燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，解决现有技术重量重及单位重量储氢密度低从而严重影响无人机的续航性能的问题。燃料电池无人机用高压储气瓶包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头和后封头、用于储存氢气的铝制内胆，设于所述前封头处的瓶口，以及采用碳纤维‑环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆外壁上的强度层。制备方法包括以下步骤：步骤1、制作铝制内胆；步骤2、缠绕强度层；步骤3、涂覆光固化树脂层。本发明专利技术结构简单、设计科学合理，使用方便，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。

High pressure storage cylinder for fuel cell UAV and its preparation method

The invention discloses a high-pressure gas storage cylinder for fuel cell UAV and a preparation method thereof, which solves the problem of low weight and hydrogen storage density per unit weight of the prior technology, thereby seriously affecting the endurance performance of the UAV. High-pressure gas storage cylinders for fuel cell UAV include aluminium sheet punching forming, front and rear end forming with front and rear heads respectively, aluminium inner liner for hydrogen storage, bottle opening at the front head, and carbon fibre epoxy composite material overlapping and winding in a circular, longitudinal and spiral way. The intensity layer on the outer wall of the aluminum inner liner. The preparation method comprises the following steps: step 1, making aluminium inner liner; step 2, winding strength layer; step 3, coating light curing resin layer. The invention has the advantages of simple structure, scientific design, convenient use, light weight, good pressure resistance and good fatigue performance, thereby effectively improving the endurance performance of UAV.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法。
技术介绍
近两年，无人机已经开始从军事领域向民用市场普及，但传统的锂电池无人机由于其续航时间只有30分钟左右，应用范围有限。2016年4月无人机制造商科比特航空正式发布了全球首款氢燃料多旋翼工业级无人机，续航时长可达273分钟，定位于电力、石化、安防、消防等领域。至此，国内多家厂商开始研究燃料电池无人机技术，其中氢燃料的充装量和储氢气瓶的质量是决定无人机续航里程的关键因素，从目前国内燃料电池无人机行业发展的总趋势来看，在有限的尺寸下，保证气瓶质量最轻也是各个厂家共同追求的目标。初期，各厂家主要以用30MPa气瓶为主，气瓶重量重，单位重量储氢密度只有3％左右，严重影响无人机的续航性能，限制了燃料电池无人机的发展。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：燃料电池无人机用高压储气瓶，包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头和后封头、用于储存氢气的铝制内胆，设于所述前封头处的瓶口，以及采用碳纤维-环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆外壁上的强度层。进一步地，所述铝制内胆的壁厚为1.5mm，所述铝制内胆的容积为0.4L-20L，所述铝制内胆的工作压力不小于35MPa，所述前封头的壁厚为1.8mm，所述后封头的壁厚为1.8mm。进一步地，所述强度层的外表面上涂覆有一层光固化树脂层。燃料电池无人机用高压储气瓶的制备方法，包括以下步骤：步骤1、制作铝制内胆：采用铝板冲拔成杯形体经强旋减薄并以旋压收口的方式加工成形两端分别带前封头和后封头的铝制内胆；步骤2、缠绕强度层：在步骤1中制作好的铝制内胆外壁通过环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成强度层，得到高压储气瓶半成品；步骤3、涂覆光固化树脂层：在高压储气瓶半成品的强度层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的高压储气瓶半成品放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。具体地说，在步骤1中，铝制内胆加工成型后，需进行热处理，并且热处理步骤为：将铝制内胆放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶，在175℃下保温300分钟进行时效处理。具体地说，在步骤1中，铝制内胆上需用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的螺纹。具体地说，在步骤1中，铝制内胆的前封头部分和后封头部分进行成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证前封头和后封头形状，确保内胆前封头和后封头的壁厚的一致性和稳定性。具体地说，在步骤1中，铝制内胆还需进行内表面抛光处理，选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆的内腔，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。具体地说，在步骤2中，采用碳纤维-环氧体系复合材料缠绕的具体方式为：首先将铝制内胆悬臂式安装于缠绕机的工装上，将碳纤维-环氧体系复合材料浸渍树脂基体后，预设一定的张力再通过环向、纵向和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕在铝制内胆的外壁上。更具体地说，在步骤2中，铝制内胆缠绕碳纤维-环氧体系复合材料后需进行固化，具体固化方式为：将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术结构简单、设计科学合理，使用方便，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。(2)本专利技术高压储气瓶内层采用优质成型的铝内胆，强度层采用高强度高模量的碳纤维复合材料结构，具有耐高压，耐疲劳，安全性高等特点，如此与现有技术相比可使高压储气瓶的重量可下降约30％。以容量为9L的高压储氢气瓶为例，现有技术储氢气瓶的重量约为4Kg，采用本专利技术高压储气瓶的重量约为2.85Kg，可极大降低整体重量；同时工作压力提高到35MPa及以上，可使单位重量储氢密度达到7％以上，可大幅度增加无人机产品的续航能力。本专利技术高压储氢气瓶在满足气瓶强度要求的前提下使复合材料层使高压储氢气瓶的整体重量达到最优化，即：在保证安全性的同时，使复合材料层的重量达到最小。(3)本专利技术的铝制内胆采用优质铝合金板材，采用冲拔，强旋减薄以及特殊旋压工艺旋压成型，以及封头两端车削工艺控制，以及内壁抛光工艺，并采用固溶时效处理，使内胆具备优异的力学性能。采用上述工艺成型的内胆缠绕成型的气瓶与一般铝内胆碳纤维全缠绕气瓶相比，在性能，重量上都具有优越性。现有技术储气瓶重量过重，无法满足无人机使用要求，所以其无法应用到无人机上。与上述一般铝内胆碳纤维全缠绕气瓶相比，采用本专利技术方法制作的高压储气瓶总质量可下降约30％；以容量为9L的高压储气瓶为例，一般铝内胆碳纤维缠绕气瓶的重量约为4Kg，采用本专利方式制作的铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶在2.85Kg左右。本专利技术涉及的高压储气瓶与现有技术高压气瓶相比有很大的重量优势；亦具有更好的性能稳定性，其优点带来的效益是使无人机能够获得更长久的续航能力，使无人机可以应用于更多的领域。附图说明图1为本专利技术结构示意图。图2为图1中A部放大图。图3为图1中B部放大图。其中，附图标记对应的名称为：1-铝制内胆、2-前封头、3-强度层、4-光固化树脂层、5-后封头、6-瓶口。具体实施方式下面结合附图说明和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。如图1-3所示，本专利技术提供的燃料电池无人机用高压储气瓶及其制备方法，结构简单、设计科学合理，使用方便，具有重量轻、耐压性能好、以及疲劳性能好的特点，从而能有效提高无人机续航性能。其中燃料电池无人机用高压储气瓶包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头2和后封头5、用于储存氢气的铝制内胆1，设于所述前封头2处的瓶口6，以及采用碳纤维-环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆1外壁上的强度层3，所述铝制内胆1的壁厚为1.5mm，所述铝制内胆1的容积为0.4L-20L，所述铝制内胆1的工作压力不小于35MPa，所述前封头2和所述后封头5的壁厚为1.8mm，所述强度层3的外表面上涂覆有一层光固化树脂层4。本专利技术高压储气瓶内层采用优质成型的铝内胆，强度层采用高强度高模量的碳纤维复合材料结构，具有耐高压，耐疲劳，安全性高等特点，如此与现有技术相比可使高压储气瓶的重量可下降约30％。以容量为9L的高压储氢气瓶为例，现有技术储氢气瓶的重量约为4Kg，采用本专利技术高压储气瓶的重量约为2.85Kg，可极大降低整体重量；同时工作压力提高到35MPa及以上，可使单位重量储氢密度达到7％以上，可大幅度增加无人机产品的续航能力。本专利技术高压储氢气瓶在满足气瓶强度要求的前提下使复合材料层使高压储氢气瓶的整体重量达到最优化，即：在保证安全性的同时，使复合材料层的重量达到最小。所述燃料电池无人机用高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头(2)和后封头(5)、用于储存氢气的铝制内胆(1)，设于所述前封头(2)处的瓶口(6)，以及采用碳纤维‑环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆(1)外壁上的强度层(3)。

【技术特征摘要】
1.燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，包括采用铝板冲拔成型、前后端分别成型有前封头(2)和后封头(5)、用于储存氢气的铝制内胆(1)，设于所述前封头(2)处的瓶口(6)，以及采用碳纤维-环氧体系复合材料通过环向、纵向和螺旋方式交叉重叠缠绕于所述铝制内胆(1)外壁上的强度层(3)。2.根据权利要求1所述的燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，所述铝制内胆(1)的壁厚为1.5mm，所述铝制内胆(1)的容积为0.4L-20L，所述铝制内胆(1)的工作压力不小于35MPa，所述前封头(2)的壁厚为1.8mm，所述后封头(5)的壁厚为1.8mm。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池无人机用高压储气瓶，其特征在于，所述强度层(3)的外表面上涂覆有一层光固化树脂层(4)。4.权利要求1-3任意一项所述的燃料电池无人机用高压储气瓶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制作铝制内胆：采用铝板冲拔成杯形体经强旋减薄并以旋压收口的方式加工成形两端分别带前封头和后封头的铝制内胆；步骤2、缠绕强度层：在步骤1中制作好的铝制内胆外壁通过环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成强度层，得到高压储气瓶半成品；步骤3、涂覆光固化树脂层：在高压储气瓶半成品的强度层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的高压储气瓶半成品放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，铝制内胆加工成型后，需进行热处理，并且热...

【专利技术属性】
技术研发人员：米宽，匡欢，冯存江，黄敏，杨秀迪，
申请(专利权)人：中材科技成都有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51