CN111998220A - 一种高压复合轻量化储氢瓶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压复合轻量化储氢瓶，包括瓶体内胆、分别与瓶体内胆左右瓶肩一体成型的内凹式瓶嘴、与瓶嘴插接的内接头以及包覆在瓶嘴外部的外接头，所述的瓶体内胆为HDPE材质，所述的内接头与金属堵头或阀门插接。与现有技术相比，本发明具有质量轻、储氢密度高、密封性好、瓶嘴密封性好、缠绕稳定等优点。

Description

一种高压复合轻量化储氢瓶
技术领域
本发明涉及氢燃料电池车储氢技术领域，尤其是涉及一种高压复合轻量化储 氢瓶。
背景技术
氢气在氧气中燃烧可以生成水，同时并不会产生任何其他副产物。而由于氧 气广泛存在于空气里，氢气也就成了最方便取用、又清洁到百分之百人畜无害的能 源，而氢燃料电池车一次加满氢只需3-4分钟，续航里程可达650公里，行驶里程 长、加氢速度快，驾乘操控性和燃油车完全一致并且环保，车载氢气瓶则是氢燃料 电池车储能的关键设备，因此，车载氢气瓶作为目前储存氢能源的唯一容器，其高 压储氢设备轻量化技术是目前技术前沿的研究方向。
如图1所示，传统的III型储氢瓶以铝合金作为气瓶内胆，采用铝合金管材旋 压收口，再加工瓶嘴，其瓶嘴与瓶肩采用圆弧过渡，其密度一般在2.5～2.88g/cm3 之间，其质量重、耐压小，不利于载氢量和行驶里程的提升，而IV型储氢瓶所采 用的是HDPE(高密度聚乙烯)材料，其密度仅为0.94-0.95g/cm3，但是目前制造 的难点在于，氢燃料电池车的管路均为金属管路，如果采用HDPE作为储氢瓶内 胆材料，其瓶口螺纹由于与铝合金的管路是异种材料，存在各向异性，且硬度不同， 强行密封会导致材料变形，密封失效，由于氢气的爆炸下限仅为4.1％，因此，一 旦泄漏，存在极大风险。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压复合轻 量化储氢瓶。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高压复合轻量化储氢瓶，包括瓶体内胆、分别与瓶体内胆左右瓶肩一体成 型的内凹式瓶嘴、与瓶嘴插接的内接头以及包覆在瓶嘴外部的外接头，所述的瓶体 内胆为HDPE材质，所述的内接头与金属堵头或阀门插接。
所述的内接头呈倒凸台型，由一体成型的插接部和连接部构成，所述的插接部 插接在瓶嘴的嘴口内，在插接部外表面设置挡圈和密封槽口，并且在密封槽口内安 装O型密封圈。
所述的金属堵头或阀门插入到连接部内密封连接，所述的外接头内表面分别通过螺纹与嘴口外表面以及内接头的连接部外表面旋紧密封。
所述的瓶体内胆和外接头的外表面设有用以承受缠绕张力的碳纤维缠绕层，并在碳纤维缠绕层外侧缠绕有玻璃纤维保护层或设置防冲击保护盖。
所述的瓶体内胆的最小厚度为5.5mm。
所述的碳纤维缠绕层的环向层厚度hθ和螺旋层厚度hα的设计式为：
Figure BDA0002073924560000021
Figure BDA0002073924560000022
其中，R为内胆半径，Pb为最小设计爆破压力，α为缠绕角，σf为碳纤维设 计强度，Vf为碳纤维缠绕层纤维体积含量。
所述的螺纹连接部分的剪切应力安全系数不低于4倍。
所述的金属堵头和阀门均为6061铝合金材质。
所述的内接头和外接头均为金属接头。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、质量轻、储氢密度高：本发明的瓶体内胆采用HDPE塑料材质，相较于 Ⅲ型储氢瓶的合金内胆，质量大大降低，总重量仅为37.9kg，质量储氢密度可达 5.4％，能够有效的降低载重提高氢气燃料汽车的行驶里程。
二、瓶嘴密封性好：由于本发明的瓶嘴为HDPE塑料材质，而与其连接的金 属堵头或阀门为6061铝合金材质，本发明采用了内凹式截面呈弓形的瓶嘴，并且 设计了通过螺纹连接的内接头和外接头，并将瓶嘴嘴口部分插入到内接头和外接头 形成的空间中，有效的避免了因材质不同导致密封失败或变形的问题。
三、缠绕稳定：由于本发明的塑料内胆不承受载荷，其本体结构也无法承受大 的缠绕张力，因此在内胆外表面缠绕上一层碳纤维层用以承受缠绕张力，并且配合 凹式截面呈弓形的瓶嘴，在缠绕的时候给予塑料内胆封头足够的抗弯力，保证缠绕 稳定
四、密封性好：本发明将塑料内胆瓶嘴嘴口夹在金属内接头与金属外接头之间，采用螺纹的形式旋紧密封，并且在瓶嘴嘴口内表面和内接头插接部外表面之间通过 设置两道O形圈加挡圈的组合密封结构，有效的保证了密封性，同时还在瓶嘴的 密封处增设玻璃纤维保护层或设置防冲击保护盖，在保证冲击安全的情况下增加了 密封强度。
五、在应力分析时，Ⅲ型瓶需要施加一个自紧压力，而本发明的储氢瓶则不需 要此步骤，直接从零开始施加载荷。
附图说明
图1为现有的III型储氢瓶的结构示意图。
图2为本发明储氢瓶瓶身的结构主剖视图。
图3为图2中A部的局部放大图。
图4为瓶嘴连接结构剖面图。
图5为内胆瓶嘴密封结构平面图
图6为本发明储氢瓶的结构主剖视图。
图7为内接头的结构示意图，其中，图(7a)为主视图，图(7b)为俯视图。
图8为外接头的结构示意图，其中，图(8a)为主视图，图(8b)为俯视图。
其中，1、瓶体内胆，2、瓶嘴，3、内接头，4、外接头，21、嘴口，31、插 接部，32、连接部，311、挡圈，312、密封槽口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
由于目前国内仅有适用于Ⅲ型储氢瓶的GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内 胆碳纤维全缠绕气瓶》，并没有关于Ⅳ型储氢瓶的国家标准。对Ⅳ型瓶(高压复合 轻量化储氢瓶)研究处于起步阶段。本发明基于Ⅲ型储氢瓶的基础上，根据Ⅳ型储 氢瓶的特点，对Ⅳ型储氢瓶进行设计计算。
本发明的IV型储氢瓶设计基于以下条件：
(1)塑料内胆仅限密封作用，不承受任何载荷。
(2)碳纤维缠绕层承受全部的载荷。
具体设计内容如下：
1、设计计算参数
充装介质：氢气；
公称工作压力：35MPa；
注：以35MPa为例，70MPa计算类似。
使用环境温度：-40℃～85℃；
内胆直径:
Figure BDA0002073924560000041
公称外径：
Figure BDA0002073924560000042
公称容积：52L
水压试验压力:52.5MPa；
最小设计爆破压力:78.75MPa；
设计使用寿命:15年。
2、材料选择
2.1瓶体内胆材料选择
经过国外大量的应用实践，目前公认的适合储氢的内胆材料为HDPE，即高密 度聚乙烯。
2.2碳纤维缠绕层材料选择
根据目前国外情况，还是选用T700级别的碳纤维。具体碳纤维选型如下：
表1碳纤维参数
拉伸强度 公称线密度 公称模量
4900MPa 1600TEX 230GPa
2.3玻璃纤维选择
根据国内目前氢气瓶使用实际情况，采用玻璃纤维保护层作为保护层。由于玻 璃纤维仅作为保护层，对玻璃纤维的性能指标不作为具体要求，一般仅要求采用E 玻纤或者更高级别玻纤。
2.4瓶嘴材料选择
目前Ⅲ型储氢瓶采用6061铝合金，由于国产6061铝合金具有良好的氢气相容 性，氢气对慢应变速率拉伸性能和疲劳裂纹扩展性能的影响均较小。同时，热处理 工艺对6061铝合金氢脆敏感性无明显影响，故6061铝合金是一个经过验证的，具 有良好使用经验的材料，非常适合用来当作IV型高压氢气瓶的瓶嘴材料。本例中 选择6061铝合金作为瓶嘴金属接嘴的材料。
2.5树脂基体选择
Ⅲ型储氢瓶树脂基体一般选用环氧或改性环氧，目前基本采用E51环氧树脂， 该环氧树脂为双酚A型环氧树脂。Ⅲ型储氢瓶采用的固化剂通常为酸酐类固化剂， 如甲基四氢苯酐。然后加入适当的促进剂，如BDMA，这就组成了一个适合缠绕 工艺的树脂配方体系。由于环氧树脂本身脆性大，一般会加入适当的增韧剂，用来 改善树脂体系的断裂延伸率。Ⅲ型储氢瓶固化剂也可以选用胺类固化剂，该固化剂 具有比较高的断裂延伸率，能够改善气瓶表面自紧的工艺性裂纹。但采用胺类固化 剂的树脂体系，一般玻璃化转变温度比较低，一般仅80～90℃，
Ⅲ型储氢瓶树脂的固化温度一般为中温固化，后固化温度一般控制在120℃～140℃之间。
本发明的树脂体系要求与Ⅲ型储氢瓶则完全不一样，由于本发明采用HDPE 塑料内胆，HDPE软化点为125～l35℃，HDPE稳定使用温度约80℃，故无法采 用Ⅲ型储氢瓶的固化温度。所以需要采用新的树脂体系，目前一般采用环氧树脂加 改性胺类固化剂，然后采用低温固化的方法进行缠绕固化。一般固化温度为80℃ 左右。
在本设发明中，采用以下树脂体系进行缠绕与固化：
环氧树脂：128环氧；
固化剂：D230；
固化工艺：80度6-8小时。
3、结构设计
3.1瓶体内胆结构设计
由于塑料内胆不承受载荷，其本体结构也无法承受大的缠绕张力。而内胆需要 在外表面缠绕上一层很厚的碳纤维层。因此内胆设计需要综合考虑缠绕工艺的方便 性，在缠绕时不能够变形，失稳，导致瓶口结构机动，失效。
本发明在充分考虑的情况下，设计了一种塑料内胆的结构形式，如图2和3 所示。
内胆采用两头瓶嘴，嘴部采用内凹设计，根据HDPE材料特性，采用3D打印 或者吹塑的方式进行加工，在其瓶肩部位加工出内外嵌套槽。之后通过加工内、外 接头，将气瓶内胆的瓶嘴部分夹心包裹在其中，这样在安装金属接嘴后，缠绕的时 候可以给予塑料内胆封头很大的抗弯力，保证缠绕时候的稳定。
3.2瓶嘴结构设计
本例中对储氢瓶的瓶嘴结构进行了创新性设计，具体结构如图4所示，通过图 4的组合方式，将塑料内胆嘴部夹在金属内接头(如图7所示)与金属外接头(如 图8所示)之间。然后将阀门与堵头再旋拧到金属内接嘴上。
3.3塑料内胆密封结构设计
通过图4所示的瓶嘴结构，本发明能够保证尽可能的稳定塑料与金属的连续形式，不受后续因素影响，后续在生产与使用过程中，可能的影响比如更换阀门，水 压工装影响等等因素。
如图5所示，塑料内胆与金属接嘴的密封采用O形圈加挡圈的组合方式，同 时，为了增加密封的可靠性，另外增加了一组密封结构，用来保证产品的最终稳定， 可靠。
3.4复合增强层结构设计
本发明与Ⅲ型储氢瓶在碳纤维缠绕层结构设计的理论基础相同，但一个重要的区别是本发明储氢瓶的内胆为塑料材质内胆，不承受任何载荷，而Ⅲ型储氢瓶内胆 承受载荷，一般在设计计算过程中，校核Ⅲ型储氢瓶缠绕层的时候，需要减去铝合 金内胆的爆破压力。
由此可以得出，在相同的爆破压力下，本发明的IV型储氢瓶的碳纤维缠绕层 厚度要大于Ⅲ型储氢瓶。
但由于Ⅲ型储氢瓶的疲劳失效均为铝合金内胆失效，所以为了降低铝合金内胆的应力，需要缠绕到很高的爆破压下，才能保证Ⅲ型储氢瓶的疲劳次数。比如35MPa Ⅲ型储氢瓶，虽然标准规定的爆破系数为2.25倍，但实际上，气瓶的真实爆破压 力普遍大于3倍的安全系数。
而本发明的IV型储氢瓶只需要考虑碳纤维复合材料的疲劳性能，碳纤维复合 材料的疲劳性能是金属疲劳性能的10倍以上。所以本发明的IV型储氢瓶的设计 能够充分发挥碳纤维复合材料性能，降低爆破系数，而不降低疲劳性能。
据此在设计IV型储氢瓶时，可以按照标准规定的最低爆破压力进行设计。在 本例当中，参考GB/T 35544-2017标准中对爆破压力的规定进行设计，取安全系数 为2.25倍，即78.75MPa
3.5保护层结构设计
本发明由于采用塑料内胆，其本身没有刚度，所以不耐冲击，尤其是气瓶封头， 经受撞击或者冲击，容易引起封头严重受损。而Ⅲ型储氢瓶由于铝内胆拥有一定的 强度，对外在的冲击具有很好的保护作用。
本发明在封头处设置防冲击保护盖，用来防止气瓶封头受到应力冲击。
在本设计中，对保护层可以有2个选择，一是缠绕玻璃纤维保护层，二是设置 防冲击保护盖，可以选择一种，也可以两种都选择。但在计算过程中，则均不考虑 保护层对气瓶强度的影响。
4、内胆设计壁厚计算
本发明的IV型储氢瓶内胆不承受载荷，但内胆还需要保证氢气的密封，故设 计内胆厚度时不需要考虑强度校核，选择塑料内胆最小厚度为5.5mm。
4.1缠绕层最小设计壁厚计算
IV型储氢瓶结构设计，根据网格理论，碳纤维缠绕层厚度设计计算。
碳纤维环向层设计公式如下：
Figure BDA0002073924560000071
碳纤维螺旋层设计公式如下：
Figure BDA0002073924560000072
以上公式中，各符号的定义如下：
hθ：碳纤维环向缠绕层厚度，mm；
hα：碳纤维螺旋缠绕层厚度，mm；
R：内胆半径；
Pb：最小设计爆破压力；
σf：碳纤维设计强度；
Vf：碳纤维缠绕层纤维体积含量；
α：缠绕角。
在实际计算中，由于碳纤维环向利用率最高，螺旋利用率低于环向利用率。在 进行Ⅲ型储氢瓶与的气瓶设计时，一般减去铝内胆本身的爆破压力。但这是为了方 便计算，实际情况是，在铝内胆封头厚度大大高于内胆筒体厚度。实际Ⅲ型储氢瓶 封头有相当一部分的载荷是由铝内胆本身提供，而且远高于筒体部分承受的载荷。 而当设计IV型储氢瓶时，封头部分载荷完全则碳纤维缠绕层来承担，则可以分析 得到，碳纤维螺旋层的纤维利用率比Ⅲ型储氢瓶要低。
4.2瓶嘴螺纹剪切应力安全系数校核
本发明的IV型储氢瓶的瓶嘴与Ⅲ型储氢瓶一样，需要校核螺纹的剪切应力。 目前按照GB/T 35544-2017标准规定，螺纹剪切应力安全系数不低于4倍。
螺纹剪切应力的校核方法GB/T 28053《呼吸器用复合气瓶》的螺纹校核方法。
对于IV型储氢瓶，螺纹校核不仅需要校核与阀门相连接的部分，如果瓶嘴结 构设计中，还有金属件与金属件相连接的部分，还需要同时校核该连接部分的螺纹 剪切应力，同样应不低于4倍。
4.3储氢瓶公称容积计算
可分别按筒体部分，封头部分进行计算，筒体部分根据圆柱公式计算，封头部 分根据椭球公式计算。
4.4储氢瓶内胆公称重量计算
IV型储氢瓶内胆公称重量，分别按照筒体部分、封头部分进行计算。筒体部 分按公称体积乘以塑料密度，公称体积按照塑料内胆外圆柱体积－塑料内胆内圆体 积来计算，封头部分体积按外椭球体积减去内椭球的体积来计算，最后汇总得到整 个IV型储氢瓶的公称重量。
实施例1
内胆结构如图6所示，整个内胆由金属外接头、金属内接头、塑料内胆、密封 件组合而成。
内胆重量计算：由于内胆结构复杂，内胆重量分别按金属外接头、金属内接头、 塑料内胆三部分。采用CAD软件，生成3D图形计算机自动生成内胆的容积，再 根据密度换算内胆整体质量。
表2内胆整体质量
金属外接头 金属内接头 塑料内胆
体积 0.492 0.109 5.1
密度 2.7 2.7 0.95
质量 1.328kg 0.294 4.845
总质量：8.1kg；
尾堵：0.294kg；
阀门：约1.7kg。
缠绕层厚度设计：
碳纤维材料：东丽T700同一系列碳纤维
取用的技术性能指标如下：
碳纤维环向最小拉伸强度保证值(MPa)≥3800。
缠绕层结构设计见表3所示。
表3缠绕层结构设计表
Figure BDA0002073924560000091
缠绕层重量计算：
缠绕层公称重量计算见表4所示。
表4缠绕层公称重量计算表
Figure BDA0002073924560000101
Figure BDA0002073924560000111
IV型储氢瓶总重量计算：
本发明的IV型储氢瓶总质量包括以下部分：内胆、缠绕层、尾堵、封头保护 层、瓶阀，具体如表5所示。
表5储氢瓶总质量
内胆 缠绕层 尾堵 封头保护垫 瓶阀
重量kg 8.1 25.9 0.294 1 1.7
IV型储氢瓶质量储氢密度计算，如表6所示。
表6储氢瓶质量储氢密度
Figure BDA0002073924560000112
以上质量储氢密度是在IV型储氢瓶仅缠绕环向玻璃纤维保护层的情况下的计 算数据。根据国内的使用情况，一般在碳纤维层外面全缠绕有玻璃纤维保护层。如 果将螺旋层的玻璃纤维保护层计算在内，则IV型储氢瓶重量增加0.87kg，总重量 为37.9kg，质量储氢密度可达5.4％。
本发明的车载IV型储氢瓶工艺设计包括内胆结构设计与缠绕设计两个核心关 键创造点。
塑料内胆在设计时，最核心的部分需要考虑塑料内胆与金属接嘴之间的密封结构设计。整个设计要考虑到车载储氢瓶(Ⅳ型)复杂的使用工况，要在-40℃～85℃之 间，金属与塑料都不能够有任何气体的泄漏，而金属于塑料是两种不同的材料，所 有不相的热变形收缩率。同时，塑料在温度上升时，会软化。
塑料内胆在设计时，还需要考虑到如何能够将碳纤维缠绕到塑料内胆上，要考 虑到一定的钢度，一定的抗变形能力，因为碳纤维缠绕需要有一定的张力，才能保 证碳纤维的强度能够很好的发挥，而塑料是不承受载荷的，一般在缠绕时，会在塑 料内胆中充入压缩空气，然后进行缠绕。但金属接嘴有大小，结构设计依然会严重 影响缠绕的稳定性。
IV型储氢瓶在缠绕时，需要充入一定的压力才能保证缠绕的工艺性，让纤维 能够充分发挥其强度。

Claims (9)

1.一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，包括瓶体内胆(1)、分别与瓶体内胆(1)左右瓶肩一体成型的内凹式瓶嘴(2)、与瓶嘴(2)插接的内接头(3)以及包覆在瓶嘴(2)外部的外接头(4)，所述的瓶体内胆(1)为HDPE材质，所述的内接头(3)与金属堵头或阀门插接。
2.根据权利要求1所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的内接头(3)呈倒凸台型，由一体成型的插接部(31)和连接部(32)构成，所述的插接部(31)插接在瓶嘴(2)的嘴口(21)内，在插接部(31)外表面设置挡圈(311)和密封槽口(312)，并且在密封槽口(312)内安装O型密封圈。
3.根据权利要求2所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的金属堵头或阀门插入到连接部(32)内密封连接，所述的外接头(4)内表面分别通过螺纹与嘴口(21)外表面以及内接头(3)的连接部(32)外表面旋紧密封。
4.根据权利要求1所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的瓶体内胆(1)和外接头(4)的外表面设有用以承受缠绕张力的碳纤维缠绕层，并在碳纤维缠绕层外侧缠绕有玻璃纤维保护层或设置防冲击保护盖。
5.根据权利要求1所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的瓶体内胆(1)的最小厚度为5.5mm。
6.根据权利要求4所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的碳纤维缠绕层的环向层厚度hθ和螺旋层厚度hα的设计式为：
Figure FDA0002073924550000011
Figure FDA0002073924550000012
其中，R为内胆半径，Pb为最小设计爆破压力，α为缠绕角，σf为碳纤维设计强度，Vf为碳纤维缠绕层纤维体积含量。
7.根据权利要求3所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的螺纹连接部分的剪切应力安全系数不低于4倍。
8.根据权利要求1所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的金属堵头和阀门均为6061铝合金材质。
9.根据权利要求1所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的内接头(3)和外接头(4)均为金属接头。
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