一种热塑性组合式高压储氢罐的制备方法

技术领域

本发明涉及储氢装置领域，具体涉及一种热塑性组合式高压储氢罐的制备方法。

背景技术

氢能是一种清洁、高效且可持续使用的能源。储氢罐即是一种用于储存气态或液态氢的容器。复合材料储氢罐是一种储存氢气的设备，具有密度高、强度大、耐腐蚀等优点。复合材料储氢罐已经应用于多个领域，如汽车、飞机、无人机等。在汽车领域，复合材料储氢罐已经成为氢能汽车的重要组成部分，可以实现氢气与氧气反应，产生电能驱动汽车运行。在飞机领域，复合材料储氢罐可以将气体压缩储存，用于提供动力和供能。虽然复合材料储氢罐具有高强度、轻量化等优点，但目前还存在制造技术不成熟、成本高等问题，需要进一步发和完善。

目前国内外最流行的是碳纤维全缠绕(IV型瓶)为主，IV型瓶以前的结构形式，都需要有内胆，碳纤维全缠绕时须缠绕机进行单股丝束的缠绕，单股丝束的缠绕机的稳定性影响了每股丝束之间的间隙均匀度，而每股丝束之间的间隙均匀度又直接决定的产品的强度的稳定性，所以现有的制备方法对缠绕机的稳定性要求高，制造工艺复杂，无法稳定控制高质量、高效率的生产的问题。

发明内容

为此，需要提供一种热塑性组合式高压储氢罐及其制备方法，解决现有的制备方法对缠绕机的稳定性要求高，制造工艺复杂，无法稳定控制高质量、高效率的生产的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种热塑性组合式高压储氢罐的制备方法，所述高压储氢罐包括筒体和与筒体两端拼装的端盖，

所述筒体由单向纤维布预浸料和双向纤维布预浸料铺贴形成多层筒体结构层，之后热压形成；

所述端盖由单向纤维布预浸料和双向纤维布预浸料铺贴形成多层端盖结构层，之后热压形成。

单向纤维布预浸料和双向纤维布预浸料铺贴以一定的角度进行热压。

单向纤维布预浸料可以是若干层单向纤维布预浸料以一定的角度铺贴热压形成。双向纤维布预浸料可以是若干层双向纤维布预浸料以一定的角度铺贴热压形成。

在一些实施例中，多层筒体结构层包括筒体内层、筒体中间层和筒体外层，所述筒体内层和筒体外层分别由若干层双向纤维布预浸料铺贴热压形成，所述筒体中间层由若干层单向纤维布预浸料铺贴热压形成。

在一些实施例中，所述筒体中间层内铺贴的单向纤维布预浸料铺贴方向为以下角度中的一种或多种90度、0度及45度。

在一些实施例中，所述筒体越厚，所述筒体中间层内90度铺贴的单向纤维布预浸料越多。

在一些实施例中，多层端盖结构层包括端盖内层、端盖中间层和端盖外层，所述端盖内层和端盖外层分别由若干层双向纤维布预浸料铺贴热压形成，所述端盖中间层由若干层单向纤维布预浸料铺贴热压形成。

在一些实施例中，所述端盖中间层的若干层单向纤维布预浸料每层夹角为20度进行铺贴。

在一些实施例中，所述筒体和端盖上树脂和碳纤比例为4.5:5.5。

在一些实施例中，所述双向纤维布预浸料和单向纤维布预浸料逐层加热铺贴，之后模具合模，加热至熔点以上，确保预浸料完全处于融化状态，之后移至压机上进行压制保温保压，后进行冷却成型。

在一些实施例中，加热熔融时，加热至超越熔点35℃，并在270℃进行保温半小时，确保预浸料完全处于融化状态。

在一些实施例中，所述筒体的两端设有一次成型的螺纹，所述端盖上设有一次成型的螺纹，所述端盖筒体螺纹连接。一次成型的螺纹连接，避免后续加工，保证连接强度。

在一些实施例中，筒体两端的内侧面具有内螺纹，端盖上具有外螺纹，筒体和端盖分别制备后，通过螺纹拼接。

在一些实施例中，端盖上预留有法兰安装孔，也可后机加工，用于后续安装法兰盘，法兰盘与端盖部分进行密封胶连接，中间夹有密封圈保证气密性，法兰盘为采用铝合金机加工成型工艺，保证较好的机械强度及表面光洁度。

本发明另一方面要求保护由上述方法制备的热塑性组合式高压储氢罐。

上述的某一技术方案具有以下有益效果：

(1)罐体采用组合拼装式，具有灵活性和可定制性，可以根据实际需求进行设计和制造，提高储氢罐的性能和可靠性。单个筒体为一节，可以根据需要进行多节储氢罐的连接，每节筒体的长短，可以独立完成，对制造工艺要求低，这样就提高的稳定性。

(2)本方法直接由布预浸料的来铺贴，储氢罐强度取决于预浸料布的均匀程度，相比于缠绕机的稳定性，明显更容易控制质量的稳定性，方便制备高强度的储氢罐。而单向纤维布，虽然每根连续纤维束最后是断开的，但是方向可以做到正90度，有利于加强罐体的强度。

术语说明

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

本发明中“室温”、“常温”指的是环境温度，温度由大约10℃到大约40℃。在一些实施例中，“室温”或“常温”指的是温度由大约20℃到大约30℃；在另一些实施例中，“室温”或“常温”指的是温度由大约25℃到大约30℃；在又一些实施例中，“室温”或“常温”指的是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

所述若干层是指1层或多层，根据需要可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9或10层，或10层以上。

附图说明

图1为热塑性组合式高压储氢罐结构图。

图2为筒体中间层内铺贴的单向纤维布预浸料铺贴方向的结构图。

图3为端盖中间层的若干层单向纤维布预浸料夹角的结构图。

附图标记说明：

1、筒体；2、端盖；3、法兰盘；4、密封圈。

具体实施方式

如图1，本发明提供一种热塑性组合式高压储氢罐，所述高压储氢罐包括筒体1和与筒体1两端拼装的端盖2。端盖2组装可以使用螺纹连接，端盖2上安装法兰盘3，法兰盘3与端盖2部分进行密封胶连接，中间夹有密封圈4保证气密性。

本发明提供一种热塑性组合式高压储氢罐的制备方法，所述高压储氢罐包括筒体和与筒体两端拼装的端盖。所述筒体由单向纤维布预浸料和双向纤维布预浸料铺贴形成多层筒体结构层，之后热压形成；

所述端盖由单向纤维布预浸料和双向纤维布预浸料铺贴形成多层端盖结构层，之后热压形成。

筒体采用的热塑性树脂预浸料人工或机械卷铺在模具的芯模上，外模扣紧后，可以用电热棒模具加热，压机压板传热加热，或模具整体在烤箱内加热等方式，达到熔点以上温度厚后保温15分钟(根据形状大小)确保树脂熔透，后转移至冷压机上，加压冷却成型。成型后先打开外模，取出芯模，筒体完成进行探伤检测合格并进行尺寸的检查等，备用。

端盖为普通碗型工艺，直接在准备好的热塑性预浸料切出所需要的形状及尺寸，按照计算好的厚度及层数，放置在模具的下模上，扣紧上模，进行加热，加热方式同筒体，然后转移至冷压机上进行压制冷却，出模成型备用；

端盖上的法兰盘形状较简单，直接在准备好的热塑性预浸料切出所需要的形状及尺寸，按照计算好的厚度及层数，放置在模具的下模上，扣紧上模，进行加热，加热方式同筒体，然后转移至冷压机上进行压制冷却，出模成型备用；

密封圈为高强度氟橡胶密封圈耐压耐腐蚀，保证密封罐的密封性。

组合采用特殊密封结构胶进行粘接，有螺纹的地方先涂在螺纹部分，再旋拧进各个配合的螺纹中进行加热固化让各个部分成为一体。

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例详予说明。

实施例1

制备一个6升左右的样品储氢罐

整体复合材料基材为热塑性pekks树脂，碳纤维T700260g双向斜纹布预浸料及T700260g单向布预浸料

一、首先制备罐体的“筒体”；

(1)计算：根据容积及受力条件计算罐体的整体大致外型及壁厚等参数。受力条件为内部使用压强为气压70兆帕，极限压强1.5倍105兆帕，由实验数据测出，90度方向的平均最小拉伸强度为1200兆帕，安全系数按照0.8计算，经计算取整后得出，壁厚取10毫米，内径147毫米，外径167毫米，长度400毫米，根据实验数据螺纹部位的拉伸强度，还有端口位置的压力计算出，使用螺纹为M150螺距为2毫米的细牙螺纹，螺纹长度25毫米，此部分理论重量经计算为2941g，密度取1.5g/cm

本部分采用热塑性预浸料人工铺贴热压成型，根据产品图纸设计并制作热压模具。模具主要分为上下模跟芯模。按照工艺设计过程铺贴预浸料，预合模后加热，压制，冷却成型，出模的过程制作完成。工艺设计为共33层预浸料，按照比例计算后，双向斜纹预浸料约为40％，单向预浸料约为60％，采用双向斜纹预浸料为13层，单向预浸料为20层，双向斜纹布铺贴的位置为最里侧跟最外侧分配为最里侧6层，最外侧7层，中间铺贴20层单向预浸布。

如图2中，筒体中间层内铺贴的单向纤维布预浸料铺贴方向的结构图，以垂直径向为0°，水平轴向为90°，本实施例中20层单向预浸料。1～18层均为0°方向。19和20层为45°方向。

(2)裁剪预浸料：1、按照工艺设计利用剪裁机，裁剪出对应的预浸料尺寸，双向斜纹的预浸料宽幅400毫米，长度3.15米一片，为最内侧6层；单向预浸布，宽幅400毫米，长度3.52米三片，为中间20层；双向预浸布料宽幅400毫米，长度3.73米一片，为最外侧7层，整体预浸料称重2955g(大于理论重量2941g)。

(3)预浸料的铺贴：按照顺序，取芯模放在专用加热卷管机上进行预浸料的铺贴，先进行最内侧6层的加热铺贴，宽幅的边缘先加热固定在芯模上，慢慢卷铺，一边加热固定一层一层的直至6层铺贴完成；同理，再铺设中间的单向预浸布，直至3张全部卷铺完成；再铺设外侧的双向预浸料布，直至7层卷铺完成。

(4)合模熔融：将铺设好预浸料的芯模放入下模中，缓慢将上模扣下来，此时模具是无法完全合紧，只要上下模导柱进入相对应的位置就可以进行加热的。本次采用的是模具本身带加热棒进行加热。加热至超越熔点35度左右，在270度进行保温半小时，确保预浸料完全处于融化状态。

(5)冷却成型：将热模具直接移至压机上进行压制保温保压，后进行冷却成型。温度降至100℃即可出模，打开上模，抽出芯模，筒体产品完成。

二、制备端盖；

(1)计算：根据容积及受力条件计算外型及壁厚等参数。受力条件为内部使用压强为气压70兆帕，极限压强1.5倍105兆帕，由实验数据测出，0度方向的平均最小拉伸强度为1200兆帕，安全系数按照0.8计算，经计算取整后得出，壁厚取6毫米，直径(内)137.3毫米，外径149.3毫米，长度60毫米，根据实验数据螺纹部位的拉伸强度，还有端口位置的压力计算出，使用螺纹为M150螺距为2毫米的细牙螺纹，螺纹长度24.6毫米，此部分理论重量经计算为306g，密度取1.5g/cm

本部分采用热塑性预浸料人工铺贴热压成型，根据产品图纸设计并制作热压模具。模具主要分为上下模。按照工艺设计过程铺贴预浸料，预合模后加热，压制，冷却成型，出模的过程制作完成。工艺设计为共20层预浸料，因为受力均匀的，上下面采用双向纤维预浸料布0度，内部18层采用用单向纤维预浸料，每层夹角为20度进行铺设。

如图图3为端盖中间层的若干层单向纤维布预浸料的夹角示意图。本实施例中，每层夹角选用20度进行铺设。

(2)裁剪预浸料：按照工艺设计利用剪裁机，裁剪出对应的预浸料尺寸，按照展开的尺寸，一共20层，整体预浸料称重316g(大于理论重量306g)。

(3)预浸料的铺贴：按照顺序，将裁剪好的预浸料在下模(凹模)里进行铺贴，一共20层，每层的接缝按照工艺设计均匀的分开，避免产生薄弱位置。

(4)合模熔融：在铺设好预浸料的下模上，缓慢将上模扣下来，此时模具是无法完全合紧，只要上下模导柱进入相对应的位置就可以进行加热的。本次采用的是模具本身带加热棒进行加热。加热至超越熔点35度左右，在270度进行保温半小时，确保预浸料完全处于融化状态。

(5)冷却成型：将热模具直接移至压机上进行压制保温保压，后进行冷却成型。温度降至100左右即可出模，打开上模，抽出芯模，本部分产品完成。

三、制备端盖法兰盘

(1)计算：根据容积及受力条件计算本结构外型。受力条件为内部使用压强为气压70兆帕，极限压强1.5倍105兆帕。由实验数据测出，此部分受力情况只考虑压缩，主要是为了进行压力测试做接口而设计的。此部分理论重量经计算为89g，密度取1.5g/cm3(树脂碳纤比例为4.5:5.5)。

本部分采用热塑性预浸料人工铺贴热压成型，根据产品图纸设计并制作热压模具。模具主要分为上下模。按照工艺设计过程铺贴预浸料，预合模后加热，压制，冷却成型，出模的过程制作完成。工艺设计为底座部分采用34层预浸料，因为受力均匀的，上下面采用双向纤维预浸料布0度，内部32层采用用单向纤维预浸料，每层夹角为11.25度进行铺设。另一部分采用36层预浸料，因为受力均匀的，采用双向纤维预浸料布，平行且垂直底座缠绕。

(2)裁剪预浸料：按照工艺设计利用剪裁机，裁剪出对应的预浸料尺寸，按照展开的尺寸，一共34+36层，整体预浸料称重92g(大于理论重量89g)。

(3)预浸料的铺贴：按照顺序，将裁剪好的预浸料在下模里进行缠绕铺贴，一共34+36层，每层的接缝按照工艺设计均匀的分开，避免产生薄弱位置。

(4)合模熔融：在铺设好预浸料的下模上，缓慢将上模扣下来，此时模具是无法完全合紧，只要上下模导柱进入相对应的位置就可以进行加热的。本次采用的是模具本身带加热棒进行加热。加热至超越熔点35度左右，在270度进行保温半小时，确保预浸料完全处于融化状态。

(5)冷却成型：将热模具直接移至压机上进行压制保温保压，后进行冷却成型。温度降至100左右即可出模，打开上模，抽出芯模，本部分产品完成。

四、采购密封圈：根据图纸采购相同的密封圈，材质的为高强度氟橡胶。

五、组装：先将密封圈固定在端法兰的密封槽里，用自制胶将端法兰与端部分进行粘接，粘接的过程中必须试压，保证密封圈在端法兰跟端部分之间受压变形，确保密封性。加热固化，24小时后再松开压力。端部分制备好后将此部分与中间部分进行粘接，螺纹的部分涂满自制胶，旋到底部，两端都是，加热至70度进行胶的固化。静止24小时以上，这样既完成了整体结构，可进行压力测试，试验满足预定要求。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。