CN108832156A - 一种轻质防撞载氢容器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质防撞载氢容器及制备方法，属于燃料电池汽车零部件领域。该载氢容器包括内壳、包覆在所述内壳的外壁上的中间壳和包覆在所述中间壳的外壁上的外壳，其中，所述内壳包括铝合金材料；所述中间壳包括碳纤维复合材料；所述外壳包括凯夫拉复合材料。本发明实施例提供的轻质防撞载氢容器，通过设置内壳包括铝合金材料，中间壳包括碳纤维复合材料，外壳包括凯夫拉复合材料，使得该载氢容器能够充分利用铝合金材料的成型性、碳纤维复合材料的高强度以及凯夫拉复合材料的高抗冲击韧性，以改善气罐的隔热效果，提高碰撞安全性，同时减小气罐的重量，使其便于移动和安装。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车零部件领域，特别涉及一种轻质防撞载氢容器及制备方法。
背景技术
车辆选用燃料电池作为能源驱动，是汽车行业发展的重要方向。燃料电池的能量来源于氢，氢一般为高压气态储存于容器中，且容器装载于移动的车辆上。
现有技术中，高压气态储氢主要采用大容量金属气罐进行储存，常见的载氢容器包括内壳、形成在内壳之上的中间壳和形成在中间壳之上的外壳，为三层结构，且三层均为金属材料。
设计人发现现有技术中至少存在以下问题：
由于现有的载氢容器采用三层金属材料构成，使得气罐隔热效果差，重量大，且移动拆卸安装不便，碰撞安全性差。
发明内容
本发明提供一种轻质防撞载氢容器及制备方法，可解决上述技术问题。
具体而言，包括以下的技术方案：
一方面，本发明提供了一种轻质防撞载氢容器，包括内壳、包覆在所述内壳的外壁上的中间壳和包覆在所述中间壳的外壁上的外壳，
所述内壳包括铝合金材料；
所述中间壳包括碳纤维复合材料；
所述外壳包括凯夫拉复合材料。
在一种可能的设计中，所述内壳的壁厚为2.0-8.0mm。
在一种可能的设计中，所述中间壳的壁厚为2.0-10.0mm。
在一种可能的设计中，所述外壳的壁厚为2.0-15.0mm。
另一方面，本发明还提供了一种轻质防撞载氢容器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
提供内壳；
在所述内壳的外壁上形成中间壳；
在所述中间壳的外壁上形成外壳；
其中，所述内壳包括铝合金材料，所述中间壳包括碳纤维复合材料，所述外壳包括凯夫拉复合材料。
在一种可能的设计中，所述提供内壳，包括：将铝合金材料内胆作为内壳，所述内壳的壁厚为2.0-8.0mm。
在一种可能的设计中，所述在所述内壳的外壁上形成中间壳，包括：
将碳纤维丝束包覆于所述内壳的外壁上，形成第一罐体；
将所述第一罐体放置于第一模具中，向所述第一模具内导入环氧树脂，并加热加压，使所述环氧树脂固化；
打开所述第一模具，取出所述第一罐体，得到形成在所述内壳的外壁上的所述中间壳。
在一种可能的设计中，所述中间壳的壁厚为2.0-10.0mm。
在一种可能的设计中，所述在所述中间壳的外壁上形成外壳，包括：
将凯夫拉纤维丝束包覆于所述中间壳的外壁上，形成第二罐体；
将生橡胶涂覆在所述第二罐体的外层；
将所述第二罐体放置于第二模具中，加热加压；
打开所述第二模具，取出所述第二罐体，得到形成在所述中间壳的外壁上的所述外壳。
在一种可能的设计中，所述外壳的壁厚为2.0-15.0mm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的轻质防撞载氢容器，通过设置内壳包括铝合金材料，中间壳包括碳纤维复合材料，外壳包括凯夫拉复合材料，使得该载氢容器能够充分利用铝合金材料的成型性、碳纤维复合材料的高强度以及凯夫拉复合材料的高抗冲击韧性，以改善气罐的隔热效果，提高碰撞安全性，同时减小气罐的重量，使其便于移动和安装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种轻质防撞载氢容器的结构示意图；
图2为图1沿A-A的剖视图；
图3为本发明实施例提供的一种轻质防撞载氢容器的制备方法示意图；
图4为本发明实施例提供的纤维编织缠绕的结构示意图。
图中的附图标记分别表示：
1-内壳；
2-中间壳；
3-外壳。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。
第一方面，本发明实施例提供了一种轻质防撞载氢容器，如图1-图2所示，该载氢容器包括内壳1、包覆在内壳1的外壁上的中间壳2和包覆在中间壳2的外壁上的外壳3；
内壳1包括铝合金材料；
中间壳2包括碳纤维复合材料；
外壳3包括凯夫拉复合材料。
本发明实施例提供的轻质防撞载氢容器，通过设置内壳1包括铝合金材料，中间壳2包括碳纤维复合材料，外壳3包括凯夫拉复合材料，使得该载氢容器能够充分利用铝合金材料的成型性、碳纤维复合材料的高强度以及凯夫拉复合材料的高抗冲击韧性，来满足载氢容器的各方面性能，且能够改善气罐的隔热效果，提高碰撞安全性。
另外，铝合金材料、碳纤维复合材料、凯夫拉复合材料的密度均较低，铝合金密度为2.7g/cm3，是钢的1/3左右；碳纤维复合材料密度为1.6g/cm3左右，是钢的1/5左右；凯夫拉复合材料综合密度为1.3g/cm3左右，是钢的1/6左右。可见，采用上述材料制备的载氢容器还能够减小气罐的重量，使其便于移动和安装。
在上述的载氢容器中，内壳1用于提供成型的罐体结构，以给氢气提供储存空间。示例地，可选择内壳1为铝合金材料内胆。
进一步地，为了控制气罐的整体重量，同时保证内壳1的强度，可使内壳1的壁厚为2.0-8.0mm。
示例地，内壳1的壁厚可以为2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm等等。
在上述的载氢容器中，中间壳2用于增强气罐的抗内压强度。
示例地，可使中间壳2包括碳纤维丝束与环氧树脂的复合材料。
应用时，碳纤维丝束可通过缠绕编织工艺包覆于内壳1的外壁上，然后与环氧树脂固化形成中间壳2。
如此设置，可充分利用纤维材料的结构性能，提高气罐的抗内高压性能。
进一步地，可使中间壳2的壁厚为2.0-10.0mm。示例地，可以为2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm，9.0mm，10.0mm等等。
在上述的载氢容器中，外壳3用于增强气罐的抗内压强度，并提高气罐的碰撞安全性。
示例地，可使外壳3包括凯夫拉纤维丝束与橡胶的复合材料。
应用时，凯夫拉纤维丝束可通过缠绕编织工艺包覆于中间壳2的外壁上，然后与橡胶固化形成外壳3。
如此设置，可充分利用纤维材料的结构性能，保证气罐的抗内高压性能。同时提高气罐的碰撞安全性。
进一步地，可使外壳3的壁厚为2.0-15.0mm。示例地，可以为2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm，9.0mm，10.0mm，11.0mm，12.0mm，13.0mm，14.0mm，15.0mm等等。
第二方面，本发明实施例还提供了一种轻质防撞载氢容器的制备方法，如图3所示，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1、提供内壳1；
步骤S2、在所述内壳1的外壁上形成中间壳2；
步骤S4、在所述中间壳2的外壁上形成外壳3；
其中，内壳1包括铝合金材料，中间壳2包括碳纤维复合材料，外壳3包括凯夫拉复合材料。
本发明实施例提供的制备方法能够得到内壳1包括铝合金材料，中间壳2包括碳纤维复合材料，外壳3包括凯夫拉复合材料的载氢容器，该载氢容器能够充分利用铝合金材料的成型性、碳纤维复合材料的高强度以及凯夫拉复合材料的高抗冲击韧性，来满足载氢容器的各方面性能，且能够改善气罐的隔热效果，提高碰撞安全性；同时，该制备方法简单，容易实现，能够满足大规模批量制备。
另外，铝合金材料、碳纤维复合材料、凯夫拉复合材料的密度均较低，铝合金密度为2.7g/cm3，是钢的1/3左右；碳纤维复合材料密度为1.6g/cm3左右，是钢的1/5左右；凯夫拉复合材料综合密度为1.3g/cm3左右，是钢的1/6左右。可见，采用上述方法制备得到的载氢容器还能够减小气罐的重量，使其便于移动和安装。
对于上述步骤S1而言，可根据需要选择铝合金材料内胆作为内壳1。
为了控制气罐的整体重量，同时保证内壳1的强度，可使内壳1的壁厚为2.0-8.0mm。
示例地，内壳1的壁厚可以为2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm等等。
对于步骤S2而言，可使中间壳2包括碳纤维丝束。应用时，碳纤维丝束可包覆于内壳1的外壁上。
示例地，在内壳1的外壁上形成中间壳2，可包括以下步骤：
将碳纤维丝束包覆于内壳1的外壁上，形成第一罐体；
将第一罐体放置于第一模具中，向第一模具内导入环氧树脂，并加热加压，使环氧树脂固化；
打开第一模具，取出第一罐体，得到形成在内壳1的外壁上的中间壳2。
制备时，可将碳纤维丝束缠绕编织于上述铝合金内胆(内壳1的外壁)上，形成第一罐体；此处，编织缠绕工艺即是将碳纤维丝束通过交叉缠绕和编织的方法相互叠加，以形成整体覆盖在内壳1的外壁上(如图4所示)，其中，所采用的碳纤维丝束的厚度和缠绕编织层数可根据实际需要进行选择；
然后将第一罐体容器放置于第一模具(封闭模具)中，向第一模具内导入环氧树脂，并适当加热加压，加热最高温度为100-200℃，压力最高为500-1000KPa，工艺时间为10-60min，以使碳纤维和树脂充分接触，并使树脂充分固化；
最后打开第一模具取出第一罐体，冷却至室温，即可得到形成在内壳1的外壁上的中间壳2。
采用碳纤维丝束通过缠绕编织工艺包覆于内壳1的外壁上，可充分利用纤维材料的结构性能，保证气罐的抗内高压性能。
在上述的制备方法中，可使中间壳2的壁厚为2.0-10.0mm。示例地，可以为2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm，9.0mm，10.0mm等等。
对于步骤S3而言，可使外壳3包括凯夫拉纤维丝束。应用时，凯夫拉纤维丝束可包覆于中间壳2的外壁上。
示例地，在中间壳2的外壁上形成外壳3，可包括以下步骤：
将凯夫拉纤维丝束包覆于中间壳2的外壁上，形成第二罐体；
将生橡胶涂覆在第二罐体的外层；
将第二罐体放置于第二模具中，加热加压；
打开第二模具，取出第二罐体，得到形成在中间壳2的外壁上的外壳3。
制备时，可将凯夫拉纤维丝束缠绕编织于上述中间壳2的外壁上，形成第二罐体；此处，编织缠绕工艺即是将凯夫拉纤维丝束通过交叉缠绕和编织的方法相互叠加，以形成整体覆盖在中间壳2的外壁上(如图4所示)，其中，所采用的凯夫拉纤维丝束的厚度和缠绕编织层数可根据实际需要进行选择；
将生橡胶涂覆于第二罐体的外层；
将第二罐体放入第二模具内，进行加热加压，加热最高温度为120-200℃，压力最高为1000-5000KPa，工艺时间为20～180min，以使橡胶硫化；
最后打开第二模具取出第二罐体，冷却至室温，即可得到形成在中间壳2的外壁上的外壳3。
采用凯夫拉纤维丝束通过缠绕编织工艺包覆于中间壳2的外壁上，可充分利用纤维材料的结构性能，保证气罐的抗内高压性能。
在上述的制备方法中，可使外壳3的壁厚为2.0-15.0mm。示例地，可以为2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm，9.0mm，10.0mm，11.0mm，12.0mm，13.0mm，14.0mm，15.0mm等等。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轻质防撞载氢容器，包括内壳、包覆在所述内壳的外壁上的中间壳和包覆在所述中间壳的外壁上的外壳，其特征在于，
所述内壳包括铝合金材料；
所述中间壳包括碳纤维复合材料；
所述外壳包括凯夫拉复合材料。
2.根据权利要求1所述的载氢容器，其特征在于，所述内壳的壁厚为2.0-8.0mm。
3.根据权利要求1所述的载氢容器，其特征在于，所述中间壳的壁厚为2.0-10.0mm。
4.根据权利要求1所述的载氢容器，其特征在于，所述外壳的壁厚为2.0-15.0mm。
5.一种轻质防撞载氢容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供内壳；
在所述内壳的外壁上形成中间壳；
在所述中间壳的外壁上形成外壳；
其中，所述内壳包括铝合金材料，所述中间壳包括碳纤维复合材料，所述外壳包括凯夫拉复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述提供内壳，包括：
将铝合金材料内胆作为内壳，所述内壳的壁厚为2.0-8.0mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述内壳的外壁上形成中间壳，包括：
将碳纤维丝束包覆于所述内壳的外壁上，形成第一罐体；
将所述第一罐体放置于第一模具中，向所述第一模具内导入环氧树脂，并加热加压，使所述环氧树脂固化；
打开所述第一模具，取出所述第一罐体，得到形成在所述内壳的外壁上的所述中间壳。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述中间壳的壁厚为2.0-10.0mm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述中间壳的外壁上形成外壳，包括：
将凯夫拉纤维丝束包覆于所述中间壳的外壁上，形成第二罐体；
将生橡胶涂覆在所述第二罐体的外层；
将所述第二罐体放置于第二模具中，加热加压；
打开所述第二模具，取出所述第二罐体，得到形成在所述中间壳的外壁上的所述外壳。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述外壳的壁厚为2.0-15.0mm。
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