传感单元5分别测得两处区域温度分别为t
e1
＝54.9℃、t
e2
＝57.5℃，温度传感单元5所产生的信号传回控制器，进行比较，将较高值te＝57.5℃保存。
[0062]
加氢操作开始前，p0＝2mpa，t
amb
＝15℃，tf＝235s、tm＝335s，则
[0063]
δ
t0
＝57.5℃－15℃＝42.5℃，考虑到a
l
＝0.205，ac＝0.365，ar＝4.408，则δ
t
＝c1+
[0064]
c2a
l
+c3ac+c4ar+c5(tf+tm)的拟合线性系数：c1＝42.152
、
c2＝31.412
、
c3＝－18.847、
[0065]
c4＝1.182、c5＝－0.006，亦即：
[0066]
δ
t
＝42.152+31.412a
l
－18.847ac+1.182ar－0.006(tf+tm)。
[0067]
考虑到气瓶操作人员的安全，设置t
e0
＝50℃。经试验证明，如图2所示，环境温度影响的温升比例系数与环境温度近似成线性关系，当t
amb
＝15℃时，c6＝1.432，则
△
tc＝δ
t0
+c6t
amb
－t
e0
＝42.5℃+1.432
×
15℃－50℃＝14.0℃。
[0068]
由于
△
tc＞0，则入射氢气应预冷，预冷温度th＝15℃－14.0℃＝1.0℃。根据目前标准saej2601－2020，则上述参数的预冷温度为－10℃。因此，可在保证充装安全的前提下，预冷温度可从－10℃调整至1℃，减少了因预冷导致的能源浪费。
[0069]
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他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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。