CN112963721B - 一种复合储氢容器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请为一种复合储氢容器及其加工方法，属于储氢容器领域，其包括容器主体，容器主体包括：铝基壳,且铝基壳具有与内腔连通的连通口；塑料内胆，塑料内胆设置于内腔且与铝基壳的内壁相连；碳纤维层，碳纤维层由碳纤维缠绕于铝基壳的外壁形成；通过上述方案，铝基壳能够不仅作为吹塑或滚塑形成塑料内胆的模型，保证塑料内胆成型在铝基壳的内壁上，提高与塑料内胆的结合性，同时铝基壳具有一定的刚性支撑能力，使得碳纤维能够紧紧的缠绕在其外壁，因此，铝基壳内壁能够与塑料内胆结合效果好，外壁能够与碳纤维树脂形成的共价键结合效果好，形成牢固的整体，受环境温度压力的影响小，产品质量稳定，高压充压泄压耐久性好。

Description

一种复合储氢容器及其加工方法

技术领域

本发明涉及储氢容器领域，尤其涉及一种复合储氢容器及其加工方法。

背景技术

目前，储氢罐制造普遍采用的是Ⅲ型和Ⅳ型。Ⅲ型储氢罐是旋压铝内胆碳纤维缠绕瓶，此Ⅲ瓶由于内胆为旋压铝，旋压铝管形成的铝罐对原材料的质量要求非常高，需要经过全面的无损探伤检测和应力消除等复杂工序，产品合格率低且价格昂贵，生产70MPa的储氢罐难度非常大。另外，由于储氢罐主要是储存高压氢，氢高压、分子量小，因此会导致氢原子渗入铝金属内，与金属内部再结合成分子，从而侵蚀储氢罐的内壁，造成氢脆现象，降低了储氢罐的使用寿命，在使用中带来安全问题。为了解决这一问题，现有技术进行了各种尝试，终于研制了Ⅳ型储氢罐，Ⅳ型储氢罐是塑料内胆纤维缠绕瓶，虽然Ⅳ型储氢罐的塑料内胆颠覆了原有的气瓶技术，其具有优异的抗氢脆腐蚀性，更轻的质量、更低的成本和使用寿命，成为引领高压储氢容器发展方向的新宠。但Ⅳ型储氢瓶也存在一定的问题，即塑料内胆存在制造工艺上的缺陷，碳纤维树脂缠绕的过程中缺少刚性支撑，受环境温度压力影响，导致产品质量不稳定，耐久性不好，容易发生塑料内胆与碳纤维树脂剥离，高压泄压耐久性达不到要求。

发明内容

本申请是为了解决现有的Ⅳ型储氢罐由于是塑料内胆直接纤维缠绕的方式，使得碳纤维缠绕缺少刚性支撑，而且受环境温度压力的影响，导致产品质量不稳定，高压泄压耐久性达不到要求，容易发生塑料内胆与碳纤维层剥离的问题，本身亲设计一种复合储氢容器及其加工方法能够解决上述问题，其具体采用的技术方案为：

一种复合储氢容器，包括容器主体，容器主体包括：

铝基壳,铝基壳具有内腔，且铝基壳具有与内腔连通的连通口；

塑料内胆，塑料内胆设置于内腔且与铝基壳的内壁相连，塑料内胆覆盖铝基壳的内壁；

碳纤维层，碳纤维层由碳纤维缠绕于铝基壳的外壁形成。

优选的，铝基壳内壁设有楔形槽，塑料内胆外壁形成有凸起，凸起能够插入楔形槽。

或者，铝基壳内壁形成有微孔，塑料内胆的外壁形成有凸起，凸起能够插入楔形槽内。

或者，铝基壳内壁同时设有楔形槽和微孔，塑料内胆的外壁形成有凸起，凸起能够插入楔形槽和微孔内。

优选的，还包括：

玻璃纤维层，玻璃纤维层设置于碳纤维层的外围，和/或还包括一保护壳，保护壳设置于玻璃纤维层的外围或碳纤维层的外围。

优选的，铝基壳包括第一铝基壳段、第二铝基壳段和第三铝基壳段，第二铝基壳段为直筒段，第一铝基壳段和第三铝基壳段为弧形段，连通口形成于弧形段，第一铝基壳段、第二铝基壳段和第三铝基壳段依次连接形成铝基壳。

优选的，碳纤维层与玻璃纤维层之间埋设有应变片式传感器。

优选的，应变片式传感器至少设置两个，其中一个应变片式传感器设置于第一铝基壳段与第二铝基壳段的连接处，另外一个应变片式传感器设置于第三铝基壳段与第二铝基壳段的连接处。

优选的，铝基壳的内壁对应连通口的位置设有固定槽，塑料内胆设置于铝基壳的内壁并伸入固定槽内。

本申请还保护一种复合储氢容器的加工方法，包括如下步骤：

a.对铝管或铝棒或铝板切割、加工成中间铝管体和两个铝管端头，对中间铝管和两个铝管端头的内壁加工固定槽或通过喷砂工艺对中间铝管和两个铝管端头的内壁形成微小细孔；

b.将中间铝管和两个铝管端头焊接，形成整体的铝基壳；

c.向铝基壳内投放塑料坯，通过塑料成型工艺形成塑料内胆，同时向塑料内胆内部输入介质，加热产生高压气体，使得塑料内胆压入铝基壳内壁并进入固定槽或微小细孔内。

在一个实施例中，上述塑料成型工艺为吹塑工艺，吹塑完成后，向塑料内胆内通入水，加热铝基壳，使得塑料内胆内部的水汽化以增大塑料内胆内部的气压，进而将塑料型坯压向铝基壳的内壁和固定槽或微小细孔内。

在一个实施例中，上述塑料成型工艺包括：

向铝基壳内投放塑料颗粒；

对铝基壳加热，使得塑料颗粒融为粘流态；

滚动铝基壳，使得融化后的塑料涂布在铝基壳的内壁并流入固定槽或微小细孔内，冷却涂布后的塑料至高弹态；

向塑料内胆内通入水，加热铝基壳，使得塑料内胆内部的水汽化以增大塑料内胆内部的气压，将塑料内胆压紧至固定或微小细孔内。

本发明通过上述技术方案，取得如下技术效果：

通过将容器主体设置成塑料内胆、铝基壳和碳纤维层等多层共同配合的形状，铝基壳位于塑料内胆与碳纤维层之间，其不仅能够作为吹塑或滚塑形成塑料内胆的模型，保证塑料内胆成型在铝基壳的内壁上，提高与塑料内胆的结合性，同时铝基壳具有一定的刚性支撑能力，使得碳纤维能够紧紧的缠绕在其外壁，因此，铝基壳内壁能够与塑料内胆结合效果好，外壁能够与碳纤维层结合效果好，形成牢固的整体，受环境温度压力的影响小，产品质量稳定，高压泄压耐久性好；另外，通过在铝基壳内壁设置楔形槽或微孔，利用高压滚塑或高压吹塑的方式，将塑料内胆紧紧的压向铝基壳内壁并与楔形槽或微孔结合，进一步提高塑料内胆和铝基壳的结合性，使的塑料内胆与铝基壳之间在复合储氢罐泄压时不容易发生剥离现象。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1、铝基壳，101、第一铝基壳段，102、第二铝基壳段，103、第三铝基壳段，2、楔形槽，3、塑料内胆，4、碳纤维层，5、玻璃纤维层，6、保护壳，7、应变片式传感器，8、固定槽，9、连通口。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示的，本申请为一种复合储氢容器及其加工方法，其中，对于该复合储氢容器，在本实施例中具体为复合储氢罐，其包括容器主体，该容器主体包括铝基壳1、塑料内胆3、碳纤维层4。

其中，铝基壳1为该复合储氢罐的基壳，其基础形状构成整个复合储氢罐的形状，其内部具有内腔，并在该铝基壳1上预留有与内腔连通的连通口9，该连通口9作为整个复合储氢罐的罐口，复合储氢罐的氢气的装入和泄出均是通过该连通口9实现的。

塑料内胆3是通过滚塑或吹塑形成在铝基壳1的内壁，进而形成塑料内胆3，其在吹塑或滚塑的过程中能够与铝基壳1的内壁贴紧，并且塑料内胆3覆盖全部的铝基壳1的内壁。

在本申请中，上述碳纤维层4指的是由碳纤维或碳纤维与其他材料形成的碳纤维复合材料，例如碳纤维与树脂组成的碳纤维复合材料，缠绕于铝基壳1的外壁所形成的，由于碳纤维树脂的抗拉强度在3500Mpa以上，对于储氢罐这种高压容器而言，需要配备高抗拉强度的碳纤维树脂材料缠绕，同时由于碳纤维树脂的拉伸强度较高，能够承受储氢罐内高压氢气的压力，减小爆破的可能性。

通过将容器主体由内之外设置为塑料内胆3、铝基壳1和碳纤维层4三层组合的形式，铝基壳1不仅能够作为滚塑或吹塑的塑料内胆3的模具，使得塑料内胆3直接在其内壁滚塑或吹塑成型，在加工容器主体时，减少了中间转运塑料内胆环节，增强了塑料内胆3与铝基壳1之间的结合性，而且铝基壳1具有一定的刚性支撑性能，使得碳纤维树脂能够紧紧的缠绕在其外壁，相较于直接在塑料内胆上缠绕纤维层的方式，铝基壳能够承受一定的外部压力，不易变形，因此，可以在缠绕碳纤维树脂时，增加铝基壳与碳纤维树脂之间缠绕的预紧力，进而可以保证碳纤维树脂“铝基壳和塑料内胆形成的容器”之间的结合紧密型，从而提高了整体的强度。同时由于铝基壳不易变形，降低了缠绕的难度，故而受环境温度压力的影响小，提高产品承压稳定性，在复合储氢罐泄压时，塑料内胆3与铝基壳1之间不会发生剥离现象，泄压耐久性好，避免传统的Ⅳ型储氢罐出现塑料内胆3与纤维缠绕层剥离的现象。

进一步的，为了进一步增强塑料内胆3与铝基壳1之间的结合性，在铝基壳1内壁设有楔形槽2，该楔形槽2布满整个铝基壳1设置，而且楔形槽2的方向各有不同，由于塑料内胆3是通过滚塑或吹塑的方式形成的塑料内胆3，因此在形成塑料内胆3的过程中，由于热塑料的变形或者塑料的流动性能，塑料会渗入楔形槽2内充满整个铝基壳1内壁上的楔形槽2，待塑料内胆3冷却后便形成凸起。该凸起能够增强与铝基壳1的结合力度，因为，复合储氢罐在泄压时，塑料内胆3与铝基壳1的收缩速度不同导致两者之间的出现轻微剥离现象，或者还可能因为塑料的热胀冷缩比大于铝的热胀冷缩比，在复合储氢容器受热时，塑料热胀大于铝基壳1的热胀，因此，利用铝基壳1对塑料内胆3进行刚性支撑和作为骨架能够阻碍塑料发生过热胀，提高整个复合储氢罐的稳定性，而由于塑料冷缩系数大于铝基壳1的冷缩系数，塑料内胆3的冷缩速度一般快于铝基壳1的冷缩速度，这难免会造成塑料内胆3会与铝基壳1发生轻微剥离，而楔形槽2恰恰能够起到铝基壳1与塑料内胆3的连接作用，避免塑料内胆3与铝基壳1在不同的热胀冷缩速度下产生的轻微剥离，使其之间牢牢结合，提高了结合强度。

或者，在一个实施例中，对于上述楔形槽2也可以通过在铝基壳1内壁形成有微孔来代替，通常情况下，铝基壳1内壁的微孔一般通过喷砂的方式实现，这样塑料内胆3的外壁凸起则很小(肉眼几乎很难看到)，即热塑料变形在高压压力下压向微孔或者在流体热塑料流至微孔内，在冷却后形成的凸起，微孔布满整个铝基壳1内壁，从而增强塑料内胆3与铝基壳1的结合性。

或者，在一个实施例中，上述铝基壳1内壁同时设有楔形槽2和微孔，在此实施例中，塑料内胆3的外壁形成有凸起，该凸起的形成与上述方式相同，同样的，上述凸起能够形成在铝基壳1的内壁同时和铝基壳1内壁的楔形槽2和微孔内。

进一步的，在一个实施例中，为了保护碳纤维层4，避免碳纤维层4因外界环境因素受到损坏，在碳纤维层4的外围还缠绕有一层玻璃纤维层5。

或者，上述玻璃纤维层5也可用一保护壳6代替，该保护壳6为塑料壳，该塑料壳采用吸塑工艺包裹在玻璃纤维层5的外部或者也可直接包裹在碳纤维层4的外部，采用塑料壳吸塑工艺包裹保护性能好，能够很好的保护内部各层，防止复合储氢罐的内部碳纤维层4或玻璃纤维层5的磕碰，同时能够很好的保证复合储氢罐的完整性，提高产品整体美观效果；当然，上述保护壳可以通过设置多种不同的颜色来区分复合储氢罐的等级或用途等。

进一步的，对于上述铝基壳1的结构，具体的包括第一铝基壳段101、第二铝基壳段102和第三铝基壳段103。

其中，第二铝基壳段102为直筒段，第一铝基壳段101和第三铝基壳段103为弧形段，第一铝基壳段101、第二铝基壳段102和第三铝基壳段103依次连接形成整体的铝基壳1。将铝基壳1设置为三段式连接的方式，一方面便于加工，包括内部楔形槽2和微孔的加工以及连通口9处固定槽8的加工，可以直接在机床上进行加工，加工工艺简单，另一方面铝基壳1的原材料提供方便，可以将现成的铝管切割为三部分，然后焊接，也可以利用多块铝板先加工成多个铝管段然后再焊接的方式。

进一步的，为了能够实时监测到复合储氢罐的内部压力导致的铝基壳1的变形情况，在碳纤维层4与玻璃纤维层5之间埋设有应变片式传感器7，该应变片式传感器7能够在铝基壳1受到内部高压氢的压力作用或泄压时发生变形时，其上的电阻值发生变化，从而实时得知铝基壳1的变形情况。

进一步的，为了较为全面的检测铝基壳1的变形情况，将上述应变片式传感器7至少设置两个，其中一个应变片式传感器7设置于第一铝基壳段101与第二铝基壳段102的连接处，另外一个应变片式传感器7设置于第三铝基壳段103与第二铝基壳段102的连接处，因为对于三段式的铝基壳1而言，其在反复受到复合储氢罐高压氢的压力作用和泄压的过程中，其压力变形最大可能发生的位置则位于第一铝基壳段101与第二铝基壳段102的连接处和第三铝基壳段103和第二铝基壳段102的连接处，所以，这两处对于铝基壳1变形最为敏感，因此主要将应变片式传感器7放置在此位置是最快也最准确的获得铝基壳1变形的信号的。

进一步的，为了提高复合储氢罐在连通口9出塑料内胆3的固定效果，在铝基壳1的内壁对应连通口9的位置设有固定槽8，需要说明的是，上述连通口9可以为一个并设置在第一铝基壳段101或第三铝基壳段103，或者，也可以设置两个，分别设置在第一铝基壳段101和第二铝基壳段102。另外，此固定槽8的设置能够加强铝基壳1与塑料内胆3在此位置的结合性。

本申请还保护一种对上述复合储氢容器的加工方法，其具体包括如下步骤：

a.对铝管、铝棒或铝板切割、加工成中间铝管体和两个铝管端头，对中间铝管和两个铝管端头的内壁加工固定槽，这里的固定槽包括上述的楔形槽2和通气口处的固定槽8，通气口处的固定槽8可以为楔形或方形或其他形状，或通过喷砂工艺对中间铝管和两个铝管端头的内壁形成微小细孔；

b.将中间铝管和两个铝管端头焊接，形成整体的铝基壳1；

c.向铝基壳1内投放塑料坯，通过塑料成型工艺形成塑料内胆3，同时向塑料内胆3内部输入介质，该介质可以产生高压气体，使得塑料内胆3压向铝基壳1内壁并进入固定槽或微小细孔内。

进一步的，在一个实施例中，上述塑料成型工艺可以为吹塑工艺，其吹塑压力不高于1MPa，吹塑完成后，向塑料内胆内通入水，此处的水最好为热水，然后通过火烤或者通过电加热铝基壳，使得塑料内胆内部的水汽化以增大塑料内胆内部的气压，加热后，塑料内胆内部气压优选在10MPa以内，高压气体使得塑料型坯压向铝基壳1的内壁和内壁上的楔形槽2内以及连通口9处的固定槽8内或微小细孔内。

进一步的，在一个实施例中，上述塑料成型工艺包括：

向铝基壳1内投放塑料颗粒；

对铝基壳1加热，使得塑料颗粒融为粘流态；

滚动铝基壳1，使得融化后的塑料涂布在铝基壳1的内壁并流入铝基壳内壁上的楔形槽2以及连通口9处的固定槽8或微小细孔内，冷却涂布后的塑料至高弹态；

向塑料内胆3内通入水，此处的水与上述相同，最好为热水，然后通过火烤或者通过电加热铝基壳，使得塑料内胆内部的水汽化以增大塑料内胆内部的气压，加热后，塑料内胆内部气压优选在10MPa以内，高压气体将塑料内胆3压紧至铝基壳内壁上的楔形槽2以及连通口9处的固定槽8或微小细孔内。

其中，通过采用向内胆中通入热水的方式对内胆内部加压，可以使得内胆在处于具有一定变形能力的软弹性状态下，利用水蒸气的高压将内胆的部分挤入楔形槽或者微小细孔内。而且，水在内胆的内部吸收内胆的热量，可以使得内胆的温度大致的与内胆内水的沸点一致的区间温度，可以防止内胆局部升温过高导致的内胆过热受损。

通过吹塑工艺或滚塑工艺直接在铝基壳内成型为塑料内胆，避免了传统的在组装容器主体时，减少了中间转运塑料内胆的环节，避免塑料内胆在转运过程中的变形，并且通过滚塑或吹塑工艺在铝基壳内壁直接成型为塑料内胆，这样能够使得塑料内胆与铝基壳之间产生连接(即塑料内胆渗入与楔形槽或微孔内形成的连接)，提高了铝基壳与塑料内胆之间的结合性。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种复合储氢容器，其特征在于，包括容器主体，所述容器主体包括：

铝基壳,所述铝基壳具有内腔，且所述铝基壳具有与所述内腔连通的连通口；

塑料内胆，所述塑料内胆设置于所述内腔且与所述铝基壳的内壁相连，所述塑料内胆覆盖所述铝基壳的内壁；

碳纤维层，所述碳纤维层由碳纤维缠绕于所述铝基壳的外壁形成；

玻璃纤维层，所述玻璃纤维层设置于所述碳纤维层的外围，和/或还包括一保护壳，所述保护壳设置于所述玻璃纤维层的外围或所述碳纤维层的外围；

所述铝基壳包括第一铝基壳段、第二铝基壳段和第三铝基壳段，所述第二铝基壳段为直筒段，所述第一铝基壳段和所述第三铝基壳段为弧形段，所述连通口形成于弧形段，所述第一铝基壳段、第二铝基壳段和第三铝基壳段依次连接形成所述铝基壳；

所述碳纤维层与所述玻璃纤维层之间埋设有应变片式传感器；

所述应变片式传感器至少设置两个，其中一个所述应变片式传感器设置于所述第一铝基壳段与所述第二铝基壳段的连接处，另外一个所述应变片式传感器设置于所述第三铝基壳段与所述第二铝基壳段的连接处。

2.根据权利要求1所述的一种复合储氢容器，其特征在于，所述铝基壳内壁设有楔形槽和/或形成有微孔，所述塑料内胆外壁形成有凸起，所述凸起能够插入所述楔形槽和/或微孔内。

3.根据权利要求1所述的一种复合储氢容器，其特征在于，所述铝基壳的内壁对应所述连通口的位置设有固定槽，所述塑料内胆设置于所述铝基壳的内壁并伸入所述固定槽内。

4.一种复合储氢容器的加工方法，用于加工权利要求1至3中任意一项所述的复合储氢容器，其特征在于，包括如下步骤：

a.对铝管或铝棒或铝板切割、加工成中间铝管体和两个铝管端头，对中间铝管和两个铝管端头的内壁加工固定槽或通过喷砂工艺对中间铝管和两个铝管端头的内壁形成微小细孔；

b.将中间铝管和两个铝管端头焊接，形成整体的铝基壳；

c.向铝基壳内投放塑料坯，通过塑料成型工艺形成塑料内胆，同时向塑料内胆内部输入介质，加热产生高压气体，使得塑料内胆压入铝基壳内壁并进入固定槽或微小细孔内；

d.碳纤维层由碳纤维缠绕于所述铝基壳的外壁形成碳纤维层；

e.所述玻璃纤维层设置于所述碳纤维层的外围，所述碳纤维层与所述玻璃纤维层之间埋设有应变片式传感器，其中一个所述应变片式传感器设置于所述第一铝基壳段与所述第二铝基壳段的连接处，另外一个所述应变片式传感器设置于所述第三铝基壳段与所述第二铝基壳段的连接处。

5.根据权利要求4所述的复合储氢容器的加工方法，其特征在于，塑料成型工艺为吹塑工艺，吹塑完成后，向塑料内胆内通入水，加热铝基壳，使得塑料内胆内部的水汽化以增大塑料内胆内部的气压，进而将塑料型坯压入铝基壳的内壁和固定槽或微小细孔内。

6.根据权利要求4所述的复合储氢容器的加工方法，其特征在于，塑料成型工艺包括：

向铝基壳内投放塑料颗粒；

对铝基壳加热，使得塑料颗粒融为粘流态；

滚动铝基壳，使得融化后的塑料涂布在铝基壳的内壁并流入固定槽或微小细孔内，冷却涂布后的塑料至高弹态；

向塑料内胆内通入水，加热铝基壳，使得塑料内胆内部的水汽化以增大塑料内胆内部的气压，进而将塑料内胆压紧至固定槽或微小细孔内。

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