車(chē)載高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的數(shù)值分析

徐雙慶,范志超,劉孝亮

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥 230031；

符號(hào)說(shuō)明:

Do——復(fù)合材料外容器的外徑，m；

Fm——復(fù)合系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，kg H2/kg system；

Fv——復(fù)合系統(tǒng)體積儲(chǔ)氫密度，kg H2/m3system；

Hc——高壓儲(chǔ)氫質(zhì)量，kg；

Hm——固態(tài)儲(chǔ)氫質(zhì)量，kg；

Ht——復(fù)合系統(tǒng)總儲(chǔ)氫質(zhì)量，kg；

hm——固態(tài)合金儲(chǔ)氫容量，kg H2/kg MH；

Lt——復(fù)合材料外容器的長(zhǎng)度(不含閥門(mén))，m；

M——?dú)錃獾哪栙|(zhì)量，kg/mol；

P——儲(chǔ)氫壓力，Pa；

R——?dú)怏w常數(shù)，Pa·m3/(K·mol)；

T——儲(chǔ)氫溫度，K；

Va——內(nèi)構(gòu)件體積，m3；

Vi——復(fù)合材料外容器容積，m3；

Vo——復(fù)合材料外容器外形體積，m3；

Wa——內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量，kg；

Wm——儲(chǔ)氫合金裝填質(zhì)量，kg；

Ws——復(fù)合材料外容器質(zhì)量，kg；

Wt——復(fù)合系統(tǒng)總體質(zhì)量，kg；

Xm——固態(tài)合金裝填體積分?jǐn)?shù)(占儲(chǔ)氫容器容積百分比)(%)；

Z——?dú)錃獾膲嚎s因子，無(wú)量綱；

αm——固態(tài)合金吸氫過(guò)程體積膨脹系數(shù)(%)；

ρm——固態(tài)合金密度，kg/m3。

0 引言

氫燃料電池汽車(chē)是氫能利用的重要方式之一[1-2]。車(chē)載儲(chǔ)氫方案直接影響氫燃料電池汽車(chē)的安全性、續(xù)航里程和乘車(chē)體驗(yàn)。美國(guó)能源部(DOE)提出輕型氫燃料電池汽車(chē)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的終極發(fā)展目標(biāo)為質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別達(dá)到6.5wt%和50 g/L(按整個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)總質(zhì)量或總體積計(jì))[3]。此外,車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)還需滿足安全性好、加注時(shí)間短、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)寒冷氣候條件等要求[4]。目前尚無(wú)任何一種儲(chǔ)氫技術(shù)能夠滿足DOE的全部指標(biāo)要求,因此，國(guó)內(nèi)外各類(lèi)儲(chǔ)氫方式和技術(shù)的研究十分活躍。

目前,車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)主要有3種[5-7]：(1)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫；(2)深冷液態(tài)儲(chǔ)氫；(3)固態(tài)合金儲(chǔ)氫。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是現(xiàn)階段主流儲(chǔ)氫路線，其優(yōu)點(diǎn)是充放氫速率快，如35 MPa鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶(Ⅲ型)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度一般可以達(dá)到3.8wt%～4.5wt%、體積儲(chǔ)氫密度約16 g/L，日本某公司的70 MPa塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶(Ⅳ型)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)5.7wt%、體積儲(chǔ)氫密度達(dá)40 g/L；其主要缺點(diǎn)在于其儲(chǔ)能密度相對(duì)較低，高壓下安全性問(wèn)題突出[8-9]。

深冷液態(tài)儲(chǔ)氫的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度可分別達(dá)到5wt%和36 g/L，但主要缺點(diǎn)是氫氣液化能耗偏高、液氫加注難計(jì)量、液氫蒸發(fā)帶來(lái)的質(zhì)量損失以及對(duì)容器的真空絕熱性能要求較高等問(wèn)題。

固態(tài)合金儲(chǔ)氫的安全性好、體積儲(chǔ)氫密度大，但其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度偏低，室溫下能夠可逆吸放氫的固態(tài)合金有效儲(chǔ)氫容量一般為1wt%～3wt%。

高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫是日本先研院(JAIST)提出的新型儲(chǔ)氫技術(shù)理念[10]，其結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)特征是在復(fù)合材料Ⅲ型瓶?jī)?nèi)裝填部分固態(tài)儲(chǔ)氫材料，并設(shè)置嵌入式換熱器以控制吸放氫過(guò)程熱效應(yīng)。高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫綜合了高壓儲(chǔ)氫充放氫速率快，以及固態(tài)儲(chǔ)氫安全性好、體積儲(chǔ)氫密度大的優(yōu)點(diǎn)。2005年日本某公司研制出的35 MPa高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)樣機(jī)[11]，儲(chǔ)氫容量7 kg，體積儲(chǔ)氫密度約 40 g/L，與70 MPa Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶相當(dāng)，但質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度(1.6wt%)偏低。隨著高性能固態(tài)儲(chǔ)氫材料開(kāi)發(fā)和高效熱管理技術(shù)發(fā)展，該系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度將有望獲得進(jìn)一步提高。

圖1 高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度可通過(guò)儲(chǔ)氫材料裝填比例來(lái)調(diào)整。Takeichi等[10]提出一種高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度數(shù)值分析模型，對(duì)不同工作壓力和儲(chǔ)氫材料不同裝填比例下系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度進(jìn)行了分析，但模型中假設(shè)不同工作壓力下復(fù)合材料外容器質(zhì)量及復(fù)合材料層厚度與35 MPa下呈線性關(guān)系，且忽略了內(nèi)構(gòu)件的影響。

本文考慮儲(chǔ)氫壓力、儲(chǔ)氫材料特性及其裝填量、復(fù)合材料外容器與嵌入式換熱器所占質(zhì)量與體積等因素，建立系統(tǒng)質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度的數(shù)值分析模型，探討固態(tài)儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫容量、裝填體積分?jǐn)?shù)及吸氫過(guò)程體積膨脹系數(shù)、復(fù)合材料外容器和內(nèi)構(gòu)件規(guī)格對(duì)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的影響。

1 儲(chǔ)氫密度分析模型

高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合系統(tǒng)”)的儲(chǔ)氫總質(zhì)量為固態(tài)合金儲(chǔ)氫和高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫兩部分之和:

Ht=Hm+Hc

(1)

其中，固態(tài)合金的儲(chǔ)氫質(zhì)量與其裝填質(zhì)量和儲(chǔ)氫容量有關(guān)，而儲(chǔ)氫材料裝填質(zhì)量可由復(fù)合材料氣瓶容積、儲(chǔ)氫材料體積分?jǐn)?shù)和密度計(jì)算:

Hm=Wmhm=ViXmρmhm

(2)

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的質(zhì)量按照真實(shí)氣體狀態(tài)方程(見(jiàn)式(3))計(jì)算，高壓氫氣所占體積為復(fù)合材料氣瓶容積扣除固態(tài)儲(chǔ)氫材料吸氫膨脹后體積與內(nèi)構(gòu)件體積。

(3)

復(fù)合系統(tǒng)的總質(zhì)量為復(fù)合材料外容器、內(nèi)構(gòu)件、固態(tài)儲(chǔ)氫材料、氫氣的質(zhì)量之和:

Wt=Ws+Wa+Wm+Hm+Hc

(4)

復(fù)合系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度和體積儲(chǔ)氫密度分別按式(5)(6)計(jì)算，其中復(fù)合材料外容器的外形體積Vo按照其外徑和總長(zhǎng)度計(jì)算。

Fm=Ht/Wt

(5)

Fv=Ht/Vo

(6)

復(fù)合系統(tǒng)用儲(chǔ)氫材料一般為高平衡壓儲(chǔ)氫合金(金屬氫化物,MH)。有效儲(chǔ)氫容量是儲(chǔ)氫合金的重要指標(biāo)之一，其受復(fù)合材料外容器內(nèi)高壓氫氣存儲(chǔ)壓力、放氫后容器余壓(Ⅲ型瓶約0.1～0.2 MPa)和燃料電池系統(tǒng)供氫壓力要求(0.5 MPa以上)限制，因而不同于儲(chǔ)氫合金的最大儲(chǔ)氫容量。綜合考慮有效儲(chǔ)氫容量、吸放氫平衡壓力和低溫活性，日本某公司開(kāi)發(fā)的TiCrMn合金是目前綜合性能較好的儲(chǔ)氫材料，其有效儲(chǔ)氫容量1.9 wt%，-30 ℃脫氫平衡壓力0.7 MPa[11]。另，該公司開(kāi)發(fā)的TiCrVMo合金在25 ℃下有效儲(chǔ)氫容量雖可達(dá)2.4wt%，但低溫性能不詳[12]。目前國(guó)內(nèi)一些單位開(kāi)發(fā)的固態(tài)合金在-30～25 ℃范圍內(nèi)有效儲(chǔ)氫容量均不超過(guò)1.9wt%[13-15]。本文固態(tài)合金儲(chǔ)氫容量考慮0.015,0.019,0.02,0.025,0.03 kg H2/kg MH共5個(gè)水平。

復(fù)合材料Ⅲ型瓶的鋁內(nèi)膽和纖維纏繞層厚度、總質(zhì)量是通過(guò)在一定工作壓力下進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)得到的[16]，其與氣瓶容積及外形尺寸(如長(zhǎng)徑比等)因素相關(guān)，故不能簡(jiǎn)單假設(shè)其與氣瓶工作壓力呈線性關(guān)系。本文35 MPa復(fù)合材料Ⅲ型瓶容積、外徑、長(zhǎng)度、質(zhì)量按國(guó)內(nèi)某氣瓶制造廠實(shí)際產(chǎn)品，考慮70,80,100 L共3種規(guī)格，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 35 MPa復(fù)合材料Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶規(guī)格參數(shù)

復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件(即嵌入式換熱器)主要包括多孔材料、過(guò)濾板、換熱管等，起到強(qiáng)化傳熱、緩解儲(chǔ)氫合金吸氫膨脹應(yīng)力、過(guò)濾合金粉末等作用。在復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)樣機(jī)研制過(guò)程中，內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量與體積可分別采用稱(chēng)重法和排水法進(jìn)行測(cè)試。文中重點(diǎn)討論初步設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度分析模型，因考慮到內(nèi)構(gòu)件多孔或空心結(jié)構(gòu)，平均密度暫取為1 000 kg/m3，質(zhì)量考慮3,4,5 kg共3個(gè)水平。

除上述參數(shù)外，文中固態(tài)合金裝填體積分?jǐn)?shù)考慮0,10%,20%,30%,40%共5個(gè)水平，合金吸氫后體積膨脹系數(shù)考慮10%和20%共2個(gè)水平。所有工況儲(chǔ)氫壓力均為35 MPa、溫度為25 ℃(298.15 K)，固態(tài)儲(chǔ)氫合金密度取5 000 kg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 不考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)合金裝填體積分?jǐn)?shù)的影響

如圖2所示，不裝填儲(chǔ)氫合金時(shí)，某國(guó)產(chǎn)70 L復(fù)合材料Ⅲ型瓶質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別為0.034 kg H2/ kg system和17.7 kg H2/m3system。隨著儲(chǔ)氫合金裝填量增加，系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不斷降低，但降低幅度逐步趨緩，體積儲(chǔ)氫密度直線上升。對(duì)于儲(chǔ)氫容量為0.015 kg H2/kg MH、吸氫過(guò)程體積膨脹系數(shù)20%的儲(chǔ)氫合金來(lái)說(shuō)，當(dāng)裝填體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度降至0.019 3 kg H2/kg system、體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到24.94 kg H2/m3system。對(duì)于儲(chǔ)氫容量為0.02 kg H2/kg MH、吸氫過(guò)程體積膨脹系數(shù)20%的儲(chǔ)氫合金來(lái)說(shuō)，當(dāng)裝填體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度降至0.020 4 kg H2/kg system、體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到34.29 kg H2/m3system；當(dāng)裝填體積分?jǐn)?shù)達(dá)40%時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度降至0.019 2 kg H2/kg system、體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到39.82 kg H2/m3system。

圖2 不考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)固態(tài)儲(chǔ)氫合金裝填體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的影響

圖2同時(shí)給出JAIST計(jì)算結(jié)果[10]作為對(duì)比。不裝填儲(chǔ)氫合金時(shí)，其34 L復(fù)合材料Ⅲ型瓶質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別為0.042 3 kg H2/kg system和18.18 kg H2/m3system，比國(guó)產(chǎn)70 L復(fù)合材料Ⅲ型瓶分別高24.3%和2.7%。在相同儲(chǔ)氫壓力、工作溫度、固態(tài)合金特性(儲(chǔ)氫容量、裝填體積分?jǐn)?shù)、吸氫膨脹系數(shù)、密度)時(shí)，JAIST計(jì)算得到的系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度比本文高5.0%～12.7%，體積儲(chǔ)氫密度比本文高2.7%～2.9%。這種差異主要是因?yàn)閲?guó)外復(fù)合材料Ⅲ型瓶本身質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度較高。

2.2 不考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)合金儲(chǔ)氫容量的影響

如圖3所示，復(fù)合系統(tǒng)質(zhì)量及體積儲(chǔ)氫密度均隨合金儲(chǔ)氫容量增加而增加。因此，提高合金儲(chǔ)氫容量是改善復(fù)合系統(tǒng)能量密度的有效手段之一。當(dāng)儲(chǔ)氫合金裝填體積系數(shù)為20%、吸氫膨脹系數(shù)為10%、復(fù)合材料外容器容積為70 L時(shí)，對(duì)于儲(chǔ)氫容量0.02 kg H2/kg MH的儲(chǔ)氫合金來(lái)說(shuō)，復(fù)合系統(tǒng)質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別達(dá)到0.022 4 kg H2/kg system和29.12 kg H2/m3system；當(dāng)合金的儲(chǔ)氫容量為0.025,0.03 kg H2/kg MH時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度可分別提升至0.025 3 kg H2/kg system和32.94 kg H2/m3system,0.028 2 kg H2/kg system和36.77 kg H2/m3system。保持儲(chǔ)氫合金裝填體積系數(shù)20%不變，當(dāng)儲(chǔ)氫合金吸氫膨脹系數(shù)由10%增大至20%時(shí)，各合金儲(chǔ)氫容量下系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度變化不大。

圖3 不考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)固態(tài)合金儲(chǔ)氫容量對(duì)復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的影響

2.3 考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)復(fù)合材料外容器規(guī)格的影響

如圖4所示，當(dāng)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量固定為3 kg時(shí)，選用國(guó)內(nèi)某制造企業(yè)70 L,80 L,100 L三種規(guī)格的復(fù)合材料Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)品，固態(tài)合金儲(chǔ)氫容量0.02 kg H2/kg MH、裝填體積分?jǐn)?shù)20%、吸氫膨脹系數(shù)為20%時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別達(dá)0.021 1～0.022 0 kg H2/kg system和28.00～28.55 kg H2/m3system；當(dāng)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量為4 kg時(shí)，系統(tǒng)的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度將分別降低至0.020 7～0.021 7 kg H2/kg system和27.75～28.37 kg H2/m3system；當(dāng)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)一步增加至5 kg時(shí)，系統(tǒng)的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度將分別降低至0.020 4～0.021 5 kg H2/kg system和27.50～28.19 kg H2/m3system?？傮w來(lái)說(shuō)，選用大容積復(fù)合材料外容器將有助于提高系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度。另一方面，系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度對(duì)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量十分敏感，因此開(kāi)發(fā)高效熱管理技術(shù)和降低內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量是提高復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的另一重要手段。

圖4 考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)復(fù)合材料外容器規(guī)格對(duì)復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的影響

在同樣的70 L復(fù)合材料Ⅲ型瓶、固態(tài)合金儲(chǔ)氫容量0.02 kg H2/kg MH、裝填體積分?jǐn)?shù)20%、吸氫膨脹系數(shù)20%條件下，當(dāng)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量分別為3,4,5 kg時(shí)，考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)系統(tǒng)的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別比不考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)降低5.0%～8.2%和2.6%～4.4%(見(jiàn)圖4與圖2)。

2.4 考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)儲(chǔ)氫合金裝填體積分?jǐn)?shù)的影響

針對(duì)已開(kāi)發(fā)出的儲(chǔ)氫容量0.019 kg H2/kg MH的固態(tài)儲(chǔ)氫合金，采用100 L復(fù)合材料外容器，計(jì)算了不同裝填體積分?jǐn)?shù)(假設(shè)吸氫膨脹系數(shù)為20%)下含內(nèi)構(gòu)件復(fù)合系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度，如圖5所示。由圖可以看出，當(dāng)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量由3 kg增加至5 kg時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度隨固態(tài)合金裝填體積分?jǐn)?shù)增加而快速降低，并且斜率比無(wú)內(nèi)構(gòu)件時(shí)更陡，體積儲(chǔ)氫密度直線上升。內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量3 kg條件下，儲(chǔ)氫合金裝填體積分?jǐn)?shù)由10%增加至40%時(shí)，系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度由0.024 9 kg H2/kg system降至0.018 3 kg H2/kg system，體積儲(chǔ)氫密度由22.57 kg H2/m3system升至38.18 kg H2/m3system；內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量5 kg條件下，儲(chǔ)氫合金裝填體積分?jǐn)?shù)由10%增加至40%時(shí)，系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度由0.024 1 kg H2/kg system降至0.018 0 kg H2/kg system，體積儲(chǔ)氫密度由22.21 kg H2/m3system升至37.82 kg H2/m3system。

圖5 考慮內(nèi)構(gòu)件時(shí)固態(tài)儲(chǔ)氫合金裝填體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的影響

3 結(jié)論與展望

本文建立了高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度數(shù)值分析模型，探討了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和固態(tài)儲(chǔ)氫合金特性對(duì)儲(chǔ)氫密度的影響，主要結(jié)論如下。

(1)提高合金儲(chǔ)氫容量是改善復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的最有效手段之一，開(kāi)發(fā)高效熱管理技術(shù)和降低內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量是提高復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度的另一重要手段。復(fù)合系統(tǒng)質(zhì)量及體積儲(chǔ)氫密度隨固態(tài)合金儲(chǔ)氫容量增加而增加。隨儲(chǔ)氫合金裝填量增加，復(fù)合系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度降低，但降低幅度逐步趨緩，體積儲(chǔ)氫密度直線上升；儲(chǔ)氫合金吸氫膨脹系數(shù)在20%以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度影響不大。

(2)不考慮內(nèi)構(gòu)件影響時(shí)，在國(guó)產(chǎn)70 L規(guī)格35 MPa復(fù)合材料Ⅲ型瓶?jī)?nèi)裝填儲(chǔ)氫容量0.02 kg H2/kg MH、吸氫體積膨脹系數(shù)20%的固態(tài)合金時(shí)，需要裝填體積分?jǐn)?shù)達(dá)40%才能獲得與70 MPa復(fù)合材料Ⅳ型瓶相當(dāng)?shù)捏w積儲(chǔ)氫密度(約40 g/L)。

(3)復(fù)合系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度對(duì)內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量敏感。選用大容積復(fù)合材料外容器有助于提高系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度。在國(guó)產(chǎn)70 L復(fù)合材料Ⅲ型瓶?jī)?nèi)裝填20%儲(chǔ)氫容量0.02 kg H2/kg MH、吸氫膨脹系數(shù)20%的固態(tài)合金，考慮內(nèi)構(gòu)件影響時(shí)復(fù)合系統(tǒng)的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別比不考慮內(nèi)構(gòu)件影響時(shí)降低5.0%～8.2%和2.6%～4.4%。

需要指出的是，高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，除需要關(guān)注儲(chǔ)氫密度以外，還需要優(yōu)化儲(chǔ)氫合金的吸放氫熱效應(yīng)、脫氫溫度、吸放氫速率等熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。此外，高壓-固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，還可能存在儲(chǔ)氫合金吸放氫性能退化、儲(chǔ)氫合金更換、內(nèi)構(gòu)件檢修等問(wèn)題，因而還需進(jìn)一步開(kāi)展針對(duì)性研究工作。