70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶；該儲(chǔ)氫氣瓶包括鋁合金內(nèi)膽、碳纖維纏繞層和玻璃纖維保護(hù)層；在鋁合金內(nèi)膽表面按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層次序用浸漬樹脂調(diào)節(jié)張力后的纖維進(jìn)行纏繞，然后在該碳纖維纏繞層外表面上纏繞玻璃纖維抗沖擊保護(hù)層，并在制造過程中采用“自緊”技術(shù)處理。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)氫氣瓶的研制多集中于工作壓力為35MPa車用儲(chǔ)氫氣瓶而導(dǎo)致燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程較低的現(xiàn)狀，開發(fā)出了一種適用于車載且具有容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)的新型儲(chǔ)氫氣瓶。
【專利說(shuō)明】70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲(chǔ)氫氣瓶，具體涉及一種70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能是一種清潔能源，由于其燃燒后生成水，因而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。由此，各國(guó)學(xué)者都認(rèn)為21世紀(jì)將是一個(gè)氫能世紀(jì)。目前，燃料電池技術(shù)被公認(rèn)為是人類社會(huì)向氫能社會(huì)過渡的橋梁，已掀起全球范圍的燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究、樣品開發(fā)及示范應(yīng)用熱潮。其中，氫氣的儲(chǔ)存是燃料電池開發(fā)及應(yīng)用中的關(guān)鍵部分之一，對(duì)燃料電池的發(fā)展和在市場(chǎng)中的應(yīng)用具有極為重要的意義。碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶是一種以鋁合金為內(nèi)襯碳纖維纏繞層為強(qiáng)度結(jié)構(gòu)層的輕質(zhì)超高壓氣瓶，工作壓力可達(dá)到35MPa-70MPa，是近年來(lái)國(guó)際燃料電池領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的高壓儲(chǔ)氫容器。該類容器的主要缺點(diǎn)是由于高壓壓縮儲(chǔ)氫容器受限于氫氣本身的密度，其儲(chǔ)氫量很難大幅度的提高。為提高續(xù)駛里程，70MPa高壓儲(chǔ)氫是國(guó)內(nèi)外氫能儲(chǔ)存的發(fā)展目標(biāo)和研究重點(diǎn)。受材料生產(chǎn)以及技術(shù)能力的限制，我國(guó)目前還沒有生產(chǎn)70MPa的高壓儲(chǔ)氫容器，主要依靠于進(jìn)口。
[0003]在上述背景下，為了提高燃料電池汽車的續(xù)駛里程，進(jìn)一步掌握具有自主產(chǎn)權(quán)的燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品，迫切的需要開發(fā)具有輕質(zhì)、高耐疲勞等特性的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)氫氣瓶的研制多集中于工作壓力為35MPa車載儲(chǔ)氫氣瓶而導(dǎo)致燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程較低的現(xiàn)狀，提供一種70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶；該氣瓶具有容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明涉及一種70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，所述儲(chǔ)氫氣瓶包括鋁合金內(nèi)膽、碳纖維纏繞層和玻璃纖維保護(hù)層，所述碳纖維纏繞層纏繞鋪設(shè)在鋁合金內(nèi)膽外表面，所述玻璃纖維保護(hù)層纏繞鋪設(shè)在所述碳纖維纏繞層外表面。
[0007]優(yōu)選的，所述碳纖維纏繞層采用的碳纖維為浸潰樹脂后調(diào)節(jié)張力為30N的碳纖維。該樹脂優(yōu)選環(huán)氧樹脂。
[0008]優(yōu)選的，所述碳纖維纏繞層的纏繞鋪設(shè)具體為:鋁合金內(nèi)膽簡(jiǎn)體部分上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層；鋁合金內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與簡(jiǎn)體部分均螺旋纏繞，方向一致且連續(xù)；鋪層次序?yàn)?層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞。本發(fā)明中，儲(chǔ)氫氣瓶通過合理的環(huán)向和螺旋向纖維的合理鋪層數(shù)量和次序來(lái)實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力方向的等強(qiáng)度。
[0009]優(yōu)選的，所述碳纖維纏繞層的纏繞鋪設(shè)方案的設(shè)計(jì)和校核是通過CADWIND軟件和ANSYS有限元分析軟件建模仿真分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的；在建模過程中假設(shè)氣瓶的纖維各處分布均勻，受力連續(xù)；內(nèi)膽為薄壁容器，在氣瓶使用時(shí)僅起密封作用，防止氣體滲漏，載荷由連續(xù)纖維承擔(dān)；氣瓶強(qiáng)度由纖維全部承擔(dān)，基體樹脂僅起傳遞載荷作用，且樹脂斷裂延伸率足夠高，纖維斷裂后樹脂破壞。
[0010]優(yōu)選的，所述玻璃纖維保護(hù)層的纏繞鋪設(shè)中鋪層次序?yàn)?1層螺旋纏繞后疊加I層環(huán)向纏繞。
[0011 ] 優(yōu)選的，根據(jù)所述建模仿真確定的自緊壓力，對(duì)成型后的儲(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行自緊處理。該自緊壓力為116MPa?！白跃o”是利用材料彈塑性、充分發(fā)揮材料強(qiáng)度的一種加工工藝。在選擇合適的張力進(jìn)行超壓處理后，內(nèi)膽材料出現(xiàn)塑性變形，外層纖維處于彈性變形階段，當(dāng)卸載后內(nèi)膽的塑性變形不能消除，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，相應(yīng)的在纖維層出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。當(dāng)氣瓶再次加載時(shí)，殘余壓縮應(yīng)力將部分抵消內(nèi)壓在內(nèi)膽中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而提高氣瓶的初始屈服壓力和抗疲勞性能。
[0012]優(yōu)選的，所述鋁合金內(nèi)膽包括簡(jiǎn)體部分、兩端封頭，其中一端封頭的橢圓曲面尾部設(shè)有瓶口，所述簡(jiǎn)體部分與兩端封頭圓滑過渡；所述鋁合金內(nèi)膽公稱外徑為370mm，總體長(zhǎng)度為830mm,其中所述簡(jiǎn)體部分長(zhǎng)度為540mm,所述兩端封頭處橢圓曲面矢高為120mm,所述瓶口長(zhǎng)度為40mm、外徑為50mm。更優(yōu)選內(nèi)膽簡(jiǎn)體部分厚度為5mm,封頭處厚度為8mm。
[0013]優(yōu)選的，所述鋁合金內(nèi)膽的瓶嘴處為內(nèi)螺紋密封結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)螺紋為M18 ;所述鋁合金內(nèi)膽靠近瓶口段的封頭橢圓曲面尾部、肩部與瓶口光滑無(wú)縫連接。內(nèi)膽瓶嘴處為內(nèi)螺紋，加瓶閥后可密封使用；瓶口尺寸及其瓶嘴處內(nèi)螺紋尺寸的選擇可以避免在內(nèi)壓下與簡(jiǎn)體連接的局部區(qū)域產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象。
[0014]優(yōu)選的，所述鋁合金內(nèi)膽材料為6061鋁合金。
[0015]優(yōu)選的，所述鋁合金內(nèi)膽外表面與碳纖維纏繞層之間設(shè)有丙烯酸清漆層。該丙烯酸清漆涂覆于內(nèi)膽表面，用以消除纖維纏繞時(shí)可能產(chǎn)生的靜電，同時(shí)提供一定的黏度，使第一層纖維很好地附在內(nèi)膽表面。
[0016]本發(fā)明具有的有益效果為:本發(fā)明所公開的儲(chǔ)氫氣瓶，是針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)氫氣瓶的研制多集中于工作壓力為35MPa車用儲(chǔ)氫氣瓶而導(dǎo)致燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程較低的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種工作壓力為70MPa、容積為70L、容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多的新型儲(chǔ)氫氣瓶。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0018]圖1為本發(fā)明適用于固定式燃料電池鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞儲(chǔ)氫氣瓶的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]其中，I為鋁合金內(nèi)膽，2為碳纖維纏繞層，3為玻璃纖維保護(hù)層，4為內(nèi)膽橢圓曲面尾部，5為內(nèi)膽橢圓曲面肩部，6為瓶口，7為簡(jiǎn)體部分。
【具體實(shí)施方式】[0020]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]圖1所示，本發(fā)明所公開的適用于固定式燃料電池鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，工作壓力為70MPa，容積為70L。以無(wú)縫薄壁6061鋁內(nèi)襯為芯模，在鋁合金內(nèi)膽I表面按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層次序全纏繞由張力控制且浸潰樹脂的碳纖維纏繞層2，再在外表面上纏繞玻璃纖維保護(hù)層3。
[0022]本實(shí)施例中，鋁合金內(nèi)膽I的結(jié)構(gòu)尺寸為:公稱外徑370mm，總體為長(zhǎng)度830mm，其中簡(jiǎn)體部分7長(zhǎng)度為540mm ;兩端封頭處內(nèi)橢圓曲面(包括內(nèi)膽橢圓曲面肩部5和內(nèi)膽橢圓曲面尾部4)矢高為120mm，其中一端封頭的橢圓曲面尾部設(shè)含有內(nèi)螺紋為M18、長(zhǎng)度為40mm的瓶口 6，瓶口 6與靠近瓶口段的封頭橢圓曲面尾部4、肩部5光滑無(wú)縫連接；內(nèi)膽簡(jiǎn)體身段厚度為5mm,封頭處厚度為8mm,簡(jiǎn)體部分與兩端封頭均圓滑過渡。
[0023]鋁合金內(nèi)膽I兩端沿軸線方向固定在纏繞機(jī)的芯軸上，將丙烯酸清漆涂覆于鋁合金內(nèi)膽I表面，用以消除纖維纏繞時(shí)可能產(chǎn)生的靜電，同時(shí)提供一定的黏度，使第一層纖維很好地附在鋁合金內(nèi)膽I表面。
[0024]T700-12K碳纖維浸潰環(huán)氧樹脂后調(diào)節(jié)張力為30N，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層次序纏繞在鋁內(nèi)膽上，其具體纏繞 方式為:在鋁合金內(nèi)膽I的簡(jiǎn)體表面上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層，與瓶口 6光滑無(wú)縫連接的內(nèi)膽橢圓曲面尾部4、肩部5、簡(jiǎn)體部分7與另一端的內(nèi)膽橢圓曲面肩部5、尾部4的螺旋纏繞方向一致且連續(xù)，鋪層次序?yàn)?
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種70MPa高壓車載招合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶,其特征在于,所述儲(chǔ)氫氣瓶包括鋁合金內(nèi)膽、碳纖維纏繞層和玻璃纖維保護(hù)層，所述碳纖維纏繞層纏繞鋪設(shè)在鋁合金內(nèi)膽外表面，所述玻璃纖維保護(hù)層纏繞鋪設(shè)在所述碳纖維纏繞層外表面。
2.如權(quán)利要求1所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述碳纖維纏繞層采用的碳纖維為浸潰樹脂后調(diào)節(jié)張力為30N的碳纖維。
3.如權(quán)利要求1或2所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述碳纖維纏繞層的纏繞鋪設(shè)具體為:鋁合金內(nèi)膽簡(jiǎn)體部分上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層；鋁合金內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與簡(jiǎn)體部分均螺旋纏繞，方向一致且連續(xù)；鋪層次序?yàn)?層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞-4層螺旋向纏繞-4層環(huán)向纏繞。
4.如權(quán)利要求3所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述碳纖維纏繞層的纏繞鋪設(shè)方案的設(shè)計(jì)和校核是通過CADWIND軟件和ANSYS有限元分析軟件建模仿真分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的；在建模過程中假設(shè)氣瓶的纖維各處分布均勻，受力連續(xù)；內(nèi)膽為薄壁容器，在氣瓶使用時(shí)僅起密封作用，載荷由連續(xù)纖維承擔(dān)；氣瓶強(qiáng)度由纖維全部承擔(dān)，基體樹脂僅起傳遞載荷作用，且樹脂斷裂延伸率足夠高，纖維斷裂后樹脂破壞。
5.如權(quán)利要求4所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維保護(hù)層的纏繞鋪設(shè)中鋪層次序?yàn)?1層螺旋纏繞后疊加I層環(huán)向纏繞。
6.如權(quán)利要求5所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，根據(jù)所述建模仿真確定的自緊壓力，對(duì)成型后的儲(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行自緊處理。
7.如權(quán)利要求1所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述鋁合金內(nèi)膽包括簡(jiǎn)體部分、兩端封頭，其中一端封頭的橢圓曲面尾部設(shè)有瓶口，所述簡(jiǎn)體部分與兩端封頭圓滑過渡；所述鋁合金內(nèi)膽公稱外徑為370mm，總體長(zhǎng)度為830mm，其中所述簡(jiǎn)體部分長(zhǎng)度為540mm，所述兩端封頭處橢圓曲面矢高為120mm，所述瓶口長(zhǎng)度為40mm、外徑為 50mm。
8.如權(quán)利要求7所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述鋁合金內(nèi)膽的瓶嘴處為內(nèi)螺紋密封結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)螺紋為M18;所述鋁合金內(nèi)膽靠近瓶口段的封頭橢圓曲面尾部、肩部與瓶口光滑無(wú)縫連接。
9.如權(quán)利要求1所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述鋁合金內(nèi)膽材料為6061鋁合金。
10.如權(quán)利要求1所述的70MPa高壓車載鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述鋁合金內(nèi)膽外表面與碳纖維纏繞層之間設(shè)有丙烯酸清漆層。
【文檔編號(hào)】F17C1/10GK103672387SQ201310585899
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】王曉蕾, 童喆益, 沈峰, 吳文平, 左龍彥 申請(qǐng)人:上海復(fù)合材料科技有限公司