具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1-3所示，一种碳纤维连丝结构储氢罐箱，包括一个框架1和若干个扁平型储氢容器2，若干个所述扁平型储氢容器2上下叠置并固定在所述框架1内，每一个所述扁平型储氢容器2均由一个紧密的碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体充填基体材料后固化成型，所述碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体采用碳纤维经纱、碳纤维纬纱和碳纤维垂纱以三维机织的方式制作围成。

进一步的，参见图1和图2所示，所述框架1的侧面逐层设置有横梁，所述横梁上开有多个螺丝孔，可以固定所述扁平型储氢容器2。

进一步的，参见图3-5所示，所述碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体由外部的三维机织碳纤维壳体3和内部的碳纤维连丝结构4组成，所述三维机织碳纤维壳体3呈四边封口的扁平型结构，所述三维机织碳纤维壳体3的表面设置有多个用于连接阀门的三维机织管道5，所述三维机织管道5与所述三维机织碳纤维壳体3通过三维机织的方式一体成型，所述碳纤维连丝结构4为均匀分布在所述三维机织碳纤维壳体3上下两壁之间的多根贯穿双壁的碳纤维丝束401，每根所述碳纤维丝束401均被所述三维机织碳纤维壳体3双壁的三维机织物定位并固定，以此由所述三维机织碳纤维壳体3的双壁以及被所述三维机织碳纤维壳体3双壁定位并固定的所述碳纤维连丝结构4共同承担所述扁平型储氢容器2的内压力。

三维机织物的整体成型技术是优于传统金属材料的优势技术之一。传统金属材料在制作大型密闭容器时，难免需要处理接缝，常用的焊接、法兰、螺拴、铆接等，都会有强度问题和密封问题。三维机织物的整体成型技术，也是一种无接缝整体成型技术，非常适合制作大型压力容器，不会有因为接缝而产生的强度问题和泄露问题。这边提到的罐体用于连接阀门的管道，三维机织技术可以比较容易地无接缝处理，而传统金属材料就比较困难。

进一步的，所述碳纤维丝束401的实际分布密度应不小于理论分布密度，所述的理论分布密度的计算公式如下：

C＝P/(T*S)

式中，C为连丝分布密度，单位为根/cm²；P为容器内压力，单位为kgf/cm²；T为碳纤维抗拉强度，单位为kgf/mm²；S为丝束截面积，单位为mm²。

例如设计制作70MPa储氢压力容器，按安全系数2.0设计，则罐内压力为70MPa*2＝140MPa，T300碳纤维的抗拉强度为360kgf/mm²，24K碳纤维丝束的截面积为0.9236mm²，

根据公式C＝P/(T*S)＝140*100/9.8/(360*0.9236)＝4.3根/cm²，

T300碳纤维是最低档的碳纤维，也是售价最便宜的碳纤维，但是在连丝结构的储氢压力容器中，只要满足连丝分布密度大于等于4.3根/cm²，就可以安全制作70MPa储氢压力容器，其低成本、高性能一目了然。在机织工艺中设定连丝的纬向分布密度为2根/cm，经向的打纬密度为2根/9mm，就可以达到要求。特别是此项设计只与容器内压力与连丝本身的抗拉强度相关，与容器的容积无关，这意味着制作大容积的连丝结构的压力容器，其储氢质量密度及容积密度优势更为明显。

本发明所采用的三维机织技术，可以在相对的容器壁之间均匀密布高性能增强纤维丝束，用这些等长的高性能增强纤维丝束也能起到限制压力容器变形和均匀受力的作用，这样就可以制作出非圆筒形的压力容器，例如平坦形状的压力容器。

从图4和图5中可以看到均匀密布的碳纤维丝束。由于碳纤维有极好的拉伸强度，因此这种结构的压力容器用较小的壁厚就可以承担很大的压力。这样既减少了碳纤维的用量，减轻了压力容器的重量并且降低成本，又可以极大提高储氢压力容器的质量密度与体积密度值。本发明的一个扁平型储氢容器2按照70MPa储氢压力设计，其内部容积可以达到8.76m³。

进一步的，所述扁平型储氢容器2的四周设置有封边6，所述封边6是所述三维机织碳纤维壳体3上下两壁的边缘结合部，所述封边6由贯穿所述三维机织碳纤维壳体3上下两壁边部层厚的连续垂纱捆绑收紧后形成的一体结构；且所述封边6上有开孔，可以与所述框架1上的横梁固定。

三维机织工艺中，垂纱的应用至关重要。垂纱一方面增加了三维机织物在厚度方向上的增强纤维分布，有利于提高复合材料在厚度方向上的机械强度；另一方向，垂纱以及连接垂纱的“飞”，对三维多层织物实现了层间收紧捆绑，使得三维机织物中的经纱、纬纱、垂纱成为一个紧密连接的整体。合理应用垂纱织法，还可以整体织出密闭容器。

参见图6所示，图6表示应用垂纱织法织出扁平型储氢容器的碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体中封边以及上下两壁的示意图。图6中，

A1表示1号垂纱，其收紧了封边以及上壁，注意上壁的厚度只有封边的1/2；A2表示2号垂纱，是1号垂纱的补，即1号垂纱的上飞对应2号垂纱的下飞，1号垂纱与2号垂纱交替应用，使得碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体的上壁与封边成为一个整体；

A3表示3号垂纱，其收紧了封边以及下壁，注意下壁的厚度同样只有封边的1/2，A4表示4号垂纱，是3号垂纱的补，即3号垂纱的上飞对应4号垂纱的下飞，3号垂纱与4号垂纱交替应用，使得碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体的下壁与封边成为一个整体；

A5表示1号～4号垂纱交替应用后的效果，可以看到在垂纱的约束收紧捆绑下，封边与碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体的两壁整体机织成型的效果。

进一步的，所述三维机织碳纤维壳体3的纤维材料可以直接选用碳纤维，也可以根据功能要求替换为玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、石英纤维、陶瓷纤维或金属纤维中的一种或多种混合。

进一步的，所述基体材料为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料中的一种或多种混合；所述基体材料应与所述碳纤维连丝结构扁平型储氢容器纤维预制体良好结合，以形成能够阻止氢渗漏的容器壁。

进一步的，也可以在所述基体材料固化之后，在所述扁平型储氢容器2的外壁上再覆盖一层阻氢层，以提升阻止氢渗漏的效果。

进一步的，所述三维机织碳纤维壳体3的纤维材料中混合有用于防静电的高导电材料，所述高导电材料为金属丝。

进一步的，参见图1和2所示，所述框架1的尺寸为国际通用的40英尺集装箱的尺寸，且所述扁平型储氢容器2的长宽尺寸与所述框架1的长宽尺寸相对应，从而方便吊装、运输和叠置堆放；还可以将多个此类储氢罐箱进行叠置，从而成为解决氢气运输难题的“高压氢气罐箱”；甚至可以直接将其用作加氢站的储氢罐，这样也解决了加氢站建设成本高的问题。

参见图1所示，在标准的40英尺集装箱框架内安装了6个扁平型储氢容器，总容积可达到52.5m³，按照氢气在70MPa压力，20℃温度下的密度计算，总储氢量可达2.2吨。

进一步的，参见图7所示，所述框架1的六个面上均设置有挡板7，六块所述挡板7将所述框架1内部封闭起来，并在封闭后的所述框架1内部填充隔热材料，以对扁平型储氢容器2进行隔热。

进一步的，可以在隔热的基础上，设置制冷系统保持较长时间低温。由于是-50℃低温氢气注入罐内，因此罐箱主要是保持低温，隔热的作用，加装制冷系统则可以保持较长时间低温。

不同压力温度下，本发明的碳纤维连丝结构储氢罐箱的储氢量如下表所示：

因为氢气的压力密度曲线在70MPa之后是下降的，所以若要提高储氢密度，最简单的方法就是低温高压，并且0℃都不能满足要求，至少要-50℃。从上表可以看出，像本发明这种大型罐体，在[email protected]℃时，储氢量可达3吨，比[email protected]℃时多出36％，因此对于长途运输来说，低温高压应该还是合算的。

进一步的，封闭后的所述框架1内设置有用于检测所述扁平型储氢容器2内存储物质有无泄露的氢气传感器。

进一步的，封闭后的所述框架1内设置有带卫星定位功能的控制器，所述氢气传感器与所述控制器信号连接，且所述控制器与物联网连接，全程安全监控。

由此可见，本发明的这种碳纤维连丝结构储氢罐箱，不仅容积大，自身重量轻，而且可承受的压力大，有很高的储氢质量密度和体积密度。与传统钢制气瓶相比，本发明在同等压力和容积情况下，用更小的壁厚就能达到储氢要求。同时，本发明的这种碳纤维连丝结构储氢罐箱还有一个突出的优点是安全。

传统钢制气瓶的构成模型与炸弹的模型是一样的，所以这种高压气瓶总让人有大炸弹的恐怖感觉。虽然碳纤维缠绕气瓶要好一些，但是其金属内胆或者非金属内胆还是一个炸弹模型，只是在外面裹了厚厚的高强度的碳纤维丝，在碳纤维足够厚的时候，是安全的，特别是“未爆先漏”的原则，保证了这是一个炸不起来的“炸弹”。

本发明的这种碳纤维连丝结构储氢罐箱的构成模型与炸弹完全不同，其每一平方厘米容器壁都有许多高性能增强纤维限位牵引，容器壁本身也是纵横交错的高性能增强纤维三维织造完成的，完全不会产生“炸弹碎片”这样的东西，即使遭到强力破坏，也是部分高性能增强纤维断裂，出现泄漏，不会出现“炸弹”爆炸这样的情况，是一种天生满足压力容器“未爆先漏”原则的结构。所以本发明的这种碳纤维连丝结构储氢罐箱相比传统钢制气瓶的压力容器有更高的安全性。本发明的技术方案，也可用于CNG运输罐箱设计制作。

本发明这个项目对于我国的“碳达峰、碳中和”计划意义重大，因为解决了氢能源的储存、运输难题。有了本发明的这种碳纤维连丝结构储氢罐箱，风电--制氢--储氢--运出，光电--制氢--储氢--运出，这样的能源计划从而得以实施，这样在无人荒岛、无人沙漠，都可以建立无人值守、自动运行的氢能源站。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。