CN108758324A - 燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，解决现有技术重量重及单位重量储氢密度低从而严重影响无人机的续航性能的问题。燃料电池无人机用高压储气瓶包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头和后封头、用于储存氢气的铝制内胆，设于所述前封头处的瓶口，以及采用碳纤维‑环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆外壁上的强度层。制备方法包括以下步骤：步骤1、制作铝制内胆；步骤2、缠绕强度层；步骤3、涂覆光固化树脂层。本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。

Description

燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法。
背景技术
近两年，无人机已经开始从军事领域向民用市场普及，但传统的锂电池无人机由于其续航时间只有30分钟左右，应用范围有限。2016年4月无人机制造商科比特航空正式发布了全球首款氢燃料多旋翼工业级无人机，续航时长可达273分钟，定位于电力、石化、安防、消防等领域。至此，国内多家厂商开始研究燃料电池无人机技术，其中氢燃料的充装量和储氢气瓶的质量是决定无人机续航里程的关键因素，从目前国内燃料电池无人机行业发展的总趋势来看，在有限的尺寸下，保证气瓶质量最轻也是各个厂家共同追求的目标。初期，各厂家主要以用30MPa气瓶为主，气瓶重量重，单位重量储氢密度只有3％左右，严重影响无人机的续航性能，限制了燃料电池无人机的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
燃料电池无人机用高压储气瓶，包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头和后封头、用于储存氢气的铝制内胆，设于所述前封头处的瓶口，以及采用碳纤维-环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆外壁上的强度层。
进一步地，所述铝制内胆的壁厚为1.5mm，所述铝制内胆的容积为0.4L-20L，所述铝制内胆的工作压力不小于35MPa，所述前封头的壁厚为1.8mm，所述后封头的壁厚为1.8mm。
进一步地，所述强度层的外表面上涂覆有一层光固化树脂层。
燃料电池无人机用高压储气瓶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制作铝制内胆：
采用铝板冲拔成杯形体经强旋减薄并以旋压收口的方式加工成形两端分别带前封头和后封头的铝制内胆；
步骤2、缠绕强度层：
在步骤1中制作好的铝制内胆外壁通过环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成强度层，得到高压储气瓶半成品；
步骤3、涂覆光固化树脂层：
在高压储气瓶半成品的强度层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的高压储气瓶半成品放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。
具体地说，在步骤1中，铝制内胆加工成型后，需进行热处理，并且热处理步骤为：将铝制内胆放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶，在175℃下保温300分钟进行时效处理。
具体地说，在步骤1中，铝制内胆上需用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的螺纹。
具体地说，在步骤1中，铝制内胆的前封头部分和后封头部分进行成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证前封头和后封头形状，确保内胆前封头和后封头的壁厚的一致性和稳定性。
具体地说，在步骤1中，铝制内胆还需进行内表面抛光处理，选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆的内腔，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。
具体地说，在步骤2中，采用碳纤维-环氧体系复合材料缠绕的具体方式为：首先将铝制内胆悬臂式安装于缠绕机的工装上，将碳纤维-环氧体系复合材料浸渍树脂基体后，预设一定的张力再通过环向、纵向和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕在铝制内胆的外壁上。
更具体地说，在步骤2中，铝制内胆缠绕碳纤维-环氧体系复合材料后需进行固化，具体固化方式为：将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。
(2)本发明高压储气瓶内层采用优质成型的铝内胆，强度层采用高强度高模量的碳纤维复合材料结构，具有耐高压，耐疲劳，安全性高等特点，如此与现有技术相比可使高压储气瓶的重量可下降约30％。以容量为9L的高压储氢气瓶为例，现有技术储氢气瓶的重量约为4Kg，采用本发明高压储气瓶的重量约为2.85Kg，可极大降低整体重量；同时工作压力提高到35MPa及以上，可使单位重量储氢密度达到7％以上，可大幅度增加无人机产品的续航能力。本发明高压储氢气瓶在满足气瓶强度要求的前提下使复合材料层使高压储氢气瓶的整体重量达到最优化，即：在保证安全性的同时，使复合材料层的重量达到最小。
(3)本发明的铝制内胆采用优质铝合金板材，采用冲拔，强旋减薄以及特殊旋压工艺旋压成型，以及封头两端车削工艺控制，以及内壁抛光工艺，并采用固溶时效处理，使内胆具备优异的力学性能。采用上述工艺成型的内胆缠绕成型的气瓶与一般铝内胆碳纤维全缠绕气瓶相比，在性能，重量上都具有优越性。
现有技术储气瓶重量过重，无法满足无人机使用要求，所以其无法应用到无人机上。与上述一般铝内胆碳纤维全缠绕气瓶相比，采用本发明方法制作的高压储气瓶总质量可下降约30％；以容量为9L的高压储气瓶为例，一般铝内胆碳纤维缠绕气瓶的重量约为4Kg，采用本专利方式制作的铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶在2.85Kg左右。
本发明涉及的高压储气瓶与现有技术高压气瓶相比有很大的重量优势；亦具有更好的性能稳定性，其优点带来的效益是使无人机能够获得更长久的续航能力，使无人机可以应用于更多的领域。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1中A部放大图。
图3为图1中B部放大图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-铝制内胆、2-前封头、3-强度层、4-光固化树脂层、5-后封头、6-瓶口。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-3所示，本发明提供的燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，结构简单、设计科学合理，使用方便，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。
其中燃料电池无人机用高压储气瓶包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头2和后封头5、用于储存氢气的铝制内胆1，设于所述前封头2处的瓶口6，以及采用碳纤维-环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆1外壁上的强度层3，所述铝制内胆1的壁厚为1.5mm，所述铝制内胆1的容积为0.4L-20L，所述铝制内胆1的工作压力不小于35MPa，所述前封头2和所述后封头5的壁厚为1.8mm，所述强度层3的外表面上涂覆有一层光固化树脂层4。
本发明高压储气瓶内层采用优质成型的铝内胆，强度层采用高强度高模量的碳纤维复合材料结构，具有耐高压，耐疲劳，安全性高等特点，如此与现有技术相比可使高压储气瓶的重量可下降约30％。以容量为9L的高压储氢气瓶为例，现有技术储氢气瓶的重量约为4Kg，采用本发明高压储气瓶的重量约为2.85Kg，可极大降低整体重量；同时工作压力提高到35MPa及以上，可使单位重量储氢密度达到7％以上，可大幅度增加无人机产品的续航能力。本发明高压储氢气瓶在满足气瓶强度要求的前提下使复合材料层使高压储氢气瓶的整体重量达到最优化，即：在保证安全性的同时，使复合材料层的重量达到最小。
所述燃料电池无人机用高压储气瓶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制作铝制内胆：
采用铝板冲拔成杯形体经强旋减薄并以旋压收口的方式加工成形两端分别带前封头和后封头的铝制内胆；
步骤2、缠绕强度层：
在步骤1中制作好的铝制内胆外壁通过环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成强度层，得到高压储气瓶半成品；
步骤3、涂覆光固化树脂层：
在高压储气瓶半成品的强度层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的高压储气瓶半成品放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。
在步骤1中，铝制内胆加工成型后，需进行热处理，并且热处理步骤为：将铝制内胆放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶，在175℃下保温300分钟进行时效处理。
在步骤1中，铝制内胆上需用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的螺纹。
在步骤1中，铝制内胆的前封头部分和后封头部分进行成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证前封头和后封头形状，确保内胆前封头和后封头的壁厚的一致性和稳定性。
在步骤1中，铝制内胆还需进行内表面抛光处理，选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆的内腔，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。
在步骤2中，采用碳纤维-环氧体系复合材料缠绕的具体方式为：首先将铝制内胆悬臂式安装于缠绕机的工装上，将碳纤维-环氧体系复合材料浸渍树脂基体后，预设一定的张力再通过环向、纵向和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕在铝制内胆的外壁上。
在步骤2中，铝制内胆缠绕碳纤维-环氧体系复合材料后需进行固化，具体固化方式为：将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。
本发明的铝制内胆采用优质铝合金板材，采用冲拔，强旋减薄以及特殊旋压工艺旋压成型，以及封头两端车削工艺控制，以及内壁抛光工艺，并采用固溶时效处理，使内胆具备优异的力学性能。采用上述工艺成型的内胆缠绕成型的气瓶与一般铝内胆碳纤维全缠绕气瓶相比，在性能，重量上都具有优越性。
现有技术储气瓶重量过重，无法满足无人机使用要求，所以其无法应用到无人机上。与上述一般铝内胆碳纤维全缠绕气瓶相比，采用本发明方法制作的高压储气瓶总质量可下降约30％；以容量为9L的高压储气瓶为例，一般铝内胆碳纤维缠绕气瓶的重量约为4Kg，采用本专利方式制作的铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶在2.85Kg左右。
本发明涉及的高压储气瓶与现有技术高压气瓶相比有很大的重量优势；亦具有更好的性能稳定性，其优点带来的效益是使无人机能够获得更长久的续航能力，使无人机可以应用于更多的领域。
为了使本领域技术人员能够更加详细地了解本发明的具体内容，特提供以下实例加以说明。
燃料电池无人机用高压储气瓶的制备方法，容积在0.4L-20L，使用工作压力在不小于35MPa。高压储氢气瓶的铝制内胆由铝板冲拔成杯形体经强旋减薄，以旋压收口的方式加工成形，其为储存氢气提供空间，与充装介质直接接触，起密封闭气作用，承担一部分的压力。铝制内胆在加工成形后，需进行热处理，步骤为：将内胆放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶；在175℃下保温300分钟进行时效处理。经过固溶时效后，铝内胆的金相组织均匀，能显著的提高内胆的机械性能，固溶时效后内胆整体性能均匀性好，延伸率达到12％以上。
铝制内胆上用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的螺纹。
铝制内胆的封头部分进行成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证了封头形状，确保铝制内胆封头的壁厚的一致性和稳定性。
铝制内胆内表面进行抛光处理。选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆内部，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。
强度层在铝制内胆的外表面，使用浸渍了树脂基体的高强度高模量的碳纤维-环氧体系复合材料进行全缠绕而成，缠绕时浸润有树脂基体的碳纤维-环氧体系复合材料上施加有预设的张力。具体缠绕中，首先在铝制内胆悬臂式安装于缠绕机、固化炉配套的工装，将高强度高模量碳纤维-环氧体系复合材料浸渍树脂基体后，预设一定的张力缠绕在铝制内胆的筒体上，根据高压储氢气瓶的设计铺层厚度，环向缠绕、纵向缠绕、螺旋缠绕交叉重叠而成。这样碳纤维-环氧体系复合材料层承载全部的环向和轴向强度，保证高压储氢气瓶的使用寿命及其安全性能。
缠绕后的高压储氢气瓶按以下方式进行固化：将高压储氢气瓶放入连续固化炉中，逐步升温保温，固化完成后。将炉温将至60℃以下后出炉，这样能保证固化后的强度层逐步降温，避免直接空冷造成树脂脆性增加；在固化过程中保持高压气瓶水平自转，这样能够得到较好的气瓶表面质量。具体的，首先升温温度为80℃到110℃，再升温至130℃到140℃，降温到60℃以下，总的固化时间在4.5小时至6.5小时之间。
总体上，固化使热固性树脂体系发生交联，赋予了强度层一定程度的抗剪切、抗腐蚀、化学稳定性和传递纤维应力等。
固化后的高压储氢气瓶需做自紧水压试验、以及内壁烘干处理。
由于高压储氢气瓶安装后有部分暴露在空气中，因此强度层需要有有效的方式来保护以防止碳纤维-环氧体系复合材料层(即强度层)表面受到腐蚀而影响气瓶的性能。为此，高压储氢气瓶表面设有外保护膜，其采用光固化树脂包裹固化后形成，步骤如下：将光固化树脂均匀涂刷于高压储氢气瓶表面，气瓶旋转使光固化树脂在流平后，将高压储氢气瓶放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。优选采用具有阻燃功能的光固化树脂。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头(2)和后封头(5)、用于储存氢气的铝制内胆(1)，设于所述前封头(2)处的瓶口(6)，以及采用碳纤维-环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆(1)外壁上的强度层(3)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，所述铝制内胆(1)的壁厚为1.5mm，所述铝制内胆(1)的容积为0.4L-20L，所述铝制内胆(1)的工作压力不小于35MPa，所述前封头(2)的壁厚为1.8mm，所述后封头(5)的壁厚为1.8mm。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，所述强度层(3)的外表面上涂覆有一层光固化树脂层(4)。
4.权利要求1-3任意一项所述的燃料电池无人机用高压储气瓶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制作铝制内胆：
采用铝板冲拔成杯形体经强旋减薄并以旋压收口的方式加工成形两端分别带前封头和后封头的铝制内胆；
步骤2、缠绕强度层：
在步骤1中制作好的铝制内胆外壁通过环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成强度层，得到高压储气瓶半成品；
步骤3、涂覆光固化树脂层：
在高压储气瓶半成品的强度层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的高压储气瓶半成品放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，铝制内胆加工成型后，需进行热处理，并且热处理步骤为：将铝制内胆放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶，在175℃下保温300分钟进行时效处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，铝制内胆上需用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的螺纹。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，铝制内胆的前封头部分和后封头部分进行成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证前封头和后封头形状，确保内胆前封头和后封头的壁厚的一致性和稳定性。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，铝制内胆还需进行内表面抛光处理，选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆的内腔，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤2中，采用碳纤维-环氧体系复合材料缠绕的具体方式为：首先将铝制内胆悬臂式安装于缠绕机的工装上，将碳纤维-环氧体系复合材料浸渍树脂基体后，预设一定的张力再通过环向、纵向和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕在铝制内胆的外壁上。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤2中，铝制内胆缠绕碳纤维-环氧体系复合材料后需进行固化，具体固化方式为：将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。
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