一种基于微纳玻璃纤维管的高压储氢装置

技术领域

本发明属于高压储氢容器技术领域，具体涉及一种基于微纳玻璃纤维管的高压储氢装置。

背景技术

目前，美国，日本和韩国均已研发出了最新一代车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶（Ⅵ型瓶），并形成规模化生产。其中，日本丰田Mirai搭载的Ⅵ型瓶额定工作压力达70MPa，质量储氢密度达5.7wt%。然而Ⅵ型瓶的加工工艺复杂，制备成本较高，且由于受氢气压力的限制，造成氢瓶体积较大，极大地限制了其在移动设备上的应用。

玻璃没有氢脆现象，与钢相比具有更高的机械强度和更低的密度，采用玻璃纤维管作为储氢容器的载体具有巨大的应用前景。如发明专利CN113418133A一种微管储氢装置，提供了微管拉细、重整排列和空间布置的方法，特殊的排布方式和特殊的实体及空心纤维管的布置，提高了整体的牢固性和可靠性，其采用密封胶将储氢单元壳体与金属锥角套连接，但是该密封方案难以满足高压工况下的储氢要求，限制了纤维储氢微管的储氢密度。为了提高玻璃纤维储氢装置的质量储氢密度，需要在玻璃耐压范围内进一步提高储氢压力，这对玻璃纤维储氢装置端口和高压阀的密封连接装置提出了更高的技术要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微纳玻璃纤维管的高压储氢装置，采用压力自紧式的结构设计，通过内置式可伐金属塞与储氢装置壳体进行高温熔封，来实现储氢装置与端口高压阀门的安全可靠连接。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高压储氢单元，包括：壳体、内置式金属塞、挡圈、O型密封圈、自紧式密封圈和玻璃纤维管阵列；

所述壳体的一端开口一端密封，内部设置玻璃纤维管阵列；壳体的外截面为正六边形，内截面在密封端为正六边形、开口端为圆形；

所述内置式金属塞从上至下由六段圆柱体组成，六段圆柱体的直径分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6，其中d3=d5、d4=d6，且d3＞d4；所述内置式密封塞的轴向开设有垂直通孔13；

所述壳体的开口端内壁设置有六段圆形阶梯凹槽，凹槽的直径从上至下分别为d8、d9、d10、d11、d12、d13，其中d8=d10=d12，d9=d11=d13，且d8＞d9；

所述内置式金属塞从上至下自第二段圆柱体起与壳体开口端内壁的相应位置凹槽依次相契合；

所述挡圈和O型密封圈设置在内置式金属塞从上至下第四段圆柱体形成的第一凹槽内，自紧式密封圈设置在内置式金属塞从上至下第六段圆柱体形成的第二凹槽内。

进一步地，所述壳体的材质为硼硅酸盐玻璃。

更进一步地，所述内置式金属塞的材质为4J29铁镍钴可伐合金。

进一步地，所述自紧式密封圈的材质为橡胶，剖面为倒L形。

进一步地，所述玻璃纤维管阵列与壳体内壁的间隙处设置插丝填充层。

更进一步地，所述插丝填充层的材质为环氧树脂或硼硅酸盐玻璃。

进一步地，在壳体和内置式金属塞的接口处涂刷有环氧树脂涂层。

进一步地，所述壳体外套装有减振橡胶带。

一种高压储氢装置，包括至少两个上述高压储氢单元。

与现有技术相比，本发明的高压储氢单元具有以下优点：

1. 微纳玻璃纤维可承受更高的压力，由其制备的储氢容器可进一步提高额定工作压力，相同体积下储氢量大大增加，相比于Ⅵ型瓶具有更高的能量密度，进而提高设备的续航；

2. 微纳玻璃纤维与钢相比具有较低的密度，由其制备的储氢容器质量小，符合轻量化的设计要求；

3. 压力自紧式可伐金属塞结构设计，耐压等级更高，大幅提高玻璃纤维管储氢装置的储氢密度；

4. 内置式可伐金属塞和微纳玻璃纤维管壳体接口处进行高温熔封，并采用环氧树脂涂层，进一步提高储氢装置密封性能；

5. 对储氢容器微管与壳体间隙处进行插丝填充，提高储氢容器机械强度；

6. 微纳玻璃纤维不存在氢脆现象，安全性高；

7. 制备工艺简单，成本低，适合大规模商业应用。

附图说明

图1为高压储氢单元的结构图；

图2为内置式金属塞的结构图；

图3为壳体的结构图；

图4为壳体内玻璃纤维管阵列和插丝填充层的示意图；

图5为减振橡胶带的结构图；

图6为车用高压储氢装置的布置示意图；

以上附图中：1、高压储氢单元；2、内置式金属塞；3挡圈；4、O型密封圈；5、自紧式密封圈；6、壳体；7、玻璃纤维管阵列；8、玻璃纤维管；9、插丝填充层；10、减振橡胶带；11、汇气母管；12、加氢阀；13、垂直通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种高压储氢单元1，包括：壳体6、内置式金属塞2、挡圈3、O型密封圈4、自紧式密封圈5和玻璃纤维管阵列7。

如图3所示，所述壳体6的一端开口一端密封，内部设置有玻璃纤维管阵列7，玻璃纤维管阵列7由数根玻璃纤维管8排列组成。壳体6的高度为H；外截面为正六边形，边长为L1；内截面在密封端为正六边形，边长为L2；开口端为圆形。进一步地，在开口端内壁设置有六段圆形阶梯凹槽，凹槽的直径从上至下分别为d8、d9、d10、d11、d12、d13，其中d8=d10=d12，d9=d11=d13，且d8＞d9；凹槽的深度分别为h7、h8、h9、h10、h11、h12。

如图2所示，所述内置式金属塞2从上至下由六段圆柱体组成，六段圆柱体的直径从上至下分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6，其中d3=d5、d4=d6，且d3＞d4；圆柱距离基准高度分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6；在内置式密封塞2的轴向开设有垂直通孔13，通孔直径为d7。

所述内置式金属塞2从上至下自第二段圆柱体起与壳体6开口端内壁的相应位置凹槽依次相契合；所述挡圈3和O型密封圈4设置在内置式金属塞2从上至下第四段圆柱体形成的第一凹槽内，O型密封圈和挡圈构成第一道机械密封，自紧式密封圈5设置在内置式金属塞2从上至下第六段圆柱体形成的第二凹槽内，自紧式密封圈5为环形结构，剖面为倒L形，其作为第二道机械密封，当储氢单元内气体压力越高，密封圈被压得越紧。

具体地，所述壳体6的材质为硼硅酸盐玻璃，所述内置式金属塞2的材质为4J29铁镍钴可伐合金。在内置式金属塞和壳体的端口连接处，采用高频感应局部加热技术进行玻璃和可伐合金的熔封，加热位置应与第一道机械密封保留一段距离，保证在进行内置式金属塞和壳体接口熔封操作时避免高温对第一道机械密封的影响。

所述自紧式密封圈5的材质为橡胶，剖面为倒L形。当储氢装置内气体压力越高，密封圈被压得越紧。

将玻璃纤维管阵列7从壳体1的一端插入，对玻璃纤维管阵列7端口处加热，使其与壳体7熔融成一体，即形成封闭端。

如图4所示，所述玻璃纤维管阵列7与壳体6内壁的间隙处设置插丝填充层9，从而提高储氢单元的耐压强度，插丝填充层9的材质可以为环氧树脂或硼硅酸盐玻璃。

在壳体6和内置式金属塞2的接口处涂刷有环氧树脂涂层。提高储氢装置壳体密封性和机械强度。

如图5所示，所述壳体6外套装有减振橡胶带10。减振橡胶带外圈为圆柱形，直径为d14，内圈为正六边形，边长为L3，高度为h13，将其包裹在储氢装置壳体外圈，对单根储氢装置形成减振保护。

实施例2

本实施例提供了一种高压储氢装置，如图6所示，高压储氢单元1面向车载的一种布置方式，高压储氢单元1对称布置在汽车底盘下，高压储氢单元1通过金属软管与汇气母管11连接，可降低车辆行驶过程中振动的传递，提高储氢装置的安全性。加氢时，通过加氢阀12向汇气母管11内充装氢气，再逐渐打压至各个高压储氢单元1，汇气母管11可以均衡各个储氢装置的压力，其材料为6061铝合金。随着储氢装置内压力升高，自紧式橡胶密封圈5受力顶住金属塞2和壳体6接缝处，密封效果越好。