70MPa復(fù)合材料氫氣瓶液壓疲勞試驗裝置及壓力和溫度控制方法研究.pdf

1、氫能因其具有儲量豐富、燃燒值高、可再生等優(yōu)點，被認為是21世紀最具發(fā)展前景的清潔能源，對于解決目前困擾世界的“能源短缺”和“環(huán)境污染”兩大難題具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池汽車正逐漸成為世界汽車廠商竟相研發(fā)的熱點。
　　高壓儲氫技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、充放速度快、壓縮氫氣能耗低等優(yōu)點，是目前氫燃料電池汽車采用的主要儲氫方式。復(fù)合材料氫氣瓶承壓能力強，質(zhì)量輕，耐腐蝕性能好，是當(dāng)前氫燃料電池汽車用氫氣瓶的首選型式

2、。由于儲存的介質(zhì)是易燃易爆的氫氣，在使用過程中具有潛在的泄漏和爆炸危險，因此其安全性能是氫燃料電池汽車得以被公眾廣泛接受和市場化推廣的關(guān)鍵。
　　液壓疲勞試驗是檢測復(fù)合材料氣瓶宏觀強度、安全裕度、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性與可靠性的重要手段。美國、歐盟、日本、ISO和我國標(biāo)準(zhǔn)對于液壓疲勞試驗都提出了明確的要求。然而，目前國內(nèi)還沒有完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的70MPa復(fù)合材料氣瓶液壓疲勞試驗的裝置。另外，在進行液壓疲勞試驗時，應(yīng)對壓力和溫度實施有效

3、的控制，而對于復(fù)合材料氣瓶在液壓疲勞試驗過程中的升壓規(guī)律和溫度變化規(guī)律的研究卻很少，目前還沒有一套能夠準(zhǔn)確控制升壓速率和氣瓶溫度的方法。
　　在國家高技術(shù)研究計劃目標(biāo)導(dǎo)向課題（“863”計劃）項目“高壓容器儲氫技術(shù)和裝備（項目編號:2006AA05Z143）”、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）課題“高密度車載儲氫新體系及其安全性預(yù)測理論研究（項目編號:2007CB209706）”和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局公益性行業(yè)科研專

4、項經(jīng)費項目“車用纖維纏繞高壓氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)研究”（項目編號:10-131）等的支持下，針對復(fù)合材料氫氣瓶液壓疲勞試驗的要求，本文從液壓疲勞試驗裝置研制，試驗過程中壓力和溫度的變化規(guī)律以及升壓速率和氣瓶溫度控制方法等方面開展研究，主要的研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)基于公稱壓力為70MPa的復(fù)合材料氫氣瓶水壓試驗、爆破試驗和常溫壓力循環(huán)試驗的技術(shù)要求，確定了液壓疲勞試驗裝置的介質(zhì)種類、壓力等級、輸出流量等方面關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。綜合考慮

5、液壓疲勞試驗的要求、增壓裝置的特點和工作原理，提出了試驗裝置總體設(shè)計方案。對壓力循環(huán)過程的實現(xiàn)方式進行研究，提出采用三通型和二通型氣動換向閥聯(lián)合作用的方式，有效降低了保壓和卸壓過程的能耗。對氣動泵和柱塞泵流量特性進行分析，得到氣動泵流量與輸出壓力和驅(qū)動氣壓的關(guān)系，基于增壓泵流量特性，提出采用驅(qū)動氣壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方式實現(xiàn)氣動泵和柱塞泵的流量調(diào)節(jié)。綜合考慮了壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)的特性和相關(guān)元件的調(diào)節(jié)范圍，提出通過流量控制的方式實現(xiàn)下限壓力

6、的調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上進行流程設(shè)計，搭建液壓疲勞試驗裝置，并通過試驗驗證了試驗裝置的功能。該裝置的成功研制提升了我國復(fù)合材料氫氣瓶安全性能檢測能力。
　　(2)在考慮介質(zhì)的壓縮性和氣瓶容積變化的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合材料氫氣瓶增壓過程的理論分析模型?；谒臓顟B(tài)方程，推導(dǎo)出壓縮系數(shù)計算式。結(jié)合有限元分析方法，提出氣瓶容積的計算方法。結(jié)合理論分析模型和介質(zhì)壓縮系數(shù)、氣瓶容積及增泵流量特性，得到復(fù)合材料氣瓶升壓速率和升壓時間的計算方法。通過對

7、比計算結(jié)果和試驗結(jié)果，驗證了升壓速率計算方法的準(zhǔn)確性。分析了氣瓶容積變化、介質(zhì)溫度和增壓泵流量對升壓速率的影響規(guī)律，結(jié)果表明:氣瓶容積變化對升壓速率存在較大影響，介質(zhì)溫度對升壓速率的影響可以忽略，指出通過控制增壓泵流量能有效控制升壓速率?；谏龎核俾实挠嬎惴椒?，提出升壓速率的控制方法，得到了保證升壓速率要求下增壓泵流量限制值。對于柱塞泵可采用調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方式，對于氣動泵可采用調(diào)節(jié)驅(qū)動氣壓的方式，并得到柱塞泵電機轉(zhuǎn)速和氣動泵驅(qū)動氣壓的取

8、值范圍。
　　(3)基于變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)理論，建立了復(fù)合材料氫氣瓶壓力循環(huán)試驗過程的熱力學(xué)模型，模型考慮了介質(zhì)的壓縮與膨脹、介質(zhì)與內(nèi)壁的對流傳熱、氣瓶壁的導(dǎo)熱以及外壁與環(huán)境的自然對流換熱等。開展了復(fù)合材料氫氣瓶壓力循環(huán)過程溫度變化試驗研究，通過試驗驗證了理論模型的準(zhǔn)確性?；谠摕崃W(xué)模型，對氫能與燃料電池國際合作伙伴計劃(InternationalPartnershipforHydrogenandFuelCellinEconomy

9、,IPHE)組織循環(huán)對比試驗所用24.8MPa、54L的Ⅳ型氣瓶在充入介質(zhì)溫度、循環(huán)頻率、環(huán)境溫度等參數(shù)影響下的壓力循環(huán)試驗過程進行了數(shù)值模擬研究，得到了各參數(shù)對氣瓶平衡溫度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)，氣瓶溫度逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài);氣瓶壁面平衡溫度與充入介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度近似呈線性關(guān)系，循環(huán)頻率對氣瓶壁面平衡溫度的影響并不明顯。依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果得出了較為精確的氣瓶平衡溫度計算公式。基于該平衡溫度計算公式，提出了控制氣瓶溫度