專利名稱：固定式燃料電池用鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶的制作方法
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，涉及一種適用于固定式燃料電池用小容積氫氣招合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶。
背景技術(shù)：
伴隨著對備用電源持續(xù)供電時間及環(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際應(yīng)用，并成為目前國際備用電源新技術(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。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對備用電源的需求也日益增大，如移動通信基站、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，對環(huán)境是零污染，其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣會對我國的生態(tài)環(huán)境起到保護(hù)作用，其可靠性和穩(wěn)定·性對于國家安全有著重大意義。然而要推動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氫問題就顯得尤為重要。高壓儲氫氣瓶具有儲氫容器結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備的能耗較少、灌裝速度快等優(yōu)點，已經(jīng)成為氫能儲運的主要方式。迄今為止，國內(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)的示范項目中，一般是采用現(xiàn)場式燃料重整制氫技術(shù)或者是用一般鋼瓶儲存氫氣。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，會對燃料電池發(fā)電過程的安全性產(chǎn)生影響，并且現(xiàn)場生成的氫氣無法儲存；而后者由于普通鋼瓶質(zhì)量較重，使得儲氫量僅為Iwt. %，會造成發(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氫氣瓶極具迫切性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種固定式燃料電池用鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，該儲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。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,總體為長度560mm,其中筒體段長度為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)明中儲氫氣瓶復(fù)合材料纏繞鋪層方案的設(shè)計和校核是分別通過CADWIND軟件和ANSYS有限元分析軟件來實現(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，同時受力連續(xù)；內(nèi)膽為薄壁容器，在氣瓶使用時僅起密封作用，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)，鋪層次序為姆^/土4丨1+〖±9佐]，該式表示層環(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，其鋪層次序為I層螺旋纏繞+1層環(huán)向纏繞。 本發(fā)明中儲氫氣瓶制造加工后，利用建模仿真所確定的自緊壓力，即58MPa，對成型后的儲氫氣瓶進(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，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)明所公開的儲氫氣瓶，主要是針對現(xiàn)有儲氫氣瓶的研制多集中于大容積車用儲氫氣瓶的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種為固定式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)多的新型儲氫氣瓶。


圖I為本發(fā)明儲氫氣瓶的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實施例應(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)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，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定式燃料電池鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，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)計的鋪層次序?qū)ⅵ?0-12Κ碳纖維全纏繞在鋁內(nèi)膽上成型。本實施例中，鋁內(nèi)膽I的結(jié)構(gòu)尺寸為內(nèi)徑190mm,總體為長度560mm,其中筒體段長度為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5mm,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可能產(chǎn)生的靜電，同時提供一定的黏度，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)，鋪層次序為
權(quán)利要求
1.一種固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，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所述的固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，其特征在于，所述碳纖維纏繞層的鋪層次序為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。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維復(fù)合材料保護(hù)層的鋪層次序為I層螺旋纏繞+1層環(huán)向纏繞。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，其特征在于，所述招內(nèi)膽的內(nèi)徑為190mm,長度為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所述的固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，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可能產(chǎn)生的靜電，同時提供一定的黏度，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所述的固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，其特征在于，所述儲氫氣瓶在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倉泛。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固定式燃料電池用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶，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)明所提供的儲氫氣瓶，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。
文檔編號F17C13/00GK102865454SQ20121023440
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者王曉蕾, 童喆益, 葉周軍, 田杰 申請人:上海復(fù)合材料科技有限公司