专利名称：50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶，是氢燃料电动轿车中氢燃料电池系统中必备的提供氢气的设备，用于在35Mpa高压状态下储存压缩氢气。
背景技术：
质子交换膜燃料电池直接将氢的化学能转化为电能，电解质是质子交换膜。质子交换膜燃料电池的工作原理很简单作为燃料的氢气从氢气储存设备中流向电池组的一个电极端，在阳极催化剂的作用下，氢分子电离为带正电的氢离子(即质子)和带负电的电子；电子在外电路形成电流，通过适当的接连即可向负载输出电能；氢离子(质子)穿过中间的质子交换膜到达阴极，与从电池另一端的导气管输入到阴极的氧气(或空气)一起在催化剂的作用下生成水。燃料电池以其高效、零污染的特点在世界范围内引起了广泛的关注。随着技术的进步和制造成本的不断下降，质子交换膜燃料电池除了用在航天等军事领域外，由于其工作温度低且启动快，是一种具有零污染的环保型能源，因而成为交通工具，特别是汽车最理想的动力，得到世界各大汽车生产商的青睐。
要使氢燃料电动车在单次加满燃料的情况下与燃油汽车行驶相同距离的话，在有限的空间和重量的要求下，作为燃料的氢气的储存也是急需解决的一大技术难题。目前，国内研制的氢燃料电动轿车的样车上使用的储氢气瓶是利用现有的为天然气作动力燃料汽车而配套的压缩天然气气瓶，该类压缩天然气气瓶的设计工作压力仅为20MPa。根据目前氢燃料电池的能量转换效率，如果在氢燃料电动轿车上使用工作压力仅为20MPa的50升储氢气瓶，则在单次加满氢燃料的情况下，氢燃料电动车的行驶里程仅为燃油汽车行驶里程的一半，很难达到实际使用的效果。国际上一些大的汽车公司；如通用和大众汽车公司在他们研制的氢燃料电动轿车的样车上使用的50升储氢气瓶的设计工作压力为35MPa，从而使得氢燃料电动车在单次加满氢燃料的情况下的行驶里程接近或达到燃油汽车行驶里程，具有实际使用的价值。
目前，国际上氢燃料电动轿车使用的50升储氢复合气瓶有两种。一种为碳纤维全缠绕塑料内衬复合气瓶，另一种为碳纤维全缠绕薄壁铝内衬复合气瓶。前一种储氢复合气瓶的生产流程较简单，但在使用过程中疲劳寿命较短、其塑料内衬与气瓶金属接嘴的连接处容易泄漏。后一种碳纤维全缠绕薄壁铝内衬复合气瓶在使用过程中具有很好的疲劳寿命(疲劳寿命大于45000次)、不易泄漏、安全性能好、且自重也比塑料内衬的复合气瓶轻；保证该种复合气瓶具有上述优良特性的难点是在设计中如何给出合理的碳纤维结构层的铺层次序和相应“自紧”压力。虽然目前碳纤维全缠绕薄壁铝内衬储氢复合气瓶是国际上氢燃料电动轿车使用的工作压力为35MPa储氢复合气瓶主流产品，但在他们的设计中主要是利用经验公式来确定碳纤维结构层的铺层次序和相应的“自紧”压力，难以给出最佳的碳纤维结构层的铺层次序和合理的“自紧”压力，使其自身的潜在优良特性不易发挥作用。国内目前设计的碳纤维全缠绕增强铝内衬复合气瓶是为天然气作动力燃料汽车而配套的，其工作压力仅为20MPa，且疲劳寿命小于20000次。该现有技术也难以用来设计35MPa高压储氢复合气瓶的复合材料结构铺层次序和为提高其疲劳寿命所采取的‘自紧’技术处理方式。
因此，利用有限元程序软件虚拟仿真技术在设计中给出最优的碳纤维结构层的铺层次序和合理的“自紧”压力，保证碳纤维全缠绕增强铝内衬复合气瓶在承受较高的工作压力时具有很好的疲劳寿命、安全性能和较小的重容比仍是一项艰巨的挑战。基于优化设计所得的铺层次序而制造的碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶、在合理的‘自紧’压力下对储氢复合气瓶在制造过程中进行‘自紧’处理，使得氢燃料电动轿车使用工作压力为35MPa的50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的主要技术指标完全达到国际先进水平(国际车用高压气瓶标准ISO11439-2000)。
发明内容
本发明的目的在于为氢燃料电动轿车提供一种新型、工作性能安全、储氢能力高、工作压力为35MPa、50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶，使之具有尽可能轻的重量，并能满足代表国际先进水平的国际车用高压气瓶标准ISO11439-2000的要求。
为实现这样的目的，本发明以无缝薄壁铝内衬为芯模、铝内衬表面上按优化设计的铺层次序缠绕碳纤维层、其外表面上缠绕玻璃纤维作为抗冲击保护层，在制造过程中利用‘自紧’处理技术对储氢复合气瓶进行‘自紧’处理。
本发明根据氢燃料电动轿车使用的50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的功能要求、参照国际车用高压气瓶标准ISO11439-2000的要求，采用复合材料结构有限元程序对碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶进行铺层次序的优化设计。碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的主要承载结构是由铝内衬和碳纤维缠绕层组成。铝内衬是由筒体部分和对称于筒体部分的两个含有内螺纹瓶口的椭圆曲面端部无缝连接而成。铝内衬筒体部分上的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层(纤维增强方向和储氢复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°)和环向缠绕纤维层(纤维增强方向和储氢复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°)按优化设计所得的铺层次序交替缠绕而成，铝内衬的两个椭圆曲面端部的碳纤维层为变角度纵向螺旋缠绕纤维层，碳纤维全缠绕层的表面上缠绕玻璃纤维层作为抗冲击保护层。
本发明的氢燃料电动轿车使用的50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶的内衬结构、由内径为D、长度为L1的筒体部分、两个相同形状、矢高为L2的椭圆曲面端部和含有内螺纹为M25、长度为L3的瓶口光滑无缝连接组成。其中几何参数L2的选取使得储氢复合气瓶两个相等的椭圆曲面端部的环向工作应力接近于零，而D和L1的选取是要保证储氢复合气瓶的容积等于50升，铝内衬的壁厚t的选取是要保证其在最小重量的情况下、碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶经‘自紧’处理后在水压试验压力下的铝内衬保持弹性变形状态，铝内衬外表面上涂有一层防电腐蚀涂层，然后将T700-12KC或T700-24KC碳纤维全缠绕在铝内衬上成型。
铝内衬筒体部分的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层(纤维增强方向和储氢复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°)和环向缠绕纤维层(纤维增强方向和储氢复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°)按优化设计所得的铺层次序交替缠绕而成；纵向缠满一个循环层的纱带片总条数为M(条/循环层)，在筒体L1部分采用环向等厚缠绕、其纱带片宽度为b(mm/条)；铝内衬的两个相等椭圆曲面端部仅有沿曲面测地线纵向螺旋缠绕的纤维层，其铺层次序与筒体的纵向螺旋缠绕纤维层一致；最后在碳纤维全缠绕层的表面上缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层。
本发明中铝内衬的材料特性满足等向硬化VonMises(冯-密赛斯)塑性屈服准则，碳纤维缠绕层为线弹性材料满足最大拉应力破坏准则。为了提高本发明设计的氢燃料电动轿车使用的工作压力为35MPa、50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的疲劳寿命、气密性能，需按照“自紧”处理数值仿真所确定的“自紧”压力Pz对成型后的复合气瓶进行“自紧”处理，即将成型后的碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶加压超过一定的水压试验规定的压力使储氢复合气瓶的铝内衬完全进入塑性变形状态、然后卸压至零，使得该储氢复合气瓶的铝内衬在零压力下呈现压应力状态，而碳纤维全缠绕层呈现拉应力状态，确保在给定的工作压力和水压试验压力下，碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的铝内衬完全处于弹性变形状态。
本发明设计的氢燃料电动轿车使用的50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶可以很容易地按一定的铺层次序和工艺方式进行缠绕成型、并按由‘自紧’处理数值仿真所确定的‘自紧’压力Pz对成型后的复合气瓶进行‘自紧’处理。本发明的储氢复合气瓶满足国际车用高压气瓶标准ISO11439-2000设计规范要求的合理的应力场分布，保证储氢复合气瓶在使用最少的纤维用量的条件下的设计工作压力为35MPa、其安全系数n≥2.35，破坏撕裂起始于复合气瓶的筒体部位、无碎片，在给定的工作压力下储氢复合气瓶的铝内衬始终处于弹性变形状态，保证该储氢复合气瓶具有持久的(疲劳循环次数N≥45000次)良好气密性能和最佳的安全性能。
图1 为本发明50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的结构图。
图1中，1表示铝内衬的筒体部分，2表示铝内衬的椭圆曲面端部，3表示铝内衬的瓶口，4表示防电腐蚀涂层，5表示铝内衬筒体部分碳纤维缠绕层[±α1/H3/±α2/H2/±α3/H2]其中Hi表示i层环向缠绕层、αi(i＝1，2，3，)表示纤维增强方向和复合气瓶对称轴的夹角，6表示铝内衬椭圆曲面端部的纵向螺旋缠绕纤维层[±α1/±α2/±α3]，7表示玻璃纤维抗冲击保护层，L1表示储氢复合气瓶的筒体长度，L2表示储氢复合气瓶椭圆曲面端部的矢高，L3表示含有内螺纹M25的瓶口长度，D表示储氢复合气瓶筒体的内径，t表示铝内衬筒体部分的壁厚。
图2为本发明50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶八分之一对称结构的有限元计算模型。
图3为本发明50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶图2中筒体部分1的铺层次序。铺层角(θ)表示纤维增强方向与气瓶筒体环向间的夹角。
图4为本发明50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶图2中椭圆曲面端部2的铺层次序。铺层角(θ)表示纤维增强方向与复合气瓶筒体环向之间的夹角。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶是以铝内衬为芯模、利用纤维缠绕机、按优化设计的铺层次序将T700-12KC碳纤维全缠绕在铝内衬上成型，其结构如图1所示。本发明的复合气瓶铝内衬由筒体1及对称于筒体的两个含有内螺纹瓶口3的椭圆曲面端部2光滑无缝连接组成，铝内衬的外表面上涂抹一层防电腐蚀涂层4，在铝内衬上按数值仿真得到的优化铺层次序缠绕碳纤维层，包括筒体部分碳纤维缠绕层5和椭圆曲面端部纵向螺旋缠绕纤维层6，筒体部分碳纤维缠绕层5由纵向螺旋缠绕纤维层和环向缠绕纤维层交替缠绕而成，纵向铺层次序与椭圆曲面端部6纵向螺旋缠绕纤维层一致，并与椭圆曲面端部6在筒体的连接处的纵向螺旋缠绕角连续，在筒体部分碳纤维缠绕层5和椭圆曲面端部纵向螺旋缠绕纤维层6的表面上缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层7。
具体实施方式
为1)图1中，所示的铝内衬的结构尺寸分别取为筒体1的长度为L1＝531mm、内径D＝327mm，椭圆曲面端部2的矢高L2＝90mm，含有内螺纹为M25的瓶口3的长度L3＝50mm，壁厚t＝3.4mm，保证本发明的复合气瓶的容积为50升。
2)在铝内衬的外表面上涂抹一层薄薄的聚氨脂清漆作为防电腐蚀涂层4。
3)T700-12KC碳纤维束浸入环氧树脂后依一定的设计张力T，按优化设计的铺层次序缠绕在铝内衬上；其中铝内衬筒体部分碳纤维缠绕层5的铺层次序为[±α1/H3/±α2/H2/±α3/H2]，椭圆曲面端部的纵向螺旋缠绕纤维层6的铺层次序为[±α1/±α2/±α3]其中αi(i＝1，2，3，)表示纤维增强方向和复合气瓶对称轴的夹角，分别为
α1＝12°、α2＝16°、α3＝14°，Hi表示i层环向缠绕层。
4)碳纤维缠绕层5和6的缠绕工艺参数T700(K12-Tex800)合股纱股数为N＝5(股/条)，纵向缠满一个循环的纱带片总条数为M＝242(条/循环层)，环向缠绕的纱带片宽度为b＝5.7(mm/条)。
5)、缠绕时单股纤维的平均张力T＝10-15(N/股)，并在缠绕过程中适当地控制环氧树脂含量、确保纤维体积含量为Vf＝0.63±0.02。
6)采用5股玻璃纤维纱在碳纤维层上缠绕，一个纵向循环层、纱带片总条数为Mb＝160和一层环向缠绕层带片宽度为bb＝17(mm/条)，为抗冲击玻纤保护层8。
7)放入固化炉按设定的温度曲线进行固化成型。
8)将固化成型后的50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶按照数值仿真所确定的‘自紧’压力Pz＝54MPa对复合气瓶进行‘自紧’处理。
根据50升碳纤维全缠绕铝内衬储氢复合气瓶的有限元计算模型和铺层次序如图2-4所示，按照数值仿真所确定的‘自紧’压力对复合气瓶进行‘自紧’处理数值仿真后，在水压(50MPa)试验作用下复合气瓶的铝内衬完全处于弹性变形状态，确保体积残余变形率Vδ≤2％，提高其疲劳寿命。有限元数值仿真计算结果表明本发明氢燃料电动轿车用35MPa、50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶经‘自紧’处理后，应力场分布合理、能呈受最大的爆破压力为92Mpa与实际试验的爆破压力值95Mpa非常接近，其安全系数n≥2.58。
按照本发明具体实施方式
制造的氢燃料电动轿车用50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶，具有尽可能轻的重量，并能满足代表国际先进水平的ISO11439标准的要求。其主要技术指标为1)空瓶的重量W≤24(kg)，2)水压试验压力作用下体积残余变形率Vδ≤2％，3)安全系数n≥2.35，4)常温疲劳循环次数N≥45000(次)。
权利要求
1.一种50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶，其特征在于以内径为D＝327mm、长度为L1＝531mm的筒体(1)及矢高为L2＝90mm的对称于筒体的两个椭圆曲面端部(2)光滑无缝连接组成的铝内衬为芯模，在铝内衬上按数值仿真得到的优化铺层次序缠绕碳纤维层，包括筒体部分碳纤维缠绕层(5)和椭圆曲面端部纵向螺旋缠绕纤维层(6)，筒体部分碳纤维缠绕层(5)由纵向螺旋缠绕纤维层和环向缠绕纤维层交替缠绕而成，纵向铺层次序与椭圆曲面端部(6)纵向螺旋缠绕纤维层一致，并与椭圆曲面端部(6)在筒体的连接处的纵向螺旋缠绕角连续，在筒体部分碳纤维缠绕层(5)和椭圆曲面端部纵向螺旋缠绕纤维层(6)的表面上缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层(7)。
2.如权利要求1的50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶，其特征在于所述的铝内衬筒体部分碳纤维缠绕层(5)的铺层次序为[±12°/(90°)3/±16°/(90°)2/±14°/(90°)2]，铝内衬的两个椭圆曲面端部纵向螺旋缠绕纤维层(6)的铺层次序为[±12°/±16°/±14°]，采用的T700(K12-Tex800)合股纱股数为N＝5股/条，纵向缠满一个循环的纱带片总条数为M＝242条/循环层，环向等厚缠绕的纱带片宽度为b＝5.7mm/条，缠绕时单股纤维的平均张力T＝10-15N/股，并在缠绕过程中控制环氧树脂含量、确保纤维体积含量为Vf＝0.63。
3.如权利要求1或2的50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶，其特征在于成型后的复合气瓶经Pz＝54MPa的压力进行“自紧”处理，使其在水压试验压力作用下的体积残余变形率Vδ≤2％。
全文摘要
一种50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶，以筒体及对称于筒体的两个含有内螺纹瓶口的椭圆曲面端部光滑无缝连接而成的铝内衬为芯模，铝内衬表面上按优化设计的铺层次序缠绕碳纤维层，其外表面上缠绕玻璃纤维抗冲击保护层，并在制造过程中采用“自紧”技术进行处理，其中铝内衬筒体部分上交替缠绕纵向螺旋缠绕纤维层和环向缠绕纤维层，纵向铺层次序与椭圆曲面端部纵向螺旋缠绕纤维层一致，并与椭圆曲面端部在筒体的连接处的纵向螺旋缠绕角连续，两个椭圆曲面端部的碳纤维层为变角度纵向螺旋缠绕纤维层。本发明可使氢燃料电动车在单次加满氢燃料的情况下的行驶里程接近或达到燃油汽车行驶里程，具有实际使用价值，具有持久的良好气密性能和安全性能。
文档编号F17C1/06GK1563781SQ20041001754
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月8日 优先权日2004年4月8日
发明者王熙, 张伟, 吴浩明 申请人:上海交通大学