开发玄武岩纤维高压气瓶的设想

农工民主党北京CNGV课题组 洪讵20201125

 

概述

目前国内外市场上已有为数众多的以压缩天然气CNG为燃料的出租车、小型乘用车、大中型商用车，和以液态天然气LNG为燃料的大、中型商用车。由于天然气汽车能减少碳排放和烟尘等有害物质排放，能节省部分运营费用（约20-30%），而受到了用户的欢迎和国家的支持，十几年来得到了快速的发展：截止2019年底、世界天然气汽车NGV保有量已达2854多万辆；加气站保有量近33380座。我国的NGV保有量723万辆（其中CNGV 663万辆，LNGV 60万辆）;加气站保有量9600座（其中CNG加气站5800座，LNG加气站3800座）。天然气车辆和加气站的保有量连续五年居于世界第一；还处在继续发展之中。

在天然气汽车中、85%以上是小型乘用车。目前大都是在原型汽油车基础上稍加改动（增加了CNG系统和油气转换装置）的改装车辆。其燃料瓶为20Mpa的高压气瓶，放置在行李箱内，只能容纳75-85L的小气瓶，可储存15-17NM3的天然气，能维持该车200公里的续驶里程。

该类改装车辆存在着诸多缺陷：动力性比原车降低10-15%；车辆的燃气消耗量居高不下；（百公里的燃气消耗量已高达7.5NM3/100km）远高于单燃料天然气发动机车辆的燃气消耗量5.5-6.0NM3/100km；尾气PM2.5指标中、也仅仅减少了细颗粒物的排放，还会出现少量氮氧化物NOX排放。仅能达到国Ⅳ标准的水平；另外，该类车辆目前还存在着使用中的诸多不便：如续驶里程短；气瓶占据了行李箱的载物空间；乘坐不舒适；加气时间长；等等。这些弊病如不尽快根除，势必影响其扩大应用，甚至会像燃油车一样，整体被判为污染车辆而遭到彻底淘汰。

该类车辆改进的方向是：设计并配备单一天然气燃料的专用发动机；根据当量燃烧理论（不是稀薄燃烧理论）设计发动机的燃烧过程；配备专用的三元催化尾气处理装置；腾空行李箱，将气瓶组布置在车辆的底盘上；将燃油车的各种先进技术移植到天然气汽车中；等等。应使这类CNGV车辆都能像近期问世的LNGV车辆一样：既保持同排量燃油车的各项先进指标、又能达到尾气排放的国Ⅵ标准。将成为新一代节能减排的天然气小型乘用车。

目前的大、中型天然气商用车（CNGV和LNGV）大都配备了高性能的、单一燃料的天然气发动机；已按照当量燃烧理论、优化了燃烧过程设计；配备了天然气专用的三元催化装置。其动力性、经济性已和同排量的柴油车相当，排放指标也达到了国Ⅵ标准。已成为国家倡导的清洁能源型汽车。尤其是各型LNGV车辆，因其加液更便捷，续驶里程更长，使用更安全，已成为各地取代大型柴油车的不二选择。

本文重点探讨压缩天然气汽车中燃气储存技术和存在的相关问题。该问题已涉及到数量众多的天然气小型乘用车的续驶里程焦虑和技术升级，也影响到各类CNGV的推广和扩大应用。

1、提高气瓶的容积可以提高天然气汽车的燃料储存量。

近年来欧洲某些汽车工厂（奥迪、大众、斯柯达等）已将CNGV小型乘用车的燃料瓶移出了行李箱。把一只大气瓶分解为两三只小气瓶，布置在车辆的底盘空间内，总容积增加到140L。在储存压力不变（20Mpa）的情况下，能增加约一倍的燃气储存量；也改进了车辆和发动机的性能，降低了燃气的消耗量。（达到5.5L-6L/100km）这就可以在提高CNGV小型乘用车性能的基础上、大大增加其续驶里程，也为我国CNGV的改进提供了改进的方向。

我国一些地区也已采用轻量化的20Mpa碳纤维全缠Ⅲ型钢瓶，取代了原有的玻璃纤维Ⅱ型钢瓶。（用85升碳纤维Ⅲ型钢瓶取代75升玻璃纤维Ⅱ型钢瓶）

20Mpa、75升玻璃纤维Ⅱ型钢瓶参数（1200元/只）

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	碳纤维重	气瓶重量	燃气重量
		75L	48kg		55kg	13.4kg

20Mpa、85L碳纤维Ⅲ型车载气瓶参数（3000元/只）

虽然增加了约1倍的成本，但因大大减轻了重量，（或增加了

储气量）已得到了用户和市场的确认。并将成为发展的趋势，推

广到全国应用。

2、提高气瓶储存压力可以提高天然气汽车的燃料储存量。

目前车用气瓶的储存压力限值为20Mpa，还是1931年制订的老旧国际标准，我国和世界上大多数国家也都在执行着这个标准。但是几十年来，材料和高压气瓶技术都有了突飞猛进的进步，尤其是性能卓越的碳纤维、已普遍用于储存和运输各种气体的高压气瓶和超高压容器之中，（35Mpa、70Mpa的气瓶已经批量应用于氢燃料电池汽车中）很显然，20Mpa的限值已经严重地阻碍和限制了CNGV产业的发展，需要尽快制订出新的限值标准。

美国从2018年起就采用了储存压力为3600Psi（相当于24.8Mpa）的CNGV车用气瓶和高压加气站站用气瓶（4500Psi）,延长了车辆的续驶里程，提高了CNGV的运行效率。

我国CNGV气瓶的储存压力限值、正在经历着从20Mpa提高到35Mpa的过程：中国农工民主党于2016年在第十二届全国政协第四次会议上提出了专项提案。建议把CNGV的压力限值，从目前的20Mpa提高到35Mpa，纳入到有关标准之中。在中国交通运输协会天然气车船分会和中国汽车工程协会燃气汽车分会和许多企业的支持和推动下，行业于2018年成立了压力升级项目组，开展了提高储存压力的试验、研究工作，并向政府主管部门提出了修订有关国家标准的建议。工信部、住建部和国家市场监管总局已接受建议，正在修订我国的燃气汽车标准、加气站标准和高压气瓶标准。将把车用气瓶的储存压力限值提高到35Mpa。此举必将促进我国天然气汽车产业的创新和进步，也会引起国际上的关注，带动全世界CNGV产业的发展。

但是，提高气瓶的储存压力，仍有不少技术问题需待研究处理。例如：气瓶储存压力合理限值的选取依据；压力限值提高后各种配套设施的相应改进；新老标准、新老设施装备的衔接；以及降低新标准高压气瓶的成本；等等。

3、天然气汽车的储存压力限值不宜超过35Mpa

天然气在增压过程中，压力＜20Mpa时、压力和储存密度间基本呈线性相关；压力从20Mpa升高到35Mpa时、压力和储存密度间已不呈线性相关；（压力提高15Mpa，压力增加率为75%；而储存密度仅从178.5kg/m³增加到257.5kg/m³，密度增加率仅为44%）这是因为天然气的分子量较大，压缩过程中、容器中分子数量不断增加，碰撞加剧，但不能按比例减少体积。会伴有气体发热的现象。压力愈高，发热愈严重。压力超过35Mpa后，发热更严重，储存密度增加得更慢，储存效率明显降低。因此，CNGV车用气瓶的储存压力最高限值应以35Mpa为宜。变化曲线如图：

 

天然气的储存压力和密度之间的变化曲线

曲线可以转换成如下表格：

工作压力Mpa	5	20	25	30	35
密度kg/m³	40	178.5	215	237.31	257.57

 

天然气的储存压力和储存密度之间的变化表格

通过上述表格和曲线、就可以很方便地计算出不同压力下各种容积高压气瓶所能盛装的天然气重量。例如20Mpa、85升气瓶储存的CNG重量：0.085*178.5=15.17kg；又例如35Mpa、251升气瓶储存的CNG重量：0.251*257.57=64.65kg

4、储存CNG的高压气瓶分为四种：

1）整体结构的Ⅰ型钢瓶。产品由无缝钢管经旋压成形并经热处理后制成。国内用于20Mpa的车用气瓶、运气车气瓶和25Mpa的站用气瓶；国外则用于20Mpa的车用气瓶、25Mpa的站用气瓶和运气车气瓶。该类气瓶因不设预应力、失效方式为气瓶的拉应力超值而直接破裂，安全性较差。且气瓶自重较大，20Mpa气瓶的重容比达到G/V=1.3。即100升的Ⅱ型气瓶自重约为130公斤。

2）玻璃纤维环缠结构的钢内胆Ⅱ型气瓶。气瓶经水压自紧后，其圆周切线方向设有较大的预应力，自重轻于Ⅰ型钢瓶。失效方式为气瓶先漏后破，内胆不会突然爆裂，安全性较好。已广泛用于20Mpa的车用气瓶和25Mpa的站用气瓶。20Mpa工作压力下，气瓶的重容比G/V=0.8。100升的Ⅱ型气瓶自重约为80公斤。

3）碳纤维全缠结构的金属内胆Ⅲ型气瓶。气瓶经自紧后，圆周切向和气瓶轴向都设有预应力，自重能比Ⅱ型瓶更轻。目前已用于35Mpa和70Mpa的燃料电池汽车的高压储氢瓶。20Mpa时，Ⅲ型铝瓶的重容比G/V=0.45。即100升Ⅲ型铝瓶自重只有45公斤。

4）碳纤维全缠结构的非金属内胆Ⅳ型气瓶。气瓶性能、价格均和Ⅲ型气瓶相当，但内胆耐腐蚀，自重更轻。因为前几年该型气瓶的气密性不稳定，在国内曾发生过爆裂事故，已从我国的标准中撤销。现在要恢复其应用资质、尚需通过一系列审查和考核。但该品确比Ⅲ型气瓶自重更轻，又有卓越的抗腐蚀性能，在国外也已成功地连续使用十余年，又应用于燃料电池汽车的70Mpa储氢气瓶之中。技术已经成熟，质量已经稳定。完全可以再移植回来，用于天然气汽车的高压气瓶，纳入我国的气瓶标准。

5、大范围推广应用碳纤维高压气瓶、可能引起的问题

中材科技公司曾对压力升级后的高压气瓶经济性作过分析。发现，根据ISO标准规定，工作压力大于25Mpa时，不允许采用玻璃纤维环缠的Ⅱ型气瓶。只能采用碳纤维全缠的Ⅲ型或Ⅳ型气瓶。而35Mpa碳纤维Ⅲ型钢瓶和Ⅳ型气瓶的价格、要比同容积20Mpa玻璃纤维Ⅱ型钢瓶增加4-5倍。其对比情况如下表：

 

价格差别的原因、来自两种气瓶采用了不同的材料和不同的结构所致：玻纤Ⅱ型钢瓶采用的是廉价的玻璃纤维和简单的环向缠绕工艺，省钱又省时；而碳纤维Ⅲ型气瓶则采用了昂贵的碳纤维和复杂的全缠绕工艺，费钱又费时；

我们认为，天然气汽车是一种大众化的商品，应以低价优质和节能减排的优势去占领市场。为此，为了能顺利地推广和应用35Mpa的高压气瓶，应优先考虑降低高压气瓶成本，考虑原则是：

1） 应采用全缠结构的Ⅲ型高压气瓶。

全缠结构的Ⅲ气瓶预设了较大的环向和轴向预应力，较之Ⅱ型气瓶有更多的优点：既可以用增加预应力的方法去提高气瓶的承压能力，又可以回避ISO11119标准中规定的（Ⅱ型气瓶）内胆单独爆破试验，可以大幅度减轻气瓶的自重。应在推广35Mpa高压气瓶时予以保留。

2） 碳纤维不是35Mpa气瓶唯一可选的缠绕线材。

35Mpa是CNGV车用气瓶的最高极限压力，无需一定要选用

强度已达4500Mpa的碳纤维。可以选取成本比较低廉的线材，只要这类线材的强度足够高（＞4000Mpa）、断裂延伸率足够大（＞2.5%）、自重较轻（比重＜3000kg/m³）、价格低廉（＜3万元/吨以下），这就是我们选取的代用材料。虽然这些材料还会存在着一些其他缺点，（比如强度不够、自重较大）也应考虑选取。

    满足上述条件的高强度线材目前有：芳纶纤维、玄武岩纤维、高分子聚合物纤维以及高强度钢丝等，可查阅有关资料。

一、推荐两种适用于35Mpa高压气瓶的缠绕材料

1、高强度钢丝

高强度钢丝是高压气瓶标准ISO11119-2002中推荐的高压气瓶缠绕材料，属于高强度钢质线材。过去因长期没有＞4000Mpa的高强度钢丝产品;业界也没有开展过钢丝的缠绕工艺研究;也因成本低廉的玻璃纤维Ⅱ型气瓶已能满足目前气瓶的工作压力（20Mpa）；因此，钢丝始终未能成为高压气瓶的标定缠绕材料。但比利时贝卡尔特(BEKART)钢制品公司2014年在我国江阴等地陆续开办了5家企业以来，生产了一种高强度钢丝，（用作高速轮胎的帘子布的增强材料）其直径0.2mm，拉断强度4200Mpa，断裂延伸率2%，成品合格率达99%，断丝后还可以对焊修复，价格只有20元/公斤。同时它还具有下述优点： 

钢丝缠绕层和内胆是同质材料，弹性模量热胀系数相同，温度疲劳和应力疲劳所引起的缠绕层预应力衰减量较小，能表现出更长的疲劳寿命；细钢丝均能独立承受载荷，缠绕层比较紧凑；因而有更多的应用优势，值得研究开发。

最简单的结构就是钢丝环向缠绕Ⅱ型钢瓶。用高强度钢丝缠绕在钢质内胆上，替代玻璃纤维。可以适当提高气瓶的承压能力，使结构更加紧凑。如下图：

 

 

钢丝的环向缠绕示意图

还可以拓展为钢丝缠绕结构的Ⅲ型钢瓶。气瓶由环向缠绕层、纵向缠绕层及内胆三部分组成，承载能力可提高到40Mpa。但钢丝的纵向缠绕轨迹比较复杂，其排线方式本应把钢丝编织成网，均匀地覆盖在金属内胆的全部表面上。但由于钢丝的柔性差，表面太光滑，缠绕时、球冠部分的钢丝会出现滑线故障。建议采用简化的纵向排线方案：钢丝从此端球冠直接缠向彼端球冠，再返回缠绕到此端球冠，如此往复即可。如下示意图：

 

 

钢丝的环向缠绕示意图

由于钢丝缠绕Ⅲ型气瓶缠绕层的自重太大，远重于碳纤维，不太适宜用于车载气瓶。（如压缩天然气汽车的燃料气瓶和运气车气瓶）但如果精心设计，其容重比仍可控制在0.9-1.0的范围，仍可用于35Mpa压力的CNGV车辆，能大大降低气瓶成本。

要开发出适用的钢丝缠绕结构的Ⅲ型高压钢瓶，必须全面研究钢丝的缠绕工艺：要从筛选亲合钢丝的树脂开始；要设计出合理的纵缠排线方案；还要研制专用的纵向缠绕设备；工作量很大，应作全面计划安排。

2、玄武岩纤维

    玄武岩纤维是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有金属光泽，是一种新型无机环保、绿色的高性能纤维材料，它由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。玄武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高低温等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因此是一种名副其实的绿色环保材料。它既是21世纪符合生态环境要求的材料，又是一个在世界高技术纤维行业中可持续发展的、有竞争力的新材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维（碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维）之一，实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。玄武岩纤维和有关高强度纤维的性能参数如下表所示：

玄武岩纤维及有关高强度纤维的性能参数

性能	玄武岩纤维	高强度钢丝	E玻纤	碳纤维	芳纶纤维
密度g/CM3	2.65	7.85	2.54	1.78	1.45
拉伸强度Mpa	3500-3800	4000-4200	2600-2800	4500	2700-3750
弹性模量Gpa	90-110	206	70-73	236-240	70-140
断裂延伸率%	3.2	2.5	4.8	1.6	3.0
最高使用温度℃	650	300	450	350	250

从表中数据可知，玄武岩纤维的性能处于玻璃纤维和碳纤维之间：拉伸强度高于玻纤和芳纶纤维，低于碳纤维和高强度钢丝；断裂延伸率低于玻纤而高于碳纤维和钢丝；密度则高于碳纤维而低于钢丝；弹性模量高于玻纤而低于碳纤维和钢丝。

如果采用玄武岩纤维去替代碳纤维，可以作出如下估判：

 1）玄武岩纤维原丝的机械性能基本满足35Mpa高压气瓶的要求，也能找到与之匹配的的环氧树脂材料，缠绕工艺和玻纤及碳纤维相近，已在个别企业作过零星试验，有了一些经验。有望成为35Mpa天然气汽车高压气瓶的低成本、高强度缠绕材料；

2）通过合理的气瓶整体设计，35Mpa玄武岩纤维Ⅲ型气瓶的水压爆破试验和水压疲劳试验有望达到ISO11119标准的要求，能通过产品的定型鉴定；

3）玄武岩纤维缠绕层的自重虽大于碳纤维缠绕层，但气瓶的容重比仍能控制在0.7-0.9的范围，仍属于轻量化的高压气瓶，可以应用于提高了压力（35Mpa）的天然气汽车燃料瓶；

4）玄武岩纤维Ⅲ型气瓶的成本会比碳纤维Ⅲ型钢瓶降低20-30%，有利于推广应用；

5）玄武岩纤维气瓶须通过一系列认证、才能成为天然气汽车的标定高压气瓶；玄武岩纤维才能成为标定的缠绕材料；

二、开发玄武岩纤维缠绕气瓶、应适应天然气汽车气瓶的发展趋势，应满足市场需求，方能得到应用和推广。

1、玄武岩纤维缠绕气瓶的第一个市场应用场合，可以对准目前在市场上热销的20Mpa碳纤维Ⅲ型钢瓶。例如用于小型乘用车的85升气瓶和用于大型载货车的260升气瓶。

1）碳纤维Ⅲ型钢瓶的有关参数

    目前我国四川地区自2018年来热销着85升、20Mpa碳纤维Ⅲ型气瓶，用以取代原先使用的75升玻璃纤维Ⅱ型钢瓶。能够减轻气瓶的重量，受到了市场和用户的欢迎。具体参数如下：

20Mpa、85L碳纤维Ⅲ型车载气瓶参数（3000元/只）

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	碳纤维重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	418mm	85L	28kg	5.5kg	42kg	15.17kg

我国新疆地区采用8只260升碳纤维Ⅲ型钢瓶取代原有8只200升加4只140升玻璃纤维Ⅱ型钢瓶，取得了减重的效果：

20Mpa、260L碳纤维Ⅲ型车载气瓶参数表（8000元/只）

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	碳纤维重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	430mm	260L	83.5kg	16kg	130kg	46.4KG

2）玄武岩纤维Ⅲ型气瓶的有关参数预估

采用玄武岩纤维替代碳纤维后、可以降低气瓶的成本；（碳纤维的采购成本为150元/公斤，玄武岩纤维成本为20元/公斤）也会增加气瓶的自重，影响自重有两个因素：一是两者比重不同（碳纤维1.7，玄武岩纤维2.6）、导致缠绕层重量增加1.529倍；二是两者强度有差别（碳纤维4500Mpa，玄武岩纤维4000Mpa）、也导致缠绕层重量增加1.125倍；两者综合、玄武岩纤维缠绕层的重量增加系数为：1.529*1.125=1.720倍。将此系数分别乘以85升、260升两种气瓶的碳纤维重量，即可算出玄武岩纤维气瓶的重量增加值：85升气瓶的缠绕层重量从5.5kg（碳纤维）增加到9.46kg（玄武岩纤维），增加了3.96kg；260L气瓶的自重从16kg（碳纤维）增加到27.52kg（玄武岩纤维），增加了11.52kg。

    将碳纤维采购单价（150元/公斤）乘以碳纤维气瓶的碳纤维层重量、可算出85升和260升碳纤维气瓶缠绕层材料采购价格。分别为：85升5.5*150=825元；260升16*150=2400元；

将玄武岩纤维采购单价（30元/公斤）乘以玄武岩纤维气瓶

的玄武岩层重量、可算出85升和260升玄武岩纤维气瓶玄武岩纤维的采购价格。分别为：85升气瓶9.46*30=283.8元；260升27.52*30=825.6元；分别可节省成本：85升825-283.8=541.2元；260升2400-825.6=1574.4元；85L、20Mpa玄武岩纤维气瓶的成本为：3000-541.2=2459元/只；260L、20Mpa玄武岩纤维气瓶的成本为：8000-1574.4=6426元/只。

20Mpa、85L玄武岩纤维Ⅲ型车载气瓶参数（2459元/只）

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	玄武岩重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	418mm	85L	28kg	9.46kg	46kg	15.17kg

20Mpa、260L玄武岩纤维Ⅲ型车载气瓶参数表（6426元/只）

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	玄武岩重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	430mm	260L	83.5kg	27.52kg	141.5kg	46.4kg

2、玄武岩纤维气瓶的第二个应用场合，就是压力升级后、天然气汽车35Mpa的车用气瓶、40Mpa的站用气瓶以及运气车气瓶。

改进CNGV的动力性、经济性以及降低排放（达到国Ⅵ标准）的升级任务和提高CNGV气瓶压力（从20Mpa提高到35Mpa）的升级任务相结合，对于天然气汽车是至关重要的：一旦升级，就可以提高天然气汽车的运营效率和扩大其推广应用。

这将是一个面大量广的市场，将涉及到几百万辆车辆的升级改造。例如用于小型乘用车的85-90升气瓶和用于大型载货汽车的250-260升的气瓶。一旦研发成功，将会大大促进我国CNGV的产业升级和推广应用。但是，35Mpa气瓶的成本是很高的：

1）碳纤维Ⅲ型钢瓶有关参数

35Mpa、85L碳纤维Ⅲ型车载气瓶参数表(4300元/只)

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	碳纤维重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	418mm	85L	28kg	9.2kg	47kg	21.9kg

35Mpa、260L碳纤维Ⅲ型车载气瓶参数表(11000元/只)

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	碳纤维重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	430mm	251.3L	83.5kg	28kg	150kg	64.7kg

如果不能采用低成本的缠绕材料，就会影响该高压气瓶的推广。

2）玄武岩纤维Ⅲ型气瓶的有关参数预估

据前所述：玄武岩纤维取代碳纤维后、缠绕层的重量增加系数为1.72，分别乘以85升、260升两种气瓶的碳纤维缠绕层重量，即可算出玄武岩纤维气瓶的重量增加值：

85L气瓶的缠绕层重量从9.2kg（碳纤维）增加到15.824kg（玄武岩纤维），增加了6.624kg；260L气瓶缠绕层自重从28kg（碳纤维）增加到48.16kg（玄武岩纤维），增加了20.16kg。

将碳纤维的采购单价（150元/公斤）乘以碳纤维气瓶的缠绕层重量，可算出85升和260升碳纤维气瓶缠绕层材料的采购价格。分别为：85升9.2*150=1380元；260升28*150=4200元；

将玄武岩纤维的采购单价（30元/公斤）乘以玄武岩纤维缠绕层的重量，就可算出85升和260升玄武岩纤维气瓶缠绕层材料的采购价格。分别为：85升气瓶15.824*30=474.72元；260升气瓶48.16*30=1444.8元； 取代后可节省成本约：85升气瓶 1380-474.72=905元；260升气瓶4200-1445=2755元；

85L、35Mpa玄武岩纤维气瓶的价格：4300-905=3395元/只；

260L、35Mpa玄武岩纤维气瓶的价格：11000-2755=8245元/只。综合效果如下表：

35Mpa、85L玄武岩纤维Ⅲ型车载气瓶参数表(3395元/只)

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	玄武岩重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	418mm	85L	28kg	15.8kg	53.6kg	21.9kg

35Mpa、260L玄武岩纤维Ⅲ型车载气瓶参数表(8245元/只)

内胆壁厚	气瓶外径	气瓶容积	内胆重量	玄武岩重	气瓶重量	燃气重量
3.5mm	430mm	251L	83.5kg	48.16kg	170.16kg	64.7kg

二、深度开发更高质量的玄武岩纤维材料及高压气瓶的设想

1、控制玄武岩纤维的成分，提供质量稳定的玄武岩纤维线材

目前的玄武岩纤维产品都是把玄武岩岩石熔融后、通过漏板快速拉制的岩石混合物细丝。成分由该矿石的组分决定，直径只能达到5微米，其拉伸强度只达到≯3800Mpa的水平。要想进一步提高质量，就要从两方面改进工艺：一是严格控制岩石成分，使其达到一致和稳定；二是改进制造工艺、用不太高的成本造出直径更小的丝材，用以实现更高的性能；我们相信，由于有市场的拉动，随着玄武岩纤维制造技术的改进，上述目标一定会在近期内实现。届时，就可以提供出更高质量的玄武岩纤维线材；制造出压力更高、重量更轻的高压气瓶。

2、开发一种能直接充装和储存LNG的玄武岩纤维低温高压气瓶，进一步增加其使用的便捷性，给CNGV带来颠覆性的变革。

提高CNGV车用气瓶的压力、虽可以提高小型乘用车的续驶里程，例如：85升35Mpa的高压气瓶可以储存21.9kg的天然气，能满足小型乘用车400多公里的续驶里程，但有一定限度。要想继续增加存储量，就要变高压气态储存为低温液态储存。LNG的比重为450kg/m³，一只85升的气瓶存满了LNG，有38.25kg。(气耗为5kg/100km)就可以续驶765公里。其储存效率远远高于气态燃料，而且安全性和便捷性还能提高。

实际上，储存LNG的气瓶有效容积只需56升，（储存25kgLNG）即可满足500公里的续驶里程。（V=0.25/450=56L）考虑到：1m³的LNG汽化后能膨胀为625m³的气态天然气，即采用了56升、62.5Mpa的低温高压气瓶，便可储存25kgLNG。也可采用100升、35Mpa的低温高压气瓶,或者采用80升、44Mpa的低温高压气瓶，均可达到同样的目标，满足小型乘用车500公里的续驶里程。

小型乘用车如能盛装LNG作为燃料、将会引起天然气汽车（NGV）燃料供应链发生颠覆性的变革：一方面、车辆使用了LNG、就能像使用汽油一样地便捷，但排放却大为改善。一定会得到国家和社会的鼓励和支持；另一方面，由于一标方天然气热值和一升汽油大体相当、而价格却不到一升汽油的70%，可节省约30%，用户将获得可观的经济效益；再者，此举将使天然气小型乘用车CNGV摆脱对管道气和高压加气站的依赖；节省了新建CNG加气站的投资；可以从LNG加液站中充装液态燃料，并确保超过500公里的续驶里程。既便捷、又洁净，既环保、又省钱。

上述设想已于2017年和2020年分别申报了国家发明专利：“一种基于车载液气转换的CNGV储气系统及方法”（申请号201710878208.9）；和“能直接充装LNG并杜绝散放气BOG的低温高压气瓶”（申请号202010560003.6）。公开了该气瓶的结构——具有低温隔热功能的碳纤维全缠Ⅲ型铝质高压气瓶。

中国农工民主党也于2020年在十三届政协全国会议上建议科技部引导和支持相关企业开展“小型乘用车LNG低温高压储存技术的研究”；建议工信部鼓励和支持气瓶工厂开发“小型乘用车用的LNG低温高压气瓶”；支持汽车工厂开发“LNG小型乘用车”。以促进天然气汽车产业的技术升级，促进机动车燃料结构的调整和城市大气环境的治理和改善。

如果能把玄武岩纤维用于该项创新技术之中，就可以降低该新型气瓶的制造成本，促使天然气汽车产业尽快升级。

下图展示了低温高压气瓶的工作原理：

 

 

卧置气瓶外挂水温式蒸发器的管路示意图

3外层保护壳，6高压内瓶，7充液管，8回气管，10单向阀，11隔热空间12蒸发器

该新型低温高压气瓶只需存储25kg的LNG、便可供小型乘用车续驶500公里。可采用三种组合：56升、62.5Mpa气瓶；80升、44Mpa气瓶;100升、35Mpa气瓶。如能用玄武岩纤维取代碳纤维，将降低该气瓶的成本，促进CNGV产业尽快得到提升。（完） 

 

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