“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，是由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。
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
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。