储氢工艺及设备设计 普通高等教育“十四五”规划教材·氢能系列

氢能是未来国家能源体系重要组成部分 ,是用能终端实现绿色低碳的重要载体。《储氢工艺及设备设计》一书根据新能源科学与工程专业人才培养方案以及氢能企业对高级应用型人才的要求进行编写 ,让读者能够从 “制氢 —储氢 —输氢 —用氢 —安全 ”的氢能全产业链视角 ,结合最新的研究及应用现状 ,从整体上把握氢能储运工艺与装备的主要方面和基本内容。

本书为氢能系列教材之一 ,根据新能源科学与工程专业人才培养方案及氢能企业对高级应用型人才的要求编写而成 ;主要内容包括绪论、储氢工艺、储氢设备设计基础、高压气态储氢设备设计、低温液氢储存设备设计、固态储氢设备设计等。

李建立，男，汉族，1979年1月生于河南省焦作市武陟县。2001年6月毕业于兰州理工大学化工设备与机械专业，随后留校任教；2003年9月至2009年6月在北京化工大学攻读硕士和博士学位；2011年9月华东理工大学动力工程及工程热物理博士后流动站出站，入北京石油化工学院机械工程学院任教至今。2013年入选北京市青年英才培养计划。2017年至今作为机械工程学院院长助理协助院领导进行实验室建设和管理工作。

第1 章　 绪　 论…………………………………………………………………………… ( 1 )
　 1. 1　 储氢的重要性 …………………………………………………………………… ( 1 )
　 　 1. 1. 1　 氢的基本性质 ……………………………………………………………… ( 1 )
　 　 1. 1. 2　 氢的生产和使用 …………………………………………………………… ( 2 )
　 　 1. 1. 3　 氢的储存 …………………………………………………………………… ( 3 )
　 1. 2　 储氢的方法 ……………………………………………………………………… ( 3 )
　 　 1. 2. 1　 高压气态储氢 ……………………………………………………………… ( 3 )
　 　 1. 2. 2　 低温液态储氢 ……………………………………………………………… ( 4 )
　 　 1. 2. 3　 固态储氢 …………………………………………………………………… ( 4 )
　 　 1. 2. 4　 有机液体储氢 ……………………………………………………………… ( 5 )
　 　 1. 2. 5　 其他氢载体储氢 …………………………………………………………… ( 5 )
　 1. 3　 储氢的瓶颈问题 ………………………………………………………………… ( 5 )
　 　 1. 3. 1　 高压气态储氢的瓶颈问题 ………………………………………………… ( 5 )
　 　 1. 3. 2　 低温液态储氢的瓶颈问题 ………………………………………………… ( 7 )
　 　 1. 3. 3　 固态储氢的瓶颈问题 ……………………………………………………… ( 7 )
　 　 1. 3. 4　 有机液体储氢的瓶颈问题 ………………………………………………… ( 8 )
　 1. 4　 储氢的发展趋势 ………………………………………………………………… ( 9 )
　 1. 5　 本课程的知识体系和学习方法 ………………………………………………… ( 9 )
　 思考题…………………………………………………………………………………… ( 10 )
第2 章　 储氢工艺………………………………………………………………………… ( 11 )
　 2. 1　 氢气增压储存工艺 ……………………………………………………………… ( 11 )
　 　 2. 1. 1　 氢气增压储存原理 ………………………………………………………… ( 11 )
　 　 2. 1. 2　 氢气常温增压储存工艺 …………………………………………………… ( 15 )
　 　 2. 1. 3　 氢气低温增压储存工艺 …………………………………………………… ( 20 )
　 　 2. 1. 4　 氢气的焦耳-汤姆孙效应 ………………………………………………… ( 22 )
　 2. 2　 低温液化储存 …………………………………………………………………… ( 23 )
　 　 2. 2. 1　 氢液化工艺 ………………………………………………………………… ( 24 )
　 　 2. 2. 2　 液氢加注和储运工艺 ……………………………………………………… ( 26 )
·Ⅰ·
　　2. 2. 3　 液氢系统的置换和预冷 …………………………………………………… ( 27 )
　 　 2. 2. 4　 液氢储运中的不稳定因素 ………………………………………………… ( 28 )
　 2. 3　 固态储氢 ………………………………………………………………………… ( 29 )
　 　 2. 3. 1　 固态储氢概述 ……………………………………………………………… ( 29 )
　 　 2. 3. 2　 储氢合金及其储氢原理 …………………………………………………… ( 29 )
　 　 2. 3. 3　 储氢合金吸/放氢反应热力学和动力学…………………………………… ( 31 )
　 　 2. 3. 4　 合金储氢装置的吸/放氢特性及其影响因素……………………………… ( 34 )
　 　 2. 3. 5　 固态储运氢工艺简介 ……………………………………………………… ( 35 )
　 思考题…………………………………………………………………………………… ( 36 )
第3 章　 储氢设备设计基础……………………………………………………………… ( 37 )
　 3. 1　 储氢设备的基本结构 …………………………………………………………… ( 37 )
　 　 3. 1. 1　 结构组成 …………………………………………………………………… ( 37 )
　 　 3. 1. 2　 薄壁容器与厚壁容器 ……………………………………………………… ( 38 )
　 3. 2　 储氢设备的载荷分析 …………………………………………………………… ( 42 )
　 　 3. 2. 1　 载荷 ………………………………………………………………………… ( 42 )
　 　 3. 2. 2　 载荷工况 …………………………………………………………………… ( 43 )
　 3. 3　 储氢设备的设计要求和条件 …………………………………………………… ( 44 )
　 　 3. 3. 1　 设计要求 …………………………………………………………………… ( 44 )
　 　 3. 3. 2　 设计条件 …………………………………………………………………… ( 45 )
　 3. 4　 应力分析 ………………………………………………………………………… ( 46 )
　 　 3. 4. 1　 薄壁圆筒应力分析 ………………………………………………………… ( 46 )
　 　 3. 4. 2　 厚壁圆筒应力分析 ………………………………………………………… ( 47 )
　 　 3. 4. 3　 受内压壳体与接管连接处的局部应力 …………………………………… ( 63 )
　 3. 5　 失效模式和设计准则 …………………………………………………………… ( 66 )
　 　 3. 5. 1　 失效模式 …………………………………………………………………… ( 66 )
　 　 3. 5. 2　 设计准则 …………………………………………………………………… ( 69 )
　 3. 6　 储氢设备壳体的常规设计 ……………………………………………………… ( 73 )
　 　 3. 6. 1　 常规设计概述 ……………………………………………………………… ( 73 )
　 　 3. 6. 2　 内压圆筒常规设计 ………………………………………………………… ( 74 )
　 　 3. 6. 3　 外压圆筒设计 ……………………………………………………………… ( 81 )
　 　 3. 6. 4　 封头设计 …………………………………………………………………… ( 91 )
　 3. 7　 储氢容器壳体的分析设计 ……………………………………………………… ( 94 )
　 　 3. 7. 1　 分析设计概述 ……………………………………………………………… ( 94 )
　 　 3. 7. 2　 弹性应力分析方法 ………………………………………………………… ( 94 )
　 　 3. 7. 3　 弹塑性分析方法 …………………………………………………………… ( 96 )
　 　 3. 7. 4　 疲劳分析 …………………………………………………………………… (100)
·Ⅱ·
　 思考题…………………………………………………………………………………… (107)
第4 章　 高压气态储氢设备设计………………………………………………………… (109)
　 4. 1　 单层金属储氢容器 ……………………………………………………………… (109)
　 　 4. 1. 1　 概述 ………………………………………………………………………… (109)
　 　 4. 1. 2　 结构与选材 ………………………………………………………………… (110)
　 　 4. 1. 3　 设计与校核 ………………………………………………………………… (113)
　 　 4. 1. 4　 单层钢质储氢容器的局限性 ……………………………………………… (119)
　 4. 2　 多层金属储氢容器 ……………………………………………………………… (120)
　 　 4. 2. 1　 概述 ………………………………………………………………………… (120)
　 　 4. 2. 2　 结构与选材 ………………………………………………………………… (121)
　 　 4. 2. 3　 钢带错绕式储氢容器设计、 制造、 检验和安全管理 …………………… (123)
　 　 4. 2. 4　 层板包扎式储氢容器设计、 制造、 检验和安全管理 …………………… (128)
　 4. 3　 纤维缠绕储氢容器设计 ………………………………………………………… (133)
　 　 4. 3. 1　 概述 ………………………………………………………………………… (133)
　 　 4. 3. 2　 纤维缠绕储氢容器的结构及选材 ………………………………………… (133)
　 　 4. 3. 3　 纤维缠绕工艺及成型方法 ………………………………………………… (139)
　 　 4. 3. 4　 复合材料层合板力学基础 ………………………………………………… (143)
　 　 4. 3. 5　 复合材料层设计基础 ……………………………………………………… (149)
　 　 4. 3. 6　 纤维缠绕储氢容器的强度分析 …………………………………………… (157)
　 　 4. 3. 7　 纤维缠绕储氢容器的疲劳分析 …………………………………………… (160)
　 4. 4　 高压气态储氢设备的发展趋势 ………………………………………………… (161)
　 　 4. 4. 1　 可靠性设计制造技术 ……………………………………………………… (161)
　 　 4. 4. 2　 检验检测监测及诊断评估 ………………………………………………… (162)
　 　 4. 4. 3　 规范标准体系完善 ………………………………………………………… (162)
　 思考题…………………………………………………………………………………… (162)
第5 章　 低温液氢储存设备设计………………………………………………………… (163)
　 5. 1　 概述 ……………………………………………………………………………… (163)
　 　 5. 1. 1　 分类及特点 ………………………………………………………………… (163)
　 　 5. 1. 2　 基本结构 …………………………………………………………………… (166)
　 5. 2　 液氢储存设备材料 ……………………………………………………………… (167)
　 　 5. 2. 1　 内容器用材料 ……………………………………………………………… (168)
　 　 5. 2. 2　 外容器用材料 ……………………………………………………………… (170)
　 　 5. 2. 3　 夹层支撑材料 ……………………………………………………………… (171)
　 　 5. 2. 4　 绝热材料 …………………………………………………………………… (171)
　 　 5. 2. 5　 吸附剂材料 ………………………………………………………………… (173)
·Ⅲ·
　 5. 3　 液氢储存设备设计 ……………………………………………………………… (173)
　 　 5. 3. 1　 设计基础 …………………………………………………………………… (173)
　 　 5. 3. 2　 罐体设计计算 ……………………………………………………………… (176)
　 　 5. 3. 3　 罐体夹层的真空绝热性能计算 …………………………………………… (177)
　 　 5. 3. 4　 结构设计 …………………………………………………………………… (182)
　 　 5. 3. 5　 安全附件设计 ……………………………………………………………… (188)
　 　 5. 3. 6　 制造 ………………………………………………………………………… (190)
　 　 5. 3. 7　 无损检测 …………………………………………………………………… (193)
　 5. 4　 液氢储存设备设计技术进展 …………………………………………………… (194)
　 思考题…………………………………………………………………………………… (195)
第6 章　 固态储氢设备设计……………………………………………………………… (198)
　 6. 1　 固态储氢设备概述 ……………………………………………………………… (198)
　 　 6. 1. 1　 固态储氢材料 ……………………………………………………………… (198)
　 　 6. 1. 2　 固态储氢设备的结构组成 ………………………………………………… (202)
　 　 6. 1. 3　 固态储氢设备的性能参数 ………………………………………………… (203)
　 6. 2　 固态储氢设备的设计 …………………………………………………………… (204)
　 　 6. 2. 1　 失效模式和设计要求 ……………………………………………………… (204)
　 　 6. 2. 2　 储氢材料的选择及用量计算 ……………………………………………… (206)
　 　 6. 2. 3　 吸/放氢管路的选材和管径计算…………………………………………… (207)
　 　 6. 2. 4　 换热部件设计 ……………………………………………………………… (208)
　 　 6. 2. 5　 承压壳体工艺和结构设计 ………………………………………………… (217)
　 　 6. 2. 6　 安全和监测附件设计 ……………………………………………………… (219)
　 6. 3　 固态储氢的应用场景和发展前景 ……………………………………………… (219)
　 　 6. 3. 1　 固定式应用 ………………………………………………………………… (219)
　 　 6. 3. 2　 移动式应用 ………………………………………………………………… (220)
　 思考题…………………………………………………………………………………… (221)
参考文献…………………………………………………………………………………… (222)