一种IV型储氢气瓶的封头结构及制造方法

技术领域

本发明涉及高压储氢技术领域，具体是指一种IV型储氢气瓶的封头结构及制造方法。

背景技术

随着全球化石燃料的迅速消耗，氢气已经成为最具吸引力的替代燃料。世界各国在未来的十几年到几十年将逐步开始禁售燃油车，各大车企也将研发重点转移到新能源汽车上。我国首款量产化氢能源乘用车长安深蓝SL03氢电版已于2022年7月25日宣布上市。目前，车用氢气仍然是以压缩气体的形式储存在IV型气瓶中。纤维缠绕层保障了气瓶的承载能力，同时占据了气瓶整体70％的重量。满足承载要求的同时降低纤维的使用量是目前学术界对IV型储氢气瓶研究的重点。

针对车载储氢气瓶发展所遇到的一系列问题，中国专利CN111288291A所示的结构，通过碳纳米管纤维层与碳纳米管以外的纤维层相互配合，提高了罐体的韧性，增强了罐体工作压力和耐冲击能力；中国专利CN112743878A所示的结构，通过纤维纱线在内胆的外表面进行二维多锭编织的方式制备复合材料层，解决了传统缠绕方式在厚度面上形成二维叠层而产生应力集中薄弱点的问题，提高了气瓶的承载能力。但是上述现有技术均是着眼于瓶口处的密封以达到防止泄露的效果，但是对于整个封头区域的补强效果不佳。

复合材料缠绕气瓶最容易失效的区域位于封头处。内胆外部的螺旋缠绕层主要承载轴向力，并且对封头进行保护；环向缠绕层用以承受螺旋缠绕层没有承受的环绕应力。优化全局缠绕方式或全局材料的方法虽然可以起到增强承载能力，降低瓶体重量的作用，但是缺乏对危险区域针对性的增强措施，满足危险区域承载能力的同时，在其他区域存在材料的过使用问题。

发明内容

针对现有技术及需求中存在的问题及挑战，本发明的目的在于提供一种可以转移瓶体危险区域，提高气瓶储氢密度的塑料内胆复合储氢气瓶。

本发明采用的技术手段如下：

一种IV型储氢气瓶的封头结构，包括气瓶阀座、碳纤维缠绕层、上加固端帽、玻璃纤维保护层、气瓶内胆和下加固端帽，其中：

所述气瓶阀座内表面为外接管螺纹，与气瓶金属瓶口相连接；

所述气瓶内胆瓶身处为等厚度，变半径结构；

所述上加固端帽、下加固端帽与气瓶阀座镶嵌在气瓶内胆外表面；

所述碳纤维缠绕层缠绕在气瓶内胆及上下加固端帽表面；

所述玻璃纤维保护层包覆在气瓶表面。

进一步地，所述气瓶内胆为耐氢气渗透的热塑性塑料，半径中间大两端小。

进一步地，所述上加固端帽、下加固端帽采用碳纤维增强复合材料制备，基体采用与气瓶内胆相同的树脂材料，纤维采用与碳纤维缠绕层相同的碳纤维。

进一步地，所述上下加固端帽由RTM工艺单独制备，后与内胆通过吹塑与焊接结合的方式装配到一起。

本发明还提供了IV型储氢气瓶的封头结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、采用RTM工艺制备上下加固端帽；

步骤2、单独制备气瓶阀座，材料选用铝合金；

步骤3、加热端帽内表面至微融化，采用吹塑的方式制备气瓶内胆，同时将内胆与端帽和气瓶阀座以焊接的形式结合在一起；

步骤4、将高性能碳纤维丝束以气瓶内胆和加固端帽表面为芯模，采用湿法缠绕的方式进行碳纤维缠绕层的缠绕，放入固化炉中进行固化；

步骤5、将步骤4中的气瓶半成品作为芯模，采用湿法缠绕工艺在表层缠绕玻璃纤维保护层，放入固化炉中固化。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在同样的缠绕方式下，本发明通过上下端帽对气瓶上下封头处进行加固，减弱了碳纤维螺旋缠绕层的使用量，有效地降低了同等内压下的复合材料使用量，整体重量可以降低10％左右。

2、本发明采用上下端帽对气瓶封头处进行加固，使气瓶最危险的区域移至瓶身，环向缠绕的碳纤维可定点增强气瓶所需的承载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

图中：1、气瓶阀座；2、碳纤维缠绕层；3、上加固端帽；4、玻璃纤维保护层；5、气瓶内胆；6、下加固端帽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种IV型储氢气瓶的封头结构，包括气瓶阀座1、碳纤维缠绕层2、上加固端帽3、玻璃纤维保护层4、气瓶内胆5和下加固端帽6，其中：

所述气瓶阀座内表面为外接管螺纹，与气瓶金属瓶口相连接；

所述气瓶内胆瓶身处为等厚度，变半径结构，具体为半径中间大两端小，两端小的部分用于容纳所述上加固端帽和下加固端帽，其外表面光滑无缝隙；所述气瓶内胆材料为高密度聚乙烯(HDPE)，尼龙(PA)等具有耐氢气渗透的热塑性材料。

所述上加固端帽、下加固端帽与气瓶阀座镶嵌在气瓶内胆外表面；

所述碳纤维缠绕层缠绕在气瓶内胆及上下加固端帽表面，所述碳纤维缠绕层采用螺旋缠绕环向缠绕交替的方式；所述碳纤维环绕层1由常规高性能碳纤维丝束(如T700-12k)，浸渍环氧树脂后进行瓶体缠绕，螺旋缠绕层和环向缠绕层交替缠绕，环向缠绕角度为±60°，与同等内压的常规碳纤维缠绕气瓶相比，本发明通过上下端帽对气瓶上下封头处进行加固，减弱了碳纤维螺旋缠绕层的使用量，有效地降低了同等内压下的复合材料使用量，本发明气瓶总重量可以降低10％。

所述玻璃纤维保护层包覆在气瓶表面，所述玻璃纤维保护层采用环向缠绕的方式。

所述上加固端帽、下加固端帽采用碳纤维增强复合材料制备，基体采用与气瓶内胆相同的树脂材料，纤维采用与碳纤维缠绕层相同的碳纤维。

所述上下加固端帽由RTM工艺单独制备，后与内胆通过吹塑与焊接结合的方式装配到一起。

本发明还提供了IV型储氢气瓶的封头结构的制造方法，包括如下步骤：

步骤1、采用RTM工艺制备上下加固端帽，上、下加固端帽铺层方式为±45°；

步骤2、单独制备气瓶阀座，材料选用铝合金；

步骤3、加热端帽内表面至微融化，采用吹塑的方式制备气瓶内胆，同时将内胆与端帽和气瓶阀座以焊接的形式结合在一起；

步骤4、将高性能碳纤维丝束(如T700 12k)以气瓶内胆和加固端帽表面为芯模，采用湿法缠绕的方式进行碳纤维缠绕层的缠绕，放入固化炉中进行固化；

步骤5、将步骤4中的气瓶半成品作为芯模，采用湿法缠绕工艺在表层缠绕玻璃纤维保护层，放入固化炉中固化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。