[发明专利]70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶

说明书

技术领域

本发明涉及储氢气瓶，具体涉及一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶。

背景技术

氢能是一种清洁能源，由于其燃烧后生成水，因而不会对环境造成污染。由此，各国学者都认为21世纪将是一个氢能世纪。目前，燃料电池技术被公认为是人类社会向氢能社会过渡的桥梁，已掀起全球范围的燃料电池关键技术研究、样品开发及示范应用热潮。其中，氢气的储存是燃料电池开发及应用中的关键部分之一，对燃料电池的发展和在市场中的应用具有极为重要的意义。碳纤维全缠绕高压氢气瓶是一种以铝合金为内衬碳纤维缠绕层为强度结构层的轻质超高压气瓶，工作压力可达到35MPa-70MPa，是近年来国际燃料电池领域内广泛使用的高压储氢容器。该类容器的主要缺点是由于高压压缩储氢容器受限于氢气本身的密度，其储氢量很难大幅度的提高。为提高续驶里程，70MPa高压储氢是国内外氢能储存的发展目标和研究重点。受材料生产以及技术能力的限制，我国目前还没有生产70MPa的高压储氢容器，主要依靠于进口。

在上述背景下，为了提高燃料电池汽车的续驶里程，进一步掌握具有自主产权的燃料电池的关键技术及产品，迫切的需要开发具有轻质、高耐疲劳等特性的70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶。

发明内容

本发明的目的是针对现有储氢气瓶的研制多集中于工作压力为35MPa车载储氢气瓶而导致燃料电池汽车续驶里程较低的现状，提供一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶；该气瓶具有容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种70MPa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，所述储氢气瓶包括铝合金内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层，所述碳纤维缠绕层缠绕铺设在铝合金内胆外表面，所述玻璃纤维保护层缠绕铺设在所述碳纤维缠绕层外表面。

优选的，所述碳纤维缠绕层采用的碳纤维为浸渍树脂后调节张力为30N的碳纤维。该树脂优选环氧树脂。

优选的，所述碳纤维缠绕层的缠绕铺设具体为：铝合金内胆简体部分上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层；铝合金内胆椭圆曲面尾部、肩部与简体部分均螺旋缠绕，方向一致且连续；铺层次序为4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕-4层螺旋向缠绕-4层环向缠绕。本发明中，储氢气瓶通过合理的环向和螺旋向纤维的合理铺层数量和次序来实现主应力方向的等强度。

优选的，所述碳纤维缠绕层的缠绕铺设方案的设计和校核是通过CADWIND软件和ANSYS有限元分析软件建模仿真分析来实现的；在建模过程中假设气瓶的纤维各处分布均匀，受力连续；内胆为薄壁容器，在气瓶使用时仅起密封作用，防止气体渗漏，载荷由连续纤维承担；气瓶强度由纤维全部承担，基体树脂仅起传递载荷作用，且树脂断裂延伸率足够高，纤维断裂后树脂破坏。

优选的，所述玻璃纤维保护层的缠绕铺设中铺层次序为：1层螺旋缠绕后叠加1层环向缠绕。

优选的，根据所述建模仿真确定的自紧压力，对成型后的储氢气瓶进行自紧处理。该自紧压力为116MPa。“自紧”是利用材料弹塑性、充分发挥材料强度的一种加工工艺。在选择合适的张力进行超压处理后，内胆材料出现塑性变形，外层纤维处于弹性变形阶段，当卸载后内胆的塑性变形不能消除，产生压缩应力，相应的在纤维层出现拉伸应力。当气瓶再次加载时，残余压缩应力将部分抵消内压在内胆中产生的拉应力，从而提高气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。

优选的，所述铝合金内胆包括简体部分、两端封头，其中一端封头的椭圆曲面尾部设有瓶口，所述简体部分与两端封头圆滑过渡；所述铝合金内胆公称外径为370mm，总体长度为830mm，其中所述简体部分长度为540mm，所述两端封头处椭圆曲面矢高为120mm，所述瓶口长度为40mm、外径为50mm。更优选内胆简体部分厚度为5mm，封头处厚度为8mm。

优选的，所述铝合金内胆的瓶嘴处为内螺纹密封结构，所述内螺纹为M18；所述铝合金内胆靠近瓶口段的封头椭圆曲面尾部、肩部与瓶口光滑无缝连接。内胆瓶嘴处为内螺纹，加瓶阀后可密封使用；瓶口尺寸及其瓶嘴处内螺纹尺寸的选择可以避免在内压下与简体连接的局部区域产生屈曲现象。

优选的，所述铝合金内胆材料为6061铝合金。