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技術(shù) | 先進(jìn)車用儲氫罐技術(shù)分析
更新時(shí)間：2021-10-26 點(diǎn)擊量：4682
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(fù)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(dòng)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)。
V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。
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)襯有兩個(gè)關(guān)鍵要求：抗氫滲透性（確保氣體不會(huì)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)。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。空客即將完成的新A320，直徑4米、長8米的機(jī)身試驗(yàn)件，全部用聚醚酮酮（PEKK）碳纖維復(fù)合材料制造。今年3月17號一篇外媒報(bào)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）。
用新型熱塑復(fù)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(jié)的同時(shí)，能夠與內(nèi)襯樹脂粘合成整體。
纖維纏繞（FW）與自動(dòng)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(dòng)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(jì)的機(jī)器控制，例如球形、錐形和圓形可以制作測地線( geodesic )形狀。設(shè)備相對簡單，沒有加壓輥，無壓實(shí)功能，僅靠纖維的張力壓實(shí)。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(fù)合材料帶。
自動(dòng)鋪絲（AFP）是一個(gè)電腦控制的先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備。它的鋪絲模塊可以載裝16或32個(gè)無捻紗帶卷（slit tape）。鋪放頭可沿多個(gè)方向移動(dòng)。無捻紗帶纏繞(鋪放)的路徑是事先設(shè)計(jì)好的。路徑可以嚴(yán)格控制。纏繞（鋪放）時(shí)用激光加熱，軟化紗帶。16、32根紗帶可以同時(shí)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(shí)纏繞(鋪放)的紗帶。自動(dòng)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。
自動(dòng)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。
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(dòng)鋪絲（AFP）纏繞成整體筒。每一鋪層中，紗帶按設(shè)計(jì)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(shí)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)揮到極至。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！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）。
針對此缺點(diǎn)，制造儲氣罐龍頭公司QUANTUM與波音等單位，聯(lián)合研發(fā)“自動(dòng)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(dòng)鋪絲工藝；等直筒段用纖維纏繞。
“混合工藝"顯然工藝過程復(fù)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(gè)，自動(dòng)鋪絲與纖維纏繞兩種設(shè)備，更換的工序。
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(shí)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(xiàng)，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(jì)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(yàn)項(xiàng)目，包括壓力試驗(yàn)、抗沖擊性、化學(xué)暴露和其他溫度和壓力循環(huán)試驗(yàn)和規(guī)定。自動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)化生產(chǎn)線。自動(dòng)化生產(chǎn)線不僅滿足生產(chǎn)的批量。還要自動(dòng)檢測，確保產(chǎn)品質(zhì)量。車用儲氫罐將是繼民用飛機(jī)、風(fēng)電行業(yè)，以及第三大碳纖維復(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(shí)我們進(jìn)入這個(gè)項(xiàng)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。作者：原航空工業(yè)部*研究員級高級工程師 楊超凡聲明：文章來源于燃料電池與氫能觀察。本網(wǎng)站基于分享的目的轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載文章的版權(quán)歸原作者或原公眾號所有，如有涉及侵權(quán)請及時(shí)告知，我們將予以核實(shí)并刪除。
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朱穎
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