70 MPa車載儲氫氣瓶快速充放氫疲勞試驗系統研制

安 剛 張 震 鄭平軍 王俊鋒 朱曉彤

(1北京航天試驗技術研究所 北京 100074)

(2航天材料及工藝研究所 北京 100076)

1 引言

能源是人類社會存在的基石和發展的動力。隨著社會經濟的發展，面對著化石燃料能源枯竭的挑戰，近年來世界各國紛紛關注新能源的開發，其中氫能以其清潔、無污染、效率高等諸多優點而受到青睞［1－3］。

氫的儲存有多種不同的方式:高壓氣體儲存，低溫液體儲存，以及各種各樣固態儲存方式。氫的安全儲運是氫能利用的關鍵技術，高壓儲氫在復合材料高壓氣瓶方面取得很好的進展，是移動式車載儲氫的主流，并占據絕對市場優勢，在用氣瓶最大工作壓力為70 MPa［2－3］。目前需要解決快速充放氫技術和氣瓶的氫環境疲勞強度等基礎性數據缺乏的問題。因為快速充放氣體會引起較大的溫度變化［4－5］，對復合材料氣瓶基體強度、疲勞性能有影響［6－8］;而復合材料壓力氣瓶的疲勞性能數據分散、而且數據較少，加上疲勞試驗十分困難，至今一直缺乏一個合理的試驗方法和完整的疲勞設計規范。國內外雖然對普通復合材料疲勞失效機理已有較多的研究，并且取得了較多成果。實際上疲勞失效往往出現在受力復雜的封頭部位和接管等幾何不連續部位，故需要對這類高壓儲氫氣瓶進行疲勞失效機理研究。目前疲勞試驗均是在液壓試驗機上進行，然后由于氫具有特殊的易滲透性，高壓下對材料會發生應力腐蝕、氫脆［9］，故對于車載高壓儲氫氣瓶而言，液壓試驗得到的數據具有較大的不真實性，因此可靠性受到影響。解決這個問題的最有效方法是直接以氫為介質進行疲勞試驗，雖然氫環境試驗具有一定危險性，但對于車載、與人身安全緊密相關的氣瓶來說，這樣的試驗是必要的。目前國內外對以氫為介質的疲勞試驗系統的研究報道極少，中國還沒有這方面的系統研究。

本文以氫氣為介質，建立了一套儲氫氣瓶快速充放的疲勞試驗系統，為適應車載儲氫氣瓶快速充放的不同試驗條件要求，設定的技術指標為系統最高工作壓力90 MPa，最大平均充氣質量流量不低于3 kg/min，實際充放氣過程證明系統達到了設定指標。

2 疲勞試驗系統

儲氫氣瓶快速充放氣疲勞試驗系統，由一個或多個大容積高壓儲氫罐并聯在一起，通過氣動控制閥共同為車載儲氫氣瓶充氣，流量調節裝置用來調節充氣速率，以便能在不同流型的大范圍提供數據。儲氫氣瓶內的氣體可通過節流閥返回低壓緩沖罐或者直接放入大氣中，以進行快速放氣的試驗研究。

疲勞試驗系統的技術方案如圖1所示。

圖1 疲勞試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylinder fatigue test system

為確保試驗安全，試驗氣瓶7與疲勞試驗系統之間建有隔離墻8。疲勞試驗系統的工作過程如下:高壓容器2內為高于氣瓶試驗壓力的高壓氫氣，當一個循環開始充氫氣時，根據加載頻率的要求開啟閥門3開始充氣，充到設定壓力時關閉閥門3停止充氣，保壓一定時間后開啟泄壓閥13，使氣瓶內的高壓氫氣先釋放到氫氣低壓緩沖罐15，然后再通過中壓管路釋放到氫氣罐區的低壓儲氫緩沖罐10。釋放到設定壓力(如1.0 MPa)時，關閉氣瓶泄壓閥13，繼續下一次試驗，直到氣瓶疲勞失效或者達到額定試驗次數。

為降低試驗成本，需要循環利用氫介質，因此緩沖罐10內的氫氣經過100 MPa高壓膜壓縮機1送往高壓容器2。因試驗氣瓶工作壓力為70 MPa，與之連接的放氣管必須使用高壓管，而試驗場地離氫氣罐區較遠，因此在試驗本地增加一個氫氣緩沖罐15，兩個氫氣緩沖罐(10和15)之間可使用中壓管路連接，以確保安全。

試驗系統多處進行壓力監控，在超壓時可進行自動調節或放空，以防止系統超壓，發生危險。

在疲勞試驗系統的基礎上進行快速充放氣溫度效應試驗，以便進一步分析溫度效應對儲氫氣瓶安全性和使用壽命的影響。

需要進行充放氣溫度效應試驗時，在儲氫氣瓶內部、內膽外壁面和纏繞層外壁面上安裝銅－康銅熱電偶溫度傳感器(安裝位置如圖2)，以測量氣瓶不同空間位置的氣體和壁面溫度，繼而可以對充放氣過程中和充放氣結束后的氣體與氣瓶熱相互作用進行分析。測量氣瓶內膽外壁面溫度的傳感器需要在氣瓶碳纖維纏繞層加工前就預埋到位，為防止纏繞過程中破壞傳感器，有效傳感器減少，預埋的傳感器數量達到9支。本項目專門研制了一只預埋了溫度傳感器的氣瓶來進行快速充放氣過程中的溫度效應試驗。

圖2 試驗氣瓶溫度傳感器安裝位置示意圖Fig.2 Temperature sensor installation location diagram of test cylinder

3 測量控制系統

試驗的測量控制系統主要是采用氣動球閥來控制充放氣過程;用工控機系統來采集充放氣過程中的數據;用氫濃度探頭監控現場的氫氣泄漏;采用攝像頭來監視試驗現場的情況;用聲發射傳感器監測試驗過程中的氣瓶性能;在試驗一定的次數以后，使用內窺鏡檢查氣瓶內膽情況。

數據采集的參數主要有:溫度數據包括試驗系統環境溫度，高壓儲氫罐氣源溫度，儲氫氣瓶內氣體溫度，氣瓶內襯外壁面溫度，碳纖維纏繞層外壁面溫度等;壓力數據包括高壓儲氫罐氣源壓力，充放氣孔板前后壓力，儲氫氣瓶內氣體壓力等;氫濃度探頭也在數據采集的測量范圍之內。聲發射檢測裝置和內窺鏡分別用單獨的采集或處理設備。

試驗測控系統的數據測量界面和相應的處理系統是采用LabView自行研制的，如圖3所示，對快速充放氣疲勞試驗系統有很強的針對性，將來也可修改用于加氫站的測控系統中。

圖3 儲氫氣瓶快速充放氣試驗數據采集面板圖Fig.3 Test data acquisition window of hydrogen cylinder fast-fill and discharge process

因氣瓶公稱工作壓力為70 MPa，氣瓶內用于測量氣體溫度的溫度傳感器需要高壓密封，目前的方法是采用前端封閉的不銹鋼管將溫度傳感器鎧裝。但是已有鎧裝的溫度傳感器最高工作壓力為35 MPa，而且為了承壓，套管粗，壁厚大，測溫響應時間長，對于快速充放氣來說溫度變化快速、劇烈，測出的溫度比當時實際溫度嚴重滯后，難以反映快速充放氣的溫度效應變化趨勢。因此項目組對現有的鎧裝結構進行了優化，采用細徑薄壁Φ1.5×0.2不銹鋼管作為鎧裝套管，感溫點裸露，經過嚴格的水壓和氣壓壓力試驗證明強度是足夠的。由于管壁薄，熱容小，傳熱速度快，響應時間只有幾毫秒，相對于現有的Φ3×1鎧裝套管響應時間幾百毫秒來說，其響應時間大大提高，能夠滿足系統測溫要求，并在實際試驗中得到證明。

4 受試車載氣瓶研制

儲氫氣瓶研制，如圖4所示。儲氫氣瓶有效容積為30 L，公稱工作壓力為70 MPa。此儲氫氣瓶自身重量為24 kg，70 MPa@15℃時的儲氫能力約為1.2 kg，單位質量儲氫密度達到5%，單位體積儲氫密度為40.2 kg/m3。

圖4 加工完成的儲氫氣瓶Fig.4 Fabricating completed hydrogen cylinder used as fatigue test object

單位質量儲氫密度指標達到了陳家昌在“氫能遠景和技術路線圖”中提出的2010年儲氫質量百分比4.5%—6%的目標，單位體積儲氫密度的指標稍微超出了路線圖提出的35—40 kg/m3的目標，主要技術指標達到國際先進水平［10］。

5 試驗結果與分析

在試驗系統上進行了快速充放氣過程的溫度效應試驗，并已連續使用超過一年時間，完成了5只氣瓶的快速充放氣疲勞試驗，證明了系統是安全可靠的，配備的各種監測控制措施是有效的。試驗結果及分析如下。

一個完整的高壓儲氫氣瓶充放氣過程如圖5所示(圖中下標A表示高壓罐的參數，而下標B表示儲氫氣瓶的參數，p表示壓力，T為溫度)。由圖中可以看出，充氣開始后，高壓罐內的壓力降低，儲氫氣瓶內的壓力升高;相應的，由于高壓罐放氣存在膨脹作用，溫度降低，而儲氫氣瓶內的氣體壓縮，溫度升高。由于高壓罐體積大，放氣量小，膨脹制冷作用較弱，并考慮到罐壁面對氣體的放熱，因此溫度降幅很小，只有1—3 K溫降;而儲氫氣瓶內的溫度變化劇烈，溫度可從充氣前的環境溫度升高到400 K(127℃)以上，溫升接近于100 K。

圖5 一個充放氣過程的溫度壓力變化趨勢Fig.5 Temperature and pressure trends of charge and discharge process

圖6是試驗系統達到最大平均質量流量充氣過程的瞬時和平均流量變化趨勢。剛開始時瞬時質量流量達到最大值，之后相對穩定，后期質量流量逐漸下降到零。圖6中，瞬時質量流量最大為0.114 kg/s;平均質量流量為0.054 kg/s，達到試驗平臺要求的最大質量流量3 kg/min的指標。此質量流量指標高于目前加氫1.89 kg/min國際水平［3］，使得試驗系統能夠在很寬的流量工況范圍下獲得試驗數據，完全能夠滿足車載儲氫氣瓶快速充放疲勞試驗的不同試驗條件要求。

圖6 系統達到最大質量流量的充氣過程Fig.6 Fast-fill process of maximum mass flux

圖7是疲勞試驗過程中連續充放氣的過程，約每10分鐘進行一次充放氣試驗。由于氣瓶壁面的碳纖維纏繞層導熱性能較差，使得降溫等待時間內，氣體的溫度并不能降到環境溫度，對于本次試驗放氣前氣體溫度約為335 K;而在放氣完畢后，由于氣瓶壁面的溫度較高，特別是鋁合金內膽的導熱性好，氣瓶內氣體的質量小，因此氣瓶壁面的散熱可將氣瓶內氣體的溫度在升溫等待時間內迅速升高到環境溫度，甚至超過環境溫度，例如對于本次試驗在下一次充氣前的氣體溫度約為305 K。

圖7 氣瓶連續充放氣的過程Fig.7 Continuous charge and discharge process of hydrogen cylinder

圖8 氣瓶疲勞泄漏時氫濃度檢測值的變化Fig.8 Trend of hydrogen concentration detected data when cylinder fatigue and leak

當氣瓶鋁合金內膽因疲勞發生泄漏時，氫濃度探頭會檢測到，在濃度超過100×10－6時報警。此時應立即停止試驗，氣瓶進行放氣過程，同時打開消防氮氣進行氫濃度稀釋，以降低著火爆炸的概率，待氫氣濃度降低到10×10－6以下時，進行氣瓶泄漏點檢測，查找疲勞的泄漏點。圖8為氣瓶進行疲勞試驗時的氫濃度探頭檢測值的變化情況。可看出在氣瓶發生疲勞泄漏時，氫濃度探頭完全可以檢測出來，證明使用這種方式來進行氣瓶疲勞監控是完全有效的。

對于完成疲勞試驗次數的氣瓶，外觀觀察沒有明顯的纖維層繃斷和或松弛，但是在試驗氣瓶的外表面，以環氧樹脂固化的碳纖維層有明顯的裂紋，主要是固化的樹脂發生斷裂，對碳纖維沒有明顯損傷。有裂紋的氣瓶照片如圖9所示。

圖9 纏繞層有疲勞裂紋的氣瓶照片Fig.9 Picture of cylinder wrapped layer with cracks

某氣瓶發生疲勞泄漏，但是內窺鏡并沒有檢查到具體的泄漏點，采用X光拍片的方法才確定泄漏的位置，如圖10所示。

圖10 氣瓶拍攝的X光片照片Fig.10 X-ray photo taken at cylinder leak point

試驗過程和結果表明，試驗系統完全達到了設定指標;儲氫氣瓶快速充放氣過程中會有顯著的溫度效應;建立儲氫氣瓶疲勞監測和檢測的手段組合在一起，是有效的，也是可靠的。

6 結論

針對常規用水壓疲勞試驗難以反應車載復合材料儲氫氣瓶實際使用條件的問題，本研究以實際氫氣為介質，建立了一套車載儲氫氣瓶快速充放氫疲勞試驗系統，最高工作壓力為90 MPa，最大平均充氣質量流量大于3 kg/min，完全能夠適應車載儲氫氣瓶的氫環境快速充放疲勞試驗的不同試驗條件要求。實際充放氫過程證明系統完全達到了設定指標，并驗證了試驗系統的可靠性，配置的各種監測控制措施的有效性，為今后更優質高壓儲氫氣瓶的研制提供了試驗平臺。

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