氫燃料電池汽車網 由氫璞創能總冠名的2022第三屆中國氫能與燃料電池汽車產業峰會于8月10-11日在京舉辦。中材科技總工程師米寬出席大會并發表《氣態儲氫技術研究》的演講。
米寬表示,氫能的發展離不開氫的儲存,因為氫大家都知道分子比較小,質量比較輕,所以它是比較難以儲存的氣體。目前的儲氫方式有四種,主流就這三種:一是壓縮氣態儲氫,其次是液體,第三是固態儲氫,各有各的特點。
但是從目前的發展來看的話,“氣態儲氫是最成熟的一種儲氫方式,主要它的技術相對比較成熟,再加上它氫氣充裝和釋放比另外兩種方式快捷,所以目前我們看到大部分都是氣態儲氫為主。”米寬表示,對于氣態儲氫來講的話,我們工業用的時候,我們一般是把它做到15-20兆帕壓力等級,對于車載來講的話我們可能要做到35-70兆帕的壓力等級。
關于氫氣瓶的類型,米寬也做一個介紹,目前比較成熟市場化的有四種的氣瓶類型,我們這個行業叫IIIIIIIV型瓶,其中I型瓶就是我們說的純鋼瓶,II型就是高內膽加纖維纏繞的,環形纏繞的氣瓶,III型瓶是采用金屬內膽,就是鋼內膽或者氯內膽加碳纖維纏繞的氣瓶,IV型瓶就是全復合材料氣瓶,就是塑料內膽加纖維產的氣瓶。
米寬表示,對于I和II型瓶子來源講,因為它是鋼的,重量比較重,一般是用在工業級或者固定容器的應用領域。而III和IV型瓶由于采用了碳纖維,所以它瓶子的重量比較輕,所以適合在車載上去用,因為車對瓶子的重量有要求,而且車的空間也是有限的,所以對于車載屏來講的話只能用III型瓶和IV型瓶。III型瓶和IV型瓶由于采用碳纖維的材料,所以成本價格相對高一點。
這個是車載氫瓶的一些應用情況,比較典型的就是Mirai放在底盤上的,我們看到公交車、卡車、物流車放在頂上或者駕駛室的后面這樣的應用情況。
目前,國內的情況主要是以III型瓶為主,壓力等級是35兆帕和70兆帕,這兩個壓力等級基本上這個技術是比較成熟的,然后它的容積范圍35兆帕可能在50-210,這個是比較主流的產品。70兆帕在20-70升左右,大部分在40或者60升區間比較多,用在公交、大巴、乘用車的應用領域。它的儲氫密度III型瓶無論35兆帕和70兆帕都在4%左右,相對密度都是比較低的,國外主要像日本、歐韓應用的還是用IV型屏,大概涂氫密度達到6%,就5.76%,甚至更高一點的水平。國內由于IV型瓶我們知道最早是不允許銷售的,所以也是剛剛放開,所以IV型瓶國內的大部分企業還處于研發階段。
對于35兆帕氫氣瓶的發展趨勢,因為35兆帕壓力等級還是以III型瓶為主,未來的發展方向肯定是大容器的發展方向,因為容器大的話它氣瓶的數量會減少,零界點會變少,所以安全性會更高,所以總的成本也會下降,所以35兆帕主要是以III型瓶,IV型瓶為什么不建議用35兆帕的呢?“從成本來講,IV型瓶和III型瓶35兆帕這個等級的話,基本上不會差多少,成本上不會差多少,但是它的耐久性來講,耐久性比III型瓶要低一些,當然各有優勢。所以我覺得肯定是III型瓶為主。”米寬強調。
III型瓶發展趨勢就是大容積,還有低成本,低成本我們主要是考慮從材料的國產化,主要是纖維材料,碳纖維材料國產化,還有制造工藝的優化做些降本的措施。米寬表示,對70兆帕來講肯定未來是以IV型瓶為主,III型瓶做70兆帕設計壽命只能達到10年,它是達不到我們整車的要求的,包括氣瓶,氣瓶壽命一般設計15年,要做70兆帕的III型瓶只能做到10年的壽命,所以70兆帕肯定是以IV型瓶為主要。
關于35兆帕的大容積,中材也做了很多工作,這是我們開發的一個給客車上開發的,320升的大容積氣瓶,代替原來的140、145升的,原來它的8支,我們現在有4支就可以了,它的儲氫量,包括總的重量都是。有儲氫量都是有增加,重量是有減輕的,它是有優勢的。
米寬表示,針對氫能重卡開發的大容積最大可以做到385升,重卡165升或者210升的,8支的,這樣我們可以做385升的大容積的,我們有6支,這樣的話它的整個總容積會增加37%,儲氣量增加37%,重量會稍微增加一點,但是對于重卡來講,重量增加這點幅度還是可以接受的,但是它的續航里程,儲氣量增加,續航里程會增加很多。這個是在重卡福田385升造車的情況,還有320升的大容積的情況,在客車上的情況。
在IV四型瓶方面,IV型瓶的發展歷史是上世紀90年代,IV型瓶在國外已經開始在批量的應用,但是應用領域主要是在呼吸器等場景在應用,直到豐田推出汽車之后,70兆帕IV型瓶開始批量在應用。
據悉,IV型瓶典型的結構,實際上和I,II,III型瓶最大的區別就是內膽,它的內膽是采用塑料內膽,外表纏的是碳纖維做它的加強層,外表纏一個玻璃纖維做它的保護層,兩頭是兩個防沖擊的保護罩,然后閥門和III型瓶的閥門基本上是一樣的,它主要用到的材料我下面列的就是塑料粒子、碳纖維、環氧樹脂、金屬瓶嘴、密封材料、密封圈。
對于IV型瓶的優勢,米寬表示,相同的設計總則來講比III型瓶要輕的,輕20%左右,它的屬性密度比III型瓶高40%左右,它的疲勞性能也比III型瓶要好,剛才說了III型瓶只能達到10年750次,IV型瓶標準要求是對政策來講是22000次,我們現在可以做到4萬多次,所以它的內疲勞性能是很好的。它的耐腐蝕性也很好,因為它塑料內膽成本比金屬內膽低一些。
它的劣勢在哪里呢?"第一它會發生氫的滲透,塑料內膽是大分子的材料,這個氫會通過它的塑料內膽會滲透出來,對III型瓶來講的話基本上是可以忽略這個氫滲透的,但IV型瓶的話必然會發生氫滲透的,這個是在開發時候要考慮的。"米寬強調。
第二,就是它的導熱性非常差,所以在IV型瓶加氫的時候氫氣必須遇冷,但III型瓶來講的話,像35兆帕我們可以不遇冷,70兆帕耐受也可以不遇冷,對IV型瓶來講必須遇冷,你沒加到壓力它的溫度已經達到設計溫度的上限了,所以這是它的問題。
第三,它不耐沖擊,因為它塑料內膽,所以我兩邊會加一個保護罩,加保護罩的耐沖擊性跟金屬內膽的內沖擊性相比還是會差一點,這是它的缺點。所以說III型瓶和IV型瓶各有優劣。
米寬也對IV型瓶開發的過程中要重點關注的情況,給予了分析:
首先,內膽材料,我們要重點考慮它的滲透性、防輕的滲透。塑料不耐低溫的,低溫要材料。主流用的HTP、尼龍,這是HTP、尼龍對材料的低溫性能和它的輕滲透性的對比,綜合來講的話尼龍會更優一些,所以現在大部分對IV型瓶來講都是用的尼龍材料。
其次,瓶口的設計,因為瓶口部分是金屬和塑料交接的部分,因為這兩種材料它的膜量包括導熱系數不一樣,所以在溫度交變,壓力交變的情況下容易開裂,所以這個在我們設計中要考慮這個問題,現在這個關于瓶口這部分現在每個技術廠家都有自己的專利,現在總的專利數達到200多了,這是一個特殊的設計,都是不一樣的。
對于IIIIII型瓶來講的話,都是一樣的,這種結構都是一樣的,但是對于IV型瓶來講每家都是不一樣的,都是有區別特別是瓶口技術。
另外,對于內膽成型技術,這個對于IV型瓶也是一個比較關鍵的技術,目前可以選擇的有滾塑、吹塑、注塑加焊接等三種工藝,現在都有在用。豐田用的注塑焊接,歐洲推吹塑,美國用的是滾塑,但是都可以用,但是都有一些問題。
像注塑+焊接它的優勢一個是效率高、成型壓力高,所以他們尺寸的一致性會比較好。它存在的問題是要焊接,對焊接的要求比較高,我們要開發焊接的檢測技術,怎么保證焊接設備,所以這個是一個難點。
對于吹塑來講的話,可能它的問題就是,它的壁后均勻性是一個問題,第二個就是它做不了尺寸比較長的,比如說要做2.2m以上的話,長度2.2m以上的設備目前的吹塑設備有難度做大容積的會有一些難度。
對于滾塑存在的問題是它的效率比較低,因為它承接之后的壓力比較多,所以它材料的致密性會差一點,而且滾塑的材料要求也比較高,所以這三種都有一些問題,每個廠家根據自己的情況會選擇其中一種。這是內膽成型的問題。
關于氣瓶成型,米寬表示,氣瓶成型主要是采用纏繞工藝,我們國內比較成熟大部分企業用的都是濕法纏繞,濕法纏繞它的優勢就是它的成本低、設備造價比較低,它的劣勢就是它的控制不穩定,所以產品的一致性會差一點。
再就是周圍的環境也比較差,效率也不是很高,所以國外像豐田開始用干法纏繞,國外很多氣瓶廠家也在研究用干法纏繞。所以干法纏繞它的優勢就是首先它的含膠量會比較均勻,所以產品質量一致性比較好,第二個它的纏繞速度也比較快,第三個它過程中是沒有滴膠,所以它的作業環境是相對來講是比較干凈的。所以對于70兆帕的瓶子未來的方向肯定是以干法纏繞這樣的一個纏繞方式為主。
關于70兆帕四型瓶的試驗,米寬分兩個級別進行解析:一個是材料級別,一個是產品級別。材料級別主要是做塑料產品的試驗,包括密封材料的金屬試驗,這些我們都已經做完了,產品級別我們像內部的疲勞爆破這些都已經做了,包括環境試驗、火燒試驗、氫的滲透試驗、跌落,我們內部基本上都做完了,還有一些試驗接近尾聲,大部分已經做完了。
中材科技總部在蘇州,生產基地有四個基地,一個是成都,一個是蘇州,還有一個就是九江,另外一個是濟寧,濟寧我們是參股的,相當于我們直接控股的就是三個基地,蘇州、成都、九江。
主要業務一個是車載的CNG氣瓶、車載LNG氣瓶、工業氣瓶,燃料電池用的氫能用的占用瓶,用氫的氣瓶,燃料電池的車載氣瓶。公司未來將重點發展氫能,這是我們公司大的一個戰略。
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