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本文介紹了針對新型燃料電池汽車用高壓氫瓶的研發(fā)過程，旨在幫助燃料電池汽車的進(jìn)一步普及。

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在不犧牲轎車內(nèi)部空間的情況下，最大限度儲存所需的氫氣量，開發(fā)了三種不同長度的新型高壓氫瓶。其結(jié)構(gòu)采用了新型高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量儲氫密度可達(dá)到約6%，并可降低碳纖維的使用量。

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在確保高質(zhì)量的同時，通過在碳纖維增強(qiáng)樹脂中采用新型快速固化環(huán)氧樹脂和高速加工工藝，提高了大規(guī)模生產(chǎn)能力，并節(jié)省了大量成本。

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此外，開發(fā)的氫瓶通過了UN-R134《關(guān)于氫燃料電池車輛安全性能認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》的認(rèn)證，該認(rèn)證旨在允許燃料電池車（FCV）之間的相互認(rèn)可。

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1. 前言

為了更好的保護(hù)人類賴以生存的地球環(huán)境，在使用電力的同時，人們寄予了氫能巨大的期望。為了氫能的深入普及和更廣泛的應(yīng)用，人們一直以來致力于各種各樣的研發(fā)。

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燃料電池的開發(fā)始于1992年，在2014年推出的燃料電池車（FCV）中，為轎車專門開發(fā)了70MPa高壓儲氫系統(tǒng)，兼顧與汽油車同等的續(xù)航距離和低成本化，具有巨大市場潛能的燃料電池（FCV）終于問世了。

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本文就為普及而開發(fā)的高壓氫氣儲罐系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)了輕量化、集成化的同時，還降低了成本、提高了商品性等方面進(jìn)行了闡述。

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2. 系統(tǒng)構(gòu)成

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2.1 車載氫瓶的搭載布局

燃料電池車（FCV）具有“續(xù)航距離長的電動汽車（EV）”的特點(diǎn)。在提高燃油效率的同時，通過確保必要的氫氣有效搭載量（約5.6kg），此次續(xù)航里程得以大幅度提高。

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如表1所示，第一代燃料電池車（FCV）和第二代FCV的氫瓶搭載布局的比較，新款車型中，在不犧牲車內(nèi)乘坐空間的同時，充分利用地板下方的中央通道的空間，搭載了三個相同直徑的氫瓶。氫瓶的容積從第一代的122.4L增加到了第二代的142.2L，氫氣的有效搭載量增加了21%。

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表1 FCV搭載氫瓶的比較

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2.2 氫瓶固定的結(jié)構(gòu)（頸部安裝）

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如圖1所示，為了充分考慮車輛縱向氫瓶的安全性，以及較長氫瓶帶來的功能性和耐久性，在縱向氫瓶尾部采用了喉箍固定的方式，增強(qiáng)了發(fā)生碰撞時對縱向氫瓶的約束力（如圖2所示）。

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圖1 正面碰撞時車輛的后視圖

圖2 氫瓶喉箍結(jié)構(gòu)

之前以綁帶的形式固定，并采用了吸收內(nèi)壓變化所引起的外形變動的彈簧機(jī)構(gòu)，但是這種方式影響氫瓶直徑。特別是由于中央通道朝向后方的斷面變小（如圖3、4），通過替代彈簧機(jī)構(gòu)，可在瓶體直徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)瓶頸固定結(jié)構(gòu)，這樣就不會對氫瓶的直徑產(chǎn)生影響。

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圖3 中央通道橫截面比較（FR、RR）

圖4 車輛結(jié)構(gòu)透視圖

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2.3 高壓儲氫系統(tǒng)

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整套高壓儲氫系統(tǒng)主要分兩級，一級是從氫瓶到高壓調(diào)節(jié)閥，另一級是從高壓調(diào)節(jié)閥到氫氣噴射器。高壓氫氣通過四通管路從加氫口分別流向三個氫瓶，再通過一個四通管路將三個氫瓶中的氫氣通向壓力調(diào)節(jié)閥。整個車載高壓儲氫系統(tǒng)包括三個壓力傳感器，分別位于兩個四通管路及高壓調(diào)節(jié)閥后，同時系統(tǒng)中每個氫瓶設(shè)有一個溫度傳感器及高壓瓶閥。氫氣經(jīng)過這兩次減壓后送至燃料電池堆（FC堆）。

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圖5 高壓儲氫系統(tǒng)的基本構(gòu)造

從氫瓶的整體布局來看，其中兩個氫瓶（1號和2號罐）呈“T”字形布局在車體底部，另外一個氫瓶（3號瓶）布置在車廂尾部。三個氫瓶的體積根據(jù)車輛的空間要求而不同（如表2所示），并都通過原型支架固定在車底板。

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圖6 氫瓶系統(tǒng)布置圖

表2 高壓儲氫瓶的主要規(guī)格

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3. 高壓氫瓶

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3.1 高壓氫瓶的構(gòu)造

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如圖7所示高壓氫瓶的構(gòu)造，高壓氫瓶有最內(nèi)層的樹脂構(gòu)成內(nèi)襯，以密封氫氣，并被能夠承受高壓的堅(jiān)固碳纖維增強(qiáng)樹脂層（CFRP）包圍，CFRP層之外是玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層，用以承受沖擊。最外層是含油膨脹石墨的耐火聚氨酯保護(hù)層和防跌落的耐沖擊聚氨酯保護(hù)層。鋁法蘭位于氫瓶內(nèi)襯的兩端，一端用于閥門配件安裝。

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通過改進(jìn)CFRP層結(jié)構(gòu)和減少材料用量，減輕了新開發(fā)的高壓氫瓶的重量，同時最大程度提高了儲氫量、襯里的優(yōu)化、氫瓶溫度分布的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了目前世界上車載最高儲氫瓶容積效率。

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圖7 高壓氫瓶的結(jié)構(gòu)

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3.1.1 高強(qiáng)度高彈性碳纖維（CF）的開發(fā)

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第二代車載高壓儲氫系統(tǒng)的氫瓶碳纖維強(qiáng)度比第一代提高了4%，CRRP主要特點(diǎn)體現(xiàn)在容積效率（VolumeEfficiency）的提高、最大程度提高了儲氫量、襯里的優(yōu)化、氫瓶溫度分布的優(yōu)化。通過采用該CF，在不影響抗壓強(qiáng)度的同時，減少了7%的CFRP層壁厚數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了目前世界上最高儲氫瓶容積效率。作為單體容器，比上一代產(chǎn)品的質(zhì)量效率提高了5%（圖8）。

圖8 高壓氫瓶質(zhì)量密度的變遷（質(zhì)量密度=氫氣質(zhì)量/氫瓶總質(zhì)量）

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3.1.2 碳纖維預(yù)浸料的研發(fā)

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新一代的高壓儲氫罐的輕量化瞄準(zhǔn)的是中層。中層采用的是對含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞(Filamentwinding)工藝。纏繞方法有強(qiáng)化筒部的環(huán)向纏繞、強(qiáng)化邊緣的高角度螺旋纏繞和強(qiáng)化底部的低角度螺旋纏繞三種，三種方式均減少了纏繞圈數(shù)。

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環(huán)向纏繞通過使高應(yīng)力區(qū)集中在內(nèi)層來確保強(qiáng)度，減少了纏繞的總?cè)?shù)。高角度螺旋纏繞通過改變塑料襯里的形狀，減少了向筒部纏繞圈數(shù)，在筒部輔以環(huán)向纏繞。低角度螺旋纏繞通過減小管底的開口部，減小了表面壓力，從而降低了用量。通過削減這三種方式的纏繞圈數(shù)，使CFRP的用量比原來減少了40％。

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圖9 高壓氫瓶的纏繞方式

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3.2?氫瓶的生產(chǎn)過程

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車載高壓氫瓶的生產(chǎn)制造流程如圖10所示?？梢钥吹礁邏簹淦恐饕ㄒr里加工、纖維纏繞成型、檢查檢驗(yàn)這三個總體過程，這三個過程依次完成。其中襯里加工過程里包括對襯里的注塑成型與紅外焊接，纖維纏繞成型過程里包括纖維纏繞和固化，檢查檢驗(yàn)過程包括對高壓氫瓶進(jìn)行水壓測試和氣密性測試。

圖10 高壓氫瓶的制作工藝流程

3.2.1 快速固化環(huán)氧樹脂的開發(fā)

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新開發(fā)了兼顧固化時間與適用時間（從在主劑中混合固化劑開始，到粘度逐漸上升直至不能使用為止的可使用時間）的環(huán)氧樹脂，如圖11所示，作為固化條件，溫度上升速度提高了約5倍，同時均熱溫度提高了15°C。新工藝比舊工藝縮短了2/3成型時間，這種工藝通過提高材料的浸泡溫度（soakingtemperature）進(jìn)而促進(jìn)襯里表面的氧化降解。

圖11 固化時間和溫度

作為短時間固化材料方面的技術(shù)關(guān)鍵，以往主要采用反應(yīng)性低的高純度雙酚F型環(huán)氧樹脂作為主劑來控制適用期，但這次從短時間固化和低成本化的觀點(diǎn)出發(fā)，采用了末端具有環(huán)氧基反應(yīng)性稀釋劑的并用體系。如圖12所示，作為主劑的環(huán)氧樹脂的不同化學(xué)結(jié)構(gòu)。

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圖12 環(huán)氧樹脂成分化學(xué)結(jié)構(gòu)的比較

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另外，如圖13所示，通過利用反應(yīng)性稀釋劑降低初期粘度，成功地縮短了固化時間并實(shí)現(xiàn)了所需要的適用期。

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圖13 確保環(huán)氧樹脂的適用期（使用時間）的方法

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另一方面，如圖11所示的固化條件有可能助長樹脂襯里內(nèi)面的氧化劣化（黃變）。因此，作為固化工序中的加壓介質(zhì)，改為惰性氣體-氮?dú)?，通過大幅度降低氧濃度，成功地抑制了樹脂襯里內(nèi)表面的氧化劣化。通過快速固化環(huán)氧樹脂的開發(fā)和氫瓶固化工序的改善，大幅度提高生產(chǎn)率（固化時間約為三分之一）同時，降低了成本。

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3.2.2 FW工藝的高速化

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高壓氫瓶的纖維纏繞設(shè)備如圖14所示。高壓氫瓶在對低強(qiáng)度塑料襯里施加壓力的同時，纏繞約3500米的碳纖維，以此保證了高壓氫瓶的強(qiáng)度。

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圖14 纏繞機(jī)的示意圖

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如圖15所示，對比前一代高壓氫瓶采用的纖維纏繞設(shè)備，現(xiàn)在的設(shè)備在各方面的效率上都有了很大的提升。氫瓶纖維纏繞的總體工藝時間縮短了約66%，其中用于纖維纏繞質(zhì)量檢測的時間壓縮至原先時間的10%，用于處理纖維纏繞的時間降低到原先時間的一半。這些提升主要得益于更高效的纖維纏繞設(shè)備和自動化的纖維纏繞質(zhì)量檢測。

圖15 纏繞設(shè)備的生產(chǎn)時間

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3.2.3 設(shè)備的高速化

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為了實(shí)現(xiàn)高壓氫瓶加工時間縮短50%的目標(biāo)，對纖維送線器的輕量化及驅(qū)動方式進(jìn)行了改進(jìn)。如圖16所示，之前的設(shè)備中送線器和前后軸驅(qū)動電機(jī)集成在一起，而在新一代設(shè)備中，這兩部分被分離開，同時在送線器的末端設(shè)置了擺動電機(jī)（圖中紅框部分）。這種做法大幅降低了擺動軸驅(qū)動電機(jī)的尺寸。同時，通過采用鋁材徹底實(shí)現(xiàn)輕量化，所以整套設(shè)備的重量降至原來的1/5。

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另外，上一代設(shè)備由于采用滾珠絲杠，工藝速度因?yàn)槭艿侥Σ烈鸬墓舱窈蜔嵛灰频闹萍s而無法進(jìn)一步提升，所以新一代的設(shè)備采用了線材驅(qū)動替代滾珠絲杠的驅(qū)動系統(tǒng)。其結(jié)果使新一代設(shè)備的最高運(yùn)行速度從2m/s提升到了4.2m/s，最高速度提高了2.1倍，加速度提高了1.5倍，加工時間縮短了50%。

圖16 纖維送料裝置結(jié)構(gòu)的比較

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3.2.4 質(zhì)量檢測的自動化

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新一代高壓氫瓶的纖維纏繞的生產(chǎn)線上，每一層纖維纏繞的質(zhì)量檢測可不不需要停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)由自動完成，而在前一代的氫瓶纖維纏繞工藝中則需要先停止設(shè)備的運(yùn)行，由人工完成，這使得新一代設(shè)備在纖維纏繞質(zhì)量檢測效率上有了質(zhì)的飛躍，從而大大縮短了整個氫瓶生產(chǎn)的時間。但是自動化也有一個需要解決的課題是如何區(qū)分已經(jīng)疊層完畢的部分和最新疊層的部分。

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在第二代氫瓶生產(chǎn)中采用了對纖維纏繞成像并進(jìn)行圖像處理的技術(shù)，以此識別在不同時間點(diǎn)上纏繞的碳纖維是否合格。其中在采用低角度螺旋纏繞的氫瓶圓頂區(qū)域使用激光變位測試儀進(jìn)行形狀測定，利用疊層前后的形狀差分算出（如圖17）。

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圖17 低角度螺旋纏繞區(qū)域測量

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在環(huán)形纏繞的氫瓶中間區(qū)域使用強(qiáng)光照射，基于強(qiáng)光散射圖像進(jìn)行判斷，如下圖?？梢园l(fā)現(xiàn)纖維里層和新纏繞的纖維層呈現(xiàn)出不同的光線散射圖像。

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圖18 環(huán)形纏繞區(qū)域的測量

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通過上述自動檢測技術(shù)的開發(fā)，檢測時間削減了90%，從而達(dá)到了生產(chǎn)性提高3倍的目標(biāo)。

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為了確保將安全、安心、可靠的高壓氫瓶送到用戶手中，需要保證每一個氫瓶的質(zhì)量，因此在整個氫瓶生產(chǎn)過程中需要不間斷的對纏繞位置、纏繞強(qiáng)度和壓力等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，比如如前所述，在每個送線器上都安裝有張力計(jì)等。

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不僅如此，包括加工時的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)在內(nèi)，對每批次產(chǎn)品都分配有產(chǎn)品序號，監(jiān)測量產(chǎn)后的產(chǎn)品質(zhì)量的同時，將積累的經(jīng)驗(yàn)反映到新一代產(chǎn)品的開發(fā)當(dāng)中去。

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4. 結(jié)束語

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我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過30年的潛心研究，開發(fā)制作出一種替代傳統(tǒng)氫氣瓶制造的最新制造技術(shù)。

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采用三維編織/纏繞共擠出一體化的熱塑性碳纖維復(fù)合材料制造出Ⅴ型高壓氫瓶，其主要特點(diǎn)有：

（1）無內(nèi)膽

（2）耐高溫（460度）

（3）耐高壓（>125MPa）

（4）耐腐蝕（防止氫脆性）、

（5）數(shù)字化加工技術(shù)及自動化設(shè)備

另外，開發(fā)出一體化生產(chǎn)氫氣碳纖維編織與纏繞一體化共擠出復(fù)合材料的創(chuàng)新儲存管道。

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圖19 氫瓶纏繞（FW）設(shè)備

圖20 氫瓶纏繞（FW）輔助設(shè)備

圖21 日本豐田合成株式會社三重縣高壓氫瓶生產(chǎn)車間實(shí)景

本文作者：方鯤1,2（13220137198）劉康1,2 李玫2 喬治3

1.北京熱塑性復(fù)合材料工程技術(shù)研究所

2.北京納盛通新材料科技有限責(zé)任公司

3.中化集團(tuán)塑料公司

來源：雅式橡塑網(wǎng)

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原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用：高壓儲氫罐系統(tǒng)的最新動向