异形蜂巢式氢气高压储运装置及其制造方法与流程

本申请涉及氢气高压储运结构单元，特别涉及一种异形蜂巢式氢气高压储运装置及其制造方法。

背景技术：

2019年，氢能产业形成了以北上广为中心的京津冀、长三角、珠三角等主要产业集群。目前已进入产业规模示范阶段，未来将探索商业化运行。

现阶段氢能发展的根本问题在于储运环节发展滞后。氢气体积能量密度极低，且极易燃爆，将分散在各地的氢气高效配送到加氢站并保证分布式使用（如氢能源汽车、分布式氢能供电等）安全可靠，因此提高储运效率和氢气品质是氢能产业规模化发展的重大瓶颈，安全、高效、廉价的储运氢技术将成为实现氢能商业化应用的关键。

高压气态储氢罐是目前工业上主流的移动式储运氢装置，乘用车车载储氢罐一般储存6kg左右的高压氢气，保证行驶里程（600km），储氢罐的体积和重量将分别在240l和130kg左右，国外储氢压力70mpa，国内35mpa，且多采用金属材料，效率低下，体积庞大，重量惊人，成本极高，只能用于公交车和货车等大型车辆。国外储氢罐一般使用金属内胆加碳纤维缠绕的结构，预计乘用车高压储氢瓶成本5~6万元，其中碳纤维材料的成本约为60~70%。日本是全球最大的碳纤维出口国，全球市场占有率超过95%，日系氢燃料电池车具备成本优势。在强烈依赖碳纤维进口的情况下，我国高压氢气储气装置成本一直居高不下，高压储运装置及制造技术的发展已成为约束我国氢能源普及及范围应用的关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种异形蜂巢式氢气高压储运装置及其制造方法，实现氢气的高压储运。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

本申请实施例公开了一种异形蜂巢式氢气高压储运装置，包括一储气结构，所述储气结构包括外部壳体，所述外部壳体围绕形成内心空腔，所述内心空腔中形成有交错相连的桁架筋条，所述桁架筋条将所述内心空腔分隔为多个独立腔室，所述独立腔室至少与一个与其相邻的所述独立腔室连通。

相应的还公开了一种异形蜂巢式氢气高压储运装置的制造方法，依次包括如下步骤：

s1确定所述外部壳体形状；

s2采用软件设计所述桁架筋条形状；

s3采用3d打印剖分软件进行等厚或非等厚分层，并设置至少三组定位装置；

s4采用激光雕刻、精密铣削或化学蚀刻逐层加工；

s5根据数模顺序依次堆叠、装配定位；

s6采用扩散焊设备在真空度为5×10^-4pa、压力为6mpa、温度为460-520℃、保温保压2小时条件下进行一次焊合成形，随炉冷却至200℃后取出自然冷却至室温；

s7焊接所述外部壳体两侧封头结构连接充气口以及出气口。

优选的，在上述的异形蜂巢式氢气高压储运装置的制造方法中，步骤s3中，分层层数由所述独立腔室所处水平面数决定。

优选的，在上述的异形蜂巢式氢气高压储运装置的制造方法中，步骤s7中，所述封头结构设置有压力传感器以及温度传感器。

与现有技术相比，本发明打破传统储气罐圆形空腔截面的设计理念，提出具有复杂内腔的多室高压储气结构，该结构特征类似于蜂巢，具有独立或连通的多室结构，采用高强铝合金制造，仅依靠材料本体强度即可满足压缩氢气的压力要求，不必使用成本高昂的碳纤维缠绕技术，其承压能力源于内腔纵横交错相连的桁架筋条及高强壳体，而非传统储气罐单纯依靠壳体强度，经数值模拟分析，该内腔结构特征有效地分担了壳体承受的内压，可根据承压范围设计腔体容积、分布，通过调整腔体与实体的比例及分布，可以使设计压力在材料本体的屈服极限范围内连续可调，相同容积和储氢质量情况下，重量仅为传统金属储气罐的30%~40%，成本仅为全碳纤维缠绕储气罐的60%。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中异形蜂巢式氢气高压储运装置的剖视图。

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详细的描述，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的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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，异形蜂巢式氢气高压储运装置，包括一储气结构，储气结构包括外部壳体100，外部壳体100围绕形成内心空腔，内心空腔中形成有交错相连的桁架筋条200，桁架筋条200将内心空腔分隔为多个独立腔室300，独立腔室300至少与一个与其相邻的独立腔室300连通。

该技术方案中，首先根据使用环境、按照方式等设计外形，本发明中的高压储气装置不仅仅局限于图示圆形外形，可以设计为其他任何异形形状，便于实际使用中装配固定，提高空间利用率，确定外形后根据服役环境状态确定材料，获得本体材料屈服极限值，再根据压力、储气（质量）空间等要求进行数值模拟、应力分析，设计独立或连通的多室内部结构，最后进行结构强度校核。该复杂内腔结构采用传统减材加工方法难以实现，本发明针对该结构特征，采用一种增材制造方法:扩散焊分层实体制造方法，加工制造本发明的复杂内腔结构，但本发明并不局限于该制造方法，其他技术如激光选区融化技术也可以实现，但其较扩散焊分层实体制造方法效率低、成本高。

异形蜂巢式氢气高压储运装置的制造方法，依次包括如下步骤：

s1确定外部壳体100形状；

s2采用软件设计桁架筋条200形状；

s3采用3d打印剖分软件进行等厚或非等厚分层，分层层数由独立腔室300所处水平面数决定，并设置至少三组定位装置；

s4采用激光雕刻、精密铣削或化学蚀刻逐层加工；

s5根据数模顺序依次堆叠、装配定位；

s6采用扩散焊设备在真空度为5×10^-4pa、压力为6mpa、温度为460-520℃、保温保压2小时条件下进行一次焊合成形，随炉冷却至200℃后取出自然冷却至室温；

s7焊接外部壳体100两侧封头结构连接充气口以及出气口，封头结构设置有压力传感器以及温度传感器。

与现有技术相比，该发明取得的有益结果是内腔多室蜂巢结构有效分隔储气内腔，并与外壁一体相连，改变了传统储气罐单纯依靠外壁强度承受内压的受力模式，内部纵横交错的腔室壁面筋条具有加强外壁及分压作用，根据腔体和实体部分的体积比例，该结构承压能力可接近实体材料的屈服极限，显著提高储气装置的耐压能力，尤其适用于设计压强较高的氢气储运，因采用增材制造的技术思想，结构不受外形限制，可设计为异形结构，尤其适用于氢能源汽车，结合车身结构设计，可在车身、底盘等位置合理使用，有效节省空间，具有较强的适用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。