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)。

　　

　　

　　

　　IV型罐、壓力700 bar是當(dāng)前車用儲氫罐的標(biāo)配。先進(jìn)儲氫罐主要表現(xiàn)在，外殼包覆的樹脂基碳纖維復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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。

　　

　

　　

　　內(nèi)襯樹脂：

　　

　　內(nèi)襯有兩個關(guān)鍵要求：抗氫滲透性（確保氣體不會從管道中泄漏）；良好的機(jī)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(fù)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(fù)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(fù)合材料制造儲氫罐，由于其材料本身強(qiáng)度低于熱固性復(fù)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(fù)合材料：

　　

　　2018年高溫、高性能熱塑樹脂聚芳醚酮（PAEK）家族進(jìn)入飛機(jī)制造領(lǐng)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(fù)合材料。這種新型熱塑性復(fù)合材料強(qiáng)度性能比環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料高。它已經(jīng)部分取代環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，制造飛機(jī)主要受力結(jié)構(gòu)件?？湛图磳⑼瓿傻男翧320，直徑4米、長8米的機(jī)身試驗件，全部用聚醚酮酮（PEKK）碳纖維復(fù)合材料制造。

　　

　　

　　

　　

　　

　　國外用新型熱塑性碳纖維復(fù)合材料的報道

　　

　　1. 今年3月17號一篇外媒報道用熱塑復(fù)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）。

　　

　　

　　

　　2. 在歐盟資助的民機(jī)綜合研發(fā)項目中，有一項用多層熱塑復(fù)材制造高壓（1000 bar）氮氣罐。此項目今年完成。研發(fā)中涉及兩項創(chuàng)新工作：

　　

　　 *   多層熱塑復(fù)合材料：APC-2/AS4碳纖維增強(qiáng)

　　

　　聚醚醚酮（PEEK）無捻紗帶，紗帶兩面包覆一層，厚度為1或2密耳（.001或.002英寸）的熱塑樹脂聚醚酰亞胺（PEI）。

　　

　　*   制造工藝：自動鋪絲（AFP）。

　　

　　

　　

　　纖維纏繞（FW）與自動鋪絲（AFP）：

　　

　　纖維纏繞（FW-Filament winding）是復(fù)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(zhuǎn)的芯模上。但是它們確有本質(zhì)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(fù)合材料技術(shù)。它是以粗紗或單絲形式連續(xù)增強(qiáng)的過程纏繞在旋轉(zhuǎn)芯軸上。纏繞角度和加強(qiáng)件的放置由專門設(shè)計的機(jī)器控制，設(shè)備相對簡單，沒有加壓輥，無壓實功能，僅靠纖維的張力壓實。

　　

　　

　　

　　纖維纏繞(FW)有三種纏繞方式：

　　

　

　　

　　纖維纏繞(FW)存在的主要問題:

　　

　　1. 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。

　　

　　2. 纏繞工序后，還得將產(chǎn)品送入高溫爐或熱壓罐中固化。既增加了制造周期，又增加了制造成本。

　　

　　3. 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）。

　　

　　

　　

　　自動鋪絲（AFP）是一個電腦控制的先進(jìn)的自動化設(shè)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(shè)計好的。路徑可以嚴(yán)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(jìn)，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(zhuǎn)體的零件，如飛機(jī)機(jī)身。鋪放用于制造平面類的零件，如機(jī)翼蒙皮。

　　

　　引用787復(fù)材技術(shù)，制造先進(jìn)儲氫罐

　　

　　波音787機(jī)身蒙皮，是用預(yù)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(shè)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最大載荷，同時也確保了層間的連接強(qiáng)度。波音787的復(fù)合材料機(jī)身制造技術(shù)，把材料的性能發(fā)揮到極致。至今，波音787進(jìn)入市場10多年，已有上千架飛機(jī)在天空翱翔！

　　

　

　　

　　自動鋪絲（AFP）制造儲氣罐實例：

　　

　　1. 自動鋪絲機(jī)帶有激光加熱材料帶的裝置，它是目前用樹脂基碳纖維復(fù)材制造高壓儲氫罐最佳設(shè)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。

　　

　　

　　

　　2. 制造儲氣罐龍頭公司QUANTUM與波音等單位，聯(lián)合發(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。

　　

　　

　　

　　

　　

　　根據(jù)現(xiàn)有資料，用“混合工藝”一共制造了19個129升儲氫罐試驗件。得出的結(jié)果：

　　

　　*  最新的儲氫罐設(shè)計通過了EC79規(guī)定的所有計劃試驗，

　　

　　*  爆破試驗，

　　

　　*  壓力循環(huán)試驗，

　　

　　*  加速應(yīng)力斷裂試驗，

　　

　　*  沖擊損傷試驗，

　　

　　*  極端溫度循環(huán)試驗，

　　

　　*  新設(shè)計的有效建模軟件，

　　

　　*   在極端溫度情況下，AFP和FW之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移仍然是一個挑戰(zhàn)，

　　

　　*   AFP工藝改進(jìn)以提供更高質(zhì)量的零件，

　　

　　*   現(xiàn)場氫氣測試儀，

　　

　　*   隨著氫氣壓力從0到5000 psi的增加，UTS降低約6%，

　　

　　*   更新的成本模型，顯示出與全纖維纏繞（FW）儲氫罐相比成本下降20%。，和復(fù)合材料用量減少32%（全纖維纏繞（FW）儲氫罐使用76kg復(fù)合材料。最新“混合工藝“儲氫罐使用51.68kg復(fù)合材料）。

　　

　　注：EC79是歐盟關(guān)于車輛氫動力系統(tǒng)安裝的規(guī)定；UTS (-Ultimate tensile strength )極限抗拉強(qiáng)度。

　　

　　“混合工藝”顯然工藝過程復(fù)雜，不利于大批量生產(chǎn)。時至今日還沒有看到QUANTUM公司使用“混合工藝”在批量生產(chǎn)中使用的報道。

　　

　　3.  歐盟資助的民機(jī)研發(fā)項目中的高壓氮氣存儲罐。材料用聚醚醚酮（PEEK）熱塑性碳纖維復(fù)合材料。制造使用自動鋪絲（AFP）工藝（前面第5頁）。

　　

　　我們制造什么樣的車用儲氫罐

　　

　　*   料700 bar IV型儲氫罐；

　　

　　*  外殼用熱塑性碳纖維復(fù)合材料。其中，基材樹

　　

　　脂用聚芳醚酮（PAEK）系列、碳纖維用T700量級；

　　

　　*   內(nèi)襯用與外殼相同的樹脂；

　　

　　*   制造工藝用自動鋪絲（AFP）技術(shù)；

　　

　　*   在全熱塑性復(fù)合材料IV罐的基礎(chǔ)上，研發(fā)無內(nèi)襯的V型儲氫罐。

　　

　　我們?nèi)绾沃圃煜冗M(jìn)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(fù)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(fù)材。但不久的將來，都得使用熱塑性復(fù)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(jī)，與其開始研制熱固性復(fù)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(fù)材帶的標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)合材料帶和樹脂標(biāo)準(zhǔn)。

　　

　　設(shè)計的目標(biāo)是通過優(yōu)化層合板結(jié)構(gòu)，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(xué)暴露和其他溫度和壓力循環(huán)試驗和規(guī)定。

　　

　　自動鋪絲機(jī)選用國內(nèi)研發(fā)的設(shè)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(jī)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(zhì)量。

　　

　　目前使用聚芳醚酮(PAEK)家族系列樹脂，不足之處是價格比環(huán)氧樹脂高幾倍。這個價格高的問題只能通過精心設(shè)計、精益管理、批量生產(chǎn)降低成本來緩解（空客通過新A320的8米長、全熱塑機(jī)身試驗件，得出的結(jié)論是，總制造成本相當(dāng)于鋁合金機(jī)身）。

　　

　　深入討論的問題

　　

　　1. 球形端頭形狀改進(jìn)，便于自動鋪絲（AFP），減少復(fù)合材料較多的堆積。

　　

　　2. 球形端頭復(fù)材殼體強(qiáng)度計算？

　　

　　4. 制造過程中的質(zhì)量控制。固化后的罐體為何不用C掃描檢驗？熱塑性復(fù)材罐體如何檢驗？

　　

　　5. 出廠的產(chǎn)品上，標(biāo)配哪些開關(guān)、閥門、傳感器？

　　

　　結(jié)束語：

　　

　　車用儲氫罐將是繼民用飛機(jī)、風(fēng)電行業(yè)，第三大碳纖維復(fù)合材料用戶。高溫、高性能熱塑性碳纖維復(fù)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(jìn)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(jìn)入世界汽車市場的熱塑性復(fù)材儲氫罐。

　　

　　附：兩張儲氫罐殼體計算圖