CN115095789A - 一种无内衬深冷高压储氢气瓶及其制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高压容器制造技术领域，具体包括一种无内衬深冷高压储氢气瓶及其制备装置，无内衬深冷高压储氢气瓶以复合材料层为瓶体，复合材料层两端设有气瓶接头；复合材料层包括固化碳纤维层和具有阻隔氢气作用的阻气层；固化碳纤维层由若干层纤维网平行叠加而成；阻气层均匀分布在纤维网间。与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过添加阻气层去除传统气瓶中的内胆，避免循环载荷造成的内胆塌陷问题，通过对树脂进行改性，降低树脂弹性模量，提高树脂强度，避免复合材料层产生横向开裂，从而提高气瓶在深冷高压下的力学性能。无内衬深冷高压储氢气瓶的制备装置，包括芯模铸造模具、纤维丝束缠绕装置和芯模加热固化装置。

Description

一种无内衬深冷高压储氢气瓶及其制备装置
技术领域
本发明属于高压容器制造技术领域，具体涉及一种无内衬深冷高压储氢气瓶及其制备装置。
背景技术
氢能作为可再生清洁能源，对构建低碳高效的现代能源体系，实现“碳达峰、碳中和”的环境发展目标具有重要意义。为推动我国氢能产业科学发展，国家各部委先后印发《新能源汽车产业发展规划2021-2035》等文件，形成以交通运输行业为驱动的氢能发展国家战略。
高效安全的车载储氢技术是交通运输装备关注的重点。深冷高压氢以突出的储氢效率、安全性，成为运输装备使用清洁能源的最优解决方案。
深冷高压储氢是指利用绝热、耐压气瓶将氢以超临界态储存在低温（20-50 K）、高压（35 MPa）复合工况下，与车载液氢相比，具有无损维持时间长、加注速度快、耐压性能高等显著优势，能够解决目前车载液氢研究面临的漏热蒸发率高、加注损耗大、供氢压力低等难点。
但是，在深冷、高压两种极端工况的共同作用，对储氢气瓶材料性能、结构设计和试验条件提出了极高要求，在低温和循环压力的作用下，传统的塑料内胆缠绕碳纤维方法制备的Ⅳ型瓶常常出现内胆塌陷和复合材料横向开裂的问题。
因此，如何避免内胆塌陷和提高复合材料低温力学性能，是本发明需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供去除传统气瓶中的内胆，避免循环载荷造成的内胆塌陷问题的无内衬深冷高压储氢气瓶及其制备装置。
本发明的技术方案：本发明所述的无内衬深冷高压储氢气瓶制备方法，包括以复合材料层为瓶体，所述复合材料层两端设有气瓶接头；所述复合材料层包括固化碳纤维层和具有阻隔氢气作用的阻气层；
所述固化碳纤维层由若干层纤维网平行叠加而成；所述阻气层均匀分布在所述纤维网间。
进一步的，所述阻气层为聚乙烯膜或聚乙烯粉末层。
进一步的，所述固化碳纤维层碳纤维丝和改性树脂溶液而成，所述改性树脂溶液包括环氧树脂溶液、固化剂以及3-10wt.%的聚乙二醇、3-10wt.%的SiO2纳米颗粒和0.3-0.7wt.%的氧化石墨烯粉末。
进一步的，所述阻气层设有3-5层。
进一步的，所述固化碳纤维层包括纤维缠绕方向沿瓶体长度方向的纵向缠绕纤维层和纤维缠绕方向沿瓶体圆周方向的环向缠绕纤维层。
所述环向缠绕纤维层包括第一环向缠绕纤维层和第二环向缠绕纤维层；
所述固化碳纤维层从内到外依次设有缠绕厚度相同的第一环向缠绕纤维层、纵向缠绕纤维层和第二环向缠绕纤维层。
进一步的，所述第二环向缠绕纤维层由内到外依次设有初始碳纤维丝层和混合层；
所述初始碳纤维丝层由碳纤维丝厚度为所述复合材料层壁厚的1/20；
所述混合层包括由若干组所述纤维网平行叠加的纤维网层和均匀分布在所述纤维网间的阻气层。
本发明还公开了一种无内衬深冷高压储氢气瓶制备装置，包括芯模铸造模具、纤维丝束缠绕装置和芯模加热固化装置；
所述芯模铸造模具包括芯模模腔和沿所述芯模模腔长度方向贯穿所述芯模模腔的缠绕轴；所述芯模模腔顶端设有浇筑口；
所述纤维丝束缠绕装置包括沿工序依次设置的提供碳纤维丝的纱线轮、调控所述碳纤维丝张力的纱线张紧机构、浸胶槽、纱线缠绕装置和芯模旋转装置；
所述浸胶槽内设有改性树脂；所述纱线缠绕装置用于将浸有改性树脂的碳纤维丝编织到固定在所述芯模旋转装置的芯模上。
进一步的，所述改性树脂溶液包括环氧树脂溶液、固化剂以及3-10wt.%的聚乙二醇、3-10wt.%的SiO2纳米颗粒和0.3-0.7 wt.%的氧化石墨烯粉末。
进一步的，所述芯模加热固化装置包括芯模支架、包裹所述芯模的耐高温密封袋和固化炉；所述密封袋一侧设有真空泵；所述芯模支架底部设有芯模材料收集器；所述芯模材料收集器通过引流道连接所述芯模底端。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.通过添加阻气层，去除传统气瓶中的内胆，避免循环载荷造成的内胆塌陷问题。
2.通过对树脂进行改性，降低树脂弹性模量，提高树脂强度，避免复合材料层产生横向开裂，从而提高气瓶在深冷高压下的力学性能。
附图说明
图1为本发明中无内衬深冷高压储氢气瓶的剖面结构示意图；
图2为本发明中芯模加热固化装置的整体结构示意图；
图3为本发明中芯模铸造模具的整体结构示意图；
图4为本发明中芯模铸造模具的剖面分解示意图；
图5为本发明中纤维丝束缠绕装置的整体结构示意图；
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，本发明中一种无内衬深冷高压储氢气瓶，以复合材料层2为瓶体，复合材料层2两端设有气瓶接头；复合材料层2包括固化碳纤维层和具有阻隔氢气作用的阻气层；固化碳纤维层由碳纤维丝和改性树脂溶液复合而成，改性树脂溶液包括环氧树脂溶液、固化剂以及3-10wt.%的聚乙二醇、3-10wt.%的SiO2纳米颗粒和0.3-0.7 wt.%的氧化石墨烯粉末。固化碳纤维层有若干层纤维网平行叠加而成；阻气层均匀分布在纤维网间。
固化碳纤维层包括纤维缠绕方向沿瓶体长度方向的纵向缠绕纤维层22和纤维缠绕方向沿瓶体圆周方向的环向缠绕纤维层。
环向缠绕纤维层包括第一环向缠绕纤维层21和第二环向缠绕纤维层23；
固化碳纤维层从内到外依次设有缠绕厚度相同的第一环向缠绕纤维层21、纵向缠绕纤维层22和第二环向缠绕纤维层23。
第二环向缠绕纤维层23由内到外依次设有初始碳纤维丝层和混合层；初始碳纤维丝层厚度为复合材料层2壁厚的1/20；
混合层包括若干组纤维网平行叠加的纤维网层和均匀分布在纤维网间的阻气层。
阻气层设有3-5层，为聚乙烯膜或聚乙烯粉末层。
如图2-4，本发明还公开了一种无内衬深冷高压储氢气瓶制备装置，包括芯模铸造模具、纤维丝束缠绕装置和芯模加热固化装置。
芯模铸造模具包括芯模模腔71、沿芯模模腔71长度方向贯穿芯模模腔71的缠绕轴10和用于支撑芯模模腔71及缠绕轴10的固定座72；芯模模腔71顶端设有浇筑口70，用于浇筑熔融芯模材料9，芯模模腔71另一端被缠绕轴10穿过，缠绕轴10和芯模模腔71之间贴有密封圈74，用于防止熔融状态的芯模材料泄露；
缠绕轴10熔融温度或者软化温度要大于芯模材料熔融温度；
支撑芯模模腔71为哈弗模具，由对称的两部分组成，通过螺栓组73连接；
固定座72包括匹配芯模模腔71外端面的芯模固定槽721和匹配缠绕轴10的轴固定槽722。
芯模1和缠绕轴10放置于芯模支架12上，芯模支架12与模具外壁面和缠绕轴10相契合，两侧开有槽口用于放置模具凸出部位，底端开有圆孔用于放置缠绕轴，芯模支架12可用铸铁或者钢材制作。
将芯模材料融化，浇筑进芯模模腔71，静置降温，待芯模材料完全凝固后，拆除模具；使用抛光机对芯模进行打磨抛光，保证芯模10表面光滑平整。
其中，芯模材料可以选择金属锡（熔点231.89°C）或熔融温度在210℃-300℃区间的其他材料。芯模10根据气瓶尺寸定制，与气瓶内壁形状保持一致。
纤维丝束缠绕装置包括沿工序依次设置的提供碳纤维丝的纱线轮81、调控碳纤维丝的张力的纱线张紧机构、浸胶槽、纱线缠绕装置和芯模旋转装置；
浸胶槽内设有改性树脂；纱线缠绕装置用于将浸有改性树脂的碳纤维丝编织到芯模1上。
其中，浸胶槽内放置的改性树脂溶液包括环氧树脂溶液、固化剂以及3-10wt.%的聚乙二醇、3-10wt.%的SiO2纳米颗粒和0.3-0.7 wt.%的氧化石墨烯粉末。
芯模加热固化装置包括芯模支架12、包裹芯模的耐高温密封袋11和固化炉；密封袋11一侧设有真空泵；芯模支架12底部设有芯模材料收集器13；芯模材料收集器13通过引流道连接芯模1底端。
其中，纵向缠绕是缠绕机84的绕丝嘴在固定的平面内作均匀速度圆周运动，芯模1绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，芯模1旋转一个相当于芯模1表面上一个纱片宽度的微小角度；
环向缠绕是芯模1绕自身轴线匀速旋转，缠绕机84的绕丝嘴沿芯模1筒体轴线平行方向移动，芯模1每转一周，绕丝嘴移动一个纱片宽度。
碳纤维丝通过张力控制机构82后进入浸胶槽6，张力控制机构82包含张紧轮821，张紧轮821可以上下移动，从而控制纤维张紧程度；
碳纤维丝通过张紧机构82进入浸胶槽6，对碳纤维丝进行预浸渍；浸胶槽6内装有压线轮831，碳纤维丝通过压线轮831进入绕丝嘴，预浸渍后的碳纤维丝在绕丝嘴的带动下进行纤维缠绕；浸胶槽6内盛装改性树脂，浸胶槽内的改性树脂的高度要高于压线轮底端。
碳纤维丝先在芯模表面进行环向缠绕，达到初始碳纤维丝层厚度时，先暂停缠绕，开始铺设阻气层；初始碳纤维丝层的纤维层数不少于3层，若总层数较少时，可取3层。
阻气层选取具有阻隔氢气的薄膜，优先选取聚乙烯膜作为阻气膜，阻气膜厚度一般为0.05-0.3mm；阻气膜铺设时沿着储氢瓶轴身进行，以碳纤维丝与瓶身相切点为起点，环绕瓶身一周结束；对储氢瓶两端及肩部位置阻气膜进行剪裁，保证阻气膜完整覆盖住气瓶瓶身；
进一步地，继续缠绕碳纤维丝，使得碳纤维丝完全覆盖阻气膜时停止缠绕，然后铺设第二层阻气膜，循环往复。
阻气层除选用薄膜外，还可选用聚乙烯粉末，浸渍碳纤维丝表面粘度较高，可在气瓶缠绕过程中通过瓶身均匀涂抹聚乙烯粉末，聚乙烯粉末在高温下熔融形成薄膜，以此达到阻隔氢气的目的。
在阻气层全部添加完成后，进行环向缠绕，然后在深冷高压储氢气瓶两端添加接头，气瓶接头为钢、铝合金等金属材料，用于连接加氢、供氢管路；接头为碗式接头，两侧凸出，内部有内螺纹，螺纹孔直径大于缠绕轴直径。接头添加后继续进行环向缠绕，直至纤维厚度与接头外圈一致。
碳纤维丝在缠绕的过程中依次进行环向缠绕、纵向缠绕和环向缠绕；在碳纤维缠绕过程中，通过调节张力控制机构82调整纤维层间受力，从而保证阻气层与碳纤维层紧密结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：以复合材料层（2）为瓶体，所述复合材料层（2）两端设有气瓶接头；所述复合材料层（2）包括固化碳纤维层和具有阻隔氢气作用的阻气层；
所述固化碳纤维层由若干层纤维网平行叠加而成；所述阻气层均匀分布在所述纤维网间。
2.根据权利要求1所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述阻气层为聚乙烯膜或聚乙烯粉末层。
3.根据权利要求1或2所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述固化碳纤维层由碳纤维丝和改性树脂溶液复合而成，所述改性树脂溶液包括环氧树脂溶液、固化剂以及3-10wt.%的聚乙二醇、3-10wt.%的SiO2纳米颗粒和0.3-0.7wt.%的氧化石墨烯粉末。
4.根据权利要求1所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述阻气层设有3-5层。
5.根据权利要求1所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述固化碳纤维层包括纤维缠绕方向沿瓶体长度方向的纵向缠绕纤维层（22）和纤维缠绕方向沿瓶体圆周方向的环向缠绕纤维层。
6.根据权利要求3所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述环向缠绕纤维层包括第一环向缠绕纤维层（21）和第二环向缠绕纤维层（23）；
所述固化碳纤维层从内到外依次设有缠绕厚度相同的第一环向缠绕纤维层（21）、纵向缠绕纤维层（22）和第二环向缠绕纤维层（23）。
7.根据权利要求5所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述第二环向缠绕纤维层（23）由内到外依次设有初始碳纤维丝层和混合层；
所述初始碳纤维丝层数为总层数的1/20；
所述混合层包括由若干组所述纤维网平行叠加的纤维网层和均匀分布在所述纤维网间的阻气层。
8.一种无内衬深冷高压储氢气瓶制备装置，其特征在于：包括芯模铸造模具、纤维丝束缠绕装置和芯模加热固化装置；
所述芯模铸造模具包括芯模模腔（71）和沿所述芯模模腔（71）长度方向贯穿所述芯模模腔（71）的缠绕轴（10）；所述芯模模腔（71）顶端设有浇筑口（70）；
所述纤维丝束缠绕装置包括沿工序依次设置的提供碳纤维丝的纱线轮（81）、调控所述碳纤维丝张力的纱线张紧机构（82）、浸胶槽（83）、纱线缠绕装置（84）和芯模旋转装置（85）；
所述浸胶槽内设有改性树脂；所述纱线缠绕装置（84）用于将浸有改性树脂的碳纤维丝编织到固定在所述芯模旋转装置（85）的芯模（1）上。
9.根据权利要求8所述的无内衬深冷高压储氢气瓶制备装置，其特征在于：所述芯模加热固化装置包括芯模支架（12）、包裹所述芯模的耐高温密封袋（11）和固化炉；所述密封袋（11）一侧设有真空泵；所述芯模支架（12）底部设有芯模材料收集器（13）；所述芯模材料收集器（13）通过引流道连接所述芯模（1）底端。
10.根据权利要求8所述的无内衬深冷高压储氢气瓶制备装置，其特征在于：所述改性树脂溶液包括环氧树脂溶液、固化剂以及3-10wt.%的聚乙二醇、3-10wt.%的SiO2纳米颗粒和0.3-0.7 wt.%的氧化石墨烯粉末。
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