一种绿氢高密度储存容器及其制造方法与流程

1.本发明涉及清洁能源的储备技术领域，具体而言，涉及一种绿氢高密度储存容器及其制造方法。


背景技术：

2.大规模发展以太阳能、风能为代表的可再生能源，用以逐步替代传统化石能源。然而，由非连续性可再生能源驱动制造的非连续性电力难以与电网进行匹配，使得可再生能源无法直接被人类社会所广泛使用。将可再生能源转化为电力(绿电)，再由电力驱动电解水制氢(绿氢)，然后再将绿氢转化为易于液化、易于储存、安全可控的各种含氢液态燃料(绿氨、绿色甲醇)，最后由含氢液态燃料为人类社会提供所需的稳定能源，是全球范围内公认的突破可再生能源大规模应用瓶颈的可行途径之一。
3.绿氢在转化为含氢液态燃料之前，需要进行大规模集中储存，以满足在无可再生能源存在条件下对液态燃料合成工序的原料氢气供应需求。
4.目前，高压氢储主要包括全金属气瓶和内胆+纤维缠绕气瓶两大类，全金属气瓶易受氢气腐蚀而失效，并且难以对容器开展安全监测，体积储氢密度为14.28～40g/l，常用于少量氢气的固定储存；内胆+纤维缠绕气瓶缠绕了复合材料纤维，重量大幅减轻，但制造成本居高不下。为了避免高压氢气对储存容器的氢脆和氢腐蚀破坏问题、节约储氢容器的制备成本，氢气的大规模集中储存通常在低压条件下进行。但是，在大规模储存应用中，低压储存具有容器数量多、占地面积大、管理难度大等多种难题，导致氢气储存成本居高不下。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种绿氢高密度储存容器及其制造方法，以改善上述的问题。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
7.基于上述的目的，本发明公开了一种绿氢高密度储存容器，包括：
8.容器本体，所述容器本体的内壁上依次设置有过渡层和内层涂层，所述层涂层、所述容器本体及所述过渡层结合后能够形成高强度复合材料，所述容器本体的顶部设置有泄压阀，所述容器本体的底部设置有进气阀和排气阀；
9.可旋盖板，所述可旋盖板安装于所述容器本体的底部，且所述可旋盖板与所述容器本体转动连接，旋转所述可旋盖板以将所述进气阀和所述排气阀遮挡或者露出。
10.可选地：还包括底座，所述可旋盖板安装于所述底座。
11.可选地：所述底座包括支撑台和多个支撑架，所述支撑台的横截面呈“u”型，所述可旋盖板安装于所述支撑台，多个支撑架沿所述支撑台的周向间隔设置。
12.可选地：所述容器本体的顶部设置有出气嘴，所述容器本体的底部设置有底部孔、进气孔和出气孔；所述泄压阀安装于所述出气嘴上，所述进气阀安装于所述进气孔，所述排气阀安装于所述出气孔，所述可旋盖板与所述底部孔转动配合。
13.基于上述的目的，本发明还公开了一种上述的绿氢高密度储存容器的制造方法，
包括如下步骤：
14.步骤一：分别加工中部筒体、顶板和底板，且在所述顶板上预留有出气嘴，在所述出气嘴处安装泄压阀；
15.步骤二：采用激光开孔的方式在所述底板上开设底部孔、进气孔和出气孔，分别在所述底部孔、所述进气孔和所述出气孔处设置橡胶密封圈；
16.步骤三：将所述顶板和所述底板分别焊接到所述中部筒体的两端以形成容器本体；
17.步骤四：在容器本体的内壁上喷涂过渡层，然后再喷涂内层涂层；以及
18.步骤五：在所述进气孔处安装进气阀，在所述出气孔处安装排气阀，在底部孔处安装可旋盖板，旋转所述可旋盖板以将所述进气孔和所述出气孔遮挡或者露出。
19.可选地：在所述步骤四中，所述内层涂层采用冷喷涂工艺进行制备，通过冷气动力喷涂方法使内层涂层、容器本体及过渡层结合为高强度复合材料。
20.可选地：在冷气动力喷涂时，粉末颗粒的直径在1～100μm之间。
21.可选地：冷气体动力喷涂枪在所述中部筒体处沿周向匀速旋转且匀速沿其轴向运动；
22.所述冷气体动力喷涂枪在所述顶板和所述底板处沿周向匀速旋转且在导向轨道上变速移动，所述变速移动的速度与其在所述顶板和所述底板处的喷涂瞬时直径相关。
23.可选地：所述内层涂层的厚度为10～2000μm，喷涂气体为氦气、氮气、氦氮的混合气体，喷涂压力为2～10mpa，喷涂温度为100～2000℃，喷涂距离为10-50mm,喷枪相对移动速度为1mm/s～10m/s,容器旋转速度为1-50r/min。
24.可选地：所述过渡层采用与所述内层涂层相同的制备技术，作为内层涂层与容器本体的过渡材料，其能够分别与容器本体和内层涂层形成高强度结合，实现整体复合材料的高强度制备，完成冷喷涂工艺后进行去应力退火和自然时效的热处理工艺。
25.与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：
26.本发明公开的绿氢高密度储存容器通过在内部设置耐氢脆的内层涂层的方式解决大规模储氢问题，设置这种耐氢脆内层涂层后大大节约了容器的制备成本，并且设备安装方便、密封性好、结构紧凑、易于喷涂和维修。
附图说明
27.图1示出了本发明实施例公开的绿氢高密度储存容器的示意图；
28.图2示出了本发明实施例公开的容器本体的示意图；
29.图3示出了本发明实施例公开的容器本体的俯视剖视图；
30.图4示出了本发明实施例公开的底座的示意图；
31.图5示出了本发明实施例公开的绿氢高密度储存容器的制造方法流程图；
32.图6示出了本发明实施例公开的绿氢大规模储存的方法的主视图；
33.图7示出了本发明实施例公开的绿氢大规模储存的方法的俯视图。
34.图中：
35.10-绿氢高密度储存容器，100-容器本体，110-顶板，111-出气嘴，120-中部筒体，130-底板，131-进气孔，132-出气孔，133-底部孔，140-过渡层，150-内层涂层，160-泄压阀，
170-进气阀，180-排气阀，200-底座，210-支撑台，220-支撑架，300-可旋盖板，400-温度仪表，500-流量仪表，20-立体储氢框架。
具体实施方式
36.下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
37.实施例：
38.参阅图1至图4，本发明实施例公开了一种绿氢高密度储存容器10，其包括容器本体100和可旋盖板300。在容器本体100的内壁上依次设置有过渡层140和内层涂层150，且在容器本体100的顶部设置有泄压阀160，在容器本体100的底部设置有进气阀170和排气阀180。可旋盖板300与容器本体100转动连接，旋转可旋盖板300以将进气阀170和排气阀180遮挡或者露出。
39.本实施例公开的绿氢高密度储存容器10通过在内部设置耐氢脆的内层涂层150的方式解决大规模储氢问题，设置这种耐氢脆内层涂层150后大大节约了容器的制备成本，并且设备安装方便、密封性好、结构紧凑、易于喷涂和维修。
40.参阅图1至图3，容器本体100包括中部筒体120、顶板110和底板130，顶板110和底板130分别焊接在中部筒体120的两端。中部筒体120为圆筒状，在本实施例中的一种实施方式中，中部筒体120的直径约1～3m，高约4～20m，壳体厚约5～100mm。
41.过渡层140和内层涂层150采用冷喷涂技术设置到容器本体100的内壁，即在中部筒体120的内壁、顶板110的内壁、底板130的内壁以及在焊缝处均设置有上述的过渡层140和内层涂层150。内层涂层150、容器本体100及过渡层140结合形成高强度复合材料，实现整体复合材料的高强度制备。
42.其中，过渡层140为ni、cr、ti、fe、w、镍铝合金和镍铬合金等材料中的一种或者多种的组合物。内部涂层为al、cu、al-mg-si系、al-cu和al-mg-zn系等材料中的一种或者多种的组合物。主要利用铝面心立方晶格间隙小和其致密氧化膜的特点，从而使得内层涂层150、容器本体100及过渡层140结合后能够形成高强度复合材料。
43.在顶板110上设置有出气嘴111，在出气嘴111处安装有泄压阀160。在底板130上设置有底部孔133、进气孔131和出气孔132，底板130在底部孔133、进气孔131和出气孔132处均设置有橡胶密封圈。在进气孔131处安装有进气阀170，在出气孔132处安装有排气阀180。
44.设置底部孔133可以方便在完成焊接之后对整个筒壁进行喷涂，并且如果在使用过程中发现涂层脱落也能够及时复喷。
45.可旋盖板300安装在底部孔133处，且可旋盖板300与底板130转动连接，旋转可旋盖板300以将进气阀170和排气阀180遮挡或者露出。
46.参阅图1和图4，在本实施例中，绿氢高密度储存容器10还可以设置一个底座200，底座200主要用于对整个容器进行支撑。
47.底座200包括支撑台210和多个支撑架220；支撑台210的纵截面呈“u”型，可旋盖板300安装于支撑台210，容器本体100的底部设置有橡胶，橡胶与支撑台210紧密接触。多个支撑架220沿支撑台210的周向间隔设置。在本实施例的一种实施方式中，可以设置四个上述的支撑架220，支撑架220与支撑台210的夹角为45度，且四个支撑架220沿支撑台210的周向均匀设置，即沿支撑台210的周向上每隔90度设置一个支撑架220。当然，设置四个支撑架
220仅为本实施例中的一种实施方式，在其他的实施例中，设置三个或者更多个支撑架220都是可以的。
48.在底座200的外围下侧还可以设置微型滑轮并为其配接电装置，微型滑轮的部分容器壳体下部嵌于底座200。
49.参阅图5，本发明实施例还公开了一种绿氢高密度储存容器10的制造方法，其包括如下步骤：
50.步骤一：分别加工出中部筒体120、顶板110和底板130，且在顶板110上预留有较短的出气嘴111，在出气嘴111处安装泄压阀160。其中，中部筒体120、顶板110和底板130均可以采用铁基合金制造，且主要采用奥氏体不锈钢。中部筒体120、顶板110和底板130均可以采用一体成型的方式制造，对毛坯件采用低压铸造的制造方法进行制造，之后进行去应力退火的热处理工艺，最后再对毛坯件进行打磨和抛光。
51.步骤二：采用激光开孔的方式在底板130上开设底部孔133、进气孔131和出气孔132。分别在底部孔133、进气孔131和出气孔132处设置橡胶密封圈，再在橡胶密封圈上攻螺纹。
52.步骤三：将顶板110和底板130分别焊接到中部筒体120的两端以形成容器本体100；
53.步骤四：冷气体动力喷涂枪自底部孔133处伸入容器本体100的内部，并进行过渡层140和内层涂层150的喷涂。首先在容器本体100的内壁上喷涂过渡层140，然后再在过渡层140表面喷涂内层涂层150。
54.此处对过渡层140和内层涂层150的喷涂采用冷气体动力喷涂技术进行制备。冷气体动力喷涂技术的原理为：首先，裹挟于高温高压气体中的过渡层140涂料粉末在加速作用下获得较高的动能，之后高速的过渡层140涂料粉末在低于其熔点的温度条件下撞击到容器本体100的内壁，此时过渡层140涂料粉末在容器本体100的内壁处发生强烈的塑性变形，并在机械咬合的作用下与容器本体100的内壁构成过渡层140；然后，裹挟于高温高压气体中的内层涂层150涂料粉末在加速作用下获得较高的动能，之后高速涂料粉末对过渡层140进行靶向锻造，在机械咬合作用下剧烈弹性变形的过渡层140涂料粉末、内层涂层150涂料粉末以及容器本体100的内壁结合为高强度复合材料，这样可以增加涂层的结合强度，同时还能降低涂层的空隙率。
55.在本实施例中，在进行冷气动力喷涂时，对过渡层140涂料粉末和内层涂层150涂料粉末的形貌以及直径进行控制，尽量采用球状或者多面体型的粉末颗粒。将过渡层140涂料粉末和内层涂层150涂料粉末的直径均限制在1～100μm之间。这样可以避免因粉末颗粒直径过大而导致的粉末颗粒加速度不够，进而使得粉末与容器本体100接触后发生反弹的情况出现；此外，还能够避免因粉末颗粒过小而导致的粉末颗粒粘附在冷喷枪的枪管上的情况出现，从而保证喷涂的效果。
56.在本实施例中的一些实施方式中，可以令过渡层140涂料粉末和内层涂层150涂料粉末的直径均为10～60μm，这样喷涂效果较佳。
57.其中，过渡层140为ni、cr、ti、fe、w、镍铝合金和镍铬合金等材料中的一种或者多种的组合物。内部涂层为al、cu、al-mg-si系、al-cu和al-mg-zn系等材料中的一种或者多种的组合物。主要利用铝面心立方晶格间隙小和其致密氧化膜的特点，从而使得内层涂层
150、容器本体100及过渡层140结合后能够形成高强度复合材料。
58.内层涂层150和过渡层140均采用喷射成型工艺进行制备，通过冷气动力喷涂方法使内层涂层150、容器本体100及过渡层140结合为高强度复合材料。内层涂层150在中部筒体120处的厚度为10～2000μm，喷涂气体为氦气、氮气、氦氮的混合气体，喷涂压力为2～10mpa，喷涂温度为100～2000℃，喷涂距离为10-50mm,喷枪相对速度为1mm/s～10m/s，容器旋转速度为1-50r/min，内层涂层150在顶板110和底板130处尽可能采用与筒体相同的参数，并对焊缝进行喷涂。在此范围内所喷涂的涂层较为致密和均匀，与过渡层结合强度高、不易脱落且使用寿命较长，同时兼还顾了设备制造的经济性。但不会因为喷涂手段的选择而导致涂层致密度与气密性变差、使用寿命缩短或者涂层变得更易剥落等情况产生。
59.冷气体动力喷涂枪在中部筒体120处沿周向匀速旋转且匀速沿其轴向运动。冷气体动力喷涂枪在顶板110和底板130处沿周向匀速旋转且在导向轨道上变速移动，变速移动的速度与其在顶板110和底板130处的喷涂瞬时的直径相关。若是对球形的容器进行喷涂，则通过匀速定轴运动与冷气体动力喷涂枪在导向轨道上的变速移动即可实现均匀喷涂。
60.完成喷涂后，再进行去应力退火和自然时效的热处理工艺，主要为减少复合材料内的局部应力，并促进铝致密氧化膜的形成。
61.步骤五：在进气孔131处安装进气阀170，在出气孔132处安装排气阀180，且在进气阀170和排气阀180的位置均可以增设温度仪表400和流量仪表500。在底部孔133处安装可旋盖板300，旋转可旋盖板300以将进气孔131和出气孔132遮挡或者露出；之后可以通过将所有阀门开关拧紧的方式来进行气密性的测试。
62.本实施例公开的绿氢高密度储存容器10的制造方法通过在内部设置耐氢脆的内层涂层150的方式解决大规模储氢问题，借助冷气体动力喷涂技术在容器本体100的内壁上制备超薄涂层。这种耐氢脆涂层后加工的方式大大节约了容器本体100的制备成本，同时也可实现基础壳体的多元化生产，包括一体铸造等，可实现基础壳体的高强度制备；并且容器本体100具有安装方便、密封性好、结构紧凑、易于喷涂和维修的优点。预留底部孔133用于在完成焊接之后，对整个筒壁进行喷涂，并且如果在使用过程中发现涂层脱落也能够及时复喷。
63.参阅图6和图7，本发明实施例公开了一种绿氢大规模储存的方法，其将多个上述的绿氢高密度储存容器10连接在一起，以存储更多的氢气。在本实施例中，绿氢高密度储存容器10主要有两种实施方式，一种为球罐，一种为大长度竖管。多个球罐整合成为球罐组，在立体储氢框架20上进行排列，形成立体球罐组高压储氢单元。同理，竖管也可以整合成为立体竖管组高压储氢单元。
64.在合成氨应用中，由可再生能源驱动制得的低压氢气和氮气，经过压缩后变为高压氢气和氮气(5-100mpa)，高压氮气和氢气混合后通入上述容器内进行储存。多个排列在储氢框架上的绿氢高密度储存容器10能够储存更多更大密度的氢气，且这种绿氢高密度储存容器10通过在内部设置耐氢脆的内层涂层150的方式解决大规模储氢问题，设置这种耐氢脆内层涂层150后大大节约了容器的制备成本，并且设备安装方便、密封性好、结构紧凑、易于喷涂和维修。
65.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种绿氢高密度储存容器，其特征在于，包括：容器本体，所述容器本体的内壁上依次设置有过渡层和内层涂层，所述层涂层、所述容器本体及所述过渡层结合后能够形成高强度复合材料，所述容器本体的顶部设置有泄压阀，所述容器本体的底部设置有进气阀和排气阀；可旋盖板，所述可旋盖板安装于所述容器本体的底部，且所述可旋盖板与所述容器本体转动连接，旋转所述可旋盖板以将所述进气阀和所述排气阀遮挡或者露出。2.根据权利要求1所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，还包括底座，所述可旋盖板安装于所述底座。3.根据权利要求2所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，所述底座包括支撑台和多个支撑架，所述支撑台的横截面呈“u”型，所述可旋盖板安装于所述支撑台，多个支撑架沿所述支撑台的周向间隔设置。4.根据权利要求1所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，所述容器本体的顶部设置有出气嘴，所述容器本体的底部设置有底部孔、进气孔和出气孔；所述泄压阀安装于所述出气嘴上，所述进气阀安装于所述进气孔，所述排气阀安装于所述出气孔，所述可旋盖板与所述底部孔转动配合。5.一种权利要求1至4任一项所述的绿氢高密度储存容器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：分别加工中部筒体、顶板和底板，且在所述顶板上预留有出气嘴，在所述出气嘴处安装泄压阀；步骤二：采用激光开孔的方式在所述底板上开设底部孔、进气孔和出气孔，分别在所述底部孔、所述进气孔和所述出气孔处设置橡胶密封圈；步骤三：将所述顶板和所述底板分别焊接到所述中部筒体的两端以形成容器本体；步骤四：在容器本体的内壁上喷涂过渡层，然后再喷涂内层涂层；以及步骤五：在所述进气孔处安装进气阀，在所述出气孔处安装排气阀，在底部孔处安装可旋盖板，旋转所述可旋盖板以将所述进气孔和所述出气孔遮挡或者露出。6.根据权利要求5所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，在所述步骤四中，所述内层涂层采用冷喷涂工艺进行制备，通过冷气动力喷涂方法使内层涂层、容器本体及过渡层结合为高强度复合材料。7.根据权利要求6所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，在冷气动力喷涂时，粉末颗粒的直径在1～100μm之间。8.根据权利要求6所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，冷气体动力喷涂枪在所述中部筒体处沿周向匀速旋转且匀速沿其轴向运动；所述冷气体动力喷涂枪在所述顶板和所述底板处沿周向匀速旋转且在导向轨道上变速移动，所述变速移动的速度与其在所述顶板和所述底板处的喷涂瞬时直径相关。9.根据权利要求6所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，所述内层涂层的厚度为10～2000μm，喷涂气体为氦气、氮气、氦氮的混合气体，喷涂压力为2～10mpa，喷涂温度为100～2000℃，喷涂距离为10-50mm,喷枪相对速度为1mm/s～10m/s,容器旋转速度为1-50r/min。10.根据权利要求6所述的绿氢高密度储存容器，其特征在于，所述过渡层采用与所述
内层涂层相同的制备技术，作为内层涂层与容器本体的过渡材料，其能够分别与容器本体和内层涂层形成高强度结合，实现整体复合材料的高强度制备，完成冷喷涂工艺后进行去应力退火和自然时效的热处理工艺。

技术总结
本申请公开了一种绿氢高密度储存容器及其制造方法，属于清洁能源的储备技术领域，绿氢高密度储存容器包括容器本体和可旋盖板。在容器本体的内壁上依次设置有过渡层和内层涂层，且在容器本体的顶部设置有泄压阀，在容器本体的底部设置有进气阀和排气阀。可旋盖板与容器本体转动连接，旋转可旋盖板以将进气阀和排气阀遮挡或者露出。本发明公开的绿氢高密度储存容器通过在内部设置耐氢脆的内层涂层的方式解决大规模储氢问题，设置这种耐氢脆内层涂层后大大节约了容器的制备成本，并且设备安装方便、密封性好、结构紧凑、易于喷涂和维修。易于喷涂和维修。易于喷涂和维修。


技术研发人员：张宝顺 逯德成 任长春 宗冰 王体虎
受保护的技术使用者：亚洲硅业（青海）股份有限公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/5