[发明专利]钛合金无缝气瓶及其制造方法

说明书

本发明涉及压力容器技术领域，提供了一种钛合金无缝气瓶及其制造方法。该方法包括以下步骤：确定气瓶的容积；确定气瓶的规格尺寸；确定碳纤维的环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数；根据气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬；根据环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数，在钛合金无缝内衬的外壁以指定预紧力缠绕多层碳纤维，以形成碳纤维缠绕复合层；其中，多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层缠绕以外，其余均由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕。本发明不仅提高了整个气瓶的工作压力和单位体积的储氢量，而且使整个碳纤维缠绕复合层受力更均匀、更致密。

技术领域

本发明涉及压力容器技术领域，尤其涉及一种钛合金无缝气瓶及其制造方法。

背景技术

氢能是氢在物理与化学变化过程中释放的能量，属于一种清洁能源，不会对环境造成污染。燃料电池是将存在于氢气与氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。燃料电池在技术上的限制因素主要有两个：一个氢气的高压存储能力，另外一个是电堆的氢能转化为电能的效率。其中，氢气的高压存储能力决定了燃烧电池的电量输出量，氢气瓶的工作压力越大，单位体积存储的氢气越多，燃烧电池的供电时间便越长。

目前，燃烧电池所需的氢气通常存储在工作压力为35Mpa～70Mpa的铝合金碳纤维缠绕瓶内，而其储氢量已无法满足燃料电池的发展需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种钛合金无缝气瓶的制造方法，以降低气瓶重量、提高气瓶的工作压力和单位体积的储氢量。

本发明还提出一种钛合金无缝气瓶。

根据本发明第一方面实施例的钛合金无缝气瓶的制造方法，包括以下步骤：

根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积；

利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的容积以及钛合金的物理性质确定所述气瓶的规格尺寸；

利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的规格尺寸、碳纤维的抗拉强度和钛合金的力学性质确定碳纤维的环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数；

根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬；

根据所述环向缠绕层数、所述左螺旋缠绕层数和所述右螺旋缠绕层数，在所述钛合金无缝内衬的外壁以指定预紧力缠绕多层碳纤维，以形成碳纤维缠绕复合层；其中，所述多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成。

根据本发明实施例的钛合金无缝气瓶的制造方法，通过采用环向+双向螺旋的方式在钛合金无缝内衬的外壁形成碳纤维缠绕复合层，即除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成，不仅可使钛合金无缝内衬沿其径向对碳纤维施加的作用力被抵消，进而显著提高了整个气瓶的工作压力和单位体积的储氢量，而且环向、左螺旋和右螺旋的碳纤维在多处相交、可相互传递作用力，使得整个碳纤维缠绕复合层受力更均匀、更致密。此外，本发明采用钛合金管作为原材料制备钛合金无缝内衬，可显著降低整个气瓶的重量。

另外，根据本发明实施例的钛合金无缝气瓶的制造方法，还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积的步骤，包括以下步骤：

确定在气瓶内部的工作压力下氢气的密度；

根据以下公式计算气瓶的容积V：