毕业设计开题报告

目 录
1 绪论……………………………………………………………………1

1.1 技术背景与选题意义……………………………………………..1
1.2国内外技术状况…………………………………………………….1

2 主要研究内容………………………………………………………..3
2.1 可行性论证…………………………………………………………3
2.2 设计内容 …………………………………………………………..5
2.3 研究方法……………………………………………………………6

3 设计的预期结果……………………………………………………..7

4 设计的工作进度安排………………………………………………..7

5 参考文献………………………………………………………………9


















1  绪论
1.1 技术背景与选题意义
    随着社会的发展，环境保护问题已经越来越为人们所重视。酸雨、温室效应、城市热岛效应等等或初露倪端，或已对人类造成巨大的危害，这些环保问题的产生在很大程度上与人类大量使用化石能源有关。同时，由于能源消耗量的迅猛增加，化石能源将不能满足经济高速发展的需求，需要开发新的能源。在我国开发清洁的新能源体系更具有重要意义。
　　氢可以地球上近于无限的水为原料来制备，其燃烧产物也是水，具有零污染的优点，有望在石油时代末期成为一种主要的二次能源。氢能技术的发展，已在航天技术中得到了成功的应用。氢是一种危险，易燃易爆的气体，在使用中必须保证安全，因此，一种安全、高能量密度（包括体积能量密度和重量能量密度）、低成本、使用寿命长的氢储、输技术的应用需求已越来越迫切。
近年来研究较多的储氢方式有：（1）金属氢化物储氢；（2）液化储氢；（3）吸附储氢；（4）压缩储氢。
为促进燃料电池的实用化,应寻找出经济!便利的储氢方式，目前氢气的输送与储存大多采用高压气瓶和液氢等方式,近些年固态储氢技术受到关注采用金属氢化物储氢,有以下特点: (1)体积储氢密度高; (2)安全性好; (3)不需要高压容器和隔热容器; (4)可得到高纯度氢"以MmNi4.5Al0.5储氢合金储氢装置为例,该储氢系统与15MPa高压气瓶贮氢方式相比,在相同储氢量下,其容器体积仅为高压气瓶的1/4,这样整个系统的体积变小,使汽车的运氢量相应增大;并且容器压力降到1MPa以下,提高了安全性;同时还提高了氢的纯度(从此装置中可得到99.9999%的高纯氢),从而可进一步提高燃料电池效率和寿命，金属氢化物的以上特点,使它在小型燃料电池及某些特定环境(如潜艇、电动铲车)的应用中具有许多高压气态氢和液氢无法比拟的优势。
1.2 国内外技术状况
1996年日本丰田公司开发出世界上第一套质子交换膜燃料电池(PEMFC)电动车用金属氢化物贮氢罐,在该贮氢罐中,合金重量约100 kg,贮氢量约2 kg，开发出的新型钛系贮氢合金,其贮氢能力是传统LaNi5合金的2倍以上，此贮氢罐配上输出功率为20kW的PEMFC,使电动车的最高时速达100km/h-1以上,每充氢一次行驶250km,能源转化率提高了60%,效率比汽油引擎高2~3倍。
日本三洋电器公司采用Mm0.82Y0.18Ni4.95Mn0.05金属氢化物贮氢器,为便携式250W燃料电池提供氢源[3]。
德国GfE公司研制出45m金属氢化物贮氢罐,与西门子公司研制的10kWPEM燃料电池配套,成功地驱动电动铲车,通过了Bavarian Solar Hydrogen中心的测试，同时这两家公司进一步合作开发出以金属氢化物贮氢器为氢源的燃料电池系统,作为潜艇的动力[2]。
在燃料电池小型化应用方面,美国进行了金属氢化物供氢的燃料电池高尔夫球车试验。美氢能公司以金属氢化物提供氢,开发了燃料电池驱动的残疾人轮椅车,及功率为40W的手提箱式燃料电池便携电源,这种电源可用于手提电脑!便携式收音机或其它便携设备。
加拿大巴拉德公司研制出与笔记本电脑中燃料电池相配套的钛系金属氢化物储氢器[4]。
德国西门子公司采用GfE公司生产的SL002商用金属氢化物贮氢罐为氢源研制出作为笔记本电脑电源的燃料电池[2]，金属氢化物储氢器既是一个反应器,又是一个热交换器装置结构应保证装置内有效地进行热交换和氢气流流动通畅其吸放氢的速度除受贮氢合金本征性能影响外,很大程度上取决于贮氢合金粉末与热介质之间的总传热系数[5]"在吸放氢过程中,由于体积膨胀收缩的往复变化,合金粉末将进一步粉化,细粉在气流及重力的作用下,将在容器中串动迁移,而最终在容器的底部堆积, 导致料层板结,影响贮氢器的传质性能;同时在材料的堆积处产生应力,引起容器膨胀直至破裂，因此在研究过程中,重点应找到一种热交换效率高!可阻止细粉在容器中串动迁移的装置结构，在贮氢装置结构设计中,为保证装置内的热交换及传质过程能有效进行,本文对贮氢合金粉末填层厚度!导热材料及抗板结材料等添加物的种类和数量对金属氢化物就床体传热传质特性的影响进行了研究，这些材料的加入还将影响到装置的贮氢量。
70年代后期，南开大学、北京有色金属研究总院、浙江大学和中国科学院上海冶金研究所等就开始了储氢材料的基础研究。其中，化学法制备合金储氢材料在国际上处于领先水平。近年来，我国在金属氢化物储氢技术领域又取得了新的进展。浙江大学新材料研究所承担的“九五”国家“863”高技术项目“燃料电池氢源合金及氢燃料箱研究”，已研制出三类新的储氢合金，其储氢能力分别为1.61wt%、1.8wt%和2.1wt%。此外，还设计并试制成功容量为700L的便携式氢源样机，可适用于1kW及5kW PEMFC电池。
由天津大学科技园海蓝德能源技术发展公司开发的金属氢化物储氢技术，日前通过天津市科委技术鉴定。经专家组认定，该技术能使产品成本降低95％，居国际领先地位。国内首家以开发储氢技术为方向的海蓝德公司采用国际上先进合金储氢技术，研制便于携带、储氢最大而安全性好的新型储氢罐，突破了燃料电池的氢气安全供给技术这一瓶颈问题。据悉，该公司日前通过中试已经解决“小型车用储氢罐”规模生产的技术难题，即将转入小批量生产。目前，该公司正在研制大型设备的供氢系统，进一步加快环保能源燃料电池的实用化、产业化进程。
北京有色金属研究总院在七十年代末就开展了储氢合金储氢技术的研究与开发。在材料研究方面，现已成功开发出以LaNi5为基的AB5型稀土系合金和以TiFe、TiMn2为基的AB、AB2型Ti系储氢合金，并申请两项国家专利。在材料应用方面，现已成功研制出适合不同要求的储氢装置，并分别应用在储氢罐、热泵及氢压缩机制冷装置上。研制的0.1~10M3的金属氢化物储氢器可提供纯度达99.9999%的高纯氢，并在氢原子钟、气相摄谱仪、半导体拉制单晶等方面得到应用。

2 主要研究内容
2.1 可行性论证
近年来研究较多的储氢方式有：（1）金属氢化物储氢；（2）液化储氢；（3）吸附储氢；（4）压缩储氢。
2.1.1 金属氢化物储氢
　　氢和氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给氢化物时，它就分解为氢化金属并释放出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分为：（1）稀土镧镍，每公斤镧镍合金可储氢153L；（2）铁钛合金，储氢量大，价格低且在常温常压下释放氢；（3）镁系合金，是吸氢量最大的元素，但需要在287℃条件下才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、铅等多元素系，这些金属本身是稀贵金属，因此只适用于某些特殊场合。
　　与其它储氢方式相比，金属氢化物储氢具有压力平稳，充氢简单、方便、安全等优点，单位体积贮氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素材料的标准为储氢量应大于5Wt％，并且能在温和条件下吸放氢。
2.1.2 液化储氢
　　将氢气冷却到-253℃时氢气即可液化。液氢储存方式的质量能量密度最大，是一种轻巧紧凑的方式。但氢气液化成本高，能量损失大（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30％），且存在蒸发损
失。液氢贮存工艺首先用于宇航中，但需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化，导致液体贮存箱非常庞大。制备1升液氢约需消耗电能3kWh，在储存过程中液氢还有自然挥发，因此能耗较高
2.1.3 吸附储氢
目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0.337μm，而分子氢气的动力学直径为0.289μm，所以碳纳米管能用来吸附氢气。另外，由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的，压力降低时能够通过膨胀来释放氢气。
2.1.4 压缩储氢
　　压缩储氢方式是将氢气以气态形式压缩储存于高压容器中，可在常温下使用。目前压缩储氢方式所采用的压力一般不超过35MPa，但“氢动3号”氢燃料电池动力轿车上所安装的储氢罐储氢压力高达70MPa。压缩储氢方式的优点：与金属化合物储氢、液化储氢和吸附储氢方式相比，压缩储氢是一种应用广泛、简便易行的储氢方式，而且压缩储氢方式成本低，充放气速度快，充放气在常温下就可进行。
压缩储氢方式的缺点为能量密度低，当提高容器内氢气压力时，需要消耗较多的压缩功，而且存在氢气易泄漏和容器爆破等不安全因素。


表1  各种储氢方法的优缺点对照表
储氢方法    优点    缺点
压缩气体    运输和使用方便、可靠    压力高，使用和运输有危险；钢瓶的体积和重量大，运费较高
液氢    储氢能力大    储氢过程储氢能耗大，使用不方便
金属氢化物    运输和使用安全    储氢量小，金属氢化物易破裂
低压吸附    低温储氢能力大    运输和保存需低温

综上述的储氢方式可以看到采用金属氢化物是最为安全的，国际能源机构确定的未来新型储素材料的标准为储氢量应大于5Wt％，并且能在温和条件下吸放氢。这样的话它将是我们燃料电池的最为理想的储氢材料，会对燃料电池的发展起到重要的作用。然而，金属氢化物易破碎，并且就其原理可以看到，金属氢化物有一个吸氢与放氢的过程，这个过程中就会有氢气的漏出。因此，本课题为金属氢化物设计一个固体的外部固体储罐，一方面可以保护氢化物，另一方面可以防止氢气的外漏。从而杜绝由于氢气泄露所造成的危险。这个方案是完全具有实际利用价值，是具有可行性的。

2.2 设计内容

2.2.1 金属氢化物贮氢罐材料的选择
2.2.2 金属氢化物贮氢罐的防腐蚀设计
2.2.3 金属氢化物贮氢罐的结构设计
2.2.3.1 筒体设计
2.2.3.2 储罐封头选择
2.2.3.3 气阀选择
2.2.3.4 焊接结构设计
2.2.4 封头与筒体的焊接设计
2.2.5 罐体的水压试验方法与气密性试验
2.2.6 工程图的绘制
    设计内容示意图如下图1所示

图1


2.3 研究方法
2.3.1 工艺设计
在本设计中，主要的设计有专门的工艺设计人员设计。
2.3.2 结构设计
包括：筒体、封头、接管、螺纹、阀门，还有其它附件的设计。
2.3.3 校核
包括开孔补强计算和反应器应力的计算，以此来判断选择的材料和结构的设计是否满足设计的要求。若满足要求，结构合理，；若不满足，重复设计并再进行校核计算。
以压力容器设计方法为主要的设计方法，设计过程中以GB150-89 钢制压力容器，GB11640-89 铝合金无缝气瓶，以及《压力容器安全监察规程》等标准为设计准则。
    设计方法及研究思路示意图如下图2所示



图2


3 设计的预期结果
设计结果完全达到设计任务书的要求，各个设计数据都是按照国家给定得出的，设计结果尽量能够投入到实际的生产中。

4 设计的进度安排
设计的进程安排
序号    设计各阶段内容    日  期
1    收集、整理、阅读国内外关于反应器的材料，为开题报告做准备并写出毕业论文的提纲    第５～６周（4.2～1.15）
2    进行储氢罐的设计计算，选择合适的焊接方式    第7～9周（4.16～5.6）
3    进行计算机绘图    第10～13周（5.7～6.6）
4    书写设计说明书，打印图纸和论文，上交材料    第14～15周（6.4～6.17）
5    准备毕业设计答辩    第16周（6.18～6.24）
6    英语资料翻译同时进行，抽空完成   























参考文献
[1] 丰田公司技术报告.第一届北京国际电动车及代用燃料汽车技术交流研讨会,北京,中国,1996.9.
[2] Guther V, Otto A.  J. Alloys and Compounds, 1999,(293-295):889.
[3] Nakamura Y, Nakamura H, Fujitani S, et al.  J. Alloys and Compounds, 1995,231:898.
[4] Voss H, Huff J.  J. Power Sources, 1997,65:155.
[5] Bernauer D, ToplerJ, Noreus D, et al.  Int. J. Hydrogen Energy, 1989,14(3):187.
[6] 黄倬，质子交换膜燃料电池的研究开发与应用，冶金工业出版社，2002
[7] 王志文，化工容器设计，化工出版社，1996
[8] 郑精洋，陈志平，特殊压力容器，化工出版社，1997
[9] 冯兴奎，过程装备焊接，化工出版社，2003
[10] 李亚江，特殊及难焊材料的焊接，化工出版社，2003
[11] GB150-89 钢制压力容器
[12] GB11640-89 铝合金无缝气瓶