技術 | 先進車用儲氫罐技術分析

　更新時間：2021-10-26 點擊量：5946

由于氫的密度很小，容易滲透，金屬內(nèi)襯發(fā)生氫脆。目前車用儲氫罐使用樹脂內(nèi)襯、外面包覆樹脂基碳纖維復合材料的IV 型高壓儲氣罐。對內(nèi)襯所用的樹脂，也要用能阻擋氫滲透的高密度樹脂。

一輛氫動力汽車行駛500公里，需要5公斤氫。由于氫的能量密度小，這5公斤氫需要在700 bar壓力下存儲在容量約200升或3-4倍汽油箱的容積內(nèi)。

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V型罐、壓力700 bar是當前車用儲氫罐的標配。先進儲氫罐主要表現(xiàn)在，外殼包覆的樹脂基碳纖維復合材料和內(nèi)襯選用的材料，以及制造工藝。

外殼包覆材料：

目前已經(jīng)使用儲氫罐外殼包覆的是，熱固性環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料。其中碳纖維多用東麗 T700等級的纖維。熱固性碳纖維復合材料，在使用過程中需要在熱壓罐或高溫爐中固化。另外，環(huán)氧樹脂基材回收困難，它不符合環(huán)保要求。

針對上述問題，早就有了用傳統(tǒng)熱塑性碳纖維復合材料，制造儲氫罐的事例（見下圖）。另外，外包覆材料還用到熱塑樹脂基材，聚苯硫醚（PPS）和聚甲醛（POM）等。

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內(nèi)襯樹脂：

內(nèi)襯有兩個關鍵要求：抗氫滲透性（確保氣體不會從管道中泄漏）；良好的機械性能（因此氣體可以在高壓下安全儲存）。外殼是環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料，一般內(nèi)襯用高密度聚乙烯（HDPE - high-density polyethylene）。外殼是熱塑樹脂基碳纖維復合材料，內(nèi)襯用苯二甲酸丁二醇酯（PBT）或聚苯硫醚（PPS）。

傳統(tǒng)熱塑性復合材料制造儲氫罐，由于其材料本身強度低于熱固性復合材料，至今還一直處于研發(fā)狀態(tài)。

新型熱塑性碳纖維復合材料：

2018年高溫、高性能熱塑樹脂聚芳醚酮（PAEK）家族進入飛機制造領域。這其中特別是聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）與碳纖維組合的熱塑性復合材料。這種新型熱塑性復合材料強度性能比環(huán)氧樹脂基復合材料高。它已經(jīng)部分取代環(huán)氧樹脂基復合材料，制造飛機主要受力結構件?？湛图磳⑼瓿傻男翧320，直徑4米、長8米的機身試驗件，全部用聚醚酮酮（PEKK）碳纖維復合材料制造。

今年3月17號一篇外媒報道用熱塑復材制造高壓儲氣罐。文章從頭至尾沒有說明用什么材料，僅在一張圖片中顯示用了PEEK（見下圖）。

用新型熱塑復材制造儲氫罐外殼，內(nèi)襯材料選用相同的樹脂。制造中外殼固結的同時，能夠與內(nèi)襯樹脂粘合成整體。

纖維纏繞（FW）與自動鋪絲（AFP）：

纖維纏繞（FW-Filament winding）是復合材料制造中使用的一種古老工藝。它和自動鋪絲（AFP- Automated Fiber Placement ）初看起來，兩者都是將浸有樹脂的纖維帶纏繞在旋轉的芯模上。但是它們確有本質的差別，不能同日而語。

纖維纏繞（FW）是一種用于制造高壓容器（液化石油氣、壓縮天然氣）、儲氫罐、氧氣罐、水下管道的復合材料技術。它是以粗紗或單絲形式連續(xù)增強的過程纏繞在旋轉芯軸上。纏繞角度和加強件的放置由專門設計的機器控制，例如球形、錐形和圓形可以制作測地線( geodesic )形狀。設備相對簡單，沒有加壓輥，無壓實功能，僅靠纖維的張力壓實。浸漬環(huán)氧樹脂基材的容器在施工現(xiàn)場，對施工現(xiàn)場環(huán)境不利。沒有加熱材料帶裝置，不能用于熱塑性復合材料帶。

自動鋪絲（AFP）是一個電腦控制的先進的自動化設備。它的鋪絲模塊可以載裝16或32個無捻紗帶卷（slit tape）。鋪放頭可沿多個方向移動。無捻紗帶纏繞(鋪放)的路徑是事先設計好的。路徑可以嚴格控制。纏繞（鋪放）時用激光加熱，軟化紗帶。16、32根紗帶可以同時纏繞（鋪放）。每根紗帶配有激光切割刀，工作中可按程序，切斷幾根。切斷的紗帶，在需要處也可繼續(xù)送進，加寬紗帶。鋪絲模塊中還有加壓輥。它可以壓實纏繞(鋪放)的紗帶。自動鋪絲的纏繞用于制造旋轉體的零件，如飛機機身。鋪放用于制造平面類的零件，如機翼蒙皮。

自動鋪絲機帶有激光加熱材料帶的裝置，它是目前用樹脂基碳纖維復材制造高壓儲氫罐設備。下圖是美國NASA與波音公司聯(lián)合研制的，直徑5.5米，液氫儲氫罐。

引用787復材技術，制造先進儲氫罐

波音787機身蒙皮，是用預浸環(huán)氧基材的，碳纖維無捻紗窄帶（slit tape），經(jīng)自動鋪絲（AFP）纏繞成整體筒。每一鋪層中，紗帶按設計好的角度鋪放。紗帶與紗帶緊密貼合、無間隙、無重疊、全覆蓋。紗帶的鋪放要求，確保每層中碳纖維能承受大載荷，同時也確保了層間的連接強度。波音787的復合材料機身制造技術，把材料的性能發(fā)揮到極至。至今，波音787進入市場10多年，已有上千架飛機在天空翱翔！

纖維纏繞（FW）在鋪層中，紗帶有間隙、重疊。特別在球形端頭紗帶間隙、重疊十分突出（見下左圖）。

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針對此缺點，制造儲氣罐龍頭公司QUANTUM與波音等單位，聯(lián)合研發(fā)“自動鋪絲（AFP）與纖維纏繞（FW）混合工藝"制造儲氫罐。其中，球形端頭（dome）用自動鋪絲工藝；等直筒段用纖維纏繞。

“混合工藝"顯然工藝過程復雜，不利于大批量生產(chǎn)。特別是等直筒段，鋪層中仍然存在材料帶交叉、重疊，制約了材料承載能力(見圖)。另外，制造過程中又增加了一個，自動鋪絲與纖維纏繞兩種設備，更換的工序。

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我們?nèi)绾沃圃煜冗M車用儲氫罐

制造車用儲氫罐用可以回收的熱塑性碳纖維復合材料，是世界各國環(huán)保的要求。眼下盡管車用儲氫罐，還是使用熱固性復材。但不久的將來，都得使用熱塑性復材的車用儲氫罐。我國制罐企業(yè)，在此熱塑與熱固交換時機，與其開始研制熱固性復材700bar車用儲氫罐，還不如直接研制熱塑性700bar車用儲氫罐。

熱塑樹脂選用聚醚醚酮（PEEK）、纖維選用國產(chǎn)T700級碳纖維。復材帶的標準，參照東麗“Toray Cetex® TC1200"。增加一項，材料抵抗氫滲透能力。試制過程中，形成國產(chǎn)聚醚醚酮碳纖維復合材料帶和樹脂標準。

設計的目標是通過優(yōu)化層合板結構，充分利用材料的性能，提高材料的抗破壞（泄漏、爆破）安全性。

確定試驗項目，包括壓力試驗、抗沖擊性、化學暴露和其他溫度和壓力循環(huán)試驗和規(guī)定。

自動鋪絲機選用國內(nèi)研發(fā)的設備（南航肖軍、中科院自動化所等）。

殼體纏繞路徑，借鑒波音787機身筒體制造工藝。重點球形端頭鋪放和等直段過渡區(qū)的纏繞。

在儲氫罐研制過程中，開發(fā)自動化生產(chǎn)線。自動化生產(chǎn)線不僅滿足生產(chǎn)的批量。還要自動檢測，確保產(chǎn)品質量。

結束語：

車用儲氫罐將是繼民用飛機、風電行業(yè)，以及第三大碳纖維復合材料用戶。高溫、高性能熱塑性碳纖維復合材料，制造車用儲氫罐，在國外也只有少數(shù)單位在研發(fā)。此時我們進入這個項目，基本上與他們處在同一起跑線上。只要參與研制單位齊心協(xié)力，一定能拿出一款進入世界汽車市場的熱塑性復材儲氫罐。

作者：原航空工業(yè)部*研究員級高級工程師楊超凡

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