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碳纤维储氢罐怎么做?看来看看丰田最新专利怎么说!

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-06-06  来源:燃料电池专利情报
       采用氢气作为燃料的燃料电池是缓解能源压力、实现经济发展与环境和谐的最佳手段,并由此带动了氢能产业的大力发展。随着全球燃料电池产业的不断升温,氢燃料电池汽车作为氢能应用最具代表性的领域,必然会对车载储氢技术提出更高的要求。车载储氢技术直接关系到燃料电池汽车的续航、成本与安全性。目前,国内外车用储氢瓶的类型主要以铝内胆纤维缠绕(三型)和塑料内胆纤维缠绕(四型)为主,并朝着轻量化、高压力、大容量的方向发展,以无内胆纤维缠绕类型(五型)作为下一代储氢瓶的研发重点。

  燃料电池专利情报通过对丰田最新公开专利进行监控,发现丰田在近期公开了一篇关于储氢罐制造方面的专利,下文将对此篇专利做详细介绍。
  在先前的专利JP2016223569A中,丰田曾提及到一种储氢罐的制造方法,具体为:a)在强度比内衬高的心轴上卷绕浸渍有树脂的片状纤维并加热固化来形成片层;b)从片层拔出心轴;C)在工序(B)之后将内衬嵌入片层。通过使用Sheet Winding方法将片状纤维在心轴上缠绕数十次来形成具有指定厚度的片层。然而,在缠绕过程中,由于作用于片状纤维的张力存在轻微变化等情况,片状纤维可能会在片层中产生集中或者局部间隙,导致在片层中出现不均匀的层叠部分。
  基于此,丰田最新公开的一篇专利提出了一种既能确保罐强度又能防止在片层中出现不均匀层叠部分的储氢罐制作方法及储氢罐。
  JP2019082234A公开了一能够储藏70MPa左右的高压氢气的罐(具体见上图),其中片层由多个分割片状纤维沿罐体周向卷绕层叠,并通过树脂固化来形成。同时,罐外部还可具有纤维层,纤维层能够通过利用纤维缠绕法而在片层的周围对浸渍有树脂的玻璃纤维、碳纤维等纤维束进行螺旋卷绕来形成。对于分割片状构件在卷绕方向上的长度而言,是指能够将分割片状纤维在沿罐周向卷绕一周以上且两周以下的圈数从而层叠一层以上且两层以下的层叠数的长度。
 
  本发明罐体片层制造采用的是卷绕工艺,将浸渍有树脂的片状纤维卷绕而形成指定厚度的片层;其中卷绕工序具有多次分隔卷绕工序;分割卷绕工序,首先将片状纤维分割成比形成所需指定片层长度较短的长度,然后将其进行卷绕形成指定厚度的片层;在之后的分隔卷绕工序中,基于前一次的分割卷绕工序中卷绕的分割片状纤维的终端部之上重复层叠新的分割片状纤维的始端部时的重复长度X应满足式子:
  ,其中σ为罐的周向的拉伸应力;t为分割片状纤维的厚度;w为分割片状纤维的宽度;L为罐的圆筒部的长度;A为树脂的剪切强度。通过分隔卷绕工序,能够以更均匀的张力来卷绕分割的片状纤维,防止在片层中出现不均匀的层叠部分。
  具体如上图所示,在罐的制造方法M1中,卷绕工序S1具有对通过将片状纤维FS分割成比为了形成指定的厚度的片层所需要长度Ls短的长度ls而成的卷绕分割片状纤维进行卷绕的多次分割卷绕工序S11。在各次的分割卷绕工序S11中,与通过一个较长片状纤维FS连续卷绕时作用于其的不均匀张力相比,能够以更均匀的张力来卷绕分割片状纤维。因此,制造方法M1不受分割片状纤维厚度微小差别等的影响,能够防止在构成片层的分割片状纤维产生集中、局部的缝隙而均匀地层叠分割片状纤维。
  通过展示本卷绕工序形成的片层的外观图,可明显看出,通过多步分割卷绕工序能够有效地使片状纤维均匀层叠,防止在片层表面产生横穿分割片状纤维卷绕方向的褶皱等缺陷。
 
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