CN108413247A - 一种仿动物体肺结构的车载储氢罐及其储氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿动物体肺结构的车载储氢罐及其储氢方法。本发明根据动物肺的“气管‑‑‑‑‑‑支气管‑‑‑‑‑‑肺泡”的分布结构设计外壳内部“主气道‑‑‑‑‑‑‑支气道‑‑‑‑‑‑固体储氢材料”的空间位置，机械结构上促使储氢设备的高容量和高效率充放气；本发明在充放氢气时改变了氢气流道，保证充气时氢气与各个部分碳材料充分且均匀接触，使罐体内部压力相对均匀分布，提高了充放气时的安全性，缩短充放气时间，增大加氢速率；本发明能增加安全性，提高加氢速度，缩短加氢时间，提高充气容量。
Description
技术领域
本发明涉及储氢技术，具体涉及一种仿动物体肺结构的车载储氢罐及其储氢方法。
背景技术
目前车载储氢技术主要有：高压储氢、液化储氢、金属氧化物储氢、材料储氢等，其中材料储氢技术在储氢能量体积密度、安全性、效率等方面均有明显的优势。近年来，活性炭、碳纳米纤维、石墨烯等碳基储氢材料得到了广泛的关注和研究。碳材料与高压氢气均匀充分接触是影响储气容量的重要影响因素之一，因此如何保证充气时氢气与各个部分碳材料充分接触至关重要。
肺呼吸动物体的肺结构经过千万年的进化，已经进化成比较高效、合理、完善的气体交换体系，其“气管-------支气管------肺泡”的分布模式使得从呼吸道进入的氧气能够迅速且均匀到达各处支气管末端，进入肺泡，同时肺泡里的二氧化碳气体进入支气管，呼气从而排出体外。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种仿动物体肺结构的车载储氢罐及其储氢方法，从而在车载储氢罐使用过程中能增加安全性，提高加氢速度，缩短加氢时间，提高充气容量。
本发明的一个目的在于提出一种仿动物体肺结构的车载储氢罐。
本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐包括：外壳、加注口、管道、固体储氢材料和阀门；其中，外壳为内部中空的壳体，内部形成封闭的空间；在外壳的一端设置加注口，连通外壳的内部与外部；在外壳内设置管道，并且管道的一端平滑固接在加注口上；管道包括主气道、N级支气道和通气孔，主气道的内径与加注口的内径相等，主气道的一端平滑固接在加注口上，主气道的另一端连接多个第一级支气道，全部或部分第一级支气道的末端连接一个或多个第二级支气道，全部或部分第二级支气道的末端连接一个或多个第三级支气道，以此类推，直至全部或部分第N-1级支气道的末端连接多个第N级支气道，从而使各级支气道均匀分布在外壳内部的空间；主气道和各级支气道均为中空的圆筒；在主气道和各级支气道的管壁上设置有通气孔；在主气道和各级支气道内填充有固体储氢材料；在加注口的顶端设置阀门；当氢气充气时，部分氢气首先被主气道中的固体储氢材料吸收，部分氢气通过主气道依次流向各级支气道，进一步被各级支气道内的固体储氢材料吸收，饱和后溢出部分氢气通过管道的通气孔进入外壳内部空余部分；当氢气放气时，氢气均匀地从各级支气道中的固体储氢材料中释放到各级支气道中，汇总到主气道中，通过加注口释放，各级支气道内的氢气从固体储氢材料放出后，压力减小，外壳内部空余部分的氢气通过各级支气道的通气孔进入各级支气道内，并反向依次流过各级支气道至主气道，并从加注口释放，N为≥2的自然数。
外壳包括依次紧密套装的隔离层、抗压层和密封内衬；其中，最外层为保护层，采用硬度高且强度大的材料，如浸树脂的高强度纤维塑料；中间为抗压层，采用抗压材料，如碳纤维树脂增强材料、碳纤维陶瓷增强材料和硼纤维增强材料中的一种，以确保耐压强度；最内层为密封内衬，采用有密封性能的材料，如无接缝超薄铝内胆或塑料，从而实现对内部存储的氢气的密封。
管道采用稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体和锆系的储氢合金中的一种，可吸收部分氢气。管道的内径为30～50mm；通气孔的直径为0.2～1mm。
固体储氢材料采用高比表面积活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管中的一种。
本发明的另一个目的在于提供一种仿动物体肺结构的车载储氢罐的储氢方法。
本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的储氢方法，包括以下步骤：
一、充气过程：
1)将仿动物体肺结构的车载储氢罐的加注口通过阀门连接至氢气加注器上；
2)通过加注口将氢气注入至管道内；
3)部分氢气首先被主气道中的固体储氢材料吸收，部分氢气通过主气道依次流向各级支气道，进一步被各级支气道内的固体储氢材料吸收；
4)管道内的氢气饱和后溢出，部分氢气通过管道的通气孔进入外壳内部空余部分；
5)加注口通过阀门安装到车上的固定位置；
二、放气过程：
1)加注口通过阀门连接至外部装置；
2)通过阀门控制氢气的流速，使管道内的氢气通过加注口流出；
3)氢气均匀地从各级支气道中的固体储氢材料中释放到各级支气道中，汇总到主气道中，通过加注口释放；
4)管道内的氢气从固体储氢材料放出后，压力减小，外壳内部空余部分的氢气通过各级支气道的通气孔进入各级支气道内，并反向依次流过各级支气道至主气道，并从加注口释放。
本发明的优点：
本发明根据动物肺的“气管------支气管------肺泡”的分布结构设计外壳内部“主气道-------支气道------固体储氢材料”的空间位置，机械结构上促使储氢设备的高容量和高效率充放气；本发明在充放氢气时改变了氢气流道，保证充气时氢气与各个部分碳材料充分且均匀接触，使罐体内部压力相对均匀分布，提高了充放气时的安全性，缩短充放气时间，增大加氢速率；本发明能增加安全性，提高加氢速度，缩短加氢时间，提高充气容量。
附图说明
图1为本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的一个实施例的剖面图；
图2为本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的一个实施例的外部直观图；
图3为本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的一个实施例的加注口的放大的剖面图；
图4为本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的一个实施例的外壳的剖面图；
图5为本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的一个实施例的管道的正视图；
图6为本发明的仿动物体肺结构的车载储氢罐的一个实施例的管道上的通气孔的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的仿动物体肺结构的车载储氢罐包括：外壳A、加注口、管道B、固体储氢材料C和阀门；其中，外壳A为内部中空的壳体，内部形成封闭的空间；在外壳的一端设置加注口，连通外壳的内部与外部；在外壳内设置管道B，并且管道的一端平滑固接在加注口上；在管道B内填充有固体储氢材料C；在加注口的顶端设置阀门。在本实施例中，管道B采用铝合金，固体储氢材料C采用活性炭。
如图2所示，外壳A直筒罐身1、顶弧部2和加注口3组成，其中，直筒罐身1为圆筒状，内部直径D1为253.2mm，长度L1为506.4mm；直筒罐身1的两端为顶弧部2，顶弧部2为圆弧形，与直筒罐身平滑连接，内部圆弧半径R1为126.6mm；在一端的顶弧部2上设置加注口3。
如图3所示，加注口3为圆筒状，内径D2为30mm，高度L2为30mm，厚度h1为8mm，由铝合金制作而成。
如图4所示，外壳的内部最大长度L3为759.6mm，外壳A外壳包括依次紧密套装的隔离层6、抗压层5和密封内衬4；其中，最外层6为隔离层，采用树脂纤维强化塑料；中间为抗压层5，采用碳纤维强化塑料，以确保耐压强度；最内层为密封内衬4，采用铝合金，利用无接缝超薄铝内胆成型技术，从而实现对内部存储的氢气的密封，内部容积为34L。
如图5所示，管道包括主气道a、三级支气道b和通气孔，主气道的内径与加注口的内径相等，主气道的一端平滑固接在加注口3上，主气道的另一端连接两个第一级支气道，每一个第一级支气道的末端连接四个第二级支气道，部分第二级支气道的末端连接三个第三级支气道，各级支气道均匀布满外壳内部的空间；主气道和各级支气道为中空的圆筒；圆筒的厚度为2mm，接合处以圆角平滑相接，其中主气道a的内径R2为30mm，长度为80mm，主气道的轴线与外壳的直筒罐身1的中轴线重合，第一级支气道轴线与主气道的轴线间夹角x1为20°，长度为80mm，两个一级支气道关于主气道的中轴线完全对称，末端平滑接合第二级支气道，第二级支气道分为四个圆筒，相邻的两个第二级支气道之间的倾斜角x2和x3相等，同为20°，以下各级支气道以相同的方法排布，两侧支气道b关于主气道a的中轴线完全对称；管道的总长度L4为700mm。
如图6所示，在主气道和各级支气道的管壁上设置有均匀分布的通气孔7，分布密度为100个/cm2，孔径D3为0.5mm。
本实施例的仿动物体肺结构的车载储氢罐的储氢方法，包括以下步骤：
一、快速充气过程：
1)将仿动物体肺结构的车载储氢罐的加注口通过阀门连接至氢气加注器上；
2)通过加注口将氢气注入至管道内；
3)部分氢气首先被主气道中的固体储氢材料吸收，部分氢气通过主气道依次流向各级支气道，进一步被各级支气道内的固体储氢材料吸收；
4)管道内的氢气饱和后溢出，部分氢气通过管道的通气孔进入外壳内部空余部分，实现快速充气；
5)加注口通过阀门安装到车上的固定位置；
二、缓慢放气过程：
1)将仿动物体肺结构的车载储氢罐的加注口通过阀门连接至氢气加注器上；
2)通过阀门控制氢气加注器内的压力控制组件以及安全和控制系统，管道内的氢气通过加注口流出，作为燃料被使用；
3)高压氢气均匀地从各级支气道中的固体储氢材料中释放到各级支气道中，汇总到主气道中，通过加注口缓慢释放；
4)管道内的氢气从固体储氢材料放出后，压力减小，外壳内部空余部分的氢气通过各级支气道的通气孔进入各级支气道内，并反向依次流过各级支气道至主气道，并从加注口缓慢释放。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种仿动物体肺结构的车载储氢罐，其特征在于，所述车载储氢罐包括：外壳、加注口、管道、固体储氢材料和阀门；其中，所述外壳为内部中空的壳体，内部形成封闭的空间；在外壳的一端设置加注口，连通外壳的内部与外部；在外壳内设置管道，并且管道的一端平滑固接在加注口上；所述管道包括主气道、N级支气道和通气孔，主气道的内径与加注口的内径相等，主气道的一端平滑固接在加注口上，主气道的另一端连接多个第一级支气道，全部或部分第一级支气道的末端连接一个或多个第二级支气道，全部或部分第二级支气道的末端连接一个或多个第三级支气道，以此类推，直至全部或部分第N-1级支气道的末端连接多个第N级支气道，从而使各级支气道均匀分布在外壳内部的空间；主气道和各级支气道均为中空的圆筒；在主气道和各级支气道的管壁上设置有通气孔；在主气道和各级支气道内填充有固体储氢材料；在加注口的顶端设置阀门；当氢气充气时，部分氢气首先被主气道中的固体储氢材料吸收，部分氢气通过主气道依次流向各级支气道，进一步被各级支气道内的固体储氢材料吸收，饱和后溢出部分氢气通过管道的通气孔进入外壳内部空余部分；当氢气放气时，氢气均匀地从各级支气道中的固体储氢材料中释放到各级支气道中，汇总到主气道中，通过加注口释放，各级支气道内的氢气从固体储氢材料放出后，压力减小，外壳内部空余部分的氢气通过各级支气道的通气孔进入各级支气道内，并反向依次流过各级支气道至主气道，并从加注口释放，N为≥2的自然数。
2.如权利要求1所述的车载储氢罐，其特征在于，所述外壳包括依次紧密套装的隔离层、抗压层和密封内衬；其中，最外层为保护层；中间为抗压层；最内层为密封内衬。
3.如权利要求2所述的车载储氢罐，其特征在于，所述保护层采用硬度高且强度大的材料；所述抗压层采用抗压材料；所述密封内衬采用有密封性能的材料。
4.如权利要求3所述的车载储氢罐，其特征在于，所述保护层采用浸树脂的高强度纤维塑料；
所述抗压层采用碳纤维树脂增强材料、碳纤维陶瓷增强材料和硼纤维增强材料中的一种；
所述密封内衬采用无接缝超薄铝内胆或塑料。
5.如权利要求1所述的车载储氢罐，其特征在于，所述管道采用稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体和锆系的储氢合金中的一种。
6.如权利要求1所述的车载储氢罐，其特征在于，所述管道的内径为30～50mm。
7.如权利要求1所述的车载储氢罐，其特征在于，所述通气孔的直径为0.2～1mm。
8.如权利要求1所述的车载储氢罐，其特征在于，所述固体储氢材料采用高比表面积活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管中的一种。
9.一种如权利要求1所述的仿动物体肺结构的车载储氢罐的储氢方法，其特征在于，所述包括以下步骤：
一、充气过程：
1)将仿动物体肺结构的车载储氢罐的加注口通过阀门连接至氢气加注器上；
2)通过加注口将氢气注入至管道内；
3)部分氢气首先被主气道中的固体储氢材料吸收，部分氢气通过主气道依次流向各级支气道，进一步被各级支气道内的固体储氢材料吸收；
4)管道内的氢气饱和后溢出，部分氢气通过管道的通气孔进入外壳内部空余部分；
5)加注口通过阀门安装到车上的固定位置；
二、放气过程：
1)加注口通过阀门连接至外部装置；
2)通过阀门控制氢气的流速，使管道内的氢气通过加注口流出；
3)氢气均匀地从各级支气道中的固体储氢材料中释放到各级支气道中，汇总到主气道中，通过加注口释放；
4)管道内的氢气从固体储氢材料放出后，压力减小，外壳内部空余部分的氢气通过各级支气道的通气孔进入各级支气道内，并反向依次流过各级支气道至主气道，并从加注口释放。
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