CN108181063B - 一种车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢能与燃料电池汽车领域，旨在提供一种车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置及方法。包括带有端盖的试验腔体，待测储氢气瓶安装在内部空腔中；氢气瓶组通过进气管路经端盖接至储氢气瓶，在储氢气瓶的内部设有加热组件；在试验腔体的侧壁上设有液压油进口，通过管路与液压油储罐、液压油泵和控制阀共同构成液压油充放系统。本发明仅需在第一次循环开始进行高压氢气的快速充装，而无需进行连续地快速充装和泄放，对氢气增压泵的流量以及高压储罐的容积需求大幅度降低；循环过程中通过利用液压油对气瓶外部加压泄压来模拟氢气充装和泄放过程中的载荷，避免了使用高压氢气循环过程中所存在的较大安全隐患，提高了测试研究的安全性。
Description
技术领域
本发明属于氢能与燃料电池汽车领域，特别涉及一种车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置及方法。
背景技术
氢能因具有来源多样、洁净环保、可规模储输等突出优点而被认为是最具应用前景的二次能源之一。氢能的重要应用终端就是氢能燃料电池汽车。世界许多汽车巨头在2015年前后纷纷推出了量产化的氢能燃料电池汽车。目前，氢能燃料电池汽车普遍采用车载复合材料储氢气瓶进行氢气的储存(气瓶的设计压力可达到70MPa)，该气瓶通常由内胆层和外部的碳纤维-树脂缠绕层构成。依据相关规范标准规定，车载复合材料储氢气瓶在使用过程中氢气的快速充装时间应控制在3～5min。由于氢气本身具有的氢脆特性加上快速充装过程中氢气产生的温升现象(温度升高一般控制在85℃以内)，将对车载复合材料储氢气瓶的服役性能产生较大影响，相关学者已在材料层面上证明了氢脆及温升将对复合材料储氢气瓶产生较大的影响，但上述影响规律尚不清楚，亟需建立相应的测试装置和方法对车载复合材料储氢气瓶的服役性能进行研究。
为了研究车载复合材料储氢气瓶的整体服役性能，就需要测试装置能够模拟气瓶在实际服役过程中的工况，其中的主要要素包括：1)气瓶内胆要一直接触高压氢气，且氢气的最高压力要达到气瓶设计压力的1.25倍；2)气瓶每次循环加载过程中都伴随着内部气体温度的升高(最高温升可达85℃)。为了实现上述要素，比较直观传统的做法是直接使用高压氢气对车载复合材料储氢气瓶进行连续地充氢放氢循环，直至气瓶失效破坏，记录失效时氢气循环的次数。但是根据国际范围内已有的经验，为了实现连续不断地氢气的快速加注(每次加注时间3～5min)，对测试系统氢气增压泵的流量要求非常大，整个系统的造价达到亿元级别，除成本问题外，大量高压氢气的连续循环也带来了较大的安全隐患，成为制约车载复合材料储氢气瓶服役性能研究的重要障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置，包括用于提供测试用氢气的氢气瓶组，还包括一个带有端盖的试验腔体，待测储氢气瓶安装在内部空腔中；氢气瓶组通过进气管路依次连接气动增压泵、氢气储罐和氢气流量控制阀，最后接至设于端盖上的氢气进气口外侧端口，氢气进气口的内侧端口与储氢气瓶的瓶口相接；放空阀门和真空泵分别通过管路接至氢气储罐之后的进气管路；在储氢气瓶的内部设有加热组件，加热组件通过电缆连接至加热系统；在试验腔体的侧壁上设有液压油进口，通过管路与液压油储罐、液压油泵和控制阀共同构成液压油充放系统；所述气动增压泵、液压油泵和加热系统分别通过信号线接至计算机。
本发明中，该装置还包括设于端盖内侧的氢气泄漏探测器，并由信号线通过设于试验腔体侧壁上的通孔连接至计算机，通孔由耐压密封组件实现密封。
本发明中，液压油充放系统中的控制阀包括进油流量控制阀和放油流量控制阀；液压油泵的入口端接至液压油储罐的底部，其出口端经进油流量控制阀接至液压油进口，液压油进口经放油流量控制阀接至液压油储罐的上部。
本发明中，所述加热组件的长度不小于储氢气瓶长度的80％；加热系统位于试验腔体的外部，电缆通过设于试验腔体侧壁上的通孔连接加热组件和加热系统，通孔由耐压密封组件实现密封。
本发明进一步提供了利用前述装置进行车载复合材料储氢气瓶服役性能测试的试验方法，包括以下步骤：
(1)在端盖内侧设置氢气泄漏探测器，并由信号线通过设于试验腔体侧壁上的通孔连接至计算机，通孔由耐压密封组件实现密封；在液压油充放系统设置进油流量控制阀和放油流量控制阀；液压油泵的入口端接至液压油储罐的底部，其出口端经进油流量控制阀接至液压油进口，液压油进口经放油流量控制阀接至液压油储罐的上部；
(2)分离试验腔体和端盖，在试验腔体内装好车载复合材料储氢气瓶后，在储氢气瓶内插入加热组件；确认连接氢气泄漏探测器的信号线、连接加热组件的电缆在各自通孔处密封完好后闭合端盖，使氢气进气口的内侧端口与储氢气瓶的瓶口稳固相接；
(3)使用真空泵对储氢气瓶进行抽真空，然后利用气动增压泵和氢气储罐对储氢气瓶进行氢气充装，充装压力为储氢气瓶设计压力P的1.25倍，充装时间为3～5min内的某个值t，并记录充装过程中储氢气瓶内部氢气的温度升高曲线M；
(4)启动液压油泵对试验腔体进行液压油的充装，直至试验腔体内压力达到储氢气瓶设计压力P的1.25倍；然后关闭进油流量控制阀，打开放油流量控制阀对试验腔体内进行泄压，直至液压油的压力达到大气压力；整个泄压过程中的压力呈线性下降，泄压时间为t，且利用加热系统控制加热组件按照温度升高曲线M的变化规律进行加热；
(5)重复步骤(4)所述液压油的充装和泄放过程，直至氢气泄漏探测器检测到氢气泄漏；停止操作并记录循环次数，以该循环次数表征车载复合材料储氢气瓶的服役性能；
(6)同时打开放油流量控制阀和放空阀门，泄放试验腔体内的液压油以及储氢气瓶内的氢气；然后对储氢气瓶进行抽真空，完成试验。
本发明中，加热组件的最高加热温度不低于85℃，且能通过加热系统对加热组件的加热速率行调控。
本发明中，气动增压泵和液压油泵的最大输出压力不低于储氢气瓶设计压力P的1.25倍，且氢气储罐和试验腔体的设计压力不低于储氢气瓶设计压力P的1.25倍。
与传统的测试装置和方法相比，本发明的有效益处在于：
1、在满足试验要求和试验要素的基础上，仅需要在第一次循环开始时对车载复合材料储氢气瓶进行一次高压氢气的快速充装，而无需进行连续地快速充装和泄放，对氢气增压泵的流量以及高压储罐的容积需求大幅度降低，进而测试装置的成本大幅下降；
2、循环过程中通过利用液压油对气瓶外部加压泄压来模拟氢气充装和泄放过程中的载荷，避免了使用高压氢气循环过程中所存在的较大安全隐患，提高了测试研究的安全性。
附图说明
图1为本发明的总体装置示意图。
图中：氢气瓶组1、气动增压泵2、氢气储罐3、氢气流量控制阀4、液压油进口5、放空阀门6、真空泵7、氢气泄漏探测器8、氢气进气口9、储氢气瓶10、端盖11、试验腔体12、液压油13、加热组件14、加热系统15、进油流量控制阀16、液压油泵17、放油流量控制阀18、液压油储罐19、计算机20。
具体实施方式
本实施例中的车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置，如图1所示。
该装置包括用于提供测试用氢气的氢气瓶组1，以及一个带有端盖的试验腔体12，待测的储氢气瓶10安装在试验腔体12的内部空腔中；氢气瓶组1通过进气管路依次连接气动增压泵2、氢气储罐3和氢气流量控制阀4，最后接至设于端盖11上的氢气进气口9的外侧端口，氢气进气口9的内侧端口与储氢气瓶10的瓶口相接；放空阀门6和真空泵7分别通过管路接至氢气储罐3之后的进气管路；端盖11内侧设有氢气泄漏探测器8，并由信号线通过设于试验腔体12侧壁上的通孔连接至计算机20，通孔由耐压密封组件实现密封。在储氢气瓶10的内部设有加热组件14，加热组件14通过电缆连接至加热系统15；加热组件14的长度不小于储氢气瓶10长度的80％；加热系统15位于试验腔体12的外部，电缆通过设于试验腔体12侧壁上的通孔连接加热组件14和加热系统15，通孔由耐压密封组件实现密封。在试验腔体12的侧壁上设有直接连通试验腔体12内部空间的液压油进口5，液压油进口5通过管路与液压油储罐19、液压油泵17和进油流量控制阀16和放油流量控制阀18共同构成液压油充放系统。液压油泵17的入口端接至液压油储罐19的底部，其出口端经进油流量控制阀16接至液压油进口5，液压油进口5经放油流量控制阀18接至液压油储罐19的上部。所述气动增压泵2、液压油泵17和加热系统15分别通过信号线接至计算机20。
本发明的计算机20中内置控制系统，用于接收、记录信号，处理数据和根据实验发出控制指令。控制系统具体实现方式属现有技术，可由操作人员根据需要进行选择，本发明对其内容不再赘述。氢气泄漏探测器应选择能在高压液压油环境中对泄漏氢气进行检测的产品，例如美国可再生能源国家实验室研发的HLT-1型氢气泄漏探测器。
利用该装置进行车载复合材料储氢气瓶服役性能测试的试验方法，包括以下步骤：
(1)分离试验腔体12和端盖11，在试验腔体12内装好车载复合材料的储氢气瓶10后，在储氢气瓶10内插入加热组件14；确认连接氢气泄漏探测器8的信号线、连接加热组件14的电缆在各自通孔处密封完好后闭合端盖11，使氢气进气口9的内侧端口与储氢气瓶10的瓶口稳固相接；
(2)使用真空泵7对储氢气瓶10进行抽真空，然后利用气动增压泵2和氢气储罐3对储氢气瓶10进行氢气充装，充装压力为储氢气瓶10设计压力P的1.25倍，充装时间为3～5min内的某个值t，并记录充装过程中储氢气瓶10内部氢气的温度升高曲线M；
(3)启动液压油泵17对试验腔体12进行液压油的充装，直至试验腔体12内压力达到储氢气瓶10设计压力P的1.25倍；然后关闭进油流量控制阀16，打开放油流量控制阀18对试验腔体12内进行泄压，直至液压油的压力达到大气压力；整个泄压过程中的压力呈线性下降，泄压时间为t，且利用加热系统15控制加热组件14按照温度升高曲线M的变化规律进行加热；
(4)重复步骤(3)所述液压油的充装和泄放过程，直至氢气泄漏探测器8检测到氢气泄漏；停止操作并记录循环次数，以该循环次数表征车载复合材料储氢气瓶10的服役性能；
(5)同时打开放油流量控制阀18和放空阀门6，泄放试验腔体12内的液压油以及储氢气瓶10内的氢气；然后对储氢气瓶10进行抽真空，完成试验。
为满足测试要求，气动增压泵2和液压油泵17的最大输出压力不低于储氢气瓶10设计压力P的1.25倍，且氢气储罐3和试验腔体12的设计压力不低于储氢气瓶10设计压力P的1.25倍。加热组件14的最高加热温度不低于85℃，且能通过加热系统15对加热组件14的加热速率行调控。
以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。
Claims (7)
1.一种车载复合材料储氢气瓶服役性能测试装置，包括用于提供测试用氢气的氢气瓶组，其特征在于，还包括一个带有端盖的试验腔体，待测储氢气瓶安装在内部空腔中；氢气瓶组通过进气管路依次连接气动增压泵、氢气储罐和氢气流量控制阀，最后接至设于端盖上的氢气进气口外侧端口，氢气进气口的内侧端口与储氢气瓶的瓶口相接；放空阀门和真空泵分别通过管路接至氢气储罐之后的进气管路；在储氢气瓶的内部设有加热组件，加热组件通过电缆连接至加热系统；在试验腔体的侧壁上设有液压油进口，通过管路与液压油储罐、液压油泵和控制阀共同构成液压油充放系统；所述气动增压泵、液压油泵和加热系统分别通过信号线接至计算机。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括设于端盖内侧的氢气泄漏探测器，并由信号线通过设于试验腔体侧壁上的通孔连接至计算机，通孔由耐压密封组件实现密封。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，液压油充放系统中的控制阀包括进油流量控制阀和放油流量控制阀；液压油泵的入口端接至液压油储罐的底部，其出口端经进油流量控制阀接至液压油进口，液压油进口经放油流量控制阀接至液压油储罐的上部。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热组件的长度不小于储氢气瓶长度的80％；加热系统位于试验腔体的外部，电缆通过设于试验腔体侧壁上的通孔连接加热组件和加热系统，通孔由耐压密封组件实现密封。
5.利用权利要求1所述装置进行车载复合材料储氢气瓶服役性能测试的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在端盖内侧设置氢气泄漏探测器，并由信号线通过设于试验腔体侧壁上的通孔连接至计算机，通孔由耐压密封组件实现密封；在液压油充放系统设置进油流量控制阀和放油流量控制阀；液压油泵的入口端接至液压油储罐的底部，其出口端经进油流量控制阀接至液压油进口，液压油进口经放油流量控制阀接至液压油储罐的上部；
(2)分离试验腔体和端盖，在试验腔体内装好车载复合材料储氢气瓶后，在储氢气瓶内插入加热组件；确认连接氢气泄漏探测器的信号线、连接加热组件的电缆在各自通孔处密封完好后闭合端盖，使氢气进气口的内侧端口与储氢气瓶的瓶口稳固相接；
(3)使用真空泵对储氢气瓶进行抽真空，然后利用气动增压泵和氢气储罐对储氢气瓶进行氢气充装，充装压力为储氢气瓶设计压力P的1.25倍，充装时间为3～5min内的某个值t，并记录充装过程中储氢气瓶内部氢气的温度升高曲线M；
(4)启动液压油泵对试验腔体进行液压油的充装，直至试验腔体内压力达到储氢气瓶设计压力P的1.25倍；然后关闭进油流量控制阀，打开放油流量控制阀对试验腔体内进行泄压，直至液压油的压力达到大气压力；整个泄压过程中的压力呈线性下降，泄压时间为t，且利用加热系统控制加热组件按照温度升高曲线M的变化规律进行加热；
(5)重复步骤(4)所述液压油的充装和泄放过程，直至氢气泄漏探测器检测到氢气泄漏；停止操作并记录循环次数，以该循环次数表征车载复合材料储氢气瓶的服役性能；
(6)同时打开放油流量控制阀和放空阀门，泄放试验腔体内的液压油以及储氢气瓶内的氢气；然后对储氢气瓶进行抽真空，完成试验。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，加热组件的最高加热温度不低于85℃，且能通过加热系统对加热组件的加热速率行调控。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，气动增压泵和液压油泵的最大输出压力不低于储氢气瓶设计压力P的1.25倍，且氢气储罐和试验腔体的设计压力不低于储氢气瓶设计压力P的1.25倍。
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