專利名稱：固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固定式燃料電池，更具體的說，涉及一種固燃料電池用小容積氫氣鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶。
背景技術(shù)：
伴隨著對(duì)備用電源持續(xù)供電時(shí)間及環(huán)境友好程度要求的不斷提高，固定式燃料電池技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域一備用電源系統(tǒng)，也同樣得到了越來越多的實(shí)際應(yīng)用，并成為目前國(guó)際備用電源新技術(shù)的重要發(fā)展方向。在北美、歐洲和日本，燃料電池已經(jīng)開始取代常規(guī)電池用作電子元件、無線發(fā)射塔以及其他重要通信設(shè)施的備用電源。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)備用電源的需求也日益增大，如移動(dòng)通信基站、軍事、政府、銀行等一些特定部門的 備用電源，需要配備技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性好且環(huán)境友好的備用電源。燃料電池排放的只有水，對(duì)環(huán)境是零污染，其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣會(huì)對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境起到保護(hù)作用，其可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于國(guó)家安全有著重大意義。然而要推動(dòng)固定式燃料電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如何能更好解決燃料電池的儲(chǔ)氫問題就顯得尤為重要。高壓儲(chǔ)氫氣瓶具有儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備的能耗較少、灌裝速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為氫能儲(chǔ)運(yùn)的主要方式。迄今為止，國(guó)內(nèi)關(guān)于固定式燃料電池的應(yīng)用，尤其是分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的示范項(xiàng)目中，一般是采用現(xiàn)場(chǎng)式燃料重整制氫技術(shù)或者是用一般鋼瓶?jī)?chǔ)存氫氣。但是，這兩種方式均存在一定的缺陷，前者由于在燃料重整過程中涉及到高溫高壓，會(huì)對(duì)燃料電池發(fā)電過程的安全性產(chǎn)生影響，并且現(xiàn)場(chǎng)生成的氫氣無法儲(chǔ)存；而后者由于普通鋼瓶質(zhì)量較重，使得儲(chǔ)氫量?jī)H為Iwt. %，會(huì)造成發(fā)電過程中需頻繁的更換氣瓶，從而使分布式燃料電池系統(tǒng)管理過程復(fù)雜化。因此，開發(fā)具有輕質(zhì)、小容積、高耐疲勞等特性的適用于固定式燃料電池的高壓儲(chǔ)氫氣瓶極具迫切性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，該儲(chǔ)氫氣瓶具有容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案以下一種固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，主要由鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞層和玻璃纖維保護(hù)層構(gòu)成，鋁內(nèi)膽瓶嘴處為內(nèi)螺紋密封結(jié)構(gòu)，在所述鋁內(nèi)膽的筒體表面上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層，與瓶口光滑無縫連接的內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與筒體段的螺旋纏繞方向一致且連續(xù)，所述纏繞層是由張力控制且浸潰樹脂的碳纖維纏繞層，再在外表面上纏繞所述的玻璃纖維保護(hù)層。所述招內(nèi)膽內(nèi)徑190mm,總體為長(zhǎng)度560mm,其中筒體段長(zhǎng)度為410mm ;兩端封頭處橢圓曲面矢高為63mm，一端含有內(nèi)螺紋為M18、長(zhǎng)度為24mm的瓶口光滑與橢球光滑無縫連接，該尺寸的選擇可以避免在內(nèi)壓下與筒體連接的局部區(qū)域產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象。內(nèi)膽筒身段厚度為3mm,封頭處厚度為5mm,筒身與封頭圓滑過渡。本發(fā)明中儲(chǔ)氫氣瓶復(fù)合材料纏繞鋪層方案的設(shè)計(jì)和校核是分別通過CADWIND軟件和ANSYS有限元分析軟件來實(shí)現(xiàn)的。在建模過程中有如下假設(shè)即氣瓶的纖維各處分布均勻，同時(shí)受力連續(xù)；內(nèi)膽為薄壁容器，在氣瓶使用時(shí)僅起密封作用，防止氣體滲漏，載荷由連續(xù)纖維承擔(dān)；氣瓶強(qiáng)度由纖維全部承擔(dān)，基體樹脂僅起傳遞載荷作用，且樹脂斷裂延伸率足夠高，纖維斷裂后樹脂破壞。氣瓶通過合理的環(huán)向和螺旋向纖維的合理鋪層數(shù)量和次序來實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力方向的等強(qiáng)度。其具體纏繞方式為在鋁內(nèi)膽的筒體表面上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層，與瓶口光滑無縫連接的內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與筒體段的螺旋纏繞方向一致且連續(xù)，鋪層次序?yàn)镮ztr90i^14-J2 ,t.|:±9Cy·該式表示4層環(huán)向纏繞+4層螺旋纏繞+4層環(huán)向纏繞+4層螺旋纏繞+2層環(huán)向纏繞+2層螺旋纏繞+2層環(huán)向纏繞。本發(fā)明中儲(chǔ)氫氣瓶在碳纖維纏繞完畢后，在外表面纏繞玻璃纖維復(fù)合材料層為保 護(hù)層，其鋪層次序?yàn)镮層螺旋纏繞+1層環(huán)向纏繞。本發(fā)明中儲(chǔ)氫氣瓶制造加工后，利用建模仿真所確定的自緊壓力，即58MPa，對(duì)成型后的儲(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行“自緊”處理?！白跃o”是利用材料彈塑性、充分發(fā)揮材料強(qiáng)度的一種加工工藝。在選擇合適的張力進(jìn)行超壓處理后，內(nèi)膽材料出現(xiàn)塑性變形，外層纖維處于彈性變形階段，當(dāng)卸載后內(nèi)膽的塑性變形不能消除，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，相應(yīng)的在纖維層出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。當(dāng)氣瓶再次加載時(shí)，殘余壓縮應(yīng)力將部分抵消內(nèi)壓在內(nèi)膽中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而提高氣瓶的初始屈服壓力和抗疲勞性能。本發(fā)明所公開的儲(chǔ)氫氣瓶，主要是針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)氫氣瓶的研制多集中于大容積車用儲(chǔ)氫氣瓶的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種為固燃料電池提供氫燃料的小型、輕質(zhì)、容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多的新型儲(chǔ)氫氣瓶。


圖I為本發(fā)明儲(chǔ)氫氣瓶的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。圖I所示，本發(fā)明所公開的適用于固燃料電池鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，工作壓力為35MPa，容積為12L。以無縫薄壁6061鋁內(nèi)襯為芯模，在鋁內(nèi)膽I表面按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層次序全纏繞由張力控制且浸潰樹脂的碳纖維纏繞層2，再在外表面上纏繞玻璃纖維復(fù)合材料抗沖擊保護(hù)層3。以鋁內(nèi)膽為芯模、利用纖維纏繞機(jī)、按優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層次序?qū)700-12K碳纖維全纏繞在鋁內(nèi)膽上成型。本實(shí)施例中，鋁內(nèi)膽I的結(jié)構(gòu)尺寸為內(nèi)徑190mm，總體為長(zhǎng)度560mm,其中筒體段長(zhǎng)度為410mm ;兩端封頭處橢圓曲面矢高為63mm, —端含有內(nèi)螺紋為M18、長(zhǎng)度為24mm的瓶口光滑與橢球光滑無縫連接；內(nèi)膽筒身段厚度為3mm，封頭處厚度為5_，筒身與封頭圓滑過渡。
鋁內(nèi)膽兩端沿軸線方向固定在纏繞機(jī)的芯軸上，將丙烯酸清漆涂覆于內(nèi)膽表面，用以消除纖維纏繞時(shí)可能產(chǎn)生的靜電，同時(shí)提供一定的黏度，使第一層纖維很好地附在內(nèi)膽表面。T700-12K碳纖維浸潰環(huán)氧樹脂后調(diào)節(jié)張力30N，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層次序纏繞在鋁內(nèi)膽上，其具體纏繞方式為在鋁內(nèi)膽的筒體表面上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層，與瓶口光滑無縫連接的內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與筒體段的螺旋纏繞方向一致且連續(xù)，鋪層次序?yàn)?f±90 /±14H.[±90；亥式表示4層環(huán)向纏繞+4層螺旋纏繞+4層環(huán)向纏繞+4層螺旋纏繞+2層環(huán)向纏繞+2層螺旋纏繞+2層環(huán)向纏繞。碳纖維纏繞完畢后，在外表面纏繞玻璃纖維復(fù)合材料保護(hù)層3，其鋪層次序?yàn)镮層螺旋纏繞+1層環(huán)向纏繞。
利用建模仿真所確定的自緊壓力，即58MPa，對(duì)成型后的儲(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行“自緊”處理。通過該方式，可以提高氣瓶的初始屈服壓力和抗疲勞性能。按照本發(fā)明具體實(shí)施方式
制造的12L適用于固定式燃料電池鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，具有輕質(zhì)、容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，其具體的技術(shù)指標(biāo)為
(1)工作壓.力35MPa
(2)氣瓶容積12L
(3)最小爆破壓力 282.5 MPa
(4)重量?jī)?chǔ)氫率 24%
(5)疲勞次數(shù) >10000次
(6)通過相關(guān)型式試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，主要由鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞層和玻璃纖維保護(hù)層構(gòu)成，鋁內(nèi)膽瓶嘴處為內(nèi)螺紋密封結(jié)構(gòu)，在所述鋁內(nèi)膽的筒體表面上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層，與瓶口光滑無縫連接的內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與筒體段的螺旋纏繞方向一致且連續(xù)，所述纏繞層是由張力控制且浸潰樹脂的碳纖維纏繞層，再在外表面上纏繞所述的玻璃纖維保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述碳纖維纏繞層的鋪層次序?yàn)?層環(huán)向纏繞+4層螺旋纏繞+4層環(huán)向纏繞+4層螺旋纏繞+2層環(huán)向纏繞+2層螺旋纏繞+2層環(huán)向纏繞。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維復(fù)合材料保護(hù)層的鋪層次序?yàn)镮層螺旋纏繞+1層環(huán)向纏繞。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述招內(nèi)膽的內(nèi)徑為190mm,長(zhǎng)度為560mm,橢圓曲面矢高為63mm,招內(nèi)膽容積為12L。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述鋁內(nèi)膽表面涂覆丙烯酸清漆，用以消除纖維纏繞時(shí)可能產(chǎn)生的靜電，同時(shí)提供一定的黏度，使第一層纖維很好地附在鋁內(nèi)膽表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，其特征在于，所述儲(chǔ)氫氣瓶在58MPa的壓力下進(jìn)行“自緊”處理，以提高其初始屈服壓力和抗疲勞性能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶，主要由鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞層和玻璃纖維保護(hù)層構(gòu)成，鋁內(nèi)膽瓶嘴處為內(nèi)螺紋密封結(jié)構(gòu)，在所述鋁內(nèi)膽的筒體表面上交替纏繞環(huán)向纏繞層和螺旋纏繞層，與瓶口光滑無縫連接的內(nèi)膽橢圓曲面尾部、肩部與筒體段的螺旋纏繞方向一致且連續(xù)，所述纏繞層是由張力控制且浸漬樹脂的碳纖維纏繞層，再在外表面上纏繞所述的玻璃纖維保護(hù)層。本發(fā)明提供氫燃料的小型、輕質(zhì)、容重比大、耐腐蝕、未爆先漏、工作壓力疲勞循環(huán)次數(shù)多的新型儲(chǔ)氫氣瓶。
文檔編號(hào)F17C13/00GK102954341SQ20121041387
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者王曉蕾, 童喆益, 葉周軍, 田杰 申請(qǐng)人:上海康巴賽特科技發(fā)展有限公司