[發明專利]不銹鋼內膽碳纖維全纏繞瓶式容器的制造方法及結構

在審

• 申請號: 202110631969.9
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113432030A
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 曹文紅;陳凡;黃國明;夏明;鄺周凌;占建新;倪寶鵬;范增超
• 申請（專利權）人: 浙江藍能燃氣設備有限公司
• 主分類號: F17C1/02
• 分類號: F17C1/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了不銹鋼內膽碳纖維全纏繞瓶式容器的制造方法，包括以下步驟：選取無縫奧氏體不銹鋼鋼管為基材，熱旋壓形成帶有瓶頸的橢圓形封頭；對瓶頸的外表面進行精加工，將加強套環套接于瓶頸處；進行連續固溶熱處理得到均勻的單向奧氏體組織；采用正交纏繞與交叉纏繞在無縫不銹鋼內膽處纏繞碳纖維，碳纖維之間填充環氧樹脂，得到碳纖維纏繞承壓層；在碳纖維纏繞承壓層的外表面纏繞玻璃纖維得到設于碳纖維纏繞承壓層外的玻璃纖維纏繞保護層；將瓶式容器轉移至固化爐中烘干固化。本發明方法降低了大容量固定式儲氫裝置的高壓損傷。本發明還提供了根據上述方法制備得到的不銹鋼內膽碳纖維全纏繞瓶式容器的結構，該結構耐壓力強，不易腐蝕。

技術領域

本發明涉及大容量高壓儲氣設備的技術領域，特別是一種不銹鋼內膽碳纖維全纏繞瓶式容器的制造方法及結構。

背景技術

氫能重要的終端應用之一是燃料電池電動汽車，加氫站作為給氫燃料電池電動汽車加氫的場所，是氫能和燃料電池電動汽車發展的重要基礎設施。截至2020年底，我國已建成加氫站50座左右，預計到2030年，我國加氫站數量將達到1000座。目前加氫站內的儲氫瓶式容器的壓力多為50MPa，但隨著70MPa乘用車的開發，目前加氫站也逐步設有了70MPa的站內儲氫及緩沖罐。

小容積氣瓶組和鋼帶錯繞高壓容器受到制造成本、制造周期、組合方式、容量及承壓能力的限制已經遠遠不能適應于市場發展的需要。提高氫氣的加注壓力、儲存能力、優化加氫流程、提高加氫效率的關鍵是提高儲氫瓶式容器的耐壓能力及高中低壓瓶式容器的容積比。提高氫氣的加注壓力必須提高氫壓縮機的出口壓力及儲氫容器的工作壓力。

高壓儲氫具有設備結構簡單、壓縮能耗少、充放速度快等優點，是目前加氫站內氫的主流儲存方式。然而，提高儲氫瓶式容器的工作壓力受到材料、容器外徑、結構、工藝和“氫脆”現象的限制。所謂“氫脆”是氫原子滲透到鋼材的晶格中，使材料產生鼓包和氫致開裂的現象。當鋼材中的雜質成分尤其是硫或磷含量較高時，在高壓氫氣環境下容易結合產生氫化物而導致整體塑性降低，從而在應力集中的部位或缺陷處產生開裂的連鎖反應。所以對于高壓儲氫瓶式容器的設計和生產均采取十分謹慎的態度。

目前，高壓氣態儲氫氣瓶主要有無縫鋼質氣瓶(I型)或瓶式容器、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、金屬(鋁、不銹鋼)內膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)4個類型。

加氫站用儲氫氣瓶組主要是由多個無縫鋼質氣瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)或鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)組組成，具有壓力分級與容積組合容易，制造周期短，交貨期短，適應場地能力強，成型工藝簡單、制造成本低的優點；同時也具有單元容積小，容器數量多，漏點多，安全距離大，一次性投資大，運行成本高，由于氣瓶是按照氣瓶標準進行設計，受TSG23《氣瓶安全技術規程》監管，不能現場定期檢驗，需要整體進復檢站檢驗，且實施困難，費用高的缺點。

固定式儲氫傳統上通常采用鋼制無縫氣瓶，該類裝置是由無縫鋼管經兩端局部加熱旋壓收口而成，屬于整體無焊縫結構，避免了焊接可能引起的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，但其使用的高強鋼對氫脆敏感。同時因壁厚較厚存在不易旋壓收口及熱處理的工藝難題，國外一些企業研發出大容積碳纖維全纏繞復合材料氣瓶用于加氫站儲氫，雖然這類裝置對氫脆的敏感性低，但成本十分高昂，限制了其廣泛應用。

公開號為CN108758324A的說明書公開了一種燃料電池無人機用高壓儲氣瓶及其制備方法，解決現有技術重量重及單位重量儲氫密度低從而嚴重影響無人機的續航性能的問題。燃料電池無人機用高壓儲氣瓶包括采用鋁板沖拔成型、前后端分別成型有前封頭和后封頭、用于儲存氫氣的鋁制內膽，設于所述前封頭處的瓶口，以及采用碳纖維環氧體系復合材料通過環向、縱向和螺旋方式交叉重疊纏繞于所述鋁制內膽外壁上的強度層。制備方法包括以下步驟：步驟1、制作鋁制內膽；步驟2、纏繞強度層；步驟3、涂覆光固化樹脂層。該發明采用的鋁內膽碳纖維纏繞氣瓶，受鋁合金材料的剛度、成型工藝等因素制約，國內外的Ⅲ型氣瓶容積未能超過450L，且成本昂貴。