技术 | 先进车用储氢罐技术分析

　更新时间：2021-10-26 点击量：4436

由于氢的密度很小，容易渗透，金属内衬发生氢脆。目前车用储氢罐使用树脂内衬、外面包覆树脂基碳纤维复合材料的IV 型高压储气罐。对内衬所用的树脂，也要用能阻挡氢渗透的高密度树脂。

一辆氢动力汽车行驶500公里，需要5公斤氢。由于氢的能量密度小，这5公斤氢需要在700 bar压力下存储在容量约200升或3-4倍汽油箱的容积内。

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V型罐、压力700 bar是当前车用储氢罐的标配。先进储氢罐主要表现在，外壳包覆的树脂基碳纤维复合材料和内衬选用的材料，以及制造工艺。

外壳包覆材料：

目前已经使用储氢罐外壳包覆的是，热固性环氧树脂基碳纤维复合材料。其中碳纤维多用东丽 T700等级的纤维。热固性碳纤维复合材料，在使用过程中需要在热压罐或高温炉中固化。另外，环氧树脂基材回收困难，它不符合环保要求。

针对上述问题，早就有了用传统热塑性碳纤维复合材料，制造储氢罐的事例（见下图）。另外，外包覆材料还用到热塑树脂基材，聚苯硫醚（PPS）和聚甲醛（POM）等。

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内衬树脂：

内衬有两个关键要求：抗氢渗透性（确保气体不会从管道中泄漏）；良好的机械性能（因此气体可以在高压下安全储存）。外壳是环氧树脂基碳纤维复合材料，一般内衬用高密度聚乙烯（HDPE - high-density polyethylene）。外壳是热塑树脂基碳纤维复合材料，内衬用苯二甲酸丁二醇酯（PBT）或聚苯硫醚（PPS）。

传统热塑性复合材料制造储氢罐，由于其材料本身强度低于热固性复合材料，至今还一直处于研发状态。

新型热塑性碳纤维复合材料：

2018年高温、高性能热塑树脂聚芳醚酮（PAEK）家族进入飞机制造领域。这其中特别是聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）与碳纤维组合的热塑性复合材料。这种新型热塑性复合材料强度性能比环氧树脂基复合材料高。它已经部分取代环氧树脂基复合材料，制造飞机主要受力结构件。空客即将完成的新A320，直径4米、长8米的机身试验件，全部用聚醚酮酮（PEKK）碳纤维复合材料制造。

今年3月17号一篇外媒报道用热塑复材制造高压储气罐。文章从头至尾没有说明用什么材料，仅在一张图片中显示用了PEEK（见下图）。

用新型热塑复材制造储氢罐外壳，内衬材料选用相同的树脂。制造中外壳固结的同时，能够与内衬树脂粘合成整体。

纤维缠绕（FW）与自动铺丝（AFP）：

纤维缠绕（FW-Filament winding）是复合材料制造中使用的一种古老工艺。它和自动铺丝（AFP- Automated Fiber Placement ）初看起来，两者都是将浸有树脂的纤维带缠绕在旋转的芯模上。但是它们确有本质的差别，不能同日而语。

纤维缠绕（FW）是一种用于制造高压容器（液化石油气、压缩天然气）、储氢罐、氧气罐、水下管道的复合材料技术。它是以粗纱或单丝形式连续增强的过程缠绕在旋转芯轴上。缠绕角度和加强件的放置由专门设计的机器控制，例如球形、锥形和圆形可以制作测地线( geodesic )形状。设备相对简单，没有加压辊，无压实功能，仅靠纤维的张力压实。浸渍环氧树脂基材的容器在施工现场，对施工现场环境不利。没有加热材料带装置，不能用于热塑性复合材料带。

自动铺丝（AFP）是一个电脑控制的先进的自动化设备。它的铺丝模块可以载装16或32个无捻纱带卷（slit tape）。铺放头可沿多个方向移动。无捻纱带缠绕(铺放)的路径是事先设计好的。路径可以严格控制。缠绕（铺放）时用激光加热，软化纱带。16、32根纱带可以同时缠绕（铺放）。每根纱带配有激光切割刀，工作中可按程序，切断几根。切断的纱带，在需要处也可继续送进，加宽纱带。铺丝模块中还有加压辊。它可以压实缠绕(铺放)的纱带。自动铺丝的缠绕用于制造旋转体的零件，如飞机机身。铺放用于制造平面类的零件，如机翼蒙皮。

自动铺丝机带有激光加热材料带的装置，它是目前用树脂基碳纤维复材制造高压储氢罐设备。下图是美国NASA与波音公司联合研制的，直径5.5米，液氢储氢罐。

引用787复材技术，制造先进储氢罐

波音787机身蒙皮，是用预浸环氧基材的，碳纤维无捻纱窄带（slit tape），经自动铺丝（AFP）缠绕成整体筒。每一铺层中，纱带按设计好的角度铺放。纱带与纱带紧密贴合、无间隙、无重叠、全覆盖。纱带的铺放要求，确保每层中碳纤维能承受大载荷，同时也确保了层间的连接强度。波音787的复合材料机身制造技术，把材料的性能发挥到极至。至今，波音787进入市场10多年，已有上千架飞机在天空翱翔！

纤维缠绕（FW）在铺层中，纱带有间隙、重叠。特别在球形端头纱带间隙、重叠十分突出（见下左图）。

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针对此缺点，制造储气罐龙头公司QUANTUM与波音等单位，联合研发“自动铺丝（AFP）与纤维缠绕（FW）混合工艺"制造储氢罐。其中，球形端头（dome）用自动铺丝工艺；等直筒段用纤维缠绕。

“混合工艺"显然工艺过程复杂，不利于大批量生产。特别是等直筒段，铺层中仍然存在材料带交叉、重叠，制约了材料承载能力(见图)。另外，制造过程中又增加了一个，自动铺丝与纤维缠绕两种设备，更换的工序。

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我们如何制造先进车用储氢罐

制造车用储氢罐用可以回收的热塑性碳纤维复合材料，是世界各国环保的要求。眼下尽管车用储氢罐，还是使用热固性复材。但不久的将来，都得使用热塑性复材的车用储氢罐。我国制罐企业，在此热塑与热固交换时机，与其开始研制热固性复材700bar车用储氢罐，还不如直接研制热塑性700bar车用储氢罐。

热塑树脂选用聚醚醚酮（PEEK）、纤维选用国产T700级碳纤维。复材带的标准，参照东丽“Toray Cetex® TC1200"。增加一项，材料抵抗氢渗透能力。试制过程中，形成国产聚醚醚酮碳纤维复合材料带和树脂标准。

设计的目标是通过优化层合板结构，充分利用材料的性能，提高材料的抗破坏（泄漏、爆破）安全性。

确定试验项目，包括压力试验、抗冲击性、化学暴露和其他温度和压力循环试验和规定。

自动铺丝机选用国内研发的设备（南航肖军、中科院自动化所等）。

壳体缠绕路径，借鉴波音787机身筒体制造工艺。重点球形端头铺放和等直段过渡区的缠绕。

在储氢罐研制过程中，开发自动化生产线。自动化生产线不仅满足生产的批量。还要自动检测，确保产品质量。

结束语：

车用储氢罐将是继民用飞机、风电行业，以及第三大碳纤维复合材料用户。高温、高性能热塑性碳纤维复合材料，制造车用储氢罐，在国外也只有少数单位在研发。此时我们进入这个项目，基本上与他们处在同一起跑线上。只要参与研制单位齐心协力，一定能拿出一款进入世界汽车市场的热塑性复材储氢罐。

作者：原航空工业部*研究员级高级工程师杨超凡

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