CN102954341A - 固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶 - Google Patents

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童喆益
叶周军
田杰
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Abstract

本发明涉及一种固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，主要由铝内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层构成，铝内胆瓶嘴处为内螺纹密封结构，在所述铝内胆的筒体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，与瓶口光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部、肩部与筒体段的螺旋缠绕方向一致且连续，所述缠绕层是由张力控制且浸渍树脂的碳纤维缠绕层，再在外表面上缠绕所述的玻璃纤维保护层。本发明提供氢燃料的小型、轻质、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多的新型储氢气瓶。

Description

固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶
技术领域
本发明涉及一种固定式燃料电池，更具体的说，涉及一种固燃料电池用小容积氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶。 
背景技术
伴随着对备用电源持续供电时间及环境友好程度要求的不断提高，固定式燃料电池技术的另一个应用领域—备用电源***，也同样得到了越来越多的实际应用，并成为目前国际备用电源新技术的重要发展方向。在北美、欧洲和日本，燃料电池已经开始取代常规电池用作电子元件、无线发射塔以及其他重要通信设施的备用电源。随着国民经济的发展，我国对备用电源的需求也日益增大，如移动通信基站、军事、政府、银行等一些特定部门的备用电源，需要配备技术性和经济性好且环境友好的备用电源。燃料电池排放的只有水，对环境是零污染，其产业化和应用推广会对我国的生态环境起到保护作用，其可靠性和稳定性对于国家安全有着重大意义。 
然而要推动固定式燃料电池的产业化应用，如何能更好解决燃料电池的储氢问题就显得尤为重要。高压储氢气瓶具有储氢容器结构简单、压缩氢气制备的能耗较少、灌装速度快等优点，已经成为氢能储运的主要方式。迄今为止，国内关于固定式燃料电池的应用，尤其是分布式燃料电池热电联供***的示范项目中，一般是采用现场式燃料重整制氢技术或者是用一般钢瓶储存氢气。但是，这两种方式均存在一定的缺陷，前者由于在燃料重整过程中涉及到高温高压，会对燃料电池发电过程的安全性产生影响，并且现场生成的氢气无法储存；而后者由于普通钢瓶质量较重，使得储氢量仅为1wt.%，会造成发电过程中需频繁的更换气瓶，从而使分布式燃料电池***管理过程复杂化。因此，开发具有轻质、小容积、高耐疲劳等特性的适用于固定式燃料电池的高压储氢气瓶极具迫切性。 
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种固燃料电池用铝内胆 碳纤维全缠绕储氢气瓶，该储氢气瓶具有容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多的优点。 
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案以下： 
一种固定式燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，主要由铝内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层构成，铝内胆瓶嘴处为内螺纹密封结构，在所述铝内胆的筒体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，与瓶口光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部、肩部与筒体段的螺旋缠绕方向一致且连续，所述缠绕层是由张力控制且浸渍树脂的碳纤维缠绕层，再在外表面上缠绕所述的玻璃纤维保护层。 
所述铝内胆内径190mm，总体为长度560mm，其中筒体段长度为410mm；两端封头处椭圆曲面矢高为63mm，一端含有内螺纹为M18、长度为24mm的瓶口光滑与椭球光滑无缝连接，该尺寸的选择可以避免在内压下与筒体连接的局部区域产生屈曲现象。内胆筒身段厚度为3mm，封头处厚度为5mm，筒身与封头圆滑过渡。 
本发明中储氢气瓶复合材料缠绕铺层方案的设计和校核是分别通过CADWIND软件和ANSYS有限元分析软件来实现的。在建模过程中有如下假设：即气瓶的纤维各处分布均匀，同时受力连续；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。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。其具体缠绕方式为：在铝内胆的筒体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，与瓶口光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部、肩部与筒体段的螺旋缠绕方向一致且连续，铺层次序为                                                   
Figure 2012104138717100002DEST_PATH_IMAGE001
该式表示：4层环向缠绕+4层螺旋缠绕+4层环向缠绕+4层螺旋缠绕+2层环向缠绕+2层螺旋缠绕+2层环向缠绕。 
本发明中储氢气瓶在碳纤维缠绕完毕后，在外表面缠绕玻璃纤维复合材料层为保护层，其铺层次序为1层螺旋缠绕+1层环向缠绕。 
本发明中储氢气瓶制造加工后，利用建模仿真所确定的自紧压力，即58MPa，对成型后的储氢气瓶进行“自紧”处理。“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。 
本发明所公开的储氢气瓶，主要是针对现有储氢气瓶的研制多集中于大容积车用储氢气瓶的现状，开发出一种为固燃料电池提供氢燃料的小型、轻质、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多的新型储氢气瓶。 
附图说明
图1为本发明储氢气瓶的结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。 
图1所示，本发明所公开的适用于固燃料电池铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，工作压力为35MPa，容积为12L。以无缝薄壁6061铝内衬为芯模，在铝内胆1表面按照优化设计的铺层次序全缠绕由张力控制且浸渍树脂的碳纤维缠绕层2，再在外表面上缠绕玻璃纤维复合材料抗冲击保护层3。以铝内胆为芯模、利用纤维缠绕机、按优化设计的铺层次序将T700-12K碳纤维全缠绕在铝内胆上成型。本实施例中，铝内胆1的结构尺寸为：内径190mm，总体为长度560mm，其中筒体段长度为410mm；两端封头处椭圆曲面矢高为63mm，一端含有内螺纹为M18、长度为24mm的瓶口光滑与椭球光滑无缝连接；内胆筒身段厚度为3mm，封头处厚度为5mm，筒身与封头圆滑过渡。 
铝内胆两端沿轴线方向固定在缠绕机的芯轴上，将丙烯酸清漆涂覆于内胆表面，用以消除纤维缠绕时可能产生的静电，同时提供一定的黏度，使第一层纤维很好地附在内胆表面。 
T700-12K碳纤维浸渍环氧树脂后调节张力30N，按照优化设计的铺层次序缠绕在铝内胆上，其具体缠绕方式为：在铝内胆的筒体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，与瓶口光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部、肩部与筒体段的螺旋 缠绕方向一致且连续，铺层次序为    
Figure 2012104138717100002DEST_PATH_IMAGE002
该式表示：4层环向缠绕+4层螺旋缠绕+4层环向缠绕+4层螺旋缠绕+2层环向缠绕+2层螺旋缠绕+2层环向缠绕。 
碳纤维缠绕完毕后，在外表面缠绕玻璃纤维复合材料保护层3，其铺层次序为1层螺旋缠绕+1层环向缠绕。 
利用建模仿真所确定的自紧压力，即58MPa，对成型后的储氢气瓶进行“自紧”处理。通过该方式，可以提高气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。 
按照本发明具体实施方式制造的12L适用于固定式燃料电池铝内胆碳纤维缠绕储氢气瓶，具有轻质、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，其具体的技术指标为： 

Claims (6)

1.一种固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，主要由铝内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层构成，铝内胆瓶嘴处为内螺纹密封结构，在所述铝内胆的筒体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，与瓶口光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部、肩部与筒体段的螺旋缠绕方向一致且连续，所述缠绕层是由张力控制且浸渍树脂的碳纤维缠绕层，再在外表面上缠绕所述的玻璃纤维保护层。
2.根据权利要求1所述的固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕层的铺层次序为4层环向缠绕+4层螺旋缠绕+4层环向缠绕+4层螺旋缠绕+2层环向缠绕+2层螺旋缠绕+2层环向缠绕。
3.根据权利要求1或2所述的固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述玻璃纤维复合材料保护层的铺层次序为1层螺旋缠绕+1层环向缠绕。
4.根据权利要求1所述的固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述铝内胆的内径为190mm，长度为560mm，椭圆曲面矢高为63mm，铝内胆容积为12L。
5.根据权利要求1所述的固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述铝内胆表面涂覆丙烯酸清漆，用以消除纤维缠绕时可能产生的静电，同时提供一定的黏度，使第一层纤维很好地附在铝内胆表面。
6.根据权利要求1所述的固燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶，其特征在于，所述储氢气瓶在58MPa的压力下进行“自紧”处理，以提高其初始屈服压力和抗疲劳性能。
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