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本文介紹了針對(duì)新型燃料電池汽車用高壓氫瓶的研發(fā)過(guò)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(chǔ)存所需的氫氣量，開(kāi)發(fā)了三種不同長(zhǎng)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?jī)?chǔ)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(shí)，通過(guò)在碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中采用新型快速固化環(huán)氧樹(shù)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(kāi)發(fā)的氫瓶通過(guò)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(shí)，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(lái)致力于各種各樣的研發(fā)。

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燃料電池的開(kāi)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(kāi)發(fā)了70MPa高壓儲(chǔ)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(chǎng)潛能的燃料電池（FCV）終于問(wèn)世了。

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本文就為普及而開(kāi)發(fā)的高壓氫氣儲(chǔ)罐系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)了輕量化、集成化的同時(shí)，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(zhǎng)的電動(dòng)汽車（EV）”的特點(diǎn)。在提高燃油效率的同時(shí)，通過(guò)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(shí)，充分利用地板下方的中央通道的空間，搭載了三個(gè)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(zhǎng)氫瓶帶來(lái)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(shí)對(duì)縱向氫瓶的約束力（如圖2所示）。

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圖1 正面碰撞時(shí)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(dòng)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?。ㄈ鐖D3、4），通過(guò)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(huì)對(duì)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(chǔ)氫系統(tǒng)

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

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圖5 高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的基本構(gòu)造

從氫瓶的整體布局來(lái)看，其中兩個(gè)氫瓶（1號(hào)和2號(hào)罐）呈“T”字形布局在車體底部，另外一個(gè)氫瓶（3號(hào)瓶）布置在車廂尾部。三個(gè)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(guò)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(chǔ)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(shù)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(shù)脂層（CFRP）包圍，CFRP層之外是玻璃纖維強(qiáng)化樹(shù)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?jī)?nèi)襯的兩端，一端用于閥門配件安裝。

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通過(guò)改進(jìn)CFRP層結(jié)構(gòu)和減少材料用量，減輕了新開(kāi)發(fā)的高壓氫瓶的重量，同時(shí)最大程度提高了儲(chǔ)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(chǔ)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(kāi)發(fā)

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第二代車載高壓儲(chǔ)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(chǔ)氫量、襯里的優(yōu)化、氫瓶溫度分布的優(yōu)化。通過(guò)采用該CF，在不影響抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，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(chǔ)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(chǔ)氫罐的輕量化瞄準(zhǔn)的是中層。中層采用的是對(duì)含浸了樹(shù)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(guò)使高應(yīng)力區(qū)集中在內(nèi)層來(lái)確保強(qiáng)度，減少了纏繞的總?cè)?shù)。高角度螺旋纏繞通過(guò)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(guò)減小管底的開(kāi)口部，減小了表面壓力，從而降低了用量。通過(guò)削減這三種方式的纏繞圈數(shù)，使CFRP的用量比原來(lái)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(guò)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(gè)總體過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程依次完成。其中襯里加工過(guò)程里包括對(duì)襯里的注塑成型與紅外焊接，纖維纏繞成型過(guò)程里包括纖維纏繞和固化，檢查檢驗(yàn)過(guò)程包括對(duì)高壓氫瓶進(jìn)行水壓測(cè)試和氣密性測(cè)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(shù)脂的開(kāi)發(fā)

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新開(kāi)發(fā)了兼顧固化時(shí)間與適用時(shí)間（從在主劑中混合固化劑開(kāi)始，到粘度逐漸上升直至不能使用為止的可使用時(shí)間）的環(huán)氧樹(shù)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(shí)均熱溫度提高了15°C。新工藝比舊工藝縮短了2/3成型時(shí)間，這種工藝通過(guò)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(shí)間和溫度

作為短時(shí)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(shù)脂作為主劑來(lái)控制適用期，但這次從短時(shí)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(shù)脂的不同化學(xué)結(jié)構(gòu)。

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圖12 環(huán)氧樹(shù)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(guò)利用反應(yīng)性稀釋劑降低初期粘度，成功地縮短了固化時(shí)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(shù)脂的適用期（使用時(shí)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(zhǎng)樹(shù)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(guò)大幅度降低氧濃度，成功地抑制了樹(shù)脂襯里內(nèi)表面的氧化劣化。通過(guò)快速固化環(huán)氧樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)和氫瓶固化工序的改善，大幅度提高生產(chǎn)率（固化時(shí)間約為三分之一）同時(shí)，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(duì)低強(qiáng)度塑料襯里施加壓力的同時(shí)，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(duì)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(shí)間縮短了約66%，其中用于纖維纏繞質(zhì)量檢測(cè)的時(shí)間壓縮至原先時(shí)間的10%，用于處理纖維纏繞的時(shí)間降低到原先時(shí)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(dòng)化的纖維纏繞質(zhì)量檢測(cè)。

圖15 纏繞設(shè)備的生產(chǎn)時(shí)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(shí)間縮短50%的目標(biāo)，對(duì)纖維送線器的輕量化及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)，同時(shí)在送線器的末端設(shè)置了擺動(dòng)電機(jī)（圖中紅框部分）。這種做法大幅降低了擺動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的尺寸。同時(shí)，通過(guò)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(lái)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(wú)法進(jìn)一步提升，所以新一代的設(shè)備采用了線材驅(qū)動(dòng)替代滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(cè)的自動(dòng)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(cè)可不不需要停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)由自動(dòng)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(cè)效率上有了質(zhì)的飛躍，從而大大縮短了整個(gè)氫瓶生產(chǎn)的時(shí)間。但是自動(dòng)化也有一個(gè)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(duì)纖維纏繞成像并進(jìn)行圖像處理的技術(shù)，以此識(shí)別在不同時(shí)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(cè)試儀進(jìn)行形狀測(cè)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(cè)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(cè)量

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通過(guò)上述自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，檢測(cè)時(shí)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(gè)氫瓶的質(zhì)量，因此在整個(gè)氫瓶生產(chǎn)過(guò)程中需要不間斷的對(duì)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(cè)，比如如前所述，在每個(gè)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(shí)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)在內(nèi)，對(duì)每批次產(chǎn)品都分配有產(chǎn)品序號(hào)，監(jiān)測(cè)量產(chǎn)后的產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，將積累的經(jīng)驗(yàn)反映到新一代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)當(dāng)中去。

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4. 結(jié)束語(yǔ)

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我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)30年的潛心研究，開(kāi)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(wú)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(dòng)化設(shè)備

另外，開(kāi)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(chǔ)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(huì)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(lái)源：雅式橡塑網(wǎng)

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