[发明专利]一种碳纤维双层连丝结构储氢容器

说明书

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。

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)