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碳纖維儲氫罐怎么做?看來看看豐田最新專利怎么說!

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-06-06  來源:燃料電池專利情報
       采用氫氣作為燃料的燃料電池是緩解能源壓力、實現經濟發展與環境和諧的最佳手段,并由此帶動了氫能產業的大力發展。隨著全球燃料電池產業的不斷升溫,氫燃料電池汽車作為氫能應用最具代表性的領域,必然會對車載儲氫技術提出更高的要求。車載儲氫技術直接關系到燃料電池汽車的續航、成本與安全性。目前,國內外車用儲氫瓶的類型主要以鋁內膽纖維纏繞(三型)和塑料內膽纖維纏繞(四型)為主,并朝著輕量化、高壓力、大容量的方向發展,以無內膽纖維纏繞類型(五型)作為下一代儲氫瓶的研發重點。

  燃料電池專利情報通過對豐田最新公開專利進行監控,發現豐田在近期公開了一篇關于儲氫罐制造方面的專利,下文將對此篇專利做詳細介紹。
  在先前的專利JP2016223569A中,豐田曾提及到一種儲氫罐的制造方法,具體為:a)在強度比內襯高的心軸上卷繞浸漬有樹脂的片狀纖維并加熱固化來形成片層;b)從片層拔出心軸;C)在工序(B)之后將內襯嵌入片層。通過使用Sheet Winding方法將片狀纖維在心軸上纏繞數十次來形成具有指定厚度的片層。然而,在纏繞過程中,由于作用于片狀纖維的張力存在輕微變化等情況,片狀纖維可能會在片層中產生集中或者局部間隙,導致在片層中出現不均勻的層疊部分。
  基于此,豐田最新公開的一篇專利提出了一種既能確保罐強度又能防止在片層中出現不均勻層疊部分的儲氫罐制作方法及儲氫罐。
  JP2019082234A公開了一能夠儲藏70MPa左右的高壓氫氣的罐(具體見上圖),其中片層由多個分割片狀纖維沿罐體周向卷繞層疊,并通過樹脂固化來形成。同時,罐外部還可具有纖維層,纖維層能夠通過利用纖維纏繞法而在片層的周圍對浸漬有樹脂的玻璃纖維、碳纖維等纖維束進行螺旋卷繞來形成。對于分割片狀構件在卷繞方向上的長度而言,是指能夠將分割片狀纖維在沿罐周向卷繞一周以上且兩周以下的圈數從而層疊一層以上且兩層以下的層疊數的長度。
 
  本發明罐體片層制造采用的是卷繞工藝,將浸漬有樹脂的片狀纖維卷繞而形成指定厚度的片層;其中卷繞工序具有多次分隔卷繞工序;分割卷繞工序,首先將片狀纖維分割成比形成所需指定片層長度較短的長度,然后將其進行卷繞形成指定厚度的片層;在之后的分隔卷繞工序中,基于前一次的分割卷繞工序中卷繞的分割片狀纖維的終端部之上重復層疊新的分割片狀纖維的始端部時的重復長度X應滿足式子:
  ,其中σ為罐的周向的拉伸應力;t為分割片狀纖維的厚度;w為分割片狀纖維的寬度;L為罐的圓筒部的長度;A為樹脂的剪切強度。通過分隔卷繞工序,能夠以更均勻的張力來卷繞分割的片狀纖維,防止在片層中出現不均勻的層疊部分。
  具體如上圖所示,在罐的制造方法M1中,卷繞工序S1具有對通過將片狀纖維FS分割成比為了形成指定的厚度的片層所需要長度Ls短的長度ls而成的卷繞分割片狀纖維進行卷繞的多次分割卷繞工序S11。在各次的分割卷繞工序S11中,與通過一個較長片狀纖維FS連續卷繞時作用于其的不均勻張力相比,能夠以更均勻的張力來卷繞分割片狀纖維。因此,制造方法M1不受分割片狀纖維厚度微小差別等的影響,能夠防止在構成片層的分割片狀纖維產生集中、局部的縫隙而均勻地層疊分割片狀纖維。
  通過展示本卷繞工序形成的片層的外觀圖,可明顯看出,通過多步分割卷繞工序能夠有效地使片狀纖維均勻層疊,防止在片層表面產生橫穿分割片狀纖維卷繞方向的褶皺等缺陷。
 
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