CN112780941A - 具有纳米多孔透气层的氢气储罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有纳米多孔透气层的氢气储罐。提供了气体储罐。该储罐包括限定了内部隔室的内衬；连接到该内衬上的凸起部；覆盖凸起部的一部分和内衬的夹层，该夹层是非热解的，并包含互连网络和直径大于氢气分子的直径且小于或等于大约2 nm的孔隙；和包含碳纤维增强复合材料的外壳，该外壳覆盖除了与凸起部接触的夹层末端之外的夹层，使得夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环。该储罐构造成使得当气体穿过内衬扩散至夹层时，该夹层将气体从暴露的夹层环导出。还提供了制造该储罐的方法。

Description

具有纳米多孔透气层的氢气储罐

技术领域

本发明涉及气体储罐，更具体而言，涉及具有纳米多孔透气层的氢气储罐。

背景技术

本章节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

氢动力车辆通过在内燃机中燃烧氢气或通过在使电动机运行的氢燃料电池中使氢气与氧气反应来由氢气产生机械能。无论氢动力车辆是通过燃烧还是采用燃料电池来产生能量，氢气都必须储存在储罐中。

用于氢气的IV型储罐包括限定了内部储存隔室的内部聚合物内衬和外部壳。当储罐充满时，由氢气提供的高内部压力将内衬向外压向外壳，使得压力将内衬推向外壳。但是，当压力因放出燃料而降低时，并且因为氢气分子（H₂）非常小——直径为大约2.5 Å（0.25 nm），氢气分子可以扩散穿过内衬并被截留在内衬与外壳之间。随着更大量的氢气扩散穿过内衬，在内衬与外壳之间形成了充满氢气的空间，这导致与该空间相邻的一部分内衬向内屈曲和弯曲。因此，期望改进的IV型储罐，其防止或尽量减少由内衬与外壳之间的气穴形成所导致的弯曲。

发明内容

本章节提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或其全部特征的全面公开。

在各个方面，本技术提供了一种气体储罐，该储罐包括具有第一末端部分、中心主体部分和与第一末端部分相对的第二末端部分的内衬，该内衬限定了内部隔室；连接到该内衬的第一末端部分上的凸起部；夹层，所述夹层围绕内衬和凸起部设置，使得夹层从凸起部的暴露外表面处的第一夹层末端、围绕内衬的中心主体部分、并且围绕内衬的第二末端部分的至少一部分延伸至与第一夹层末端相对的第二夹层末端；和外壳，所述外壳覆盖除了第一夹层末端和任选第二夹层末端之外的基本全部夹层，使得第一夹层末端和任选第二夹层末端暴露于外部环境，其中该储罐构造成使得当气体穿过内衬扩散至夹层时，该夹层将气体从夹层的第一夹层末端导出至外部环境。

在一方面，该内衬包含密度为大于或等于大约900 kg/m³至小于或等于大约1200kg/m³的聚合物。

在一方面，该聚合物包括聚酰胺、聚乙烯、乙烯-乙烯醇、聚四氟乙烯或其组合。

在一方面，该夹层具有互连网络，所述互连网络包含平均直径为大于或等于大约500 pm至小于或等于大约2 nm且孔隙率为大于或等于大约15%至小于或等于大约85%的孔隙。

在一方面，该互连网络具有夹层材料，所述夹层材料包括碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合。

在一方面，该互连网络进一步包含粘合剂。

在一方面，该粘合剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、全氟丁基乙烯、全氟丁基乙烯基醚、三氟乙烯、六氟丙烯、六氟异丁烯、五氟丙烯、具有磺基琥珀酸的聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚酰胺、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯或其组合。

在一方面，该外壳包含碳纤维增强复合材料。

在一方面，暴露于外部环境的第一夹层末端限定了围绕凸起部设置的夹层环，该夹层环的厚度为大于或等于大约0.1 mm至小于或等于大约2 mm。

在一方面，该储罐进一步包括连接到内衬的第二末端部分上的第二凸起部，其中该夹层延伸至第二凸起部的暴露外表面处的第二夹层末端，并且该外壳不覆盖第二夹层末端，使得第二夹层末端暴露于外部环境，其中该储罐构造成使得当气体穿过内衬扩散至夹层时，该夹层将气体从夹层的第一夹层末端或第二夹层末端中的至少一者导出至外部环境。

在各个方面，本技术还提供了一种气体储罐，该储罐包括具有聚合物并限定了内部隔室的内衬；连接到该内衬上的凸起部；覆盖凸起部的一部分和内衬的夹层，该夹层包含互连网络和直径大于氢气分子的直径且小于或等于大约2 nm的孔隙，所述互连网络包含碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合，并且该夹层是非热解的；和包含碳纤维增强复合材料的外壳，该外壳覆盖除了与凸起部接触的夹层末端之外的夹层，使得该夹层的夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环，其中该储罐构造成使得当气体穿过内衬扩散至夹层时，该夹层将气体从暴露的夹层环导出。

在一方面，该夹层的互连网络具有大于或等于大约15%至小于或等于大约85%的孔隙率。

在一方面，该夹层进一步包含粘合剂，所述粘合剂选自苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯及其组合。

在各个方面，本技术进一步提供了制造气体储罐的方法，该方法包括将凸起部连接到限定了内部隔室的内衬上；在内衬上和在凸起部的一部分上施加夹层，该夹层具有包含直径大于氢气分子的尺寸且小于或等于大约2 nm的孔隙的互连网络和粘合剂；并且在除了与凸起部接触的夹层末端之外的夹层上形成外壳，使得该夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环，其中该储罐构造成使得当气体穿过内衬扩散至夹层时，该夹层将气体从暴露的夹层环导出。

在一方面，将凸起部连接到内衬上包括通过在凸起部的内表面上的螺纹和在内衬的外表面上的互补螺纹将凸起部旋入内衬。

在一方面，通过以下步骤形成夹层：形成具有前体粉末和粘合剂的混合物，将该混合物的层浇铸到基底上，干燥该层以形成夹层，和任选地压延该夹层。

在一方面，该混合物以大于或等于大约70重量%至小于或等于大约95重量%的浓度包含前体粉末，并且以大于或等于大约5重量%至小于或等于大约30重量%的浓度包含粘合剂。

在一方面，该前体粉末包括碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合，并且该粘合剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯或其组合。

在一方面，该方法进一步包括在施加生坯（green）夹层之前向内衬和向凸起部的所述部分施加胶粘剂。

在一方面，该夹层具有辅助粘合剂且为生坯形式，并且该方法进一步包括在所述形成后，在大于或等于大约90℃至小于或等于大约160℃的温度下加热该储罐以便从生坯形式的夹层中除去辅助粘合剂的至少一部分，从而将生坯形式的夹层转化成多孔夹层，所述多孔夹层与生坯形式的夹层相比具有相对更高的孔隙率。

本发明公开了以下实施方案：

方案1. 气体储罐，所述储罐包括：

内衬，所述内衬包括第一末端部分、中心主体部分和与所述第一末端部分相对的第二末端部分，所述内衬限定了内部隔室；

凸起部，所述凸起部连接到所述内衬的第一末端部分上；

夹层，所述夹层围绕所述内衬和所述凸起部设置，使得所述夹层从所述凸起部的暴露外表面处的第一夹层末端、围绕所述内衬的中心主体部分、并且围绕所述内衬的第二末端部分的至少一部分延伸至与所述第一夹层末端相对的第二夹层末端；和

外壳，所述外壳覆盖除了所述第一夹层末端和任选所述第二夹层末端之外的基本全部夹层，使得所述第一夹层末端和任选所述第二夹层末端暴露于外部环境，

其中所述储罐构造成使得当气体穿过所述内衬扩散至所述夹层时，所述夹层将气体从所述夹层的第一夹层末端导出至外部环境。

方案2. 根据方案1所述的储罐，其中所述内衬包含密度为大于或等于大约900kg/m³至小于或等于大约1200 kg/m³的聚合物。

方案3. 根据方案2所述的储罐，其中所述聚合物包括聚酰胺、聚乙烯、乙烯-乙烯醇、聚四氟乙烯或其组合。

方案4. 根据方案1所述的储罐，其中所述夹层包含互连网络，所述互连网络包含平均直径为大于或等于大约500 pm至小于或等于大约2 nm且孔隙率为大于或等于大约15%至小于或等于大约85%的孔隙。

方案5. 根据方案4所述的储罐，其中所述互连网络包含夹层材料，所述夹层材料包括碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合。

方案6. 根据方案5所述的储罐，其中所述互连网络进一步包含粘合剂。

方案7. 根据方案6所述的储罐，其中所述粘合剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、全氟丁基乙烯、全氟丁基乙烯基醚、三氟乙烯、六氟丙烯、六氟异丁烯、五氟丙烯、具有磺基琥珀酸的聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚酰胺、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯或其组合。

方案8. 根据方案1所述的储罐，其中所述外壳包含碳纤维增强复合材料。

方案9. 根据方案1所述的储罐，其中暴露于外部环境的所述第一夹层末端限定了围绕所述凸起部设置的夹层环，所述夹层环的厚度为大于或等于大约0.1 mm至小于或等于大约2 mm。

方案10. 根据方案1所述的储罐，进一步包括连接到所述内衬的第二末端部分上的第二凸起部，其中所述夹层延伸至所述第二凸起部的暴露外表面处的第二夹层末端，并且所述外壳不覆盖所述第二夹层末端，使得所述第二夹层末端暴露于外部环境，

其中所述储罐构造成使得当气体穿过所述内衬扩散至夹层时，所述夹层将气体从所述夹层的第一夹层末端或第二夹层末端中的至少一者导出至外部环境。

方案11. 气体储罐，所述储罐包括：

包含聚合物并限定了内部隔室的内衬；

连接到所述内衬上的凸起部；

覆盖所述凸起部的一部分和所述内衬的夹层，所述夹层包含互连网络和直径大于氢气分子的直径且小于或等于大约2 nm的孔隙，所述互连网络包含碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合，并且所述夹层是非热解的；和

包含碳纤维增强复合材料的外壳，所述外壳覆盖除了与所述凸起部接触的夹层末端之外的所述夹层，使得所述夹层的夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环，

其中所述储罐构造成使得当气体穿过所述内衬扩散至夹层时，所述夹层将气体从暴露的夹层环导出。

方案12. 根据方案11所述的储罐，其中所述夹层的互连网络具有大于或等于大约15%至小于或等于大约85%的孔隙率。

方案13. 根据方案11所述的储罐，其中所述夹层进一步包含粘合剂，所述粘合剂选自苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯及其组合。

方案14. 制造气体储罐的方法，所述方法包括：

将凸起部连接到限定了内部隔室的内衬上；

在所述内衬上和在所述凸起部的一部分上施加夹层，所述夹层包含互连网络和粘合剂，所述互连网络包含直径大于氢气分子的尺寸且小于或等于大约2 nm的孔隙；和

在除了与所述凸起部接触的夹层末端之外的所述夹层上形成外壳，使得所述夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环，

其中所述储罐构造成使得当气体穿过所述内衬扩散至夹层时，所述夹层将气体从暴露的夹层环导出。

方案15. 根据方案14所述的方法，其中将凸起部连接到内衬上包括通过在所述凸起部的内表面上的螺纹和在所述内衬的外表面上的互补螺纹将所述凸起部旋入所述内衬。

方案16. 根据方案14所述的方法，其中通过以下步骤形成所述夹层：

形成包含前体粉末和所述粘合剂的混合物；

将所述混合物的层浇铸到基底上；

干燥所述层以形成所述夹层；和

任选地压延所述夹层。

方案17. 根据方案16所述的方法，其中所述混合物以大于或等于大约70重量%至小于或等于大约95重量%的浓度包含所述前体粉末，并且以大于或等于大约5重量%至小于或等于大约30重量%的浓度包含所述粘合剂。

方案18. 根据方案16所述的方法，其中所述前体粉末包括碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合，并且所述粘合剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯或其组合。

方案19. 根据方案14所述的方法，进一步包括：

在施加生坯夹层之前向所述内衬和向所述凸起部的所述部分施加胶粘剂。

方案20. 根据方案14所述的方法，其中所述夹层包含辅助粘合剂且为生坯形式，并且所述方法进一步包括，在所述形成之后：

在大于或等于大约90℃至小于或等于大约160℃的温度下加热所述储罐以便从所述生坯形式的夹层中除去所述辅助粘合剂的至少一部分，从而将所述生坯形式的夹层转化成多孔夹层，所述多孔夹层与所述生坯形式的夹层相比具有相对更高的孔隙率。

由本文中提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。该概述中的描述和具体实例仅意在用于说明目的，而非意在限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅为说明所选实施方案而非所有可能的实施方式的目的，并且并非意在限制本公开的范围。

图1是根据本技术的各个方面的储罐的示意图。

图2是图1中显示的储罐的第一部分的放大视图。

图3是图1中显示的储罐的第二部分的放大视图。

图4是图1中显示的储罐的沿平面4截取的非横截面视图。

图5显示了根据本技术的各个方面制造储罐的方法。

图6A显示了聚合物辅助粘合剂的第一分解反应。

图6B显示了聚合物辅助粘合剂的第二分解反应。

在附图的全体若干视图中，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

提供了示例性实施方案，使得本公开将是透彻的，并将范围充分传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，如具体组成、组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式来体现，并且均不应当解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的工艺、公知的装置结构和公知的技术。

本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案的目的，而非意在是限制性的。除非上下文清楚地另行指明，否则本文中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也可以包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是包容性的，因此规定了所述特征、要素、组成、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一种或多种其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其集合的存在或加入。尽管开放式术语“包含”要理解为用于描述和要求保护本文中阐述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语可以替代地理解为更具限制性和约束性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。因此，对于叙述组成、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由这样叙述的组成、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组成、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从这样的实施方案中排除实质上影响基本特性和新颖特性的任何附加的组成、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是在该实施方案中可以包括不会实质上影响基本特性和新颖特性的任何组成、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤。

除非明确确定为一定的实施次序，否则本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或例示的特定次序来实施。还要理解的是，除非另行指明，否则可以采用附加或替代的步骤。

当组件、要素或层被提到“位于”、“啮合到”、“接合到”或“连接到”另一要素或层上时，其可以直接位于、啮合到、接合到或连接到该另一组件、要素或层上，或者可能存在中间要素或层。相比之下，当要素被提到“直接位于”、“直接啮合到”、“直接接合到”或“直接连接到”另一要素或层上时，可以不存在中间要素或层。用于描述要素之间的关系的其它词语应以类似方式解释（例如，“在……之间”vs“直接在……之间”，“相邻”vs“直接相邻”等等）。本文中所用的术语“和/或”包括相关列举项中的一个或多个的任意和所有组合。

尽管在本文中可以使用术语第一、第二、第三等等来描述各种步骤、要素、组件、区域、层和/或区段，但除非另行指明，否则这些步骤、要素、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个步骤、要素、组件、区域、层或区段与另一步骤、要素、组件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚地指明，否则术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文讨论的第一步骤、要素、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、要素、组件、区域、层或区段，而不背离该示例性实施方案的教导。

为了便于描述，在本文中可以使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等等描述如图中所示的一个要素或特征与另外一个或多个要素或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间或时间上相对的术语可以意在涵盖装置或系统在使用或操作中的不同取向。

在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的微小偏差和具有大致所述值的实施方案以及具有确切所述值的实施方案。除了在具体实施方式最后提供的工作实施例中之外，本说明书（包括所附权利要求书）中的参数（例如量或条件）的所有数值要理解为在所有情况下均被术语“大约”修饰，无论“大约”是否实际出现在该数值前。“大约”表示所述数值允许一定程度上的轻微不精确性（一定程度上靠近该值的精确性；大致或合理地接近该值；近乎）。如果由“大约”提供的不精确性在本领域中不以这种普通含义另行理解，那么本文中所用的“大约”至少表示可能由测量和使用此类参数的普通方法引起的变化。例如，“大约”可以包含小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%、以及在某些方面任选小于或等于0.1%的变化。

此外，范围的公开包括在整个范围内所有值和进一步细分范围的公开，包括对于这些范围给出的端点和子范围。

现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。

本技术提供了一种改进的IV型储罐，在本文中简称为“储罐”或“气体储罐”，其包括在内衬与外壳之间的夹层，在本文中也称为“透气层”。该夹层接收扩散穿过内衬的氢气（H₂）分子并将其导向储罐外部的环境。通过从罐中移除扩散穿过内衬的H₂分子，防止或尽量减少内衬的屈曲和弯曲。本技术还提供了制造储罐的方法。

参照图1，本技术提供了用于气体，如用于H₂（g）的储罐10。特别地，图1显示了储罐10的横截面视图。储罐10包括内衬12，所述内衬12包括限定了端口16的第一末端部分14、中心主体部分18和与第一末端部分14相对的第二末端部分20。更特别地，内衬12限定了第一末端部分14处的端口16并围绕纵轴22从第一末端部分14处的端口16延伸至中心主体部分18，并延伸至第二末端部分20。如图1中所示，内衬12限定了第二末端部分20处的第二端口16’。要理解的是，第二端口16’是任选的，并且在一些变体中储罐10可以在第二末端部分20处封闭，使得端口16是唯一的端口。内衬12限定了内部隔室24，气体储存在该隔室中。在某些方面，内衬12具有大于或等于大约2 mm且小于或等于大约10 mm的厚度。

内衬12包含密度为大于或等于大约900 kg/m³至小于或等于大约1200 kg/m³（包括大约900 kg/m³、大约950 kg/m³、大约1000 kg/m³、大约1050 kg/m³、大约1100 kg/m³、大约1150 kg/m³或大约1200 kg/m³的密度）的聚合物。作为非限制性实例，该聚合物包括聚酰胺、聚乙烯（例如高密度聚乙烯）、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-乙烯醇、聚四氟乙烯或其组合。

储罐10进一步包括在端口16处连接到内衬12的第一末端部分14上的凸起部26。在一些变体中，凸起部26通过用任选的胶粘剂与端口16压接配合来连接和固定到内衬12的第一末端部分14上。在其它变体中，内衬12的第一末端部分14处的端口16具有外螺纹，且凸起部26具有与外螺纹互补的内螺纹，并且凸起部26通过内衬12的第一末端部分14的外螺纹和凸起部26的内螺纹连接到内衬12的第一末端部分14上。如图1中所示，储罐10还可以包括在第二端口16’处连接到内衬12的第二末端部分20上的第二凸起部26’。但是，如上所述，在一些变体中，储罐10仅包括在内衬12的第一末端部分14处的凸起部26。

储罐10进一步包括夹层或透气层28。夹层28围绕内衬12和凸起部26设置，使得夹层28从内衬12的第一末端部分14处的凸起部26的暴露外表面32处的第一夹层末端30、围绕内衬12的中心主体部分18、并且围绕内衬12的第二末端部分20的至少一部分延伸至第二凸起部26’的第二暴露外表面32’处的与第一夹层末端30相对的第二夹层末端34。如上所述，要理解的是，在一些变体中，储罐10仅包括在内衬12的第一末端部分14处的凸起部26，并且该内衬的第二末端部分20是封闭的，使得不存在第二凸起部26’和第二夹层末端34。在某些方面，夹层28具有大于或等于大约20 μm且小于或等于大约2 mm的厚度。

在某些方面，夹层28通过胶粘剂粘接到内衬12、凸起部26或第二凸起部26’中的至少一者上。因此，尽管在附图中并未显示，储罐10可以包括设置在内衬12、凸起部26或第二凸起部26’中的至少一者与夹层28之间的胶粘剂层。当存在时，作为非限制性实例，该胶粘剂是高粘度胶粘剂，如快速粘接胶粘剂、水基胶浆、有机硅基胶粘剂、氰基丙烯酸酯凝胶及其组合。

夹层28包含互连网络或基质，所述互连网络或基质包含平均直径为大于H₂分子的直径（大约2.5 Å或0.25 nm）至小于或等于大约2 nm（如大于或等于大约500 pm至小于或等于大约2 nm的直径）的孔隙。夹层28的互连网络或基质具有大于或等于大约15%至小于或等于大约85%的孔隙率（即孔隙总体积相对于夹层28总体积的分数），包括大约15%、大约20%、大约25%、大约30%、大约35%、大约40%、大约45%、大约50%、大约55%、大约60%、大约65%、大约70%、大约75%、大约80%或大约85%的孔隙率。

夹层28的互连网络或基质包含夹层材料。作为非限制性实例，所述夹层材料包括碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合。作为非限制性实例，所述碳可以是高比表面积活性炭、由热解聚合物产生的多孔碳、石墨碳、碳纳米管、富勒烯（例如C₆₀、C₂₀等等）或其组合。作为非限制性实例，所述二氧化硅可以是二氧化硅（SiO₂）、沸石或其组合。作为非限制性实例，所述聚合物可以是超高交联聚合物、聚合物网络或其组合。所述金属-有机骨架材料（MOF）包含与有机配体配位的金属离子或簇以形成三维结构，并且作为非限制性实例可以是联苯二甲酸锆(IV)（UiO-67）、苯-1,3,5-三甲酸铜（HKUST-1）、对苯二甲酸铝（MIL-53）、2-甲基咪唑锌盐（ZIF-8）、Zn₄O(苯二甲酸)₃（MOF-5）或其组合。夹层材料衍生自具有高表面积并且能够吸附H₂（g）的多孔粉末。

在一些变体中，夹层28进一步包含在整个互连网络或基质中分散的粘合剂。合适的粘合剂的非限制性实例包括苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、全氟丁基乙烯、全氟丁基乙烯基醚、三氟乙烯、六氟丙烯、六氟异丁烯、五氟丙烯、具有磺基琥珀酸的聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚酰胺或其组合。当包含粘合剂时，夹层28可以被视为“生坯”、“生坯夹层”或“生坯形式的夹层”。可以通过压延夹层来降低夹层28的孔隙率，其中在加热或不加热的情况下向夹层28施加压力以增加其密度。如果寻求更高孔隙率的话，则可以将粘合剂与辅助粘合剂组合，作为非限制性实例，该辅助粘合剂是碳酸酯，如聚碳酸亚丙酯（例如Novomer Inc.的NB-180 PPC）、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯及其组合。这些辅助粘合剂是“牺牲型”的，并可以在提高的温度下升华以提供增加的孔隙率。在一些方面，除去了辅助粘合剂的夹层28具有更高的孔隙率，并由此相对于具有辅助粘合剂的夹层28对H₂（g）的渗透性更高。而且，互连网络或基质的上述孔尺寸对于H₂（g）渗透来说足够大，但是又足够小，使得粘合剂不会渗入到孔隙中。

在某些变体中，尽管夹层28可以包含由热解聚合物产生的多孔碳，但是夹层28本身不被热解。

参照回到图1，储罐10进一步包括外壳36。外壳36覆盖除了第一夹层末端30和第二夹层末端34（当存在时）之外的基本全部夹层28，使得第一夹层末端30和第二夹层末端34（当存在时）暴露于外部环境，即储罐10外部的环境。暴露于外部环境的第一夹层末端30和第二夹层末端34（当存在时）限定了围绕凸起部26设置的夹层环38，并且当存在第二凸起部26’时限定了第二夹层环38’。夹层环38、38’具有大于或等于大约0.1 mm至小于或等于大约2 mm的厚度T_IR，包括大约0.1 mm、大约0.3 mm、大约0.4 mm、大约0.5 mm、大约0.6 mm、大约0.7 mm、大约0.8 mm、大约0.9 mm、大约1 mm、大约1.1 mm、大约1.2 mm、大约1.3 mm、大约1.4 mm、大约1.5 mm、大约1.6 mm、大约1.7 mm、大约1.8 mm、大约1.9 mm、或大约2 mm的厚度（参见图3和4）。

外壳36包含碳纤维增强复合材料，该复合材料包含抗张强度大于或等于大约700ksi的碳纤维。碳纤维包埋在聚合物树脂内，该聚合物树脂可以是热固性树脂，如酚醛环氧树脂，或热塑性树脂，如聚酰胺。在某些方面，外壳36具有大于或等于大约6 mm且小于或等于大约40 mm的厚度。

图2和3是图1中辨认的储罐10的部分2、3的放大图像。如在这些图像中可以看出的那样，储罐10构造成使得当气体穿过内衬12扩散至夹层28时，气体渗透穿过夹层28，并且夹层28将气体从限定了夹层环38的夹层28的第一夹层末端30导出至外部环境。当储罐10包括两个凸起部26、26’时，储罐10构造成使得当气体穿过内衬12扩散至夹层28时，气体渗透穿过夹层28，夹层28将气体从夹层28的第一夹层末端30或第二夹层末端34中的至少一者导出至外部环境。图4是图1的储罐10的沿平面4截取的非横截面视图。在这里，在凸起部26与外壳36之间可以看到由夹层28的第一夹层末端30形成的夹层环38。

参照图5，本技术还提供了制造上述储罐的方法50。该方法包括提供如上所述的内衬12。内衬12可以通过吹塑或旋转或通过将由注塑形成的两半内衬12焊接在一起而制成单个整体单元。在将两半焊接在一起形成内衬12时，应除去焊瘤。

方法50还包括将凸起部26和第二凸起部26’（如上所述）连接到内衬12上。可以通过任选地用胶粘剂将凸起部26、26’压接配合到内衬上或通过将凸起部26、26’旋入内衬来进行所述连接。

接下来，方法50包括在凸起部26、26’的一部分上和内衬12上形成夹层28（如上所述）。形成夹层28包括在内衬12上和在凸起部26、26’的一部分上施加夹层材料52。夹层材料52可以是生坯形式，或其中辅助粘合剂已被除去的形式。在任一形式中，夹层材料52是弹性薄膜或片材，其可以通过手或通过机器包裹在凸起部26、26’和内衬12周围。

在一些变体中，方法50包括在施加夹层材料52之前将胶粘剂（如高粘度胶粘剂）施加到内衬12、凸起部26的一部分或第二凸起部26’的一部分中的至少一者上。

通过以下步骤制备夹层材料52：形成包含前体粉末、粘合剂、任选的辅助粘合剂和溶剂的混合物。该混合物以大于或等于大约70重量%至小于或等于大约95重量%的浓度包含前体粉末，并以大于或等于大约5重量%至小于或等于大约30重量%的浓度包含粘合剂。该前体粉末包括碳粉末、二氧化硅粉末、聚合物粉末、金属-有机骨架材料粉末或其组合，其中在上文中讨论了碳、二氧化硅、聚合物和金属-有机骨架材料。在上文中还讨论了粘合剂和辅助粘合剂。溶剂的非限制性实例包括甲氧基苯（茴香醚）、二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、二乙醚、二氯甲烷、四氯化碳、氯仿、甲苯、苯、环己烷、己烷、戊烷、丙酮、甲乙酮、N-甲基吡咯烷酮及其组合。制备夹层材料52的方法随后包括将混合物的层浇铸到基底上。该基底包含具有足够低的内聚力，使得夹层材料52最终可以从其上移除的任何材料。示例性的基底材料包括聚四氟乙烯和玻璃。所述浇铸通过刮涂、旋铸、浇注或通过本领域中已知的任何其它方法来进行。在一些变体中，以预定厚度浇铸该层。制备夹层材料52的方法随后包括干燥该层并除去至少一部分溶剂以形成夹层材料52（当包含辅助粘合剂时为生坯形式）。任选地，该方法进一步包括压延夹层材料52以降低孔隙率或达到预定厚度。当包含辅助粘合剂时，夹层材料52可以以生坯形式使用，并在形成储罐后任选地加热以除去辅助粘合剂，或可以在形成夹层28之前加热生坯形式的夹层材料52以除去辅助粘合剂。

在施加夹层材料52并且形成夹层28（如上所述）之后，方法50包括在除了与凸起部26、26’接触的夹层28的夹层末端30、34之外的夹层28上形成外壳36（如上所述），使得夹层28的夹层末端30、34限定暴露于外部环境的夹层环38、38’（如上所述）。通过长丝缠绕来形成外壳36，其中浸渍有聚合物树脂的碳纤维54（如上所述）由旋转心轴56牵拉，组合，并且在两个过程——湿法缠绕或束状预浸料缠绕（towpreg winding）——之一中缠绕在夹层28和凸起部26、26’周围。在湿法缠绕中，在将碳纤维54缠绕在夹层28和凸起部26、26’周围之前，使碳纤维54行进通过未固化的聚合物树脂浴。在束状预浸料缠绕中，碳纤维用未固化的聚合物树脂预浸渍并直接缠绕在夹层28和凸起部26、26’周围。通过旋转夹层28和凸起部26、26’并通过横向移动旋转心轴56，将浸渍有聚合物树脂的碳纤维54包裹在夹层28和凸起部26、26’周围，直到获得期望或预定的厚度。浸渍有聚合物树脂的碳纤维54随后在大于或等于大约150℃至小于或等于大约200℃的温度（包括大约150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃的温度）下固化大于或等于大约1小时至小于或等于大约24小时的时间段，并随后冷却至环境温度或室温以形成外壳36。

当夹层28包含辅助粘合剂（如上所述）并且为生坯形式时，该方法任选包括通过在大于或等于大约90℃至小于或等于大约160℃的温度（包括大约90℃、大约95℃、大约100℃、大约105℃、大约110℃、大约115℃、大约120℃、大约125℃、大约130℃、大约135℃、大约140℃、大约145℃、大约150℃、大约155℃和大约160℃的温度）下加热储罐来除去辅助粘合剂，以便从生坯形式的夹层中除去至少一部分粘合剂并将该夹层转化成具有相对更高孔隙率（和更高的H₂（g）渗透性）的形式。在一些方面，上述固化在足以除去辅助粘合剂的温度下进行，并且不需要附加步骤。加热使辅助粘合剂分解。使用聚碳酸亚丙酯作为示例性辅助粘合剂，图6A显示了分解途径，其中烷氧基回咬机制（alkoxide backbiting mechanism）60和碳酸酯基回咬机制62使聚碳酸亚丙酯分裂成两个碳酸亚丙酯分子。如图6B中所示，无规断链机制64从聚碳酸亚丙酯中移除二氧化碳分子。分解产物（例如碳酸亚丙酯和二氧化碳）升华并穿过夹层环38、38’离开储罐。

出于说明和描述的目的，已经提供了前面的实施方案的描述。其并非意在为详尽的或限制本公开。特定实施方案的各个要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适当的情况下可以互换，并且即使未具体示出或描述也可以在所选实施方案中使用。其也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改意在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.气体储罐，所述储罐包括：

包含聚合物并限定了内部隔室的内衬；

连接到所述内衬上的凸起部；

覆盖所述凸起部的一部分和所述内衬的夹层，所述夹层包含互连网络和直径大于氢气分子的直径且小于或等于大约2 nm的孔隙，所述互连网络包含碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合，并且所述夹层是非热解的；和

包含碳纤维增强复合材料的外壳，所述外壳覆盖除了与所述凸起部接触的夹层末端之外的所述夹层，使得所述夹层的夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环，

其中所述储罐构造成使得当气体穿过所述内衬扩散至夹层时，所述夹层将气体从暴露的夹层环导出。

2.根据权利要求1所述的储罐，其中所述夹层的互连网络具有大于或等于大约15%至小于或等于大约85%的孔隙率。

3.根据权利要求1所述的储罐，其中所述夹层进一步包含粘合剂，所述粘合剂选自苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯及其组合。

4.制造气体储罐的方法，所述方法包括：

将凸起部连接到限定了内部隔室的内衬上；

在所述内衬上和在所述凸起部的一部分上施加夹层，所述夹层包含互连网络和粘合剂，所述互连网络包含直径大于氢气分子的尺寸且小于或等于大约2 nm的孔隙；和

在除了与所述凸起部接触的夹层末端之外的所述夹层上形成外壳，使得所述夹层末端限定暴露于外部环境的夹层环，

其中所述储罐构造成使得当气体穿过所述内衬扩散至夹层时，所述夹层将气体从暴露的夹层环导出。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将凸起部连接到内衬上包括通过在所述凸起部的内表面上的螺纹和在所述内衬的外表面上的互补螺纹将所述凸起部旋入所述内衬。

6.根据权利要求4所述的方法，其中通过以下步骤形成所述夹层：

形成包含前体粉末和所述粘合剂的混合物；

将所述混合物的层浇铸到基底上；

干燥所述层以形成所述夹层；和

任选地压延所述夹层。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述混合物以大于或等于大约70重量%至小于或等于大约95重量%的浓度包含所述前体粉末，并且以大于或等于大约5重量%至小于或等于大约30重量%的浓度包含所述粘合剂。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述前体粉末包括碳、二氧化硅、聚合物、金属-有机骨架材料或其组合，并且所述粘合剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶、纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸(亚环己基亚丙基)酯、碳酸亚丁酯或其组合。

9.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

在施加生坯夹层之前向所述内衬和向所述凸起部的所述部分施加胶粘剂。

10.根据权利要求4所述的方法，其中所述夹层包含辅助粘合剂且为生坯形式，并且所述方法进一步包括，在所述形成之后：

在大于或等于大约90℃至小于或等于大约160℃的温度下加热所述储罐以便从所述生坯形式的夹层中除去所述辅助粘合剂的至少一部分，从而将所述生坯形式的夹层转化成多孔夹层，所述多孔夹层与所述生坯形式的夹层相比具有相对更高的孔隙率。

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