一种无内衬深冷高压储氢气瓶及制备方法

本发明属于高压容器制造，具体涉及一种无内衬深冷高压储氢气瓶阻气复合材料层制备方法。

背景技术：

1、氢能作为可再生清洁能源，对构建低碳高效的现代能源体系，实现环境发展目标具有重要意义。氢能对于减少碳排放和推动新能源革命进程至关重要。储氢是整个氢能产业链中急需突破的重要环节，为了满足中型和重型卡车对高密度、大容量的储能要求，需要一种储氢效率更高的车载储氢技术和装备，与压缩气态氢(gch2)和液态氢(lh2)存储方法相比，深冷高压(cch2)在存储密度和休眠时间两个方面表现出更好的性能。

2、深冷高压储氢是指利用绝热、耐压气瓶将氢以超临界态储存在低温(20-50k)、高压(35mpa)复合工况下，与车载液氢相比，具有无损维持时间长、加注速度快、耐压性能高等显著优势，能够解决目前车载液氢研究面临的漏热蒸发率高、加注损耗大、供氢压力低等难点。

3、但是，在深冷、高压两种极端工况的共同作用，传统的塑料内衬缠绕碳纤维方法制备的iv型瓶常常出现内衬塌陷和复合材料横向开裂的问题。而无内衬的v型瓶的则能够有效解决上述问题。但是，在去除内衬后，如何保障气瓶的阻气性能成为难题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：本发明提供一种提高阻气性能的无内衬深冷高压储氢气及制备方法。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明首先提供一种无内衬深冷高压储氢气瓶，包括瓶身及设置在瓶身上的接头，所述瓶身由内而外包括混合阻气层和碳纤维环绕层，所述混合阻气层包括阻气层，所述阻气层由具有交联网络结构的阻气材料以及包裹在阻气材料内的由树脂固化的碳纤维丝构成。

4、所述阻气层的成型方法为：

5、将碳纤维束层与阻气材料层交替包覆缠绕成多层结构后进行加热加压；加热加压处理使阻气材料层熔融并渗透碳纤维束层的纤维束之间，阻气材料熔融冷却后形成包裹纤维束的交联网络结构，并且在冷却过程中形成球晶；

6、对交联网络结构中的纤维束进行树脂渗透，使树脂与纤维丝及阻气材料相连。

7、本发明还提供一种无内衬深冷高压储氢气瓶的制备方法，包括：

8、在与储氢气瓶内壁相适配的模具上缠绕浸润改性树脂的碳纤维束，缠绕的碳纤维束完全包裹模具，形成初始缠绕层；

9、对初始缠绕层进行固化；

10、在固化的初始缠绕层外依次交替缠绕未浸润改性树脂的碳纤维丝束层和阻气材料层；

11、对交替缠绕碳纤维束层和阻气材料层后的模具进行加热，使阻气材料熔融成包裹碳纤维束的交联网络结构；

12、对交联网络结构中的碳纤维束浸润改性树脂，通过树脂加强阻气材料与碳纤维丝的连接强度；

13、在模具两端添加接头，并继续进行浸润改性树脂的碳纤维束缠绕，固化形成碳纤维环绕层；

14、融化模具，得到固化后的储氢气瓶。

15、本发明与现有技术相比的有益效果是：

16、本发明通过将聚乙烯膜充分覆盖在碳纤维束层间，通过高温高压，在纤维束缠绕预紧力作用下，使聚乙烯膜熔融并渗透入碳纤维束间，形成包裹碳纤维束的交联网络结构，阻气材料间相互连结，阻气材料与碳纤维层间有较高的连接强度。聚合物阻气材料在加热加压熔融到重新冷却固化的过程中，晶体重新成型，由片晶形成球晶，球晶直径约10微米，球晶大量无规则堆积，阻碍氢气扩散，聚合物阻隔气体能力增强。

技术特征：

1.一种无内衬深冷高压储氢气瓶，包括瓶身及设置在瓶身上的接头(3)，所述瓶身由内而外包括混合阻气层(1)和碳纤维环绕层(2)，其特征在于：所述混合阻气层包括阻气层，所述阻气层由具有交联网络结构的阻气材料以及包裹在阻气材料内的由树脂固化的碳纤维丝构成。

2.根据权利要求1所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述阻气层的成型方法为：

3.根据权利要求2所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述混合阻气层还包括初始缠绕层(11)，所述阻气层成型在所述初始缠绕层(11)上。

4.根据权利要求3所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述初始缠绕层(11)由浸润改性树脂的碳纤维束沿瓶身圆周方向环向缠绕而成。

5.根据权利要求3所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述碳纤维环绕层(2)包括内部环向缠绕层(21)、螺旋缠绕层(22)和外部环向缠绕层(23)。

6.根据权利要求5所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述螺旋缠绕层(22)为浸润改性树脂的碳纤维束采用多角度螺旋缠绕结构缠绕固化而成；所述内部环向缠绕层(21)和外部环向缠绕层(23)为浸润改性树脂的碳纤维束采用环向缠绕结构缠绕固化而成；所述阻气层中碳纤维束采用纵向缠绕结构缠绕而成。

7.根据权利要求5所述的无内衬深冷高压储氢气瓶，其特征在于：所述接头(3)布置在混合阻气层外，与内部环向缠绕层(21)相接；相接处由碳纤维束环向缠绕包覆形成，环向缠绕厚度与接头厚度一致。

8.一种如权利要求1-7任一所述无内衬深冷高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于：包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：对交替缠绕碳纤维束层和阻气材料层后的模具进行加热的加热温度为tg+50～tg+100℃，tg为阻气材料熔点，加压的压力为2～3mpa，保温2～3h；阻气膜在高温和压力下熔融并充分渗透未浸润改性树脂的碳纤维束层。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：对交联网络结构中的碳纤维束浸润改性树脂的方法为真空辅助树脂传递工艺，混合阻气层外侧包裹真空袋，气瓶一侧与树脂溶液连接，另一侧使用真空泵抽取真空，树脂沿着碳纤维丝进行导流，从而浸润碳纤维丝。

技术总结
本发明属于高压容器制造技术领域，具体为一种无内衬深冷高压储氢气瓶及制备方法，其中无内衬深冷高压储氢气瓶包括瓶身及设置在瓶身上的接头，所述瓶身由内而外包括混合阻气层和碳纤维环绕层，所述混合阻气层包括阻气层，所述阻气层由具有交联网络结构的阻气材料以及包裹在阻气材料内的由树脂固化的碳纤维丝构成。本发明通过将阻气膜充分覆盖在碳纤维束层间，通过高温高压，使阻气膜熔融并渗透入碳纤维束间，形成包裹碳纤维束的交联网络结构。聚合物阻气材料在加热加压熔融到重新冷却固化的过程中，晶体重新成型，由片晶形成球晶，球晶直径约10微米，球晶大量无规则堆积，阻碍氢气扩散，聚合物阻隔气体能力增强。

技术研发人员：倪中华,周炜浩,张加俏,严岩,雷林,张帆远航
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11