CN111594744A - 高压气罐和用于制造高压气罐的方法 - Google Patents

高压气罐和用于制造高压气罐的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压气罐和用于制造高压气罐的方法。高压气罐包括：衬里，该衬里具有用于容纳气体的内部空间；加强层，该加强层被堆叠在衬里上，并且具有碳纤维和第一树脂；中间层，该中间层被堆叠在加强层的至少一部分上；以及保护层，该保护层被堆叠在中间层上，并且具有玻璃纤维和第二树脂。中间层与加强层及保护层相比具有较高的透气性。

Description

高压气罐和用于制造高压气罐的方法
技术领域
本发明涉及高压气罐和用于制造高压气罐的方法。
背景技术
已知一种包括衬里和增强层的罐作为储存和保持高压气体的罐，其中，衬里具有用于存储气体的内部空间，并且增强层被形成为覆盖衬里并且确保罐对抗内部压力的强度。日本未审专利申请特开第2011-106514号(JP 2011-106514 A)公开了一种构造，其中，通过将纤维缠绕在衬里上来在衬里与作为增强层的壳体之间形成最内层。在这种构造中，已经穿过衬里的氢气(它是气体)被保留在最内层中，以便抑制氢气穿过位于最内层外部的增强层。因此，抑制已经穿过衬里的氢气损坏增强层。
发明内容
然而，通过将纤维缠绕在衬里上而形成的最内层与具有光滑表面的衬里相比具有更大程度的表面不平度。发明人发现，在表面不平度大于衬里的最内层上形成增强层会导致以下问题。当在表面不平度大于衬里的最内层上形成增强层时，增强层的形状因最内层表面的不平形状而改变。因此，增强层受到局部应力，并且增强层的强度因应力而降低。因此，需要一种技术，该技术抑制气罐强度的降低，并且还抑制由于氢气已经穿过衬里而对增强层造成的损坏。
本发明提供了一种高压气罐和一种用于制造高压气罐的方法。
本发明的第一方面涉及一种高压气罐。高压气罐包括：衬里，所述衬里具有用于容纳气体的内部空间；加强层，所述加强层被堆叠在衬里上，并具有碳纤维和第一树脂；中间层，所述中间层被堆叠在加强层的至少一部分上；以及保护层，所述保护层被堆叠在中间层上，并具有玻璃纤维和第二树脂。中间层与加强层及保护层相比具有较高的透气性。
根据第一方面，已经穿过衬里的气体在平面方向上扩散，从而抑制气体在加强层和保护层之间局部积聚。这种构造抑制了由于已经穿过衬里的气体对保护层的损坏。此外，因为中间层被形成在加强层与保护层之间，所以抑制了由于中间层的存在而导致的高压气罐的强度降低。
在本发明的第一方面中，衬里可以包括圆柱部和位于圆柱部的两端处的一对半球形圆顶部，并且中间层可以被形成在圆柱部的上方。
利用上述构造，中间层被形成在圆柱部的上方，在该圆柱部的上方，已经穿过衬里的气体相对不太可能通过保护层移动到高压气罐的外部，抑制了气体在加强层与保护层之间局部积聚，并且抑制了对保护层的损坏。
在上述方面中，中间层可以沿着高压气罐的整个圆周形成。利用这种构造，已经穿过衬里然后穿过加强层的气体在中间层中在周向方向上扩散。因此，抑制了气体在加强层与保护层之间局部积聚，并且抑制了对保护层的损坏。
在上述方面中，中间层可以被形成为覆盖衬里的整个表面。利用这种构造，可以更有效地抑制气体在整个高压气罐中在加强层与保护层之间局部积聚。
在上述方面中，中间层可以由无纺布或泡沫制成。利用这种构造，已经穿过衬里然后穿过加强层的气体在由无纺布或泡沫构成的中间层中在平面方向上扩散。
在上述方面中，中间层可以由纤维增强塑料层制成。
在上述方面中，中间层可以通过使用碳纤维与加强层连续地形成，或者可以通过使用玻璃纤维与保护层连续地形成。
在上述方面中，中间层可以被形成在除了形成缠绕端部的区域之外的区域中，所述缠绕端部是在保护层中的玻璃纤维的缠绕的端部。
在上述方面中，中间层可以与加强层及保护层相比具有较高的在平面方向上的气体扩散速度，平面方向是平行于衬里的表面的方向。
在上述方面中，中间层的在平面方向上的气体扩散速度可以是100帕/秒或更高。
在上述方面中，高压气罐还可以包括树脂层，所述树脂层被形成在保护层上。树脂层可以由与第二树脂相同类型的树脂制成。
本发明的第二方面涉及一种用于制造高压气罐的方法。用于制造高压气罐的方法包括：制备衬里，衬里具有用于容纳气体的内部空间；在衬里上形成加强层，加强层具有碳纤维和第一树脂；在加强层的至少一部分上形成中间层；在中间层上形成保护层，保护层具有玻璃纤维和第二树脂；固化加强层的第一树脂和保护层的第二树脂以形成预制罐；以及用流体填充预制罐以对预制罐加压，因此完成高压气罐，其中，所述流体具有比高压气罐的预定最大工作压力高的压力。加压后的中间层具有与加强层及保护层相比较高的透气性。
在第二方面中，衬里可以包括圆柱部和位于圆柱部的两端处的一对半球形圆顶部。中间层可以被形成在圆柱部的上方。
在上述方面中，中间层可以沿着高压气罐的整个圆周形成。
在上述方面中，中间层可以被形成为覆盖衬里的整个表面。
在上述方面中，用于制造高压气罐的方法还可以包括固化第二树脂以在保护层上形成树脂层。
在上述方面中，中间层可以由无纺布或泡沫制成。
在上述方面中，中间层可以由纤维增强塑料层制成。
在上述方面中，中间层可以通过使用碳纤维与加强层连续地形成，或者可以通过使用玻璃纤维与保护层连续地形成。
在上述方面中，中间层可以形成在除了形成缠绕端部的区域之外的区域中，缠绕端部是保护层中的玻璃纤维的缠绕的端部。
附图说明
下面将参考附图描述本发明示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是高压气罐的示意截面图；
图2是高压气罐的外壁的局部放大示意截面图；
图3是示出用于制造高压气罐的方法的概要的流程图；
图4是高压气罐的外壁的局部放大示意截面；
图5是示出用于测量气体扩散速度的测量单元的示意性构造的截面图；
图6是示出用于测量气体扩散速度的方法的概要的流程图；
图7是示出如何计算气体扩散速度的曲线图；
图8是高压气罐的外壁的局部放大示意截面；
图9是示出高压气罐的爆裂测试结果的曲线图；
图10是示出高压气罐的实施例的示意性构造的图；并且
图11是示出高压气罐的实施例的示意性构造的图。
具体实施方式
A.第一实施例
(A-1)高压气罐的总体构造
图1是根据本发明的实施例的高压气罐100的示意截面图。高压气罐100是存储高压气体的罐。在本实施例中，高压气罐100存储作为高压气体的压缩氢气，并且被安装在例如配备有使用氢气作为燃料气体的燃料电池的燃料电池车辆上。高压气罐100包括衬里10、增强层70和帽21、22。
衬里10具有用于容纳高压气体的内部空间。衬里10包括圆柱部16和两个基本上半球形的圆顶部17、18。圆柱部16是在轴线O方向上延伸并且形成为圆柱形状的部分，圆顶部17、18位于圆柱部16的两端处并且与圆柱部16连续。本实施例的衬里10由聚酰胺树脂制成。形成衬里10的聚酰胺树脂的示例包括尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙11和尼龙12。在本实施例中，衬里10由尼龙6制成。
在本实施例中，衬里10通过结合多个构件而形成。具体地，衬里10包括衬里构件11、12、13。衬里构件11、12、13在轴线O的方向上以此顺序布置。衬里构件11、12和衬里构件12、13可以通过例如诸如红外焊接、激光焊接、热板焊接、振动焊接或超声焊接等方法结合。衬里10可以由除了三个构件之外的多个构件组成，并且可以通过不同于结合多个构件的方法形成，例如将整个衬里10形成为单件构件。帽21、22被布置在衬里10的圆顶部17、18的顶部中。帽21、22通过例如嵌件成型而结合到衬里构件11或衬里构件13。
增强层70被形成为覆盖衬里10的外表面。增强层70增强衬里10，以提高高压气罐100的强度(具体地，主要对抗罐内部压力的高压气罐100的强度)。增强层70包括CFRP层74、气体扩散层73、GFRP层72和树脂层71。本实施例的高压气罐100的特征在于，增强层70具有在CFRP层74与GFRP层72之间的气体扩散层73。将更详细地描述增强层70。
图2是高压气罐100的外壁的局部放大示意截面。增强层70通过从衬里10侧朝向高压气罐100的外周侧依次堆叠CFRP层74、气体扩散层73、GFRP层72和树脂层71而形成。CFRP层74和GFRP层72是由纤维增强塑料(FRP)制成的层，该纤维增强塑料由缠绕在衬里10上的纤维和用来浸渍纤维的树脂组成。具体地，CFRP层74和GFRP层72是通过细丝缠绕(以下称为“FW工艺”)将浸渍有树脂的长纤维缠绕在衬里10上，并且然后固化树脂，而形成的层。尽管增强层70具有细微裂纹等(如下所描述)，这些裂纹等未在图2中示出。
CFRP层74是包含碳纤维增强塑料(CFRP)的层。增强层70确保高压气罐100具有足够强度(对抗罐内部压力的强度)的功能主要由CFRP层74执行。本实施例的CFRP层74包括作为通过将浸渍有树脂的碳纤维缠绕在衬里10上而形成的层的环向层和螺旋层。环向层是通过环向缠绕碳纤维而形成的层，螺旋层是通过螺旋缠绕碳纤维而形成的层。“环向缠绕”是一种缠绕方法，其中纤维基本上垂直于轴线O的方向缠绕，并且用于覆盖衬里10的圆柱部16的外周。“螺旋缠绕”是一种缠绕方法，其中纤维以与环向缠绕相比相对于轴线O的方向更倾斜的角度缠绕，并且除了用于覆盖衬里10的圆柱部16的外周之外，还用于覆盖圆顶部17、18的外周。形成CFRP层74的环向层和螺旋层的数量以及环向层和螺旋层的堆叠顺序可以根据需要改变。CFRP层74被形成为覆盖衬里10的整个表面。CFRP层74也被称为“加强层”。
GFRP层72是包含玻璃纤维增强塑料(GFRP)的层。GFRP层72的主要功能是保护高压气罐100的内部免受从外部施加到高压气罐100表面的物理或化学刺激。也就是说，GFRP层72抑制诸如CFRP层74的下层受物理损坏，并抑制任何化学物质等进入增强层70。像CFRP层74一样，GFRP层72可以通过以期望的顺序堆叠期望数量的环向层和螺旋层来形成。环向层是由浸渍树脂的环向缠绕玻璃纤维而形成的层，螺旋层是由浸渍有树脂的螺旋缠绕玻璃纤维而形成的层。在本实施例中，GFRP层72的最外层是环向层，使得当玻璃纤维缠绕在衬里10上时容易施加足够的张力，并且GFRP层72的表面变得平滑。GFRP层72被形成为覆盖衬里10的整个表面。GFRP层72也被称为“保护层”。
被包含在形成CFRP层74和GFRP层72的层中的每一个层中的树脂的示例均包括热固性树脂(诸如环氧树脂)和热塑性树脂(诸如聚酯树脂和聚酰胺树脂)。被包含在CFRP层74中的树脂也被称为第一树脂，被包含在GFRP层72中的树脂也被称为第二树脂。在本实施例中，环氧树脂被用作第一树脂和第二树脂。第一树脂和第二树脂可以是相同种类或不同种类的。当第一树脂和第二树脂是相同种类时，可以通过添加固化促进剂或加强剂来改变树脂的性质，或者通过当添加固化促进剂或加强剂时改变固化促进剂或加强剂的种类或量来改变树脂的性质。
气体扩散层73是与CFRP层74及GFRP层72相比具有较高的透气性的层。特别是在本实施例中，气体扩散层73与CFRP层74和GFRP层72相比具有较高的在平行于衬里10表面的方向(以下也称为平面方向)上的气体扩散速度。气体扩散层73的在平面方向上的气体扩散速度是100帕/秒或更高。在气体扩散层73中，气体也在气体扩散层73的厚度方向上扩散。然而，在本实施例中，在平面方向上的气体扩散速度被用作指示气体在平面方向上在CFRP层74与GFRP层72之间扩散的程度的指标。稍后将详细描述形成增强层70的层中的每一个层的气体扩散速度和用于测量气体扩散速度的方法。
对于FRP层，诸如CFRP层74和GFRP层72，它们的透气性越高，则它们作为FRP层的强度趋向于越低，包括气体在内的各种物质越容易通过它们。因此，如上所描述，在平面方向上的气体扩散速度是100帕/秒或更高的层通常不被用作CFRP层74(该CFRP层74主要确保高压气罐100的强度)和GFRP层72(该GFRP层72为了保护CFRP层74而被制造得比CFRP层74更致密)。
在本实施例中，气体扩散层73被形成为覆盖衬里10的整个表面。本实施例的气体扩散层73使用无纺布形成。形成无纺布的材料的示例包括热塑性树脂(诸如聚酯、聚乙烯、聚丙烯和尼龙)、热固性树脂(诸如聚氨酯和聚酰亚胺)以及玻璃。形成无纺布的材料可以是任何材料，只要其具有足够作为增强层70的组成材料的耐热性、耐化学性和强度，并且在将其作为气体扩散层73放置在高压气罐100中的环境中是稳定的。气体扩散层73也被称为“中间层”。
树脂层71由与形成GFRP层72的第二树脂相同种类的树脂制成。如下所描述的，当形成GFRP层72的第二树脂在制造高压气罐100期间固化时，在熔融或软化的第二树脂渗出到GFRP层72的表面时，形成树脂层71。像GFRP层72一样，树脂层71的主要功能是保护高压气罐100的内部免受从外部施加到高压气罐100表面的物理或化学刺激。
(A-2)用于制造高压气罐的方法
图3是示出用于制造高压气罐100的方法的概要的流程图。当制造高压气罐100时，首先制备衬里10(步骤S100)。接着，使用浸渍有树脂的碳纤维在制备的衬里10上形成CFRP层74(步骤S110)。也就是说，通过FW工艺将浸渍有第一树脂的碳纤维缠绕在衬里10上。然后，在CFRP层74上形成气体扩散层73(步骤S120)。在本实施例中，气体扩散层73使用聚酯无纺布形成。具体地，气体扩散层73是通过将聚酯无纺布带紧紧地缠绕在上面具有CFRP层74的衬里10上，使得聚酯无纺布带与衬里10之间没有间隙而形成的。此后，在气体扩散层73上形成GFRP层72(步骤S130)。也就是说，通过FW工艺将浸渍有第二树脂的玻璃纤维缠绕在上面已形成有气体扩散层73的衬里10上。随后，使形成CFRP层74和GFRP层72的树脂固化(步骤S140)。树脂可以通过例如使用加热炉进行加热或使用引起高频感应加热的感应加热线圈进行感应加热来固化。在步骤S140的固化过程中，熔融或软化的第一树脂和第二树脂进入形成气体扩散层73的无纺布中的孔隙的一部分中。在步骤S140的固化过程中，第二树脂渗出到GFRP层72的表面以形成树脂层71。通过步骤S140的固化过程获得的罐也被称为预制罐。
在步骤S140之后，对在步骤S140中获得的预制罐进行耐压测试(步骤S150)。高压气罐100由此完成。步骤S150的耐压测试是预制罐被填充具有预定测试压力的流体，因此被加压以确认高压气罐100能够承受测试压力的测试。测试压力被设定为高于高压气罐100的预定最大工作压力的压力。在本实施例中，高压气罐100的最大工作压力被设置为70兆帕，并且测试压力被设置为105兆帕。耐压测试中填充预制罐的流体是水。测试压力可以被设置为足够高于最大工作压力的任何值，并且根据高压气罐100所需的耐压性等来适当地设置测试压力。在耐压测试中填充预制罐的流体被适当地选择，使得当用要存储在高压气罐100中的气体(在本实施例中为氢气)填充完成的高压气罐100时，可以容易地从罐中移除这种流体，并且可以抑制这种流体对填充高压气罐100的气体的污染。
图4是通过步骤S150的耐压测试完成的高压气罐100的外壁的局部放大示意截面。在步骤S150的耐压测试中，预制罐在其填充有高压流体时膨胀，由于预制罐的膨胀，细小裂纹等出现在增强层70中。图4示出了在步骤S150的耐压测试中出现的裂纹等。如图4中所示，例如，由于耐压测试中预制罐的膨胀，分层α、层内裂纹β和树脂裂纹γ在增强层70中表现为裂纹等。
分层α指的是在垂直于衬里10的表面的方向上堆叠的层之间出现的裂纹。也就是说，分层α是在平面方向上发展的裂纹。例如，分层α发生在GFRP层72与树脂层71之间。在GFRP层72或CFRP层74通过堆叠多层而形成的情况下，分层α发生在GFRP层72或CFRP层74中的GFRP层72或CFRP层74的层之间。
层内裂纹β是在GFRP层72或CFRP层74中在垂直于平面方向的方向(下文有时称为堆叠方向)上发展的裂纹。GFRP层72具有层内裂纹β，层内裂纹β在堆叠方向上从其面对气体扩散层73的表面发展到其面对树脂层71的表面，并且在堆叠方向上延伸穿过GFRP层72。CFRP层74具有层内裂纹β，层内裂纹β在堆叠方向上从其面向衬里10的表面发展到其面向气体扩散层73的表面，并且在堆叠方向上延伸穿过CFRP层74。
树脂裂纹γ是在树脂层71中在堆叠方向上发展的裂纹。由于耐压测试中出现的这些裂纹非常小，所以可以忽略它们对高压气罐100的强度的影响。在裂纹等对高压气罐100的强度的影响不可忽略的情况下，预先设置CFRP层74等的厚度等使得高压气罐100具有所需的强度。这些细微裂纹允许已经穿过衬里10的高压气罐100中的氢气通过该细微裂纹流出高压气罐100。在图4中，箭头指示氢气如何穿过衬里10。在步骤S150中对预制罐加压之后，树脂层71、GFRP层72和CFRP层74由于如上文所描述出现的裂纹等而具有增加的透气性。即使在预制罐加压之后，气体扩散层73也与CFRP层74及GFRP层72相比具有较高的透气性。
(A-3)气体扩散速度
如上所述，本实施例的高压气罐100包括气体扩散层73，并且气体扩散层73与CFRP层74及GFRP层72相比具有较高的透气性。由于高压气罐100包括这样的气体扩散层73，所以已经穿过衬里10并且在CFRP层74中移动的氢气可以在气体扩散层73中扩散。如上所描述，本实施例的气体扩散层73与CFRP层74和GFRP层72相比具有较高的在平面方向上的的气体扩散速度，并且气体扩散层73的在平面方向上的气体扩散速度为100帕/秒或更高。下面将描述用于测量在形成高压气罐100的增强层70的层中的每一个层的在平面方向上的气体扩散速度的方法。
图5是示出用于测量气体扩散速度的测量单元30的示意性构造的截面图，并且图6是示出用于测量气体扩散速度的方法的概要的流程图。如图5中所示，测量单元30包括外圆柱部31和柱塞部32，并且加压腔室34被形成在外圆柱部31中。通过按压柱塞部32对加压腔室34进行加压。压力传感器36被安装在测量单元30的与加压腔室34连通的部分中，使得压力传感器36可以检测加压腔室34中的压力。附接有样本的连接器35被附接到外圆柱部31。连接器35在其顶端中具有与加压腔室34连通的开口37。当测量样本的气体扩散速度时，样本被附接到连接器35，以便关闭开口37。开关阀(未示出)被布置在加压腔室34的出口部中，即加压腔室34与连接器35的连接部中。在本实施例中，加压腔室34的容量为50cm3。加压腔室34的容量包括允许加压腔室34和压力传感器36彼此连通的空间。在本实施例中，与加压腔室34的容量相比，从加压腔室34的出口部分中的开关阀到附接样本位置的空间的容量，即连接器35中的空间，足够小以至于可以忽略。
当测量形成增强层70的层中的每一个层的在平面方向上的气体扩散速度时，首先制备用于测量的样本(步骤S200)。样本如下制备。首先，在堆叠方向切割高压气罐100的外壁，以切除外壁的一部分。一旦高压气罐100的外壁的一部分被切除，则外壁的切除件中的增强层70和衬里10可以容易地彼此分离。接着，在高压气罐100中，形成与衬里10分离的增强层70的层中的每一个层被在堆叠方向上从外层依次刮掉，以获得用于测量的层作为样本。用于测量的样本具有20毫米×20毫米的矩形形状。
在获得样本后，用密封部38覆盖样本的在平面方向上平行的一对表面(图5中所示的第一表面S1和第二表面S2)(步骤S210)。此时，该一对表面中的一个表面的中央部分(即第一表面S1的中央部分)没有被密封部38覆盖。即，第一表面S1在其中心具有未被密封部38覆盖的区域。该区域是加压区域，并且具有4毫米的直径。即，密封部38被形成在除加压区域之外的第一表面S1上和第二表面S2上。密封部38可以通过例如向样本表面施加粘合剂来形成。粘合剂的示例包括环氧粘合剂和有机硅粘合剂。
在样本的表面上形成密封部38之后，用粘合剂将样本气密地固定到连接器35的顶端，使得样本的第一表面S1的加压区域与位于连接器35的顶端处的开口37对齐(步骤S220)。在样本被固定后，在关闭加压腔室34的出口部分中的开关阀的情况下推动测量单元30的柱塞部32，以将加压腔室34加压至0.1兆帕(步骤S230)。然后打开开关阀，测量从开关阀打开起经过的时间，并且使用压力传感器36测量加压腔室34中的压力。当开关阀被打开时，加压腔室34中的压缩空气从位于连接器35的顶端处的开口37通过样本的第一表面S1的加压区域流入样本中。由于如上所描述的样本在其表面上具有密封部38，所以已经流入样本中的空气在样本中在平面方向上流动，并且从样本的侧表面排放到样本的外部。加压腔室34中的压力因此降低。此后，使用测量出的经过时间和加压腔室34中的测量出的压力来计算在样本的表面方向上的气体扩散速度(步骤S240)。下面将具体描述计算气体扩散速度的方法。
图7是说明如何计算气体扩散速度的曲线图。在图7中，时间ta表示在加压腔室34中的压力增加到0.1兆帕之后开关阀打开的时间(定时)，并且时间tb表示时间ta之后的120秒。在从时间ta开始的120秒期间，空气在平面方向上穿过样本，使得加压腔室34中的压力下降到Pb。在图7中，“Δt＝120s”表示从时间ta到时间tb所经过的时间，“ΔP”表示加压腔室34中从0.1MPa到Pb的压降。在平面方向上的气体扩散速度(单位：Pa/s)被计算为ΔP除以Δt。即气体扩散速度指的是加压腔室34中每秒的压降，该压降是从气体开始在平面方向上穿过样本且加压腔室34中的压力增加到0.1MPa之后120秒的加压腔室34中的压降计算的。气体越容易在平面方向上穿过样本，则加压腔室34中的压力下降得越快，因此样本的气体扩散速度就越高。
根据如上所述构造的本实施例的高压气罐100，增强层70包括气体扩散层73，该气体扩散层73与CFRP层74及GFRP层72相比具有较高的透气性。利用这种构造，已经穿过衬里10的氢气在气体扩散层73中扩散，从而抑制了氢气在CFRP层74和GFRP层72之间局部积聚，并且抑制了对GFRP层72的损坏。根据本实施例，气体扩散层73被形成在CFRP层74上。这种构造抑制了由于气体扩散层73的存在而导致的高压气罐100的强度降低。这些效应将在下文进一步描述。
首先，将描述如何抑制对GFRP层72的损坏。已经穿过衬里10的氢气在增强层70中朝着高压气罐100的外周移动。在具有衬里侧上的CFRP层74和外周侧上的GFRP层72的高压气罐中，用作保护层的GFRP层72通常是具有相对低透气性的致密层。因此，与本实施例不同，在气体扩散层73没有被形成在CFRP层74与GFRP层72之间的情况下，已经穿过衬里10然后穿过CFRP层74的氢气倾向于积聚在CFRP层74与GFRP层72之间的边界中。氢气不均匀地穿过衬里10，并且氢气在CFRP层74中在堆叠方向上不均匀地移动。因此，在堆叠方向上移动的氢气的量在CFRP层74中不均匀。即，与在CFRP层74的其他部分中相比，在CFRP层74的一些部分中，更大量的氢气在堆叠方向上移动。在CFRP层74中大量氢气在堆叠方向上移动的部分中，氢气因此更有可能积聚在与GFRP层72的边界中。如上所描述，当进行耐压测试时，分层α和层内裂纹β出现在GFRP层72中，树脂裂纹γ出现在树脂层71中。氢气倾向于穿过这些裂纹等。然而，如果这些裂纹等位于远离CFRP层74中大量氢气在堆叠方向上移动的部分，则已经积聚在CFRP层74与GFRP层72之间的边界中的氢气不能充分移动到增强层70的外部。
当氢气局部积聚在CFRP层74与GFRP层72之间的边界中时，当用氢气填充高压气罐100以使用高压气罐100时，积聚的氢气的压力增加。这种压力增加可能导致损坏，例如GFRP层72和树脂层71中氢气积聚的部分破裂(撕裂)。由于这种损坏非常小，并且高压气罐的强度主要由CFRP层74保证，所以高压气罐的强度不会因这种损坏而降低。然而，当GFRP层72和树脂层71发生损坏时，会产生异常噪声。
根据本实施例，由于具有高透气性的气体扩散层73被形成在GFRP层72与CFRP层74之间，所以已经穿过CFRP层74的氢气在气体扩散层73中在平面方向上移动，而不会在CFRP层74与GFRP层72之间局部累积。由于因此抑制氢气在CFRP层74与GFRP层72之间局部积聚，所以抑制了对GFRP层72和树脂层71的损坏以及与这种损坏相关联的异常噪声的产生。在本实施例中，在气体扩散层73中在平面方向上移动的氢气不仅广泛地保留在气体扩散层73中，而且当它到达GFRP层72的分层α、层内裂纹β等出现的部分时，被有效地引导到增强层70的外部。
接着，将描述如何抑制由于气体扩散层73的存在而导致的高压气罐100的强度降低。
图8是类似于图4的示意截面图，示出了作为比较示例在衬里10与CFRP层74之间具有气体扩散层73的高压气罐的外壁的构造。即使在气体扩散层73被形成在衬里10与CFRP层74之间的情况下，通过使已经穿过衬里10的氢气在气体扩散层73中在平面方向上移动，也抑制了氢气的局部积聚。如在该实施例中，由此抑制了对GFRP层72和树脂层71的损坏以及与这种损坏相关联的异常噪声的产生。然而，发明人发现，在衬里10与CFRP层74之间形成气体扩散层73的情况下，高压气罐的强度可以降低。
图9是示意性示出高压气罐爆裂测试结果的曲线图。爆裂测试是在高压气罐被填充水的情况下进行的测试。在该测试中，高压气罐中的水的压力增加，直到高压气罐爆裂，并且基于高压气罐爆裂时的水的压力，即爆裂压力来评估高压气罐的强度。图9示出了在两种类型的高压气罐(即“无中间层”和“衬里上有中间层”)上进行的爆裂测试的结果。“无中间层”是指一种高压气罐，其中增强层70具有图2所示的CFRP层74、GFRP层72和树脂层71，但不具有气体扩散层73。“衬里上有中间层”指的是图8的高压气罐的类型，其中气体扩散层73被形成在衬里10与CFRP层74之间。
如图9中所示，“衬里上有中间层”类型的高压气罐与“无中间层”类型的高压气罐相比具有较低的爆裂压力和较低的强度。图9中的结果表明，“衬里上有中间层”类型高压气罐的爆裂压力比“无中间层”类型高压气罐的爆裂压力低约2.5％。这是因为，在“衬里上有中间层”类型的高压气罐中，CFRP层74被形成在气体扩散层73上，并且CFRP层74的形状相应地改变。也就是说，气体扩散层73与衬里10相比具有较大程度的表面不平度，并且当CFRP层74被形成在气体扩散层73上时，气体扩散层73的表面的不平形状被反映在CFRP层74上。因此，与CFRP层74被形成在平坦表面上的情况相比，CFRP层74的形状变化更大。作为结果，当高压气罐在爆裂测试期间膨胀时，CFRP层74与被形成在具有光滑表面的衬里10上的CFRP层74相比受到较大的应力。CFRP层74是主要确保高压气罐强度的层。因此，当CFRP层74受到较大的应力时，高压气罐的强度降低，爆裂压力降低。如上所描述的，在气体扩散层73被形成在衬里10与CFRP层74之间的情况下，氢气在气体扩散层73中扩散，因此抑制了如上所述的对GFRP层72的损坏，但是高压气罐的强度降低。在这种情况下，CFRP层74需要变得更厚等以保证高压气罐的强度。
根据本实施例的高压气罐100，气体扩散层73被形成在CFRP层74与GFRP层72之间。由于CFRP层74被形成在具有光滑表面的衬里10上，所以CFRP层74的形状不会被气体扩散层73的形状改变。因此，抑制了这种导致高压气罐100的强度降低的局部应力在CFRP层74中产生。类似于图9中所示的“无中间层”类型的高压气罐，其中CFRP层74被形成在衬里10上，本实施例的高压气罐100由此具有足够的爆裂压力，并且抑制了由于气体扩散层73的存在而造成的高压气罐100的强度降低。
在图8中所示的比较例的高压气罐中，气体扩散层73被形成为与CFRP层74相比更靠近衬里10。因此，氢气在气体扩散层73中在平面方向上扩散。然而，当氢气不均匀地穿过CFRP层74时，氢气可能最终在CFRP层74与具有较低透气性的GFRP层72之间局部积聚。根据本实施例，气体扩散层73被形成在CFRP层74与GFRP层72之间。因此，即使当氢气不均匀地穿过CFRP层74时，也抑制了氢气在GFRP层72的衬里10侧的表面上局部积聚。因此，抑制了对GFRP层72的损坏以及与GFRP层72的损坏相关联的异常噪声的产生。
B.第二实施例
图10示出了第二实施例的高压气罐200的示意性构造。除了形成气体扩散层73的区域之外，第二实施例的高压气罐200具有与第一实施例的高压气罐100的构造类似的构造。被形成在圆顶部17、18的上方的GFRP层72仅由(一个或多个)螺旋层组成，不具有任何环向层，而被形成在圆柱部16的方法上的GFRP层72在其表面具有环向层。因此，被形成在圆顶部17、18的的增强层70与被形成在圆柱部16上的增强层70相比具有较大程度的表面不平度。因此，当高压气罐在耐压测试期间膨胀时，包括树脂层71和GFRP层72的增强层70的表面部分在圆顶部17、18的上方与在圆柱部16的上方相比受到较大的应力，并且与在圆柱部16的上方相比更大量的裂纹等出现在圆顶部17、18的上方的增强层70的表面部分中。在大量裂纹等出现的区域中，已经通过衬里10的氢气倾向于通过增强层70的表面部分移动到高压气罐的外部，因此不太可能局部积聚在CFRP层74与GFRP层72之间的边界中。在第二实施例中，气体扩散层73被形成在圆柱部16的上方的CFRP层74与GFRP层72之间，但是气体扩散层73没有被形成在圆顶部17、18的上方。换句话说，相对少量的裂纹等出现在圆柱部16上的增强层70的表面部分中，并且气体扩散层73被形成在圆柱部16的上方。因此，即使当气体扩散层73没有被形成在圆顶部17、18的上方时，也可以实现上述效果。即，即使当气体扩散层73没有被形成在圆顶部17、18的上方时，也抑制了氢气在CFRP层74和GFRP层72之间的边界中局部积聚。
C.第三实施例
图11示出了第三实施例的高压气罐300的示意性构造。除了形成气体扩散层73的区域之外，第三实施例的高压气罐300具有与第一实施例的高压气罐100的构造类似的构造。在第三实施例的高压气罐300中，气体扩散层73没有被形成在形成缠绕端部375的区域中，并且在除了形成缠绕端部375的区域之外的区域中的CFRP层74与GFRP层72之间形成气体扩散层73。缠绕端部375是GFRP层72中的玻璃纤维的缠绕的端部。
例如，缠绕端部375是通过将浸渍有树脂的玻璃纤维在衬里10的周向方向上绕着衬里10缠绕一次以进行最后一次缠绕，然后在前一次缠绕的下方交叉最后一次缠绕的端部而形成的。替代地，缠绕端部375可以通过在位于不同于最后一次缠绕位置处的位置的缠绕的下方交叉最后一次缠绕的端部来形成。将缠绕端部375固定到GFRP层72的表面的操作可以通过在GFRP层72表面处固化缠绕端部375的树脂来执行。缠绕端部375可以在整个增强层70固化的同时或之前固定。在第三实施例中，预先确定设置这种缠绕端部375的位置，并且在步骤S120中，在不包括该位置的区域中形成气体扩散层73。
由于玻璃纤维的交叉等原因，增强层70在位于GFRP层72的玻璃纤维的缠绕端部375的附近的区域中与在其他区域中相比具有较大程度的表面不平度。因此，当高压气罐在耐压测试期间膨胀时，包括树脂层71和GFRP层72的增强层70的表面部分在形成缠绕端部375的区域中与在其他区域中相比受到更大的应力，并且更大量的裂纹等出现在形成缠绕端部375的区域。在有大量裂纹等出现的区域，已经通过衬里10的氢气倾向于通过增强层70的表面部分移动到高压气罐的外部，因此不太可能局部积聚在CFRP层74与GFRP层72之间的边界中。在第三实施例中，气体扩散层73被形成在与形成缠绕端部375的区域不同的区域中。因此，即使在形成缠绕端部375的区域中没有形成气体扩散层73，也可以实现上述效果。即，即使在形成缠绕端部375的区域中没有形成气体扩散层73时，也抑制氢气在CFRP层74与GFRP层72之间的界面处局部积聚。
只要在耐压测试(步骤S150)期间出现在GFRP层72和树脂层71中的裂纹等(分层α、层内裂纹β、树脂裂纹γ等)的数量在没有形成气体扩散层73的区域中相对较大，则没有形成气体扩散层73的区域可以位于不同于第二实施例和第三实施例的位置处。例如，在气体扩散层73如第二实施例中那样被形成在圆柱部16的上方的情况下，在圆柱部16的上方的增强层70的表面部分中可能存在裂纹等可能出现的区域，例如在第三实施例中形成缠绕端部375的区域。在这种情况下，气体扩散层73可以不形成在该区域中。在上述实施例中的每个实施例中，气体扩散层73沿着高压气罐的整个圆周是连续的。然而，本发明的高压气罐可以具有不同的构造。在增强层70的表面部分中不太可能出现裂纹等的区域沿着高压气罐的整个圆周不连续的情况下，气体扩散层73可以仅被形成在裂纹等不太可能出现的区域中。
D.其他实施例
在上述实施例中每一个实施例中，作为中间层的气体扩散层73使用无纺布形成。然而，本发明的高压气罐可以具有不同的构造。尽管在上述实施例中的每一个中使用的气体扩散层73的在平面方向上的气体扩散速度是100帕/秒或更高，但是气体扩散层73可以具有不同的在平面方向上的气体扩散速度。气体扩散层73只需要与作为加强层的CFRP层74和作为保护层的GFRP层72相比具有更高的透气性。气体扩散层73的透气性和气体扩散层73的在平面方向上的气体扩散速度越高，则越有效地抑制气体在GFRP层72和CFRP层74之间积聚。
气体扩散层73可以由例如泡沫或纤维增强塑料层(FRP层)代替无纺布制成。当气体扩散层73由FRP层制成时，气体扩散层73可以通过使用碳纤维作为纤维与CFRP层74连续地形成，或者可以通过使用玻璃纤维作为纤维与GFRP层72连续地形成。作为气体扩散层73的FRP层可以使用不同于碳纤维和玻璃纤维的纤维形成，例如芳族聚酰胺纤维。当气体扩散层73由FRP层制成并且碳纤维或玻璃纤维用作纤维时，气体扩散层73和CFRP层74或者气体扩散层73和GFRP层72可以由相同的纤维即相同的组成材料制成。此外，可以使用相同的制造设备来形成气体扩散层73和CFRP层74或GFRP层72。因此，可以降低制造成本。
当气体扩散层73由FRP层制成时，气体扩散层73的透气性可以通过所用纤维的类型、包含在FRP层中的树脂固化之前的接触角(即固化树脂和纤维之间的粘合强度)、纤维如何缠绕以形成FRP层、在缠绕纤维以形成FRP层的过程中是否使用浸渍有树脂的纤维等来调节。例如，通过降低固化树脂与纤维之间的粘合强度，在耐压测试期间大量裂纹等出现在气体扩散层73中，由此可以增加气体扩散层73的透气性。纤维的缠绕角度越大，即纤维与高压气罐的轴向方向之间的角度越大，因此缠绕方法越接近环向缠绕，气体扩散层73的在平面方向上的气体扩散速度就越低。纤维的缠绕间距越大，气体扩散层73的在平面方向上的气体扩散速度就越高。替代地，当通过FW工艺缠绕纤维以形成气体扩散层73时，可以通过形成气体扩散层73使得气体扩散层73具有更少量的树脂来增加气体扩散层73的透气性。例如，可以缠绕未浸渍树脂的纤维以形成气体扩散层73，使得气体扩散层73仅包含在树脂固化期间分别从CFRP层74和GFRP 72渗出的第一树脂和第二树脂。在这种情况下，气体扩散层73与使用浸渍有树脂的纤维形成气体扩散层73的情况相比具有更高的透气性。
本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下以各种构造来实施。例如，与“发明内容”部分中描述的每个方面的技术特征相对应的实施例的技术特征可以被适当地替换或组合，以便解决上述部分或全部问题或者实现上述部分或全部效果。除非在说明书中被描述为必要的，否则这些技术特征可以被适当地省略。

Claims (20)

1.一种高压气罐，其特征在于包括：
衬里，所述衬里具有用于容纳气体的内部空间；
加强层，所述加强层被堆叠在所述衬里上，并且具有碳纤维和第一树脂；
中间层，所述中间层被堆叠在所述加强层的至少一部分上；以及
保护层，所述保护层被堆叠在所述中间层上，并且具有玻璃纤维和第二树脂，其中
所述中间层与所述加强层及所述保护层相比具有较高的透气性。
2.根据权利要求1所述的高压气罐，其特征在于：
所述衬里包括圆柱部和位于所述圆柱部的两端处的一对半球形圆顶部，并且
所述中间层被形成在所述圆柱部的上方。
3.根据权利要求1或2所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层沿着所述高压气罐的整个圆周形成。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层被形成为覆盖所述衬里的整个表面。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层由无纺布或泡沫制成。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层由纤维增强塑料层制成。
7.根据权利要求6所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层通过使用所述碳纤维与所述加强层连续地形成，或者通过使用所述玻璃纤维与所述保护层连续地形成。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层被形成在除了形成缠绕端部的区域之外的区域中，所述缠绕端部是所述保护层中的所述玻璃纤维的缠绕的端部。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层与所述加强层及所述保护层相比具有较高的在平面方向上的气体扩散速度，所述平面方向是平行于所述衬里的表面的方向。
10.根据权利要求9所述的高压气罐，其特征在于：
所述中间层的在所述平面方向上的气体扩散速度是100帕/秒或更高。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的高压气罐，其特征在于还包括：
树脂层，所述树脂层被形成在所述保护层上，其中
所述树脂层由与所述第二树脂相同种类的树脂制成。
12.一种用于制造高压气罐的方法，其特征在于包括：
制备衬里，所述衬里具有用于容纳气体的内部空间；
在所述衬里上形成加强层，所述加强层具有碳纤维和第一树脂；
在所述加强层的至少一部分上形成中间层；
在所述中间层上形成保护层，所述保护层具有玻璃纤维和第二树脂；
固化所述加强层的所述第一树脂和所述保护层的所述第二树脂以形成预制罐；以及
用流体填充所述预制罐以对所述预制罐加压，因此完成所述高压气罐，其中，所述流体具有比所述高压气罐的预定最大工作压力高的压力，其中
在所述加压后的所述中间层与所述加强层及所述保护层相比具有较高的透气性。
13.根据权利要求12所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述衬里包括圆柱部和位于所述圆柱部的两端处的一对半球形圆顶部，并且
所述中间层被形成在所述圆柱部的上方。
14.根据权利要求12或13所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述中间层沿着所述高压气罐的整个圆周形成。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述中间层被形成为覆盖所述衬里的整个表面。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于还包括：
固化所述第二树脂以在所述保护层上形成树脂层。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述中间层由无纺布或泡沫制成。
18.根据权利要求12至17中的任一项所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述中间层由纤维增强塑料层制成。
19.根据权利要求18所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述中间层通过使用所述碳纤维与所述加强层连续地形成，或者通过使用所述玻璃纤维与所述保护层连续地形成。
20.根据权利要求12至19中的任一项所述的用于制造高压气罐的方法，其特征在于：
所述中间层被形成在除了形成缠绕端部的区域之外的区域中，所述缠绕端部是所述保护层中的所述玻璃纤维的缠绕的端部。
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