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技术|氢燃料电池电动汽车专用高压储氢气瓶的质量保障体系研究

时间:  2021-03-15 17:30   来源:  氢云链    作者:  网络转载

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摘要:先进的质量保障体系是产品赢得市场的关键因素之一,通过分析国内氢燃料电池电动汽车专用高压储氢气瓶的技术标准和监察规程现状,并与先进国际质量标准进行对比、研究。从产品研发,标准化文件编制和未来发展方向三个方面进行论述,在此基础上,提出了在标准和规程中增加产品安装、维护、质量承诺和生产一致性检查等内容,建议气瓶制造企业引入独立检查员岗位,对影响到产品质量的各个阶段进行检查,完善车用高压储氢气瓶的质量保障体系,以期促进我国燃料电池电动汽车产业链的发展,提高我国燃料电池电动汽车的全球竞争力。

引言

工信部发布的《2020年新能源汽车标准化工作要点》指出,未来将重点在燃料电池电动汽车(FCEV)、充电设施及加氢系统等领域的标准化制定方面展开部署。工信部的规划将有力促进氢燃料电池电动汽车专用高压储氢气瓶技术的创新发展,提振市场和行业对氢能源汽车迅速发展的信心。2018年我国的氢气产能已达到2100万吨,虽然制氢问题得到解决,但是高压储氢气瓶技术还未取得突破性进展。储氢气瓶发展已有50多年的历史,日本的相关技术已经走到了全球前列,并且日本政府计划在2025年实现氢燃料电池汽车的普及化应用,而我国在商用车用气瓶领域已初步实现规模化装备制造,在乘用车专用气瓶方面尚未实现成熟产品的产业化。

随着氢燃料电池汽车技术的发展,此类汽车的市场保有量将持续增长,但氢气瓶的安全问题至关重要,在气瓶的使用寿命内,不允许有可能导致失效的缺陷。对于当前技术而言,惟有对气瓶的制造过程进行全流程把控才能保证产品品质和制造的先进性。为此,本文将对车用高压储氢气瓶的质量保障体系现状从以下几个方面进行分析,并简单介绍改进建议。

1、国内车用高压储氢气瓶研发相对滞后

车用气瓶共分为四种类型:全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。在高性能气瓶的研发制造上有如下问题:其一,国内Ⅳ型瓶研发滞后,国外乘用车已经开始使用质量更轻、成本更低、储氢密度更高的Ⅳ型瓶,而我国Ⅳ型瓶还处于研发阶段。其二,储氢气瓶的最大允许充装压力较低,目前成熟产品只能达到35MPa,而70MPa的Ⅲ型瓶还处在试运营阶段。其三,国产Ⅲ型气瓶的缠绕层主要原材料为碳纤维,由于研发起步晚、原材料性能差等原因,国产碳纤维还不能满足车用储氢瓶的要求,主要依赖进口。

基于以上不足,建议燃料电池电动汽车(FCEV)产业链相关企事业单位积极研究落实国家和地方的政策文件。气瓶研发制造企业应加速车用高压储氢气瓶的研发,同时上游材料供应商加快开发出满足需求的碳纤维材料,主管部门可以组织规划各区域的示范运营,特别是搭载70MPaⅢ型瓶的汽车,促进FCEV产业快速发展。

技术|氢燃料电池电动汽车专用高压储氢气瓶的质量保障体系研究

2、质量保障体系亟待完善

世界各国对车载储氢气瓶标准制定的进展情况各不相同,主要的标准体系包括欧盟标准、美国标准及日本标准等。2017年我国已经发布了推荐性国标GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》,该标准解决了我国没有针对于车载高压储氢气瓶的国标的问题,但也带来了一些新的问题。将国标与国际标准ISO/CD19881:2015《车用压缩氢气瓶》及北美标准ANSIHGV2-2014《燃料电池车辆压缩氢气瓶》进行比对分析,其质量保障条款的主要差异情况见表1。

技术|氢燃料电池电动汽车专用高压储氢气瓶的质量保障体系研究

从上表的比对结果可以看出四个特点。第一,现行国标只适用于铝内胆碳纤维全缠绕气瓶,是属于气瓶分类中的第Ⅲ类,对于Ⅰ类全金属气瓶、Ⅱ类金属内衬纤维环绕式和Ⅳ类非金属内衬纤维全缠绕气瓶并不完全适用,不满足全系列产品的开发及验证需求,需要扩展标准的适用范围。第二,在气瓶型式试验项目上国内外标准基本上是吻合的,仅个别条款不同。第三,国内外标准对上下游产业链的相关条款不完备,需对相关制造原材料的储运也做出规定。第四,国标还缺少生产一致性自我申明和质量保证条款,需加以完善。此外,气瓶监察规程也是质量保障体系的重要指导性文件。在2009年发布实施的车用气瓶安全技术监察规程(TSGR0009-2009)对国内使用的车用气瓶的设计、制造、安装、充装、使用和检验等方面提出了规范性要求,但该规程的一些条款已不适用于现阶段的气瓶设计制造技术,一些条款的描述不详细,可操作性不强,亟待完善。

3、新增质量程序的建议

现行标准的质量保障检验项目分为逐只检验和批量检验两类,且只对出厂检验的批量检验质量证明书做了规定,但对于影响高压储氢气瓶安全的诸多事项并未完全覆盖。因此,对于当前产业现状而言,应施行全流程的质量保障程序。

建议在气瓶的设计制造阶段就引入第三方独立检查员,参与到质量活动中,并增加生产一致性自我申明等质量保证条款,运行较完备的质量体系程序。所有气瓶型式试验均应由独立的检验试验机构进行或监督。试验记录应由检验试验机构存档,试验报告可由气瓶制造商存档。气瓶制造商应按照ISO9001的规定来建立质量管理体系。但是制造商也需要在保障质量程序与试验资源投入之间找一个平衡点,企业可以引入外部独立检查和试验,以达到多元化监督检验的目的。独立检查员应将质量体系中的缺陷通知制造商,并保留缺陷和纠正措施的书面记录。

3.1 独立检查员资格审查

独立检查员由国家认可的独立检验机构聘任,应按照特种设备检验检测机构核准规则(TSGZ7001),特种设备无损检测机构核准规则(TSGZ7005)及车用气瓶安全技术监察规程(TSGR0009)所规定的流程,学习并取得从业资格证书。

3.2 制造过程中的检查

如果制造商的质量体系符合ISO9001或ISO/TS16949的有关规定,且在认可的注册机构注册,则制造商可在制造过程中自主进行所有检查和验证,但须接受认可的注册机构的监督。如果制造商未建立已注册的质量管理体系,则制造过程中的所有检查和验证应由合格的独立检验机构的独立检查员执行。

3.3 检查员在制造过程中的职责

在制造过程中,下列职责适用于第三方检验员的职责:

a)根据GB/T35544-2017的要求验证所有材料的符合性。可以通过获得生产商的认证分析报告来验证;

b)验证内胆和完整气瓶的内外表面是否符合制造设计规范;

c)验证Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型气瓶的缠绕工艺,以确定复合材料的厚度和缠绕方式符合要求,并符合通过设计资格试验的气瓶复合结构;

d)用量规检查螺纹的符合性;

e)验证材料已经过适当的热处理;

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f)确认每个气瓶都经过静态水压试验,并按照制造商的规定记录数据;

g)选择所有试验样本,监督所有试验,并获得所有试验结果和证书的副本;

h)验证每个气瓶是否符合所有要求,包括标记;

i)在首次将新设计或有设计变更的气瓶交付之前,验证是否已执行了表2中指定的设计型式试验并取得了合格的结果;j)向气瓶制造商提供完整的检验记录。

3.4 第三方检查员应履行的附加职责

气瓶制造商的每种产品应至少每12个月审计一次,此时制造商聘用的第三方检验员还有以下附加职责:

a)验证制造商的质量手册是否涉及设计,采购,过程控制,检查,试验和配置管理,以及制造商的质量手册和实际是否一致;

b)验证产品图纸是否充分定义了要制造的配置以及气瓶是否符合图纸要求;

c)验证设计文档是否包含适当的验收标准;

d)验证所购零件是否符合规定的要求;

e)验证是否为符合指定要求的气瓶制造提供了足够的书面说明;

f)验证来料和产品是否经过检验或验证符合规定的要求;

g)在完成所有指定的检查和试验并且发现气瓶符合规格之前,确认没有已装运货物;

h)验证是否遵循了不合格材料的控制程序;

i)确认试验设备已校准;j)验证是否保存了记录,以证明产品已通过检验和试验要求,并符合规定的验收标准;

k)验证是否遵循控制与气瓶制造商相关的文件和数据的程序。这些程序既适用于最初发布的文件,也适用于修订的文件。

3.5 气瓶及其安装的外部目视检查方法

检验应由合格的气瓶检验员按照制造商的建议和中国锅炉压力容器检验协会发布的特种设备无损检测机构核准规则(TSGZ7001)中提供的检验程序进行,或者可以使用气瓶制造商批准的非破坏性试验方法检查气瓶的安装情况。

对于没有包含强制性信息的标签的气瓶,或包含任何方式难以识别的强制性信息的标签的气瓶,应停止使用。如果气瓶可以由制造商和序列号确定,则制造商提供的替换标签可以应用于气瓶并且可以保持使用,以降低整车安装检查和在用车期间核查的社会成本。

3.6 生产一致性保证的自我申明

在生产一致性问题、可重复性问题上没有做出详细规范,存在无法保证产品的生产一致性的情况。

本文建议参考北美标准,增加“样件和生产过程认可”条款。规定:试验设备和检具已经验收并且是可用状态。供货产品来自于批量生产的模具,设计变更状态已检验存档。工艺参数及公差已经确定。批量模具生产出的零件,满足设计任务书的要求(公差、功能、质量等)。在批量生产条件下,供应商处的生产过程需经过验收(过程能力证明、最大产能等),如状态变化或不达标,则需存档并启动零件优化程序。

零部件供货前需提供已确认可送样或可进行材料检验的样件,完成自检,附自检报告。合格进入下一步否则重新取样送检,关注零件认可信息不合格结论项目,及时跟踪供应商改进措施。送样检验和认可所必须的检测内容、样件数量、范围和试验类型,包括时间计划等的确认。

3.7 增加供应链规范性要求

从供应商零部件材料入厂到成品装货都涉及到产品质量,应该加入到质量保障体系条款中。建议如下:

a)规定从供应商材料入厂到成品装货的物流方案已经确定并准确执行。

b)产品包装及运转方式已得到认可。

c)从订单接收到成品发货再到次级供应商的货物接收和处理均应在流程管理系统中体现。

d)为供应链制定应对紧急情况的应急计划。

4、车载高压储氢气瓶的未来发展方向

未来将运用大数据技术,在车辆仪表中显示气瓶累计充装次数、加氢过程的气瓶应变和温度等数据,直接计算测量气瓶的安全健康状态并实时反馈。通过智能算法分辨出储氢系统安全应对机制应该做出怎样的反应,例如当判断到车辆使用过程中发生气瓶热失效时,整车控制器指令车载电器紧急断电、触发气瓶应急制冷系统。也是未来燃料电池电动汽车智能化的一个要素。

5、结束语

通过分析国内氢燃料电池汽车专用高压储氢气瓶的技术标准和监察规程现状,并与先进质量标准进行比对研究,提出了在标准修订过程中增加产品安装、维护、质量承诺、生产一致性检查等要求,完善车用高压储氢气瓶的质量保障体系。先进的质量保障体系将促进氢气储运产业链的发展,助力我国氢燃料电池汽车的全球技术竞争。
 

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