CN112856206A - 一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶及其制作方法 - Google Patents

一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶及其制作方法，包括瓶体和金属瓶口组件，瓶体包括由内到外依次连接的塑料内胆、缠绕层和外保护层，塑料内胆包括由内到外依次粘合的塑料内胆内层、塑料内胆隔离层和塑料内胆外层，金属瓶口组件包括镶嵌底座和阀座，镶嵌底座与塑料内胆熔合粘结为一体。本发明设置有采用多层结构设计的塑料内胆，有效地提高了内胆的抗氢渗透性；镶嵌底座的表面处理，增强了与聚合物之间的粘结能力，可降低泄漏隐患；弹簧蓄能密封圈的使用，大大加强了氢气瓶的密封能力与耐压能力；另外在保障高性能的前提下，优化缠绕方案，采用成本更低的碳纤维，从而降低制造成本。

Description

一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维全缠绕复合材料高压储氢气瓶，尤其涉及一种用于存储70Mpa高压气态氢气的塑料内胆复合材料高压储氢瓶及其制作方法。
背景技术
氢能是一种高效清洁能源，拥有来源丰富、洁净环保和可储运等优点，被誉为世纪最具发展潜力的二次能源，尤其是在汽车领域，氢能与电能被视为未来替代能源的最佳选择。
车载储氢技术是氢燃料电池汽车发展的关键，直接影响氢燃料电池汽车的续航里程和成本等。气态储氢技术成熟、应用广泛、成本低，是目前储氢应用的主要方式。而储氢瓶是储氢系统的核心，成本占储氢系统成本的1/3左右，车用储氢瓶向着高压化、轻量化、低成本、质量稳定的方向发展。
目前，美国Quantum公司、Hexagon Lincoln公司、通用汽车公司、丰田汽车公司等国外多家知名企业，研制的非金属内胆纤维全缠绕高压储氢气瓶的设计工作压力为70Mpa，具有较好的疲劳寿命、耐腐蚀、重容比小等特点；但塑料非金属内胆存在抗渗透性差、质量不稳定，与金属阀座的熔接工艺可能存在潜在的泄漏隐患等问题，另外工艺比较复杂，制造成本高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计了一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶及其制作方法。
本发明采用如下技术方案：
一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，包括瓶体和金属瓶口组件，瓶体包括由内到外依次连接的塑料内胆、缠绕层和外保护层，塑料内胆包括由内到外依次粘合的塑料内胆内层、塑料内胆隔离层和塑料内胆外层，金属瓶口组件包括镶嵌底座和阀座，镶嵌底座与塑料内胆熔合粘结为一体，镶嵌底座中心设置有中心连接孔，镶嵌底座的中心连接孔内通过螺纹与阀座螺纹连接，阀座外侧底部挤压与镶嵌底座内侧熔合粘结的塑料内胆部分形成密封。
作为优选，所述塑料内胆内层和塑料内胆外层优选为HDPE层或PA层。以提高材料的韧性、耐高低温老化性、耐低温冲击性能、氢气充放疲劳性能、与阻隔层相容性。
作为优选，所述塑料内胆阻隔层优选为EVOH层。EVOH层具有较好的气体阻隔性能，以提高气瓶内胆的抗氢渗透性能。塑料内胆采用滚塑工艺制作而成。
作为优选，所述镶嵌底座底部拥有球形面与塑料内胆相接触熔合粘结为一体。
作为优选，所述镶嵌底座的中心连接孔内底部设置有截面为齿形的环形凹槽，镶嵌底座通过中心连接孔内底部的环形凹槽与塑料内胆相接触熔合粘结为一体。
作为优选，所述镶嵌底座的中心连接孔内设置有锥形内螺纹，阀座上部对应设置有锥形外螺纹，镶嵌底座与阀座螺纹连接，镶嵌底座优选为铝合金底座，镶嵌底座表面进行硅烷化预处理。锥形内螺纹连接保证密封与连接。铝合金底座可选7075-T6或6061-T6。硅烷化预处理以提高金属与聚合物界面的粘结强度，通过滚塑工艺与塑料内胆粘结为一体，使得树脂与金属瓶口组件表面形成可靠粘结。
作为优选，所述阀座为套筒结构，阀座外侧下部设有多道密封槽，多道密封槽内分别安装有弹簧蓄能密封圈，弹簧蓄能密封圈与塑料内胆挤压形成密封，阀座顶部设置螺纹连接接口或快速插接接口。阀座材料优选不锈钢。
作为优选，所述缠绕层为碳纤维缠绕层，由碳纤维在塑料内胆外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层而成，缠绕层与塑料内胆间连接有粘接剂层。缠绕方案由仿真优化设计获得，缠绕层与塑料内胆之间存在粘接剂，通过共固化，在缠绕层复合材料与粘接剂的界面，形成交联网络结构，实现缠绕层与内胆高效粘接。缠绕层材料优选大丝束24K的T700级碳纤维成本更低，效率更高，可降低成本。
作为优选，所述外保护层为玻璃纤维强化树脂层，由玻璃纤维在缠绕层外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层而成。通过缠绕工艺，将镶嵌底座与缠绕层共同固化为一体。
一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶的制作方法，其步骤是：一、将镶嵌底座与塑料内胆的胚体两端分别熔接在一起；
二、将塑料内胆的坯体通过滚塑工艺一层层形成塑料内胆；
三、在塑料内胆外涂上一层粘结剂层，由碳纤维在塑料内胆外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层形成缠绕层，由玻璃纤维在缠绕层外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层形成外保护层；
四、将阀座通过锥形外螺纹与镶嵌底座的内螺纹螺纹连接拧紧，拧紧后，阀座外侧下部的多道密封槽内弹簧蓄能密封圈与塑料内胆挤压形成密封，完成整个塑料内胆复合材料高压储氢瓶的制作。
本发明的有益效果是：本发明设置有采用多层结构设计的塑料内胆，有效地提高了内胆的抗氢渗透性；镶嵌底座的表面处理，增强了与聚合物之间的粘结能力，可降低泄漏隐患；弹簧蓄能密封圈的使用，大大加强了氢气瓶的密封能力与耐压能力；另外在保障高性能的前提下，优化缠绕方案，采用成本更低的碳纤维，从而降低制造成本。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明中塑料内胆截面的一种结构示意图；
图3是本发明中金属瓶口组件的一种结构示意图；
图4是本发明中塑料内胆和缠绕层间粘结的一种结构示意图；
图中：1、塑料内胆；1-1、塑料内胆内层；1-2、塑料内胆阻隔层；1-3、塑料内胆外层；1-4、镶嵌底座；1-5、阀座；2、缠绕层；3、外保护层；4、弹簧蓄能密封圈；5、 粘接剂层。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例：如附图1-4所示，一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，包括瓶体和金属瓶口组件，瓶体包括由内到外依次连接的塑料内胆1、缠绕层2和外保护层3，塑料内胆包括由内到外依次粘合的塑料内胆内层1-1、塑料内胆隔离层1-2和塑料内胆外层1-3，金属瓶口组件包括镶嵌底座1-4和阀座1-5，镶嵌底座与塑料内胆熔合粘结为一体，镶嵌底座中心设置有中心连接孔，镶嵌底座的中心连接孔内通过螺纹与阀座螺纹连接，阀座外侧底部挤压与镶嵌底座内侧熔合粘结的塑料内胆部分形成密封。
塑料内胆内层和塑料内胆外层优选为HDPE层。以提高材料的韧性、耐高低温老化性、耐低温冲击性能、氢气充放疲劳性能、与阻隔层相容性。
塑料内胆阻隔层优选为EVOH层。EVOH层具有较好的气体阻隔性能，以提高气瓶内胆的抗氢渗透性能。塑料内胆采用滚塑工艺制作而成。
镶嵌底座底部拥有球形面与塑料内胆相接触熔合粘结为一体。
镶嵌底座的中心连接孔内底部设置有截面为齿形的环形凹槽，镶嵌底座通过中心连接孔内底部的环形凹槽与塑料内胆相接触熔合粘结为一体。
镶嵌底座的中心连接孔内设置有锥形内螺纹，阀座上部对应设置有锥形外螺纹，镶嵌底座与阀座螺纹连接，镶嵌底座优选为铝合金底座，镶嵌底座表面进行硅烷化预处理。锥形内螺纹连接保证密封与连接。铝合金底座可选7075-T6。硅烷化预处理以提高金属与聚合物界面的粘结强度，通过滚塑工艺与塑料内胆粘结为一体，使得树脂与金属瓶口组件表面形成可靠粘结。
阀座为套筒结构，阀座外侧下部设有两道密封槽，两道密封槽内分别安装有弹簧蓄能密封圈4，弹簧蓄能密封圈与塑料内胆挤压形成密封，阀座顶部设置螺纹连接接口或快速插接接口。阀座材料优选不锈钢。
缠绕层为碳纤维缠绕层，由碳纤维在塑料内胆外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层而成，缠绕层与塑料内胆间连接有粘接剂层5。缠绕方案由仿真优化设计获得，缠绕层与塑料内胆之间存在粘接剂，通过共固化，在缠绕层复合材料与粘接剂的界面，形成交联网络结构，实现缠绕层与内胆高效粘接。缠绕层材料优选大丝束24K的T700级碳纤维成本更低，效率更高，可降低成本。
外保护层为玻璃纤维强化树脂层，由玻璃纤维在缠绕层外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层而成。通过缠绕工艺，将镶嵌底座与缠绕层共同固化为一体。
该塑料内胆复合材料高压储氢瓶的制作方法，其步骤是：
一、将镶嵌底座与塑料内胆的胚体两端分别熔接在一起；
二、将塑料内胆的坯体通过滚塑工艺一层层形成塑料内胆；
三、在塑料内胆外涂上一层粘结剂层，由碳纤维在塑料内胆外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层形成缠绕层，由玻璃纤维在缠绕层外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层形成外保护层；
四、将阀座通过锥形外螺纹与镶嵌底座的内螺纹螺纹连接拧紧，拧紧后，阀座外侧下部的多道密封槽内弹簧蓄能密封圈与塑料内胆挤压形成密封，完成整个塑料内胆复合材料高压储氢瓶的制作。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，包括瓶体和金属瓶口组件，瓶体包括由内到外依次连接的塑料内胆、缠绕层和外保护层，其特征是，所述塑料内胆包括由内到外依次粘合的塑料内胆内层、塑料内胆隔离层和塑料内胆外层，金属瓶口组件包括镶嵌底座和阀座，镶嵌底座与塑料内胆熔合粘结为一体，镶嵌底座中心设置有中心连接孔，镶嵌底座的中心连接孔内通过螺纹与阀座螺纹连接，阀座外侧底部挤压与镶嵌底座内侧熔合粘结的塑料内胆部分形成密封。
2.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述塑料内胆内层和塑料内胆外层优选为HDPE层或PA层。
3.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述塑料内胆阻隔层优选为EVOH层。
4.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述镶嵌底座底部拥有球形面与塑料内胆相接触熔合粘结为一体。
5.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述镶嵌底座的中心连接孔内底部设置有截面为齿形的环形凹槽，镶嵌底座通过中心连接孔内底部的环形凹槽与塑料内胆相接触熔合粘结为一体。
6.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述镶嵌底座的中心连接孔内设置有锥形内螺纹，阀座上部对应设置有锥形外螺纹，镶嵌底座与阀座螺纹连接，镶嵌底座优选为铝合金底座，镶嵌底座表面进行硅烷化预处理。
7.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述阀座为套筒结构，阀座外侧下部设有多道密封槽，多道密封槽内分别安装有弹簧蓄能密封圈，弹簧蓄能密封圈与塑料内胆挤压形成密封，阀座顶部设置螺纹连接接口或快速插接接口。
8.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述缠绕层为碳纤维缠绕层，由碳纤维在塑料内胆外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层而成，缠绕层与塑料内胆间连接有粘接剂层。
9.根据权利要求1所述的一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶，其特征是，所述外保护层为玻璃纤维强化树脂层，由玻璃纤维在缠绕层外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层而成。
10.一种塑料内胆复合材料高压储氢瓶的制作方法，其特征是，其步骤是：一、将镶嵌底座与塑料内胆的胚体两端分别熔接在一起；
二、将塑料内胆的坯体通过滚塑工艺一层层形成塑料内胆；
三、在塑料内胆外涂上一层粘结剂层，由碳纤维在塑料内胆外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层形成缠绕层，由玻璃纤维在缠绕层外纵向螺旋缠绕和环向缠绕交替缠绕若干层形成外保护层；
四、将阀座通过锥形外螺纹与镶嵌底座的内螺纹螺纹连接拧紧，拧紧后，阀座外侧下部的多道密封槽内弹簧蓄能密封圈与塑料内胆挤压形成密封，完成整个塑料内胆复合材料高压储氢瓶的制作。
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