CN110159911B - 储气罐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气体存储领域，公开了一种储气罐，该储气罐包括从内到外依次套装的n个耐压罐，其中n≥2；所述n个耐压罐将储气罐内部分隔成n层空间，且每个耐压罐上设有带阀门的进出气管，使气体可经所述进出气管进入或流出相应层的空间。本发明的储气罐具有占地空间小且储气量大的特点，应用到新能源汽车上，可明显提高汽车的续航能力。

Description

储气罐
技术领域
本发明涉及液化气体存储领域，具体涉及一种储气罐。
背景技术
氢气和甲烷都是清洁燃料，特别是氢气，燃烧后的产物是水蒸气，对环境无害。氢气可以从电解水获得，也可以从炭质原料气化制取。氢气的体积能量密度较小，但质量能量密度较大。
目前氢气储存主要有三种方法：(1)低温液化储氢，该方法单位体积容器的储存量大，但需要低温环境，应用于氢能汽车难度很大；(2)高压储氢，这种方法对储罐材质具有更高的标准和要求；目前国内外已经能够制造耐压70MPa的储氢罐；(3)吸附储氢，该方法需要开发出吸附容量较大的吸附材料；目前金属氢化物的吸附储氢能力可以与低温液化储氢方法相媲美，但是距离应用还存在一些问题，例如金属氢化物粉末易流动，吸氢后体积膨胀，导致装置变形甚至发生破坏，此外，金属氢化物粉末导热性差，使装置内部热传递缓慢，影响材料的吸放氢速率。
另外，目前复合技术(即将以上三种方法的复合)也在科学工作者的努力研发当中，但只要结合了其中的某一种方法，该方法的劣势也会与其优势一起被纳入。例如，CN102942159A公开了一种复合储氢系统，该系统是将两个储氢罐串联起来，第一个储氢罐中设置储氢合金粉末，充氢时因吸附会发热，需要导热条传出热量；第二个储氢罐是空腔罐，两罐之间通过管路和阀门连接。这种复合储氢罐的优势是较空腔罐储氢量增加，但也同时带来了吸附储氢的弱点，即充氢时第一储罐要及时释放热量：如果移除不及时，温度会大幅上升，有安全隐患；而用气时需要加热，在一定温度下释放被吸附的氢气，导致储氢系统的控制复杂化。
在以上三种储氢方法中，高压储氢罐因使用方便使其前景被看好，但目前的储氢能力很难再提高，其严重依赖于储氢罐材料的开发。
发明内容
本发明的目的是为了在不改变储气罐体积的情况下进一步提高其储气能力，从而提供一种新的储气罐。
本发明提供了一种储气罐，该储气罐包括从内到外依次套装的n个耐压罐，其中n≥2；所述n个耐压罐将储气罐内部分隔成n层空间，且每个耐压罐上设有带阀门的进出气管，使气体可经所述进出气管进入或流出相应层的空间。
优选地，所述n个耐压罐均为圆柱形罐或均为球罐。
优选地，所述圆柱形罐包括筒体以及分别安装在筒体两端的椭圆形封头。
优选地，所述n个耐压罐是同轴安装。
优选地，所述n个耐压罐的设计压力分别为30-70MPa。
优选地，所述n层空间中，最内层空间的容积最大。
更优选地，所述n层空间中，各层空间的容积由外到内逐层增加。
优选地，所述n个耐压罐之间通过至少一个支撑杆支撑。
优选地，所述储气罐上还设有带阀门的进出气总管，n个耐压罐的进出气管分别与所述进出气总管连接。
优选地，所述n个耐压罐的进出气管均为直角管。
更优选地，所述n个耐压罐中，直角管上与罐体连接的管段为同轴安装。
优选地，所述储气罐包括2-5个所述耐压罐。
更优选地，所述储气罐包括3个耐压罐，以所述储气罐的总容积为基准，所形成的3层空间中，内层空间的容积占50-80体积％，中层空间的容积占10-30体积％，外层空间的容积占10-20体积％。
优选地，所述储气罐的体积为60-100L。
本发明的储气罐具有占地空间小且储气量大的特点，具体来讲，与现有的相同体积的储氢罐相比，本发明的70L储气罐的高压储氢能力可达到前者的2倍以上，平均氢气密度达到130kg/m3以上。另外，本发明的储气罐非常适合车载燃气，以70L的储气罐为例，该储气罐一次可充9.1kg氢气，续航里程可达约900公里，而目前相同体积的高压储氢罐(充氢4.09kg)仅能提供400多公里的续航能力。
附图说明
图1是按照本发明一种实施方式的储气罐结构示意图；
图2是按照本发明另一种实施方式的储气罐结构示意图。
附图标记说明
1：内层空间；2：中层空间；3：外层空间；4：第一进出气管；5：第二进出气管；6：第三进出气管；7：支撑杆；8：进出气总管；91：第一阀门；92：第二阀门；93：第三阀门；10：进出气总阀。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“内”、“外”均指的是储气罐的内部，其中，“从内到外”及类似的表述(如“由内至外”)均是指沿着储气罐的对称轴朝罐体的方向，“从外到内”及类似的表述(如“由外至内”)均是指沿着罐体朝其对称轴的方向。
本发明提供了一种储气罐，该储气罐包括从内到外依次套装的n个耐压罐，其中n≥2；所述n个耐压罐将储气罐内部分隔成n层空间，且每个耐压罐上设有带阀门的进出气管，使气体可经所述进出气管进入或流出相应层的空间。
本发明的储气罐可在各个领域中应用，例如可以是地面储气罐、运输车储罐或为新能源汽车提供燃料的车载储气罐，因此，所述储气罐的体积可根据其具体应用领域进行选择，例如可以为0.01-200m3。针对车载储气，所述储气罐的体积优选为60-100L。所述储气罐的体积也是指最外层的耐压罐的体积。
本发明对所述耐压罐的形状没有特别限定，可以参照现有的储气罐选择，例如选自圆柱形罐、球罐或椭球形罐。优选情况下，所述n个耐压罐均选自圆柱形罐或球罐。
本发明中，所述圆柱形罐优选包括筒体以及安装筒体两端的椭圆形封头。
优选情况下，所述储气罐中，n个耐压罐是同轴安装，这样所形成的各层空间也对称，使储气后的罐体对称部位的受力相同，从而提高储气罐的安全性。n个耐压罐为同轴安装是指安装后的n个耐压罐(不包括进出气管部分)自身的对称轴在同一条直线上。
在本发明中，当所述n个耐压罐为球罐时，更优选所述n个耐压罐是同心安装。
本发明的储气罐中，每相邻两个耐压罐之间形成一定空间，用于储存气体。所述储气罐特别适用于以较小的容积储存更多难液化的气体，所述难液化的气体例如为氢气、甲烷、一氧化碳等。为了适合车载，优选所述储气罐用于储存氢气和/或甲烷(车载燃料气)。
本发明中，当选用较低压力等级的耐压罐时，罐体成本较低，但由于储气罐的多层空间可储存高压气体，因此储氢能力依然较高；选用较高压力等级的耐压罐时，罐体成本较高，但储氢能力可大幅提高，因此，所述耐压罐的选择可根据其具体应用进行确定。
本发明中，为了能够储存更多难液化的气体，所述n个耐压罐分别优选选自高压罐(10-100MPa)。为了更适合车载，优选每个耐压罐的设计压力为30-70MPa。
本发明中，所述的n个耐压罐的设计压力可以相同或不同。优选n个耐压罐的设计压力相同，本领域技术人员应当理解的是，在这种情况下，若以每个耐压罐的设计压力为xMPa计，当n为2时，所述储气罐中，形成的外层空间和内层空间所能储存的气体最大压力分别为x MPa、2xMPa，当n≥3时，形成的n层空间由外至内所能储存的气体最大压力分别为xMPa、2xMPa、…、n·xMPa，即，其中一层空间(非最外层空间)所储存的气体压力等于位于该层空间外部(即与对称轴距离较远)的其它层空间所储存的气体压力之和。根据此原理，可以合理分配每层空间占储气罐的比例，实现提高的充气量目的。
如上所述，所述储气罐中的n层空间由内至外所储存的气相最大压力逐渐减小。因此，为了提高储气罐的安全性，优选所述的n层空间中，最内层空间的容积最大。更优选地，所述n层空间中，各层空间的容积由外至内逐渐增加，即，各层耐压罐的体积由外至内逐渐减小，但所形成的n层空间的容积由外至内逐层增加。
本发明中，为了进一步降低热胀冷缩和充放气过程对于储气罐的影响，优选情况下，所述的n个耐压罐之间通过至少一个支撑杆支撑。
本发明的储气罐是采用由外至内逐级提高压力的方式使储气罐在体积不变的情况下进一步提高储存氢气、甲烷等不易液化的可燃气体的能力。其中，所述储气罐中耐压罐的具体数量可根据储气罐的实际应用进行选择，当所述储气罐用于车载燃料时，所述储气罐优选包括2-5个耐压罐。
更优选地，所述储气罐包括3个耐压罐，以所述储气罐的总体积为基准，所形成的3层空间中，内层空间的容积占50-80体积％，中层空间的容积占10-30体积％，外层空间的容积占10-20体积％。本发明中，所提到的容积不包括罐体本身所占的体积。
本发明中，术语“进出气管”是指能实现气体进入和流出在同一管道中进行的管件，针对本发明，所述进出气管优选为各种弯管。所述耐压罐的进出气管可以通过焊接或螺纹连接的方式与罐体连接。
优选情况下，所述n个耐压罐的进出气管均为直角管。更优选地，所述n个耐压罐中，所述直角管上与罐体连接的管段为同轴安装。另外，n个直角管中，最内层空间上与罐体连接的管段的管径最小，其承压也最大，符合小管径能承受较大压力的机械原理。另外，所述直角管的两部分管段(与罐体连接的管段、未与罐体连接的管段)可通过螺纹连接。
本发明中，为了进一步提高所述储气罐的操作便利性，优选情况下，所述储气罐上还设有带阀门的进出气总管，n个耐压罐的进与所述进出气总管连接，即n个所述进出气管均为进出气总管的支管。
本发明中，每个进出气管、进出气总管上可以设有一个或多个，优选为一个阀门用于控制气体的进入和流出。另外，每个进出气管上还可设有压力传感器，用于监控各层空间在充气或放气时的压力变化。
本发明中，所述耐压罐上还可设有温度传感元件，用于监控罐内温度，所述温度传感元件具体可以参照现有技术选择，例如为热电偶。
本发明的储气罐可按照以下方式使用：充气时，同时向储气罐的各层空间充气，当最外层空间的压力达到目标值后，关闭该层阀门，当临近层的空间压力达到目标值时，关闭临近层的阀门，以此类推，直到最内层空间的压力达到目标值；用气时，先从最内层空间的气体用起，当最内层压力接近其临近层压力时，可开启临近层的阀门，与最内层一起供气，以此类推，直到各层空间气体用尽。
按照本发明的优选的实施方式，所述储气罐的结构如图1或图2所示。其中，图1所示的储气罐包括3个套设并同轴安装的立式圆柱形罐，每个储罐包括筒体以及设置在筒体两端的椭圆形封头。图2所示的储气罐包括3个同心安装的球罐。
图1和图2中，最小储罐形成了内层空间1，较大储罐与最小储罐之间形成了中层空间2，最大储罐与较大储罐之间形成了外层空间3。三个储罐之间通过多个支撑杆7支撑。
第一进出气管4、第二进出气管5和第三进出气管6均为直角管，三个直角管上与罐体连接的管段的管径依次增加并形成同轴管道；管道上未与罐体连接的管段分别设有第一阀门91、第二阀门92和第三阀门93，该管段由外层到内层依次向上排列并与设有进出气总阀10的进出气总管8连接。
另外，所述储气罐中，每层罐体内设有温度传感元件，可监控充气时的罐内温度，每个进出气管上设有压力传感器，可监控每层空间的压力。
以下以图1为例来说明所述储气罐的使用。其中，每个立式圆柱形储罐的设计压力均为xMPa。
对所述储气罐充气时，打开所有阀门，对内层空间1、中层空间2和外层空间3同时充气，待外层空间3达到设定压力x MPa时，关闭第三阀门93，其它两层空间继续充气；待中层空间2的压力达到2xMPa时，关闭第二阀门92，内层空间1继续充气，待压力达到3xMPa时，关闭第一阀门91和进出气总阀10，完成充气。另外，在充气过程中，对罐内温度应随时监控，温度较高时可通过控制相应层的阀门降低充气速度甚至暂停充气，待温度下降后再充气，由此控制罐内温度。
需要用所述储气罐中的气体时，可先打开进出气总阀10和第一阀门91，控制内层空间1的气体流量和压力；待内层空间1内压力降到与中层空间2相同时，打开第二阀门92，控制中层空间2的气体流量和压力；当前两层空间的压力降到与外层空间3相同时，打开第三阀门93，同时向外供气。
本发明中，所述储气罐具有多层罐体结构，与常规的只有单层罐体的储气罐相比，能储存较多的难液化气体；当储存的气体为氢气和/或甲烷时，所述储气罐可安装在新能源汽车上，并且有效提高车辆的续航能力。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例1-4结合图1来说明本发明的储气罐。
实施例1
现有技术的只包括一层空间的70L立式圆柱形储氢罐，若其设计压力为30MPa，则可装氢气1.75kg，装甲烷14.02kg。
本实施例提供了一种总容积为70L具有3层罐体的储气罐。其中，3层罐体的设计压力均为30MPa。所述储气罐的内层空间1、中层空间2和外层空间3的容积分别占储气罐体积的70％、20％和10％，3层空间的气体压力分别为90MPa、60MPa和30MPa。经计算，该储气罐的总储氢量可达4.56kg，储存甲烷36.44kg。
另外，若用3个70L、耐压30MPa的上述常规圆柱型储氢罐，虽然可储氢气5.25kg，甲烷42.06kg，但是占用空间体积却高达210L，远远高于本发明的储气罐。
实施例2
现有技术的只包括一层空间的70L立式圆柱形储氢罐，若其设计压力为50MPa，则可装氢气2.92kg，甲烷23.37kg。
本实施例提供了一种总容积为70L具有3层罐体的储气罐。其中，3层罐体的设计压力均为50MPa。所述储气罐的内层空间1、中层空间2和外层空间3的容积分别占70L储气罐体积的70％、20％和10％，3层空间存储的气体压力分别为150MPa、100MPa和50MPa。经计算，该储气罐的总储氢量可达7.59kg，储存甲烷60.73kg。
实施例3
现有技术的只包括一层空间的70L立式圆柱形储氢罐，若其设计压力为70MPa，则可装氢气4.09kg，装甲烷32.72kg。
本实施例提供了一种总容积为70L的具有3层罐体的储气罐。其中，3层罐体的设计压力均为70MPa。所述储气罐的内层空间1、中层空间2和外层空间3的容积分别占储气罐体积的70％、20％和10％，3层空间存储的气体压力分别为210MPa、140MPa和70MPa。经计算，该储气罐的总储氢量可达10.63kg，储存甲烷85.04kg。
实施例4
现有技术的只包括一层空间的70L立式圆柱形储氢罐，若其设计压力为70MPa，则可装氢气4.09kg，装甲烷32.72kg。
本实施例提供了一种总容积为70L的具有3层罐体的储气罐。3层罐体的设计压力均为70MPa。所述储气罐的内层空间1、中层空间2和外层空间3的容积分别占储气罐体积的80％、10％和10％，3层空间存储的气体压力分别为200MPa、130MPa和70MPa。经计算，则总储氢量可达10.51kg，储存甲烷84.08kg。
实施例5
现有技术的只包括一层空间的70L立式圆柱形储氢罐，若其设计压力为30MPa，则可装氢气1.75kg。
本实施例提供了一种总容积为70L的具有2层罐体的储气罐，其结构与图1类似，只是少了一层耐压罐，两层罐体的设计压力均为30MPa。该储气罐中的外层空间、内层空间分别占储气罐体积的20％、80％，2层空间的气体空间压力分别为30MPa、60MPa。经计算，其总储氢量3.37kg。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种储气罐，该储气罐包括从内到外依次套装的3个耐压罐；所述3个耐压罐将储气罐内部分隔成3层空间，且每个耐压罐上设有带阀门的进出气管，使气体可经所述进出气管进入或流出相应层的空间；
所述3层空间中，各层空间的容积由外到内逐层增加；以所述储气罐的体积为基准，所形成的3层空间中，内层空间的容积占所述体积的50-80%，中层空间的容积占所述体积的10-30%，外层空间的容积占所述体积的10-20%。
2.根据权利要求1所述的储气罐，其中，所述3个耐压罐均为圆柱形罐或均为球罐。
3.根据权利要求2所述的储气罐，其中，所述圆柱形罐包括筒体以及分别安装在筒体两端的椭圆形封头。
4.根据权利要求2所述的储气罐，其中，所述3个耐压罐是同轴安装。
5.根据权利要求1所述的储气罐，其中，所述3个耐压罐的设计压力分别为30-70MPa。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的储气罐，其中，所述3个耐压罐之间通过至少一个支撑杆支撑。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的储气罐，其中，所述储气罐上还设有带阀门的进出气总管，3个耐压罐的进出气管分别与所述进出气总管连接。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的储气罐，其中，所述3个耐压罐的进出气管均为直角管。
9.根据权利要求8所述的储气罐，其中，所述3个耐压罐中，直角管上与罐体连接的管段为同轴安装。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的储气罐，其中，所述储气罐的体积为60-100L。
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