一种高压复合轻量化储氢瓶制造技术

本实用新型专利技术涉及一种高压复合轻量化储氢瓶，包括瓶体内胆、分别与瓶体内胆左右瓶肩一体成型的内凹式瓶嘴、与瓶嘴插接的内接头以及包覆在瓶嘴外部的外接头，所述的瓶体内胆为HDPE材质，所述的内接头与金属堵头或阀门插接。与现有技术相比，本实用新型专利技术具有质量轻、储氢密度高、密封性好、瓶嘴密封性好、缠绕稳定等优点。

A high pressure compound light weight hydrogen storage bottle

【技术实现步骤摘要】
一种高压复合轻量化储氢瓶
本技术涉及氢燃料电池车储氢
，尤其是涉及一种高压复合轻量化储氢瓶。
技术介绍
在2019年全国两会上，推动充电、加氢等设施建设首次写入《政府工作报告》中，氢气在氧气中燃烧可以生成水，同时并不会产生任何其他副产物。而由于氧气广泛存在于空气里，氢气也就成了最方便取用、又清洁到百分之百人畜无害的能源，而氢燃料电池车一次加满氢只需3-4分钟，续航里程可达650公里，行驶里程长、加氢速度快，驾乘操控性和燃油车完全一致并且环保，车载氢气瓶则是氢燃料电池车储能的关键设备，因此，车载氢气瓶作为目前储存氢能源的唯一容器，其高压储氢设备轻量化技术是目前技术前沿的研究方向。如图1所示，传统的III型储氢瓶以铝合金作为气瓶内胆，采用铝合金管材旋压收口，再加工瓶嘴，其瓶嘴与瓶肩采用圆弧过渡，其密度一般在2.5～2.88g/cm3之间，其质量重、耐压小，不利于载氢量和行驶里程的提升，而IV型储氢瓶所采用的是HDPE(高密度聚乙烯)材料，其密度仅为0.94-0.95g/cm3，但是目前制造的难点在于，氢燃料电池车的管路均为金属管路，如果采用HDPE作为储氢瓶内胆材料，其瓶口螺纹由于与铝合金的管路是异种材料，存在各向异性，且硬度不同，强行密封会导致材料变形，密封失效，由于氢气的爆炸下限仅为4.1％，因此，一旦泄漏，存在极大风险。
技术实现思路
本技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压复合轻量化储氢瓶。本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高压复合轻量化储氢瓶，包括瓶体内胆、分别与瓶体内胆左右瓶肩一体成型的内凹式瓶嘴、与瓶嘴插接的内接头以及包覆在瓶嘴外部的外接头，所述的瓶体内胆为HDPE材质，所述的内接头与金属堵头或阀门插接。所述的内接头呈倒凸台型，由一体成型的插接部和连接部构成，所述的插接部插接在瓶嘴的嘴口内，在插接部外表面设置挡圈和密封槽口，并且在密封槽口内安装O型密封圈。所述的金属堵头或阀门插入到连接部内密封连接，所述的外接头内表面分别通过螺纹与嘴口外表面以及内接头的连接部外表面旋紧密封。所述的瓶体内胆和外接头的外表面设有用以承受缠绕张力的碳纤维缠绕层，并在碳纤维缠绕层外侧缠绕有玻璃纤维保护层或设置防冲击保护盖。所述的瓶体内胆的最小厚度为5.5mm。所述的碳纤维缠绕层的环向层厚度hθ和螺旋层厚度hα的设计式为：其中，R为内胆半径，Pb为最小设计爆破压力，α为缠绕角，σf为碳纤维设计强度，Vf为碳纤维缠绕层纤维体积含量。所述的螺纹连接部分的剪切应力安全系数不低于4倍。所述的金属堵头和阀门均为6061铝合金材质。所述的内接头和外接头均为金属接头。与现有技术相比，本技术具有以下优点：一、质量轻、储氢密度高：本技术的瓶体内胆采用HDPE塑料材质，相较于Ⅲ型储氢瓶的合金内胆，质量大大降低，总重量仅为37.9kg，质量储氢密度可达5.4％，能够有效的降低载重提高氢气燃料汽车的行驶里程。二、瓶嘴密封性好：由于本技术的瓶嘴为HDPE塑料材质，而与其连接的金属堵头或阀门为6061铝合金材质，本技术采用了内凹式截面呈弓形的瓶嘴，并且设计了通过螺纹连接的内接头和外接头，并将瓶嘴嘴口部分插入到内接头和外接头形成的空间中，有效的避免了因材质不同导致密封失败或变形的问题。三、缠绕稳定：由于本技术的塑料内胆不承受载荷，其本体结构也无法承受大的缠绕张力，因此在内胆外表面缠绕上一层碳纤维层用以承受缠绕张力，并且配合凹式截面呈弓形的瓶嘴，在缠绕的时候给予塑料内胆封头足够的抗弯力，保证缠绕稳定四、密封性好：本技术将塑料内胆瓶嘴嘴口夹在金属内接头与金属外接头之间，采用螺纹的形式旋紧密封，并且在瓶嘴嘴口内表面和内接头插接部外表面之间通过设置两道O形圈加挡圈的组合密封结构，有效的保证了密封性，同时还在瓶嘴的密封处增设玻璃纤维保护层或设置防冲击保护盖，在保证冲击安全的情况下增加了密封强度。五、在应力分析时，Ⅲ型瓶需要施加一个自紧压力，而本技术的储氢瓶则不需要此步骤，直接从零开始施加载荷。附图说明图1为现有的III型储氢瓶的结构示意图。图2为本技术储氢瓶瓶身的结构主剖视图。图3为图2中A部的局部放大图。图4为瓶嘴连接结构剖面图。图5为内胆瓶嘴密封结构平面图图6为本技术储氢瓶的结构主剖视图。图7a为内接头的结构主视图。图7b为内接头的结构俯视图。图8a为外接头的结构主视图。图8b为外接头的结构俯视图。其中，1、瓶体内胆，2、瓶嘴，3、内接头，4、外接头，21、嘴口，31、插接部，32、连接部，311、挡圈，312、密封槽口。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本技术进行详细说明。由于目前国内仅有适用于Ⅲ型储氢瓶的GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》，并没有关于Ⅳ型储氢瓶的国家标准。对Ⅳ型瓶(高压复合轻量化储氢瓶)研究处于起步阶段。本技术基于Ⅲ型储氢瓶的基础上，根据Ⅳ型储氢瓶的特点，对Ⅳ型储氢瓶进行设计计算。本技术的IV型储氢瓶设计基于以下条件：(1)塑料内胆仅限密封作用，不承受任何载荷。(2)碳纤维缠绕层承受全部的载荷。具体设计内容如下：1、设计计算参数充装介质：氢气；公称工作压力：35MPa；注：以35MPa为例，70MPa计算类似。使用环境温度：-40℃～85℃；内胆直径:公称外径：公称容积：52L水压试验压力:52.5MPa；最小设计爆破压力:78.75MPa；设计使用寿命:15年。2、材料选择2.1瓶体内胆材料选择经过国外大量的应用实践，目前公认的适合储氢的内胆材料为HDPE，即高密度聚乙烯。2.2碳纤维缠绕层材料选择根据目前国外情况，还是选用T700级别的碳纤维。具体碳纤维选型如下：表1碳纤维参数拉伸强度公称线密度公称模量4900MPa1600TEX230GPa2.3玻璃纤维选择根据国内目前氢气瓶使用实际情况，采用玻璃纤维保护层作为保护层。由于玻璃纤维仅作为保护层，对玻璃纤维的性能指标不作为具体要求，一般仅要求采用E玻纤或者更高级别玻纤。2.4瓶嘴材料选择目前Ⅲ型储氢瓶采用6061铝合金，由于国产6061铝合金具有良好的氢气相容性，氢气对慢应变速率拉伸性能和疲劳裂纹扩展性能的影响均较小。同时，热处理工艺对6061铝合金氢脆敏感性无明显影响，故6061铝合金是一个经过验证的，具有良好使用经验的材料，非常适合用来当作IV型高压氢气瓶的瓶嘴材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，包括瓶体内胆(1)、分别与瓶体内胆(1)左右瓶肩一体成型的内凹式瓶嘴(2)、与瓶嘴(2)插接的内接头(3)以及包覆在瓶嘴(2)外部的外接头(4)，所述的瓶体内胆(1)为HDPE材质，所述的内接头(3)与金属堵头或阀门插接。/n

【技术特征摘要】
1.一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，包括瓶体内胆(1)、分别与瓶体内胆(1)左右瓶肩一体成型的内凹式瓶嘴(2)、与瓶嘴(2)插接的内接头(3)以及包覆在瓶嘴(2)外部的外接头(4)，所述的瓶体内胆(1)为HDPE材质，所述的内接头(3)与金属堵头或阀门插接。


2.根据权利要求1所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的内接头(3)呈倒凸台型，由一体成型的插接部(31)和连接部(32)构成，所述的插接部(31)插接在瓶嘴(2)的嘴口(21)内，在插接部(31)外表面设置挡圈(311)和密封槽口(312)，并且在密封槽口(312)内安装O型密封圈。


3.根据权利要求2所述的一种高压复合轻量化储氢瓶，其特征在于，所述的金属堵头或阀门插入到连接部(32)内密封连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁奕雯，成志钢，
申请(专利权)人：上海市特种设备监督检验技术研究院，
类型：新型
国别省市：上海;31