中材科技总工程师米宽: 70兆帕IV型车载储氢瓶未来将以干法缠绕为主

    氢燃料电池汽车网  由氢璞创能总冠名的2022第三届中国氢能与燃料电池汽车产业峰会于8月10-11日在京举办。中材科技总工程师米宽出席大会并发表《气态储氢技术研究》的演讲。

  米宽表示，氢能的发展离不开氢的储存，因为氢大家都知道分子比较小，质量比较轻，所以它是比较难以储存的气体。目前的储氢方式有四种，主流就这三种：一是压缩气态储氢，其次是液体，第三是固态储氢，各有各的特点。

  但是从目前的发展来看的话，“气态储氢是最成熟的一种储氢方式，主要它的技术相对比较成熟，再加上它氢气充装和释放比另外两种方式快捷，所以目前我们看到大部分都是气态储氢为主。”米宽表示，对于气态储氢来讲的话，我们工业用的时候，我们一般是把它做到15-20兆帕压力等级，对于车载来讲的话我们可能要做到35-70兆帕的压力等级。

  关于氢气瓶的类型,米宽也做一个介绍，目前比较成熟市场化的有四种的气瓶类型，我们这个行业叫IIIIIIIV型瓶，其中I型瓶就是我们说的纯钢瓶，II型就是高内胆加纤维缠绕的，环形缠绕的气瓶，III型瓶是采用金属内胆，就是钢内胆或者氯内胆加碳纤维缠绕的气瓶，IV型瓶就是全复合材料气瓶，就是塑料内胆加纤维产的气瓶。

  米宽表示，对于I和II型瓶子来源讲，因为它是钢的，重量比较重，一般是用在工业级或者固定容器的应用领域。而III和IV型瓶由于采用了碳纤维，所以它瓶子的重量比较轻，所以适合在车载上去用，因为车对瓶子的重量有要求，而且车的空间也是有限的，所以对于车载屏来讲的话只能用III型瓶和IV型瓶。III型瓶和IV型瓶由于采用碳纤维的材料，所以成本价格相对高一点。

  这个是车载氢瓶的一些应用情况，比较典型的就是Mirai放在底盘上的，我们看到公交车、卡车、物流车放在顶上或者驾驶室的后面这样的应用情况。

  目前，国内的情况主要是以III型瓶为主，压力等级是35兆帕和70兆帕，这两个压力等级基本上这个技术是比较成熟的，然后它的容积范围35兆帕可能在50-210，这个是比较主流的产品。70兆帕在20-70升左右，大部分在40或者60升区间比较多，用在公交、大巴、乘用车的应用领域。它的储氢密度III型瓶无论35兆帕和70兆帕都在4%左右，相对密度都是比较低的，国外主要像日本、欧韩应用的还是用IV型屏，大概涂氢密度达到6%，就5.76%，甚至更高一点的水平。国内由于IV型瓶我们知道最早是不允许销售的，所以也是刚刚放开，所以IV型瓶国内的大部分企业还处于研发阶段。

  对于35兆帕氢气瓶的发展趋势，因为35兆帕压力等级还是以III型瓶为主，未来的发展方向肯定是大容器的发展方向，因为容器大的话它气瓶的数量会减少，零界点会变少，所以安全性会更高，所以总的成本也会下降，所以35兆帕主要是以III型瓶，IV型瓶为什么不建议用35兆帕的呢？“从成本来讲，IV型瓶和III型瓶35兆帕这个等级的话，基本上不会差多少，成本上不会差多少，但是它的耐久性来讲，耐久性比III型瓶要低一些，当然各有优势。所以我觉得肯定是III型瓶为主。”米宽强调。

  III型瓶发展趋势就是大容积，还有低成本，低成本我们主要是考虑从材料的国产化，主要是纤维材料，碳纤维材料国产化，还有制造工艺的优化做些降本的措施。米宽表示，对70兆帕来讲肯定未来是以IV型瓶为主，III型瓶做70兆帕设计寿命只能达到10年，它是达不到我们整车的要求的，包括气瓶，气瓶寿命一般设计15年，要做70兆帕的III型瓶只能做到10年的寿命，所以70兆帕肯定是以IV型瓶为主要。

  关于35兆帕的大容积，中材也做了很多工作，这是我们开发的一个给客车上开发的，320升的大容积气瓶，代替原来的140、145升的，原来它的8支，我们现在有4支就可以了，它的储氢量，包括总的重量都是。有储氢量都是有增加，重量是有减轻的，它是有优势的。

  米宽表示，针对氢能重卡开发的大容积最大可以做到385升，重卡165升或者210升的，8支的，这样我们可以做385升的大容积的，我们有6支，这样的话它的整个总容积会增加37%，储气量增加37%，重量会稍微增加一点，但是对于重卡来讲，重量增加这点幅度还是可以接受的，但是它的续航里程，储气量增加，续航里程会增加很多。这个是在重卡福田385升造车的情况，还有320升的大容积的情况，在客车上的情况。

  在IV四型瓶方面，IV型瓶的发展历史是上世纪90年代，IV型瓶在国外已经开始在批量的应用，但是应用领域主要是在呼吸器等场景在应用，直到丰田推出汽车之后，70兆帕IV型瓶开始批量在应用。

  据悉，IV型瓶典型的结构，实际上和I,II,III型瓶最大的区别就是内胆，它的内胆是采用塑料内胆，外表缠的是碳纤维做它的加强层，外表缠一个玻璃纤维做它的保护层，两头是两个防冲击的保护罩，然后阀门和III型瓶的阀门基本上是一样的，它主要用到的材料我下面列的就是塑料粒子、碳纤维、环氧树脂、金属瓶嘴、密封材料、密封圈。 

  对于IV型瓶的优势，米宽表示，相同的设计总则来讲比III型瓶要轻的，轻20%左右，它的属性密度比III型瓶高40%左右，它的疲劳性能也比III型瓶要好，刚才说了III型瓶只能达到10年750次，IV型瓶标准要求是对政策来讲是22000次，我们现在可以做到4万多次，所以它的内疲劳性能是很好的。它的耐腐蚀性也很好，因为它塑料内胆成本比金属内胆低一些。

   它的劣势在哪里呢？"第一它会发生氢的渗透，塑料内胆是大分子的材料，这个氢会通过它的塑料内胆会渗透出来，对III型瓶来讲的话基本上是可以忽略这个氢渗透的，但IV型瓶的话必然会发生氢渗透的，这个是在开发时候要考虑的。"米宽强调。

  第二，就是它的导热性非常差，所以在IV型瓶加氢的时候氢气必须遇冷，但III型瓶来讲的话，像35兆帕我们可以不遇冷，70兆帕耐受也可以不遇冷，对IV型瓶来讲必须遇冷，你没加到压力它的温度已经达到设计温度的上限了，所以这是它的问题。

  第三,它不耐冲击，因为它塑料内胆，所以我两边会加一个保护罩，加保护罩的耐冲击性跟金属内胆的内冲击性相比还是会差一点，这是它的缺点。所以说III型瓶和IV型瓶各有优劣。

  米宽也对IV型瓶开发的过程中要重点关注的情况，给予了分析：

 首先，内胆材料，我们要重点考虑它的渗透性、防轻的渗透。塑料不耐低温的，低温要材料。主流用的HTP、尼龙，这是HTP、尼龙对材料的低温性能和它的轻渗透性的对比，综合来讲的话尼龙会更优一些，所以现在大部分对IV型瓶来讲都是用的尼龙材料。

  其次，瓶口的设计，因为瓶口部分是金属和塑料交接的部分，因为这两种材料它的膜量包括导热系数不一样，所以在温度交变，压力交变的情况下容易开裂，所以这个在我们设计中要考虑这个问题，现在这个关于瓶口这部分现在每个技术厂家都有自己的专利，现在总的专利数达到200多了，这是一个特殊的设计，都是不一样的。

  对于IIIIII型瓶来讲的话，都是一样的，这种结构都是一样的，但是对于IV型瓶来讲每家都是不一样的，都是有区别特别是瓶口技术。

 另外，对于内胆成型技术，这个对于IV型瓶也是一个比较关键的技术，目前可以选择的有滚塑、吹塑、注塑加焊接等三种工艺，现在都有在用。丰田用的注塑焊接，欧洲推吹塑，美国用的是滚塑，但是都可以用，但是都有一些问题。

 像注塑+焊接它的优势一个是效率高、成型压力高，所以他们尺寸的一致性会比较好。它存在的问题是要焊接，对焊接的要求比较高，我们要开发焊接的检测技术，怎么保证焊接设备，所以这个是一个难点。

  对于吹塑来讲的话，可能它的问题就是，它的壁后均匀性是一个问题，第二个就是它做不了尺寸比较长的，比如说要做2.2m以上的话，长度2.2m以上的设备目前的吹塑设备有难度做大容积的会有一些难度。

  对于滚塑存在的问题是它的效率比较低，因为它承接之后的压力比较多，所以它材料的致密性会差一点，而且滚塑的材料要求也比较高，所以这三种都有一些问题，每个厂家根据自己的情况会选择其中一种。这是内胆成型的问题。

  关于气瓶成型，米宽表示，气瓶成型主要是采用缠绕工艺，我们国内比较成熟大部分企业用的都是湿法缠绕，湿法缠绕它的优势就是它的成本低、设备造价比较低，它的劣势就是它的控制不稳定，所以产品的一致性会差一点。

  再就是周围的环境也比较差，效率也不是很高，所以国外像丰田开始用干法缠绕，国外很多气瓶厂家也在研究用干法缠绕。所以干法缠绕它的优势就是首先它的含胶量会比较均匀，所以产品质量一致性比较好，第二个它的缠绕速度也比较快，第三个它过程中是没有滴胶，所以它的作业环境是相对来讲是比较干净的。所以对于70兆帕的瓶子未来的方向肯定是以干法缠绕这样的一个缠绕方式为主。

   关于70兆帕四型瓶的试验，米宽分两个级别进行解析：一个是材料级别，一个是产品级别。材料级别主要是做塑料产品的试验，包括密封材料的金属试验，这些我们都已经做完了，产品级别我们像内部的疲劳爆破这些都已经做了，包括环境试验、火烧试验、氢的渗透试验、跌落，我们内部基本上都做完了，还有一些试验接近尾声，大部分已经做完了。

  中材科技总部在苏州，生产基地有四个基地，一个是成都，一个是苏州，还有一个就是九江，另外一个是济宁，济宁我们是参股的，相当于我们直接控股的就是三个基地，苏州、成都、九江。

  主要业务一个是车载的CNG气瓶、车载LNG气瓶、工业气瓶，燃料电池用的氢能用的占用瓶，用氢的气瓶，燃料电池的车载气瓶。公司未来将重点发展氢能，这是我们公司大的一个战略。

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