杨超凡·国产先进车用储氢罐方案

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。

IV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。

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。

国外用新型热塑性碳纤维复合材料的报道

1. 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）。

2. 在欧盟资助的民机综合研发项目中，有一项用多层热塑复材制造高压（1000 bar）氮气罐。此项目今年完成。研发中涉及两项创新工作：

• 多层热塑复合材料：APC-2/AS4碳纤维增强

聚醚醚酮（PEEK）无捻纱带，纱带两面包覆一层，厚度为1或2密耳（.001或.002英寸）的热塑树脂聚醚酰亚胺（PEI）。

• 制造工艺：自动铺丝（AFP）。

 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，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。

纤维缠绕(FW)有三种缠绕方式：

纤维缠绕(FW)存在的主要问题:

1. 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。

2. 缠绕工序后，还得将产品送入高温炉或热压罐中固化。既增加了制造周期，又增加了制造成本。

3. 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）。

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。

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最大载荷，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致。至今，波音787进入市场10多年，已有上千架飞机在天空翱翔！

自动铺丝（AFP）制造储气罐实例：

1. 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最佳设备。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。

2. 制造储气罐龙头公司QUANTUM与波音等单位，联合发“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。

根据现有资料，用“混合工艺”一共制造了19个129升储氢罐试验件。得出的结果： 

• 最新的储氢罐设计通过了EC79规定的所有计划试验，

• 爆破试验，

• 压力循环试验，

• 加速应力断裂试验，

• 冲击损伤试验，

• 极端温度循环试验，

• 新设计的有效建模软件，

 • 在极端温度情况下，AFP和FW之间的负载转移仍然是一个挑战，

• AFP工艺改进以提供更高质量的零件，

• 现场氢气测试仪，

• 随着氢气压力从0到5000 psi的增加，UTS降低约6%，

• 更新的成本模型，显示出与全纤维缠绕（FW）储氢罐相比成本下降20%。，和复合材料用量减少32%（全纤维缠绕（FW）储氢罐使用76kg复合材料。最新“混合工艺“储氢罐使用51.68kg复合材料）。

注：EC79是欧盟关于车辆氢动力系统安装的规定；UTS (-Ultimate tensile strength )极限抗拉强度。

“混合工艺”显然工艺过程复杂，不利于大批量生产。时至今日还没有看到QUANTUM公司使用“混合工艺”在批量生产中使用的报道。

3.  欧盟资助的民机研发项目中的高压氮气存储罐。材料用聚醚醚酮（PEEK）热塑性碳纤维复合材料。制造使用自动铺丝（AFP）工艺（前面第5页）。 

     我们制造什么样的车用储氢罐

•   料700 bar IV型储氢罐；

•   外壳用热塑性碳纤维复合材料。其中，基材树

脂用聚芳醚酮（PAEK）系列、碳纤维用T700量级；

•   内衬用与外壳相同的树脂；

•   制造工艺用自动铺丝（AFP）技术；

•   在全热塑性复合材料IV罐的基础上，研发无内衬的V型储氢罐。

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。

目前使用聚芳醚酮(PAEK)家族系列树脂，不足之处是价格比环氧树脂高几倍。这个价格高的问题只能通过精心设计、精益管理、批量生产降低成本来缓解（空客通过新A320的8米长、全热塑机身试验件，得出的结论是，总制造成本相当于铝合金机身）。                                       

深入讨论的问题

1. 球形端头形状改进，便于自动铺丝（AFP），减少复合材料较多的堆积。

2. 球形端头复材壳体强度计算？

3. 壳体强度计算中，只有纤维无基材树脂？

4. 制造过程中的质量控制。固化后的罐体为何不用C扫描检验？热塑性复材罐体如何检验？

5. 出厂的产品上，标配哪些开关、阀门、传感器？

结束语：

车用储氢罐将是继民用飞机、风电行业，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。

附：两张储氢罐壳体计算图

来源：先端技术

杨超凡简介：飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。