CN103672387A - 70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶 - Google Patents

70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶；该储氢气瓶包括铝合金内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层；在铝合金内胆表面按照优化设计的铺层次序用浸渍树脂调节张力后的纤维进行缠绕，然后在该碳纤维缠绕层外表面上缠绕玻璃纤维抗冲击保护层，并在制造过程中采用“自紧”技术处理。本发明针对现有储氢气瓶的研制多集中于工作压力为35MPa车用储氢气瓶而导致燃料电池汽车续驶里程较低的现状，开发出了一种适用于车载且具有容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多等优点的新型储氢气瓶。

Description

70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶
技术领域
本发明涉及储氢气瓶，具体涉及一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶。
背景技术
氢能是一种清洁能源，由于其燃烧后生成水，因而不会对环境造成污染。由此，各国学者都认为21世纪将是一个氢能世纪。目前，燃料电池技术被公认为是人类社会向氢能社会过渡的桥梁，已掀起全球范围的燃料电池关键技术研究、样品开发及示范应用热潮。其中，氢气的储存是燃料电池开发及应用中的关键部分之一，对燃料电池的发展和在市场中的应用具有极为重要的意义。碳纤维全缠绕高压氢气瓶是一种以铝合金为内衬碳纤维缠绕层为强度结构层的轻质超高压气瓶，工作压力可达到35MPa-70MPa，是近年来国际燃料电池领域内广泛使用的高压储氢容器。该类容器的主要缺点是由于高压压缩储氢容器受限于氢气本身的密度，其储氢量很难大幅度的提高。为提高续驶里程，70MPa高压储氢是国内外氢能储存的发展目标和研究重点。受材料生产以及技术能力的限制，我国目前还没有生产70MPa的高压储氢容器，主要依靠于进口。
在上述背景下，为了提高燃料电池汽车的续驶里程，进一步掌握具有自主产权的燃料电池的关键技术及产品，迫切的需要开发具有轻质、高耐疲劳等特性的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶。
发明内容
本发明的目的是针对现有储氢气瓶的研制多集中于工作压力为35MPa车载储氢气瓶而导致燃料电池汽车续驶里程较低的现状，提供一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶；该气瓶具有容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，所述储氢气瓶包括铝合金内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层，所述碳纤维缠绕层缠绕铺设在铝合金内胆外表面，所述玻璃纤维保护层缠绕铺设在所述碳纤维缠绕层外表面。
优选的，所述碳纤维缠绕层采用的碳纤维为浸渍树脂后调节张力为30N的碳纤维。该树脂优选环氧树脂。
优选的，所述碳纤维缠绕层的缠绕铺设具体为：铝合金内胆简体部分上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层；铝合金内胆椭圆曲面尾部、肩部与简体部分均螺旋缠绕，方向一致且连续；铺层次序为4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕。本发明中，储氢气瓶通过合理的环向和螺旋向纤维的合理铺层数量和次序来实现主应力方向的等强度。
优选的，所述碳纤维缠绕层的缠绕铺设方案的设计和校核是通过CADWIND软件和ANSYS有限元分析软件建模仿真分析来实现的；在建模过程中假设气瓶的纤维各处分布均匀，受力连续；内胆为薄壁容器，在气瓶使用时仅起密封作用，防止气体渗漏，载荷由连续纤维承担；气瓶强度由纤维全部承担，基体树脂仅起传递载荷作用，且树脂断裂延伸率足够高，纤维断裂后树脂破坏。
优选的，所述玻璃纤维保护层的缠绕铺设中铺层次序为：1层螺旋缠绕后叠加1层环向缠绕。
优选的，根据所述建模仿真确定的自紧压力，对成型后的储氢气瓶进行自紧处理。该自紧压力为116MPa。“自紧”是利用材料弹塑性、充分发挥材料强度的一种加工工艺。在选择合适的张力进行超压处理后，内胆材料出现塑性变形，外层纤维处于弹性变形阶段，当卸载后内胆的塑性变形不能消除，产生压缩应力，相应的在纤维层出现拉伸应力。当气瓶再次加载时，残余压缩应力将部分抵消内压在内胆中产生的拉应力，从而提高气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。
优选的，所述铝合金内胆包括简体部分、两端封头，其中一端封头的椭圆曲面尾部设有瓶口，所述简体部分与两端封头圆滑过渡；所述铝合金内胆公称外径为370mm，总体长度为830mm，其中所述简体部分长度为540mm，所述两端封头处椭圆曲面矢高为120mm，所述瓶口长度为40mm、外径为50mm。更优选内胆简体部分厚度为5mm，封头处厚度为8mm。
优选的，所述铝合金内胆的瓶嘴处为内螺纹密封结构，所述内螺纹为M18；所述铝合金内胆靠近瓶口段的封头椭圆曲面尾部、肩部与瓶口光滑无缝连接。内胆瓶嘴处为内螺纹，加瓶阀后可密封使用；瓶口尺寸及其瓶嘴处内螺纹尺寸的选择可以避免在内压下与简体连接的局部区域产生屈曲现象。
优选的，所述铝合金内胆材料为6061铝合金。
优选的，所述铝合金内胆外表面与碳纤维缠绕层之间设有丙烯酸清漆层。该丙烯酸清漆涂覆于内胆表面，用以消除纤维缠绕时可能产生的静电，同时提供一定的黏度，使第一层纤维很好地附在内胆表面。
本发明具有的有益效果为：本发明所公开的储氢气瓶，是针对现有储氢气瓶的研制多集中于工作压力为35MPa车用储氢气瓶而导致燃料电池汽车续驶里程较低的现状，开发出一种工作压力为70MPa、容积为70L、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多的新型储氢气瓶。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明适用于固定式燃料电池铝内胆碳纤维缠绕储氢气瓶的结构图；
其中，1为铝合金内胆，2为碳纤维缠绕层，3为玻璃纤维保护层，4为内胆椭圆曲面尾部，5为内胆椭圆曲面肩部，6为瓶口，7为简体部分。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1所示，本发明所公开的适用于固定式燃料电池铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，工作压力为70MPa，容积为70L。以无缝薄壁6061铝内衬为芯模，在铝合金内胆1表面按照优化设计的铺层次序全缠绕由张力控制且浸渍树脂的碳纤维缠绕层2，再在外表面上缠绕玻璃纤维保护层3。
本实施例中，铝合金内胆1的结构尺寸为：公称外径370mm，总体为长度830mm，其中简体部分7长度为540mm；两端封头处内椭圆曲面(包括内胆椭圆曲面肩部5和内胆椭圆曲面尾部4)矢高为120mm，其中一端封头的椭圆曲面尾部设含有内螺纹为M18、长度为40mm的瓶口6，瓶口6与靠近瓶口段的封头椭圆曲面尾部4、肩部5光滑无缝连接；内胆简体身段厚度为5mm，封头处厚度为8mm，简体部分与两端封头均圆滑过渡。
铝合金内胆1两端沿轴线方向固定在缠绕机的芯轴上，将丙烯酸清漆涂覆于铝合金内胆1表面，用以消除纤维缠绕时可能产生的静电，同时提供一定的黏度，使第一层纤维很好地附在铝合金内胆1表面。
T700-12K碳纤维浸渍环氧树脂后调节张力为30N，按照优化设计的铺层次序缠绕在铝内胆上，其具体缠绕方式为：在铝合金内胆1的简体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，与瓶口6光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部4、肩部5、简体部分7与另一端的内胆椭圆曲面肩部5、尾部4的螺旋缠绕方向一致且连续，铺层次序为：
Figure BDA0000417419460000041
该式中，表示4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕。
碳纤维缠绕完毕后，在外表面缠绕玻璃纤维保护层3，其铺层次序为1层螺旋缠绕+1层环向缠绕。
利用建模仿真所确定的自紧压力，即116MPa，对成型后的储氢气瓶进行“自紧”处理。通过该方式，可以提高气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。
按照本发明具体实施方式制造的70L工作压力为70MPa的车用铝内胆碳纤维缠绕储氢气瓶，具有容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多等优点，其具体的技术指标为：
Figure BDA0000417419460000042
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述储氢气瓶包括铝合金内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层，所述碳纤维缠绕层缠绕铺设在铝合金内胆外表面，所述玻璃纤维保护层缠绕铺设在所述碳纤维缠绕层外表面。
2.如权利要求1所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕层采用的碳纤维为浸渍树脂后调节张力为30N的碳纤维。
3.如权利要求1或2所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕层的缠绕铺设具体为：铝合金内胆简体部分上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层；铝合金内胆椭圆曲面尾部、肩部与简体部分均螺旋缠绕，方向一致且连续；铺层次序为4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕。
4.如权利要求3所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕层的缠绕铺设方案的设计和校核是通过CADWIND软件和ANSYS有限元分析软件建模仿真分析来实现的；在建模过程中假设气瓶的纤维各处分布均匀，受力连续；内胆为薄壁容器，在气瓶使用时仅起密封作用，载荷由连续纤维承担；气瓶强度由纤维全部承担，基体树脂仅起传递载荷作用，且树脂断裂延伸率足够高，纤维断裂后树脂破坏。
5.如权利要求4所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述玻璃纤维保护层的缠绕铺设中铺层次序为：1层螺旋缠绕后叠加1层环向缠绕。
6.如权利要求5所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，根据所述建模仿真确定的自紧压力，对成型后的储氢气瓶进行自紧处理。
7.如权利要求1所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述铝合金内胆包括简体部分、两端封头，其中一端封头的椭圆曲面尾部设有瓶口，所述简体部分与两端封头圆滑过渡；所述铝合金内胆公称外径为370mm，总体长度为830mm，其中所述简体部分长度为540mm，所述两端封头处椭圆曲面矢高为120mm，所述瓶口长度为40mm、外径为50mm。
8.如权利要求7所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述铝合金内胆的瓶嘴处为内螺纹密封结构，所述内螺纹为M18；所述铝合金内胆靠近瓶口段的封头椭圆曲面尾部、肩部与瓶口光滑无缝连接。
9.如权利要求1所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述铝合金内胆材料为6061铝合金。
10.如权利要求1所述的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述铝合金内胆外表面与碳纤维缠绕层之间设有丙烯酸清漆层。
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