氢听剧场:杨树军——70MPa车用碳纤维缠绕储氢气瓶技术的研究与发展

发表时间:2019-11-01 11:37

“氢听剧场”是佛山国际氢能展极具特色的活动之一,已连续举办两届,是多位行业技术专家以演讲、论道的形式,共同分享氢能行业前沿技术理念及实战干货,并进行产品发布。

以下分享10月27日下午的精彩演讲!

演讲嘉宾


副总经理

Vice general manager

沈阳斯林达安科新技术有限公司

Shenyang Gas Cylinder Safety Technology Co., LTD

杨树军

Yang Shujun

演讲主题

70MPa车用碳纤维缠绕储氢气瓶技术的研究与发展

R&D progress of gaseous hydrogen cylinder carbon fiber reinforced with 700bar service pressure

杨树军:谢谢大家,我来自沈阳斯林达安科新技术有限公司。我们公司主要是做气瓶的,近年来研发重点是氢气瓶。
      我从以下方面进行介绍,一是碳纤维缠绕气瓶技术发展,二是70兆帕车用三型储氢气瓶技术,四型储氢技术,还有是复合材料气瓶的健康检测。
     缠绕气瓶发展历程比较早,上世纪50、60年代就有应用,车用氢气缠绕气瓶只是缠绕气瓶的一个应用领域,还有呼吸气瓶、车用CNG气瓶等。车用氢瓶标准有ISO15869,这份标准比较早,现在已不再使用用,现在比较主流的标准是GTR13、ISO19881、EC79等。
      缠绕气瓶的应用领域一个是航空高压储气瓶,应用包括航空航天,主要目的是为了减轻重量。呼吸气瓶主要用于消防,车用气瓶应用有CNG、氢燃料气瓶。再有运输用气瓶,有长管拖车也有缠绕的,缠绕主要优势就是重量轻。
      2006年 “十一五”863项目氢气瓶研制成功,在2010年就开始批量用,主要上海世博会的观光用车。当时用的是35兆帕的,有28升、74升和128升。再有呼吸气瓶GB/T28053呼吸器用复合气瓶,是消防用的。在这个标准发布前,国内没有缠绕瓶的国家标准,这个标准算是比较早的。2016年,70兆帕的气瓶在上汽荣威950上得到了应用。目前大家也都在做,但是目前还是52升的这么一个规格在使用。2017年,国家标准GB/T35544发布。


      现在国内外三型瓶的制造厂商比较多,国外有美国、韩国、意大利等,国内斯林达、天海等。三型瓶现在国际上是做了一些,但比较少,很多集中在四型瓶。三型瓶它有自身的特点,为什么三型瓶70兆帕,这么多年出来还是比较慢。2016年出来一款,现在三年了还没有其他产品出来,很大一方面就产品的特点限制。70兆帕四型瓶,国外一般做得比较多。它有它的特点,它的技术难点。这和我们国情也有关,以前四型瓶出了问题,现在用不了,只能用三型瓶。三型瓶是压力循环次数达不到,使用次数不够。关于这一块我们也做了一些工作,主要是把技术难点解决,才能保证三型瓶做出来,才能走向批量化。
      三型瓶是金属内胆,金属内胆就是有疲劳性。正常化压力容器我们讲它使用一般是在弹性区,但是我们缠绕气瓶特点是使用次数受限制,现在设计从内胆受力的情况,怎么保证内胆在反复使用时不失效,这是我们解决这个问题的关键。内胆为什么会失效,一个是因为内胆存在原始的缺陷,再有内胆自身性能的控制,还有是提高内胆加工精度。公差不好,就会对疲劳性能产生一些影响。
      还有纤维,纤维对疲劳使用寿命存在影响,一个纤维的强度还有模量。在工作压力下整体内胆变形多大,还是外边纤维材料决定的,所以说外边纤维的选择也是非常关键的。
      还有树脂体系,体系选择考虑到纤维的匹配,怎么充分发挥纤维性能,最终目的缠绕使用过程中强度够,在工作压力下应变小,实际上最核心解决问题还是在这。再就是缠绕过程中,因为它毕竟是复合材料,单纯从碳纤维材料来讲,在一定压力变形非常小,但是有树脂复合的时候变形会大,因为复合材料整体模量会降低,所以对于树脂含量,再保证纤维发挥强度情况控制越低越好。


      缠绕现行优化,我们一般环向还有螺旋缠绕,充分匹配好环向和纵向的强度,真正能达到爆破时碳纤维能同时达到强度极限,这是从强度角度来说。但三型设计过程中和实际实验情况来看,三型瓶核心点,最大的难点还不是爆破,主要还是压力循环,工作压力下变形问题。讲对四型瓶设计,爆破是主要需要解决的问题。
      疲劳涉及到一个自紧压力的控制问题,这是非常关键的一个点。同样的一个气瓶缠完之后不同自紧压力,最后使用过程中内胆疲劳寿命是不一样的,会导致影响压力循环的使用寿命。

     说一下四型瓶,四型瓶使用的领域非常广,现在在国外主流也是四型瓶。实际上对于产品来讲,我们说四型瓶特别好,实际上它有它优点,当然也存在它的劣势。目前来看,四型瓶其实在70兆帕优势非常大,主要是它的一个是重量一个是成本。对于三型瓶来讲,35兆帕来讲,实际上四型瓶和三型瓶比没有特别大的优势。大家应用气瓶的时候,我给一个建议,跟你实际应用的情况,对于真正有安装空间,实际上35兆帕的气瓶它的质量属性密度也是非常高的。你要是没有空间,就要选70兆帕的,70兆帕质量储氢密度比较高,选择适合就好。
     三型瓶和四型瓶比主要还是重量上的一个优势,再有一个优势是四型瓶用的纤维可以是T700这个级别的。但是现在三型瓶为了达到压力循环的次数要求,现在用的T800级别的纤维。T700、T800成本差别比较大。从成本考虑,下一步四型瓶的发展,确实是在70兆帕有绝对的优势,也是一个趋势。所以不单纯是四型瓶它到底有多么先进,实际上从性能来讲三型瓶比四型瓶要要好,因为四型瓶塑料内胆总是有渗漏问题,但是三型瓶保证瓶口这个部位密封问题,渗透问题就解决掉了,可能它的优势要大一些。
     这是刚才说的成本问题,主要集中在碳纤维这部分。这个产品降成本就是降碳纤维,一个是降碳纤维的用量,一个是纤维的级别,还有一个是使用国产纤维。现在纤维国产化做得比较好,在气瓶领域有一些产品在进行应用。
     四型瓶主要工艺主要是内胆创新工艺,有注塑、吹塑、滚塑等。但是现在主要还是注塑相对来说工艺要好一些,注塑注完之后还有焊接,焊接有激光焊、红外焊接、摩擦焊接等。

      四型瓶还有一个关键点,就是瓶口。现在四型瓶温度上受一定的限制,四型瓶有渗漏。还有一点瓶口是金属,金属都是铝合金,铝合金和塑料的连接问题容易造成渗漏。国内要想推向市场,技术方面的问题得到解决是非常关键的。
      四型瓶缠绕的时候会涉及到什么,和三型瓶不太一样。现在三型瓶内胆有一定的刚度,缠绕的话不用考虑内胆刚度的问题。对于塑料问题的话,缠绕过程中可能会变形,这样对整个缠绕产生不利影响,缠绕过程中会考虑增加内胆刚度,会采取一定的措施。
      第四个内容是气瓶的健康监测的问题,目前使用存在一个问题,定期检验。车用气瓶要求三年一检,三年一检对于CNG气瓶还好之前还好一些,比较容易拆装。现在面临一个问题,氢气瓶安装的位置有一些是在座椅下面等,拆装非常麻烦,有一些问题。或者拆下来装回去还不如原来的状态。针对这一块,我们考虑了一些问题想一些办法,推动健康监测的一些措施、办法。国外也有一些类似,有一些传感器去检测它的应变,国内也有一些团队在做这些工作。
      将来主要目的是我们能不能监测,在使用过程中监测它的强度减,怎么进行全程跟踪。
工作压力下,应变在出厂是什么样,现在是什么样,将来把这个东西装到车上,监测全寿命的应力状态。
    我就讲这些,谢谢大家。



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