[发明专利]不锈钢内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的制造方法及结构

说明书

本发明公开了不锈钢内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的制造方法，包括以下步骤：选取无缝奥氏体不锈钢钢管为基材，热旋压形成带有瓶颈的椭圆形封头；对瓶颈的外表面进行精加工，将加强套环套接于瓶颈处；进行连续固溶热处理得到均匀的单向奥氏体组织；采用正交缠绕与交叉缠绕在无缝不锈钢内胆处缠绕碳纤维，碳纤维之间填充环氧树脂，得到碳纤维缠绕承压层；在碳纤维缠绕承压层的外表面缠绕玻璃纤维得到设于碳纤维缠绕承压层外的玻璃纤维缠绕保护层；将瓶式容器转移至固化炉中烘干固化。本发明方法降低了大容量固定式储氢装置的高压损伤。本发明还提供了根据上述方法制备得到的不锈钢内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的结构，该结构耐压力强，不易腐蚀。

技术领域

本发明涉及大容量高压储气设备的技术领域，特别是一种不锈钢内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的制造方法及结构。

背景技术

氢能重要的终端应用之一是燃料电池电动汽车，加氢站作为给氢燃料电池电动汽车加氢的场所，是氢能和燃料电池电动汽车发展的重要基础设施。截至2020年底，我国已建成加氢站50座左右，预计到2030年，我国加氢站数量将达到1000座。目前加氢站内的储氢瓶式容器的压力多为50MPa，但随着70MPa乘用车的开发，目前加氢站也逐步设有了70MPa的站内储氢及缓冲罐。

小容积气瓶组和钢带错绕高压容器受到制造成本、制造周期、组合方式、容量及承压能力的限制已经远远不能适应于市场发展的需要。提高氢气的加注压力、储存能力、优化加氢流程、提高加氢效率的关键是提高储氢瓶式容器的耐压能力及高中低压瓶式容器的容积比。提高氢气的加注压力必须提高氢压缩机的出口压力及储氢容器的工作压力。

高压储氢具有设备结构简单、压缩能耗少、充放速度快等优点，是目前加氢站内氢的主流储存方式。然而，提高储氢瓶式容器的工作压力受到材料、容器外径、结构、工艺和“氢脆”现象的限制。所谓“氢脆”是氢原子渗透到钢材的晶格中，使材料产生鼓包和氢致开裂的现象。当钢材中的杂质成分尤其是硫或磷含量较高时，在高压氢气环境下容易结合产生氢化物而导致整体塑性降低，从而在应力集中的部位或缺陷处产生开裂的连锁反应。所以对于高压储氢瓶式容器的设计和生产均采取十分谨慎的态度。

目前，高压气态储氢气瓶主要有无缝钢质气瓶(I型)或瓶式容器、钢制内胆纤维缠绕瓶(II型)、金属(铝、不锈钢)内胆纤维缠绕瓶(III型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)4个类型。

加氢站用储氢气瓶组主要是由多个无缝钢质气瓶(I型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II型)或铝内胆纤维缠绕瓶(III型)组组成，具有压力分级与容积组合容易，制造周期短，交货期短，适应场地能力强，成型工艺简单、制造成本低的优点；同时也具有单元容积小，容器数量多，漏点多，安全距离大，一次性投资大，运行成本高，由于气瓶是按照气瓶标准进行设计，受TSG23《气瓶安全技术规程》监管，不能现场定期检验，需要整体进复检站检验，且实施困难，费用高的缺点。

固定式储氢传统上通常采用钢制无缝气瓶，该类装置是由无缝钢管经两端局部加热旋压收口而成，属于整体无焊缝结构，避免了焊接可能引起的裂纹、气孔、夹渣等缺陷，但其使用的高强钢对氢脆敏感。同时因壁厚较厚存在不易旋压收口及热处理的工艺难题，国外一些企业研发出大容积碳纤维全缠绕复合材料气瓶用于加氢站储氢，虽然这类装置对氢脆的敏感性低，但成本十分高昂，限制了其广泛应用。

公开号为CN108758324A的说明书公开了一种燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，解决现有技术重量重及单位重量储氢密度低从而严重影响无人机的续航性能的问题。燃料电池无人机用高压储气瓶包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头和后封头、用于储存氢气的铝制内胆，设于所述前封头处的瓶口，以及采用碳纤维环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆外壁上的强度层。制备方法包括以下步骤：步骤1、制作铝制内胆；步骤2、缠绕强度层；步骤3、涂覆光固化树脂层。该发明采用的铝内胆碳纤维缠绕气瓶，受铝合金材料的刚度、成型工艺等因素制约，国内外的Ⅲ型气瓶容积未能超过450L，且成本昂贵。