一种碳纤维双层连丝结构储氢容器
阅读说明：本技术 一种碳纤维双层连丝结构储氢容器 (Carbon fiber double-layer continuous wire structure hydrogen storage container ) 是由 李锡放 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碳纤维双层连丝结构储氢容器,由紧密的且内部具有双层碳纤维连丝结构的扁平型三维机织纤维预制体充填基体材料后固化成型,扁平型三维机织纤维预制体采用高性能增强纤维丝束以三维机织的方式制作而成；扁平型三维机织纤维预制体由双层三维机织纤维壳体、内部碳纤维连丝结构和夹层碳纤维连丝结构组成,双层三维机织碳纤维壳体的内层壁为主承压壁,外层壁为功能壁,主承压壁和功能壁之间留有间隙；内部碳纤维连丝结构均匀分布主承压壁上下两壁之间,夹层碳纤维连丝结构均匀分布在主承压壁与功能壁的间隙之间。本发明不仅节省了原料,减轻了重量,提高了质量储氢密度与体积储氢密度,而且具有隔热功能,并大大提高了安全性。(The invention discloses a carbon fiber double-layer continuous filament structure hydrogen storage container which is formed by filling a compact flat three-dimensional woven fiber preform with a double-layer carbon fiber continuous filament structure inside with a base material and then curing, wherein the flat three-dimensional woven fiber preform is made by adopting a high-performance reinforced fiber tow in a three-dimensional weaving manner; the flat three-dimensional woven fiber preform consists of a double-layer three-dimensional woven fiber shell, an internal carbon fiber connecting wire structure and an interlayer carbon fiber connecting wire structure, wherein the inner layer wall of the double-layer three-dimensional woven fiber shell is a main pressure bearing wall, the outer layer wall of the double-layer three-dimensional woven fiber shell is a functional wall, and a gap is reserved between the main pressure bearing wall and the functional wall; the internal carbon fiber connecting structure is uniformly distributed between the upper wall and the lower wall of the main pressure bearing wall, and the interlayer carbon fiber connecting structure is uniformly distributed between the gap between the main pressure bearing wall and the functional wall. The invention not only saves raw materials, reduces weight, improves mass hydrogen storage density and volume hydrogen storage density, but also has heat insulation function and greatly improves safety.)
技术领域
本发明属于压力容器领域，具体涉及一种碳纤维双层连丝结构 储氢容器。
背景技术
储氢压力容器，通常称为储氢罐，其经历了四型发展：I型为 金属气瓶，II型为金属内胆增强纤维环向缠绕气瓶，III型为金属内 胆增强纤维全缠绕气瓶，IV型为非金属内胆增强纤维全缠绕气瓶。 由于这四型储氢压力容器的外形全部为圆筒型，因此称为气瓶。GB150.3-2011给出内压圆筒压力容器的计算公式为：其中δ为气瓶的计算厚度，mm；Do为气瓶的外径，mm；Pc为计算 压力，MPa；σ为材料的计算应力，MPa。
从上述计算公式可以看出，气瓶的壁厚与压力及外径成正比。 目前市面上几乎所有内压力容器的都是圆筒型的，因为圆形的筒壁 材料可以更好地抵抗压力，这种圆周自封闭结构很好地限制变形并 且受力均匀。这种结构的筒壁，相当于无中间支撑悬空梁结构，周 长相当于无中间支撑的跨度，当载荷增加时，必需增加壁厚，或者 减小跨度，即圆筒直径。
因此这种结构也严重限制了压力容器的发展，特别是储氢罐的 发展。由于氢气的密度低，业内采用质量储氢密度与体积储氢密度 这两个参数来评估储氢系统的储氢能力。要提高压力或增加半径以 提高气瓶储氢量就需要增加筒壁厚度，而增加筒壁厚度即同时增加 了气瓶重量，因此提高质量储氢密度和体积储氢密度都遇到瓶颈。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种碳纤维双层连丝 结构储氢容器，以实现节省原料，减轻重量，提高质量储氢密度与 体积储氢密度，提高储氢安全性等目的。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技 术方案实现：
一种碳纤维双层连丝结构储氢容器，为由一个紧密的且内部具 有双层碳纤维连丝结构的扁平型三维机织纤维预制体充填基体材料 后固化成型得到的扁平型压力容器，所述扁平型三维机织纤维预制 体采用经纱、纬纱和垂纱以三维机织的方式制作而成，且所述经纱、 所述纬纱和所述垂纱均为高性能增强纤维丝束；所述扁平型三维机 织纤维预制体由双层三维机织纤维壳体、内部碳纤维连丝结构和夹 层碳纤维连丝结构组成，所述双层三维机织纤维壳体呈四边封口的 扁平型结构，所述双层三维机织碳纤维壳体的内层壁为主承压壁， 所述双层三维机织碳纤维壳体的外层壁为功能壁，所述主承压壁和 所述功能壁之间留有间隙；所述内部碳纤维连丝结构为均匀分布在 所述主承压壁上下两壁之间的多根贯穿所述主承压壁双壁的第一碳 纤维丝束，每根所述第一碳纤维丝束均被所述主承压壁上下双壁的 三维机织物定位并固定，以此由所述主承压壁上下双壁以及被所述 主承压壁上下双壁定位并固定的所述内部碳纤维连丝结构共同承担 所述扁平型压力容器的内压力；所述夹层碳纤维连丝结构均匀分布 在所述主承压壁与所述功能壁的间隙之间的多根贯穿间隙上下两壁 的第二碳纤维丝束，且每根所述第二碳纤维丝束均被所述主承压壁外壁和所述功能壁内壁上的三维机织物定位并固定，以此由所述夹 层碳纤维连丝结构支撑所述功能壁与所述主承压壁之间的间隙。
进一步的，所述内部碳纤维连丝结构的第一碳纤维丝束的实际 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。
进一步的，所述扁平型三维机织纤维预制体的表面设置有多个 用于连接阀门的三维机织管道，所述三维机织管道与所述扁平型三 维机织纤维预制体通过三维机织的方式一体成型。
进一步的，所述主承压壁与所述功能壁的间隙中填充有隔热材 料、阻氢材料。
进一步的，所述功能壁上设置有用于检测所述主承压壁内存储 物质有无泄露的氢气传感器。由于上层的间隙和下层的间隙不连通， 因此需要在所述功能壁的上下两面分别设置一个氢气传感器。
进一步的，所述扁平型压力容器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，实现全程安全监控。
进一步的，所述扁平型压力容器的四周设置有封边，所述封边 是所述三维机织碳纤维壳体上下两壁的边缘结合部，所述封边由贯 穿所述三维机织碳纤维壳体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。
进一步的，所述主承压壁的纤维材料为碳纤维，所述功能壁的 纤维材料根据功能需求选择玄武岩纤维、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。
例如，需要具备绝缘功能的，则可选用玻璃纤维/玄武岩纤维； 需要具备导电功能的，则可选用导电性能好的纤维；需要具备隔热 功能的，则可用玄武岩纤维。
进一步的，所述功能壁的纤维材料中混合有用于防静电的高导 电材料，所述高导电材料为包括铜丝在内的金属丝。
例如在玄武岩纤维中混入铜丝共同织造，这样导电的所述功能 壁就具有了防静电的功能。
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扁平型三维机织纤维 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，还可以在所述基体材料固化之后，在所述扁平型压 力容器的外壁上再覆盖一层阻氢层，以提升阻止氢渗漏的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用了三维机织技术，将高性能增强纤维以三维正交 的形式直接组织成一个紧密坚固的且具有双层壳壁结构的储氢容器 预制体，并且在储氢容器预制体内层两壁以及双层壳壁间隙之间分 别均匀密布有碳纤维连丝结构，因此本发明可以在同等压力和容积 情况下，用更小的壁厚便能达到储氢要求，从而节省了原料，减轻 了重量，提高了质量储氢密度与体积储氢密度，性能优于传统缠绕 技术制作的气瓶。
2、本发明采用的碳纤维是高性能增强纤维，由于具有极好的抗 拉伸强度，因此用碳纤维制作的连丝结构来承担压力容器的内压力， 便可以用较小的壁厚，来制作很高压力的安全的压力容器。
3、本发明采用双层壳壁设计，并且在双层壳壁的间隙中填充了 隔热材料，成为具有隔热功能的储氢容器，低温注氢与低温高压储 氢方案得以彻底实施，从而进一步提高质量储氢密度与体积储氢密 度。
4、本发明的外形可以是非圆筒型的扁平型结构，非常适合用作 乘用车的车载储氢容器，能充分利用乘用车的内部空间，从而更容 易布置在车内，并且取得更大的容积，得到更好的质量储氢密度及 体积储氢密度。
5、本发明在储氢容器外层壁的上下两面分别安装了氢气传感 器，可以迅速检测内层壁两侧是否发生氢气泄露，并在发生氢泄露 时做出报警。由于通常氢泄露之后扩散得很快，难以被迅速捕捉与 检测到，因此对于氢泄露的实时监测是极为重要的。本发明的这种 双层壳壁设计，可以在内层主承压壁发生氢泄露时，将泄露的氢气 聚集在双层壳壁的间隙中，从而很容易就被氢气传感器检测到，大 大提高了储氢的安全性，也更适合用于氢燃料电池乘用车。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本 发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面以本发明 的较佳实施例，并结合附图进行详细说明。本发明的
具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申 请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并 不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明碳纤维双层连丝结构储氢容器的外形示意图；
图2为本发明的内部碳纤维连丝结构的示意图；
图3为本发明碳纤维双层连丝结构储氢容器的剖视图；
图4为本发明碳纤维双层连丝结构储氢容器的三维机织管道设 计位置示意图；
图5为本发明碳纤维双层连丝结构储氢容器在安装氢气传感器 后的剖视图；
图6为本发明的双壁边缘封边的剖面示意图；
图7为本发明应用垂纱织法织出扁平型三维机织纤维预制体中 封边以及上下两壁的示意图。
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，一种碳纤维双层连丝结构储氢容器，为由一 个紧密的且内部具有双层碳纤维连丝结构的扁平型三维机织纤维预 制体充填基体材料后固化成型得到的扁平型压力容器2，所述扁平 型三维机织纤维预制体采用经纱、纬纱和垂纱以三维机织的方式制 作而成，且所述经纱、所述纬纱和所述垂纱均为高性能增强纤维丝 束；所述扁平型三维机织纤维预制体由双层三维机织纤维壳体3、 内部碳纤维连丝结构4和夹层碳纤维连丝结构7组成，所述双层三 维机织纤维壳体3呈四边封口的扁平型结构，所述双层三维机织碳纤维壳体3的内层壁为主承压壁301，所述双层三维机织碳纤维壳体 3的外层壁为功能壁，所述主承压壁301和所述功能壁302之间留 有间隙；所述内部碳纤维连丝结构4为均匀分布在所述主承压壁301 上下两壁之间的多根贯穿所述主承压壁301双壁的第一碳纤维丝 束，每根所述第一碳纤维丝束均被所述主承压壁301上下双壁的三 维机织物定位并固定，以此由所述主承压壁301上下双壁以及被所 述主承压壁301上下双壁定位并固定的所述内部碳纤维连丝结构4 共同承担所述扁平型压力容器2的内压力；所述夹层碳纤维连丝结 构7均匀分布在所述主承压壁301与所述功能壁302的间隙之间的 多根贯穿间隙上下两壁的第二碳纤维丝束，且每根所述第二碳纤维 丝束均被所述主承压壁301外壁和所述功能壁302内壁上的三维机 织物定位并固定，以此由所述夹层碳纤维连丝结构7支撑所述功能 壁302与所述主承压壁301之间的间隙。
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扁平型三维机织纤维 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，还可以在所述基体材料固化之后，在所述扁平型压 力容器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，所述主承压壁301的纤维材料为碳纤维。
进一步的，所述功能壁302的纤维材料根据功能需求选择玄武 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。
例如，需要具备绝缘功能的，则可选用玻璃纤维/玄武岩纤维； 需要具备导电功能的，则可选用导电性能好的纤维；需要具备隔热 功能的，则可用玄武岩纤维。
进一步的，所述功能壁302的纤维材料中混合有用于防静电的 高导电材料，所述高导电材料为包括铜丝在内的金属丝。
例如在玄武岩纤维中混入铜丝共同织造，这样导电的所述功能 壁就具有了防静电的功能。
进一步的，所述内部碳纤维连丝结构4的第一碳纤维丝束的实 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2和图3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。
进一步的，参见图4所示，所述扁平型三维机织纤维预制体的 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与所述扁平型三维机织纤维预制体通过三维机织的方式一体成 型。
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，所述主承压壁301与所述功能壁302的间隙中填充 有隔热材料、阻氢材料。
因为氢气的压力密度曲线在70MPa之后是下降的，所以为了提 高储氢密度，可以用低温注氢与低温高压储氢方案，这时就需要具 有隔热功能的储氢容器。本发明的这种碳纤维双层连丝结构储氢容 器在壳壁间隙中填充隔热材料、阻氢材料之后，就能具有较好的隔 热功能。
进一步的，参见图5所示，所述功能壁302上设置有用于检测 所述主承压壁301内存储物质有无泄露的氢气传感器8。由于上层 的间隙和下层的间隙不连通，因此需要在所述功能壁302的上下两 面分别设置一个氢气传感器8。
进一步的，所述扁平型压力容器2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，实现全程安全监控。
当主承压壁301发生氢泄露时，氢气传感器8可以迅速检测到 并发出报警信号。安全性是储氢罐的关键指标，通常氢泄露之后扩 散得很快，难以被迅速捕捉与检测到。设置储氢容器的双层壳壁结 构之后，如果内层的主承压壁301发生氢泄露，氢会聚集在主承压壁301与功能壁302之间的空隙中，从而容易被氢气传感器8检测 到。本发明的这种双层壳壁结构的储氢容器，提高了储氢的安全性， 也更适合用于氢燃料电池乘用车。
进一步的，参见图4和图6所示，所述扁平型压力容器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。
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7所示，图7表示应用垂纱织法织出扁平型压力容器的 扁平型三维机织纤维预制体中封边以及上下两壁的示意图。图7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，使得扁 平型三维机织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 得扁平型三维机织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，封边与扁平型三维机织纤维预制体的两壁整体机 织成型的效果。
由此可见，本发明的这种碳纤维双层连丝结构储氢容器，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双层连丝结构储氢容器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双层连丝结构储氢容器的构成模型与炸弹 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双层连丝结构储氢容器相比传统钢制气瓶的压 力容器有更高的安全性。
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双 层连丝结构储氢容器，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。
本发明的这项技术还可以用于航空航天，比如外太空飞行器的 二次动力，太空行走的宇航员，都可以配置这种高压异形气罐，以 压缩空气为动力，轻质、高压、异形、安全。以至于氢能源的飞机、 氢能源的轮船，都是有望实现的。
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。
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