CN114370597B - 一种高安全性智能化储氢装置及其制作、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢储存技术领域，尤其涉及一种高安全性智能化储氢装置及其制作、使用方法，包括内衬、复合材料层、若干变形量测量传感器、柔性保护套、智能控制盒；所述复合材料层包覆在所述内衬外侧，若干所述变形量测量传感器位于所述复合材料层、内衬之间，所述柔性保护套包覆在所述复合材料层两端，所述智能控制盒固定连接在所述柔性保护套外侧，若干所述变形量测量传感器与所述智能控制盒电性连接。本发明可以解决现有储氢装置存在的安全性难题。

Description

一种高安全性智能化储氢装置及其制作、使用方法

技术领域

本发明涉及氢储存技术领域，尤其涉及一种高安全性智能化储氢装置及其制作、使用方法。

背景技术

自“碳达峰、碳中和”目标的提出以来，各个行业都在积极响应，提出了许多有利促进该目标的举措，其中调整能源消费结构，大力推进清洁能源的应用成为最行之有效的方法。氢能具有燃烧热值高、无污染、来源广泛、可再生等优势，成为化石能源的主要替代品。在氢能的高效利用中，氢能的高效储运技术是世界关注的重点。高压储氢技术与其它储氢技术相比，具有储氢密度大、成熟度高、控制方便等优点成为当下最为适用的储氢技术。然而，储氢装置服役压力高达70MPa，且在服役的过程中，承受5MPa至70MPa的循环交变载荷。由于高压储氢装置内衬往往采用薄壁的铝合金材料或者高分子材料制备，在过载和交变载荷作用下极易发生内衬破坏、纤维束分层及断裂，严重影响高压储氢装置的使用安全性。此外，现有的高压储氢装置采用碳纤维增强树脂基复合材料作为内压承载材料。由于该材料呈现出明显的脆性特征，且该装置存在多材料、复杂界面等特征，导致高压储氢装备在破坏之前难以发觉，使得高压储氢装置存在较高的安全隐患。因此，通过高压储氢装置的创新结构设计，实现高压储氢装置损伤在线报警，可以有效的提高储氢装置的使用安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高安全性智能化储氢装置及其制作、使用方法，以解决上述问题，解决现有储氢装置存在的安全性难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高安全性智能化储氢装置，包括内衬、复合材料层、若干变形量测量传感器、柔性保护套、智能控制盒；

所述复合材料层包覆在所述内衬外侧，若干所述变形量测量传感器位于所述复合材料层、内衬之间，所述柔性保护套包覆在所述复合材料层两端，所述智能控制盒固定连接在所述柔性保护套外侧，若干所述变形量测量传感器与所述智能控制盒电性连接。

优选的，所述内衬两端为半球形结构，所述内衬一端设有充气口，所述复合材料层随型贴合在所述内衬外侧，所述柔性保护套随型贴合在复合材料层的半球形结构外侧。

优选的，所述变形量测量传感器的长度方向沿所述内衬环形布设，若干所述变形量测量传感器沿所述内衬轴向等间隔排列；所述变形量测量传感器为大应变应变传感器或导电涂层。

优选的，所述内衬为薄壁金属或者高分子材料。

优选的，所述复合材料层为碳纤维增强树脂基复合材料或玻璃纤维复合材料，所述复合材料层的纤维铺设角度为±55₂或±74₆，所述复合材料层厚度为总厚度的70-80％。

优选的，所述柔性保护套为软性材料。

一种高安全性智能化储氢装置的制作方法，所述装置为上述技术方案任一项装置，所述方法包括如下步骤：

制备所述内衬，通过树脂将所述复合材料层粘附在所述内衬外侧，粘附所述复合材料层时将所述变形量测量传感器封装在所述复合材料层与所述内衬之间，待所述复合材料层凝固后将所述柔性保护套套在所述复合材料层外侧，完成制作。

优选的，所述内衬通过旋压、焊接、吹塑、滚塑制备。

一种高安全性智能化储氢装置的使用方法，所述装置为上述技术方案任一项所述装置，所述方法包括如下步骤：

当所述内衬出现形变时，所述变形量测量传感器检查到所述内衬的形变，并将信号传递至所述智能控制盒，所述智能控制盒发出预警。

本发明具有如下技术效果：

当内压载荷超过许用压力时，高压储氢装置发生明显的变形；此时，高压储氢装备的复合材料层未发生破坏或少量发生破坏，装置还具有一定能的承载能力。柔性保护套为软性材料，整体呈碗状，套在气瓶封头两端，并裹紧封头，起到防止跌落碰撞的作用，保护气瓶在跌落或磕碰时复合材料层不受损；智能控制盒固定在柔性保护套部，通过导线与变形量测量传感器相连接，在变形量测量传感器出现大变形引起电阻变化时，智能控制盒识别信号，发出预警，提醒工作人员气瓶工作状态不正常，需要检查维护或进行泄压后更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明内部结构示意图；

图3为本发明局部放大结构示意图。

其中，1、内衬；2、复合材料层；3、变形量测量传感器；4、柔性保护套；5、智能控制盒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3所示，本发明提供一种高安全性智能化储氢装置，包括内衬1、复合材料层2、若干变形量测量传感器3、柔性保护套4、智能控制盒5；复合材料层2包覆在内衬1外侧，若干变形量测量传感器3位于复合材料层2、内衬1之间，柔性保护套4包覆在复合材料层2两端，智能控制盒5固定连接在柔性保护套4外侧，若干变形量测量传感器3与智能控制盒5电性连接。

进一步优化方案，内衬1两端为半球形结构，内衬1一端设有充气口，复合材料层2随型贴合在内衬1外侧，柔性保护套4随型贴合在复合材料层2的半球形结构外侧。

进一步优化方案，变形量测量传感器3的长度方向沿内衬1环形布设，若干变形量测量传感器3沿内衬1轴向等间隔排列；变形量测量传感器3为大应变应变传感器或导电涂层。变形量测量传感器3采用具有大变形测量功能的应变片、导电图层制备。由于高压储氢装置破坏时，周向变形量较大，故变形量测量传感器3布置方式为环向布置。

进一步优化方案，内衬1为薄壁金属或者高分子材料。内衬1为薄壁金属或聚合物内胆，起到防止氢气渗漏的作用，并在复合材料层2的纤维缠绕时充当芯模；

进一步优化方案，复合材料层2为碳纤维增强树脂基复合材料或玻璃纤维复合材料，复合材料层2的纤维铺设角度为±55₂或±74₆，复合材料层2厚度为总厚度的75％。复合材料层2通过纤维缠绕工艺制备，是高压储氢装备的主要承载部分，用于抵御介质内压造成的筒体和封头的破坏。纤维铺设角度为±55₂表示纤维在铺设过程中以±55°进行铺设两层，纤维铺设角度为±74₆表示纤维在铺设过程中以±55°进行铺设六层。

进一步优化方案，柔性保护套4为软性材料。

一种高安全性智能化储氢装置的制作方法，装置为上述技术方案任一项装置，方法包括如下步骤：

制备内衬1，通过树脂将复合材料层2粘附在内衬1外侧，粘附复合材料层2时将变形量测量传感器3封装在复合材料层2与内衬1之间，待复合材料层2凝固后将柔性保护套4套在复合材料层2外侧，完成制作。

进一步优化方案，内衬1通过旋压、焊接、吹塑、滚塑制备。主要用于防止氢气的渗漏。

一种高安全性智能化储氢装置的使用方法，装置为上述技术方案任一项装置，方法包括如下步骤：

当内衬1出现形变时，变形量测量传感器3检查到内衬1的形变，并将信号传递至智能控制盒5，智能控制盒5发出预警。

复合材料层2为树脂基碳纤维复合材料缠绕层，通过缠绕工艺紧密缠绕在内衬1上，树脂固化后起到对内衬1的增强作用，提高整个气瓶瓶身的刚度和强度，复合材料层2和内衬1一起组成了气瓶的整体承载部分；变形量测量传感器3为大应变应变传感器或导电涂层预埋在复合材料层内部，或粘贴于复合材料层2外表面，并有表面树脂保护，长度方向沿着气瓶环向，多个变形量测量传感器3沿轴向均匀布置，通过导线与智能控制盒5连接；柔性保护套4为软性材料，整体呈碗状，套在气瓶封头两端，并裹紧封头，起到防止跌落碰撞的作用，保护气瓶在跌落或磕碰时复合材料层2不受损；智能控制盒5固定在柔性保护套4部，通过导线与变形量测量传感器3相连接，在变形量测量传感器3出现大变形引起电阻变化时，智能控制盒5识别信号，发出预警，提醒工作人员气瓶工作状态不正常，需要检查维护或进行泄压后更换。传统的复合材料层2采用±55°的铺层角度进行设计，其目的是保证储氢装置周向强度的同时保证储氢装置的轴向刚度。这种铺层方式使得高压储氢容器在内压载荷作用下变形量较小，一旦发生肉眼可观测到的变形时，高压储氢装备已经发生破坏。针对这一问题，本专利对高压储氢装置复合材料层2的铺层结构进行精细化设计，即基于复合材料伪延性力学性能特征，通过铺层角度的设计(以±55₂或±74₆作为铺层角度，该种铺层厚度占总后的75％时，伪延性特征极为明显，其变形量是12.26倍)，也可以使用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料的混杂设计，实现高压储氢装置的大变形，即当内压载荷超过许用压力时，高压储氢装置发生明显的变形；此时，高压储氢装备的复合材料层2未发生破坏或少量发生破坏，装置还具有一定能的承载能力。高压储氢容器伪延性设计的优势在于装备保有一定承载能力的时，肉眼可观察到明显变形，方便用户更换，有效的提高了安全性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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发明，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高安全性智能化储氢装置，其特征在于，包括内衬(1)、复合材料层(2)、若干变形量测量传感器(3)、柔性保护套(4)、智能控制盒(5)；

所述复合材料层(2)包覆在所述内衬(1)外侧，若干所述变形量测量传感器(3)位于所述复合材料层(2)、内衬(1)之间，所述柔性保护套(4)包覆在所述复合材料层(2)两端，所述智能控制盒(5)固定连接在所述柔性保护套(4)外侧，若干所述变形量测量传感器(3)与所述智能控制盒(5)电性连接；

所述内衬(1)两端为半球形结构，所述内衬(1)一端设有充气口，所述复合材料层(2)随型贴合在所述内衬(1)外侧，所述柔性保护套(4)随型贴合在复合材料层(2)的半球形结构外侧；

所述变形量测量传感器(3)的长度方向沿所述内衬(1)环形布设，若干所述变形量测量传感器(3)沿所述内衬(1)轴向等间隔排列；所述变形量测量传感器(3)为大应变应变传感器或导电涂层；

所述内衬(1)为薄壁金属或者高分子材料；

所述复合材料层(2)为碳纤维增强树脂基复合材料或玻璃纤维复合材料，所述复合材料层(2)在铺设过程中以±74°的角度进行铺设六层，所述复合材料层(2)厚度为总厚度的70-80％，实现储氢装置的大变形，即当内压载荷超过许用压力时，储氢装置发生明显的变形。

2.根据权利要求1所述一种高安全性智能化储氢装置，其特征在于，所述柔性保护套(4)为软性材料。

3.一种高安全性智能化储氢装置的制作方法，其特征在于，应用权利要求1-2任一项装置，所述方法包括如下步骤：制备所述内衬(1)，通过树脂将所述复合材料层(2)粘附在所述内衬(1)外侧，粘附所述复合材料层(2)时将所述变形量测量传感器(3)封装在所述复合材料层(2)与所述内衬(1)之间，待所述复合材料层(2)凝固后将所述柔性保护套(4)套在所述复合材料层(2)外侧，完成制作。

4.根据权利要求3所述的一种高安全性智能化储氢装置的制作方法，其特征在于，所述内衬(1)通过旋压、焊接、吹塑、滚塑制备。

5.一种高安全性智能化储氢装置的使用方法，其特征在于，应用权利要求1-2任一项所述装置，所述方法包括如下步骤：当所述内衬(1)出现形变时，所述变形量测量传感器(3)检查到所述内衬(1)的形变，并将信号传递至所述智能控制盒(5)，所述智能控制盒(5)发出预警。

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