CN113428523A - 一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐及其制备方法，通过在燃料罐的外面设置有复合密封层、弹性体层，使得罐体发生破损时候可自行封闭破口，同时将燃料罐内部设计成氢化镁位于水蒸气通道内部的结构，利用水解反应的产物，即氢氧化镁和氧化镁的混合物封堵罐体发生破损时产生的破口，最大限度防止氢化镁泄露，多层复合外置结构既可以保证制氢反应的稳定、快速进行，同时防止氢化镁燃料罐在中弹破损后氢化镁粉末往外泄露，发生燃烧或爆炸，燃料罐内部的结构设计也可以在中弹破损后阻止氢化镁粉末的飘散，配合该内部设计，燃料罐外面的复合多层结构的厚度可以相应减少以减轻整体燃料罐的重量，提升军用便携式燃料电池电源系统的比能量。

Description

一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学领域，尤其涉及燃料电池系统制氢技术，特别是一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐及其制备方法。

背景技术

目前，质子交换膜燃料电池因具有效率高，无污染，运行噪音小，可微型化等优点特别适合制作成为便携带式发电系统，解决了各种民用、军用的长时间供电需求。高效、稳定、安全、反应快速的现场制氢技术是燃料电池得以在便携式供电系统应用关键之一。氢化镁（MgH2）自身的理论储氢量是7.6wt%，与水反应时，在释放自身氢原子的同时还可以从水中提取另一个氢原子，使得体系的整体产氢量是燃料本身重量的15.2wt%。因此在小型的便携式燃料电池系统中，氢化镁水解反应是非常理想的供氢方法。但是氢化镁本身易燃，燃点温度为400℃左右，燃烧时产生强烈的白光并放出高热。在固态制氢系统中，如果氢化镁以小颗粒的粉尘状态存在时，发生泄露的MgH2粉末就容易飘扬扩散开来，在粉尘达到一定浓度时，遇火或产生静电都会引起爆炸。

以氢化镁现场制氢的燃料电池发电系统作为军用装备，由于MgH2有发生燃烧，甚至爆炸的风险，储存氢化镁的燃料罐必须有很好的保护。现有技术中，通常把氢化镁燃料罐整体设计成防弹，可以避免发生氢化镁燃料罐被子弹打穿，防止氢化镁粉末泄露燃爆。但是这样氢化镁燃料罐的整体重量就会增加很多，就极大的降低了系统的比能量，影响系统使用的灵活性，大大的限制氢化镁制氢技术在军事方面的发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种在中弹后防止氢化镁粉末泄露、因此可以防止燃爆的自封闭防燃爆氢化镁燃料罐。

其主要工作原理是，在燃料罐的外面设置有复合密封层、弹性体层，使得罐体发生破损时候可自行封闭破口，同时将燃料罐内部设计成氢化镁位于水蒸气通道内部的结构，利用水解反应的产物，即氢氧化镁和氧化镁的混合物封堵罐体发生破损时产生的破口，最大限度防止氢化镁泄露。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，包括燃料罐，所述燃料罐外面设置多层结构，由内到外依次为：高温隔热涂层，保温层，复合密封层和弹性体层，在所述燃料罐的内部中间位置设置有放置氢化镁粉末的一个多孔透气容器，所述多孔透气容器直径小于所述燃料罐内径，介于所述多孔透气容器和所述燃料罐内壁之间的空隙是水蒸气通道，所述多孔透气容器的中间设置有氢气收集腔，所述燃料罐的上盖位置设置有水蒸气输入口及氢气输出口，所述水蒸气输入口及所述氢气输出口分别连通到所述水蒸气通道及所述氢气收集腔中。

进一步的，所述燃料罐罐体为圆柱形，材质为不锈钢或特种钢。

进一步的，所述燃料罐罐体厚度为0.6-1.5mm。

进一步的，所述多孔透气容器整体由不锈钢多孔过滤材料制成。

进一步的，所述多孔透气容器为一个表面均匀设置多个通气孔的不锈钢圆桶。

进一步的，所述多孔透气容器的壁厚为0.2-1mm。

进一步的，所述水蒸气通道的尺寸为2-5mm之间。

进一步的，所述高温隔热涂层直接涂在所述燃料罐的壳体外表面。

进一步的，所述高温隔热涂层喷涂在所述保温层的内表面。

进一步的，所述高温隔热涂层是陶瓷高温涂料，硅酸盐类高温涂料、富锌涂层、聚酰胺高温涂料中的一种。

进一步的，所述高温隔热涂层厚度在0.2-8mm之间。

进一步的，所述保温层厚度在2-15mm之间。

进一步的，所述保温层的材料为玻璃纤维布，陶瓷纤维棉，陶瓷纤维纸，石墨毡，玻璃棉，硅酸铝陶瓷纤维棉，气凝胶中的一种。

进一步的，所述保温层的材料由玻璃纤维布，陶瓷纤维棉，陶瓷纤维纸，石墨毡，玻璃棉，硅酸铝陶瓷纤维棉，气凝胶中的几种混合组成。

进一步的，所述复合密封层是采用热塑性树脂浸渍纤维编织复合而成。

进一步的，所述复合密封层的厚度为1-10mm。

进一步的，所述复合密封层中的树脂含量为20-60％。

进一步的，所述纤维编织为玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维组成的二维平纹、斜纹、缎纹织物或单向织物正交铺层。

进一步的，所述热塑性树脂可选用聚氨酯树脂、乙烯基树脂、EVA树脂或是环氧树脂中的任意一种。

进一步的，所述热塑性树脂可选用聚氨酯树脂、乙烯基树脂、EVA树脂或是环氧树脂中的几种组成。

进一步的，所述纤维是玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维中的一种。

进一步的，所述纤维是玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维中的几种组成。

进一步的，所述弹性体层使用聚氨酯弹性体。

进一步的，所述弹性体层厚度为2-20mm。

本发明还提供了一种制备上述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐的方法，包括以下步骤：

（1）制备所述燃料罐外面高温隔热涂层，所述燃料罐罐体的外面经过表面处理干净以后，刷上高温陶瓷涂层材料，在200-550℃下烘烤，等涂层干了以后，根据需要可以再刷一次或几次，一直到所需要的厚度；

（2）制备所述燃料罐外面保温层，用硅酸铝陶瓷纤维棉包覆在陶瓷涂层的外面，在硅酸铝陶瓷纤维棉的外面再包覆气凝胶，接缝口用阻燃胶带连接；

（3）制备所述燃料罐外面复合密封层，在所述保温层的外面包覆碳纤维织物，用乙烯基树脂浸渍，然后在120-130℃的温度箱内固化成型；

（4）制备所述燃料罐外面弹性体层，先准备一个模具，模具的内径大小就是所述燃料罐的外径尺寸，把前面已经准备好复合密封层的所述燃料罐罐体悬挂于模具的中间，聚氨酯预聚体与固化剂搅拌均匀以后，在真空烘箱脱泡后，浇注到模具中固化成型。

进一步的，所述高温陶瓷涂层厚度为2mm，所述保温层总共的厚度是8mm，所述复合密封层的厚度为1mm，所述弹性体层的厚度为3mm。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的，本发明多层复合外置结构既可以保证制氢反应的稳定、快速进行，同时防止氢化镁燃料罐在中弹破损后氢化镁粉末往外泄露，发生燃烧或爆炸，燃料罐内部的结构设计也可以在中弹破损后阻止氢化镁粉末的飘散，配合该内部设计，燃料罐外面的复合多层结构的厚度可以相应减少以减轻整体燃料罐的重量，提升军用便携式燃料电池电源系统的比能量。

附图说明

图1是本发明的自封闭防燃爆氢化镁燃料罐的内部结构示意图。

图2是本发明的自封闭防燃爆氢化镁燃料罐的外部结构示意图。

具体实施方式

实施例:

如图1及图2所示，一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，包括燃料罐5，所述燃料罐5外面设置多层结构，由内到外依次为：高温隔热涂层4、保温层3、复合密封层2和弹性体层1，在所述燃料罐5的内部中间位置设置有放置氢化镁8粉末的一个多孔透气容器11，所述多孔透气容器11直径小于所述燃料罐5内径，介于所述多孔透气容器11和所述燃料罐5内壁之间设置有空隙，作为水蒸气通道7，所述多孔透气容器11的中间设置有氢气收集腔6，所述燃料罐5的上盖12位置设置有水蒸气输入口10及氢气输出口9，所述水蒸气输入口10及所述氢气输出口9分别连通到所述水蒸气通道7及所述氢气收集腔6中，因装有氢化镁8粉末的多孔透气容器11的外围一圈是水蒸气通道7，水蒸气通过多孔透气容器11的细孔渗透到氢化镁8里面，反应就由外围的氢化镁8粉末向中间进行。随着制氢反应的进行，外围一圈的氢化镁8粉末首先转化成了氢氧化镁和氧化镁的混合物。在一定的工作压力和一定的温度下，氢氧化镁和氧化镁的混合物是坚硬的石膏状固体，其形状是紧紧的贴着多孔容器11，因此，当子弹穿过燃料罐5以后，完整的石膏状的固体被打破，大块的固体夹杂在子弹孔的边缘，而且氢氧化镁和氧化镁是很好的阻燃材料，这样在一定程度上也阻止了内部氢化镁8粉末随着子弹孔大规模的飘扬泄露，发生燃爆。而水蒸气通道7也可以收集小部分泄露的氢化镁8粉末，高温隔热涂层4可以起到保温的效果，确保燃料罐5里面的温度在300℃以上，保证氢化镁8水解制氢的反应快速平稳的进行，同时，该高温隔热涂,4可以衰减子弹的能量；保温层3可以更好的阻隔热量散发出来，而且这个保温层3的材料也可以阻止氢化镁8粉末泄露出来，同时阻燃泄露出来的高温的氢化镁8的粉末；复合密封层2可以部分的衰减子弹的能量，而且防止当燃料罐5壳体外翻撕裂导致弹性体层1无法自动收缩的情况，从而避免氢化镁8燃料泄露，引发燃爆；弹性体层1可以利用其自收缩特性在燃料罐5被击穿后自动收缩从而封闭弹孔，防止氢化镁8粉末泄露。

进一步的，所述燃料罐5罐体为圆柱形，材质为不锈钢或特种钢。

进一步的，所述燃料罐5罐体厚度为0.6-1.5mm。

进一步的，所述多孔透气容器11整体由不锈钢多孔过滤材料制成。

进一步的，所述多孔透气容器11为一个表面均匀设置多个通气孔的不锈钢圆桶。

进一步的，所述多孔透气容器11的壁厚为0.2-1mm。

进一步的，所述水蒸气通道7的尺寸为2-5mm之间。

进一步的，所述高温隔热涂层4直接涂在所述燃料罐5的壳体外表面。

进一步的，所述高温隔热涂层4喷涂在所述保温层3的内表面。

进一步的，所述高温隔热涂层4是陶瓷高温涂料，硅酸盐类高温涂料、富锌涂层、聚酰胺高温涂料中的一种。

进一步的，所述高温隔热涂层4厚度在0.2-8mm之间。

进一步的，所述保温层3厚度在2-15mm之间。

进一步的，所述保温层3的材料为玻璃纤维布，陶瓷纤维棉，陶瓷纤维纸，石墨毡，玻璃棉，硅酸铝陶瓷纤维棉，气凝胶中的一种。

进一步的，所述保温层3的材料由玻璃纤维布，陶瓷纤维棉，陶瓷纤维纸，石墨毡，玻璃棉，硅酸铝陶瓷纤维棉，气凝胶中的几种混合组成。

进一步的，所述复合密封层2是采用热塑性树脂浸渍纤维编织复合而成。

进一步的，所述复合密封层2的厚度为1-10mm。

进一步的，所述复合密封层2中的树脂含量为20-60％。

进一步的，所述纤维编织为玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维组成的二维平纹、斜纹、缎纹织物或单向织物正交铺层。

进一步的，所述热塑性树脂可选用聚氨酯树脂、乙烯基树脂、EVA树脂或是环氧树脂中的任意一种。

进一步的，所述热塑性树脂可选用聚氨酯树脂、乙烯基树脂、EVA树脂或是环氧树脂中的几种组成。

进一步的，所述纤维是玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维中的一种。

进一步的，所述纤维是玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维中的几种组成。

进一步的，所述弹性体层1使用聚氨酯弹性体。

进一步的，所述弹性体层1厚度为2-20mm。

本发明还提供了一种制备上述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐的方法，包括以下步骤：

（1）制备所述燃料罐5外面高温隔热涂层4，所述燃料罐5罐体的外面经过表面处理干净以后，刷上高温陶瓷涂层材料，在200-550℃下烘烤，等涂层干了以后，根据需要可以再刷一次或几次，一直到所需要的厚度；

（2）制备所述燃料罐5外面保温层3，用硅酸铝陶瓷纤维棉包覆在陶瓷涂层的外面，在硅酸铝陶瓷纤维棉的外面再包覆气凝胶，接缝口用阻燃胶带连接；

（3）制备所述燃料罐5外面复合密封层2，在所述保温层3的外面包覆碳纤维织物，用乙烯基树脂浸渍，然后在120-130℃的温度箱内固化成型；

（4）制备所述燃料罐5外面弹性体层1，先准备一个模具，模具的内径大小就是所述燃料罐5的外径尺寸，把前面已经准备好复合密封层2的所述燃料罐5罐体悬挂于模具的中间，聚氨酯预聚体与固化剂搅拌均匀以后，在真空烘箱脱泡后，浇注到模具中固化成型。

进一步的，所述高温陶瓷涂层4厚度为2mm，所述保温层3总共的厚度是8mm，所述复合密封层2的厚度为1mm，所述弹性体层1的厚度为3mm。

Claims (10)

1.一种自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，包括燃料罐，其特征在于，所述燃料罐外面设置多层结构，由内到外依次为：高温隔热涂层，保温层，复合密封层和弹性体层，在所述燃料罐的内部中间位置设置有放置氢化镁粉末的一个多孔透气容器，所述多孔透气容器直径小于所述燃料罐内径，介于所述多孔透气容器和所述燃料罐内壁之间设置有空隙作为水蒸气通道，所述多孔透气容器的中间设置有氢气收集腔，所述燃料罐的上盖位置设置有水蒸气输入口及氢气输出口，所述水蒸气输入口及所述氢气输出口分别连通到所述水蒸气通道及所述氢气收集腔中。

2.如权利要求1所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述燃料罐罐体为圆柱形，材质为不锈钢或特种钢，所述燃料罐罐体厚度为0.6-1.5mm，所述多孔透气容器整体由不锈钢多孔过滤材料制成，所述多孔透气容器为一个表面均匀设置多个通气孔的不锈钢圆桶。

3.如权利要求1或者2中任意一项所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述多孔透气容器的壁厚为0.2-1mm，所述水蒸气通道的尺寸为2-5mm之间。

4.如权利要求1所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述高温隔热涂层直接涂在所述燃料罐的壳体外表面或者所述高温隔热涂层喷涂在所述保温层的内表面。

5.如权利要求1或者4中任意一项所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述高温隔热涂层是陶瓷高温涂料，硅酸盐类高温涂料、富锌涂层或者聚酰胺高温涂料中的一种，所述高温隔热涂层厚度在0.2-8mm之间。

6.如权利要求1所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述保温层的材料为玻璃纤维布，陶瓷纤维棉，陶瓷纤维纸，石墨毡，玻璃棉，硅酸铝陶瓷纤维棉，气凝胶中的任意一种或者几种的混合组成，所述复合密封层是采用热塑性树脂浸渍纤维编织复合而成，所述复合密封层的厚度为1-10mm，所述复合密封层中的树脂含量为20-60％。

7.如权利要求6所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述纤维编织为玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维组成的二维平纹、斜纹、缎纹织物或单向织物正交铺层，所述热塑性树脂可选用聚氨酯树脂、乙烯基树脂、EVA树脂或是环氧树脂中的任意一种或者两种以上的组合。

8.如权利要求7所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述纤维是玻璃纤维，芳纶纤维或是碳纤维中的任意一种或者两种以上的组合。

9.如权利要求1所述自封闭防燃爆氢化镁燃料罐，其特征在于，所述弹性体层使用聚氨酯弹性体，所述弹性体层厚度为2-20mm。

10.一种制备权利要求1所述的自封闭防燃爆氢化镁燃料罐方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备燃料罐外面高温隔热涂层，所述燃料罐罐体的外面经过表面处理干净以后，刷上高温陶瓷涂层材料，在200-550℃下烘烤，等涂层干了以后，根据需要可以再刷一次或几次，一直到所需要的厚度；

（2）制备所述燃料罐外面保温层，用硅酸铝陶瓷纤维棉包覆在陶瓷涂层的外面，在硅酸铝陶瓷纤维棉的外面再包覆气凝胶，接缝口用阻燃胶带连接；

（3）制备所述燃料罐外面复合密封层，在所述保温层的外面包覆碳纤维织物，用乙烯基树脂浸渍，然后在120-130℃的温度箱内固化成型；

（4）制备所述燃料罐外面弹性体层，先准备一个模具，模具的内径大小就是所述燃料罐的外径尺寸，把前面已经准备好复合密封层的所述燃料罐罐体悬挂于模具的中间，聚氨酯预聚体与固化剂搅拌均匀以后，在真空烘箱脱泡后，浇注到模具中固化成型。

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