本文介紹了針對新型燃料電池汽車用高壓氫瓶的研發過程，旨在幫助燃料電池汽車的進一步普及。在不犧牲轎車內部空間的情況下，最大限度儲存所需的氫氣量，開發了三種不同長度的新型高壓氫瓶。其結構采用了新型高強度碳纖維復合材料，質量儲氫密度可達到約6%，并可降低碳纖維的使用量。在確保高質量的同時，通過在碳纖維增強樹脂中采用新型?? 快速固化環氧樹脂和高速加工工藝，提高了大規模生產能力，并節省了大量成本。此外，開發的氫瓶通過了UN-R134《關于氫燃料電池車輛安全性能認證的統一規定》的認證，該認證旨在允許燃料電池車（FCV）之間的相互認可。

This article describes the evolution of the high-pressure hydrogen tank developed for the new FCV with the aim of helping to further popularize FCV. New high-pressure hydrogen tanks with three different lengths were developed to store the necessary amount of hydrogen in the system without sacrificing the interior space of the sedan-type vehicle. Some of the lightest tanks in the world (weight effectiveness: approximately 6wt%) were developed adopting a new high-strength carbon fiber that reduced the fiber content of the tanks. Mass-production capabilities were increased and major cost savings were achieved by adopting a newly developed fast-curing epoxy resin for CFRP and high-speed machining processes used in the tanks while ensuring high quality. In addition, the developed tanks obtained certification under UN-R134, which was established to allow mutual recognition of FCV.

關鍵詞：EV，HV系統，氫瓶

1. 前言

為了更好的保護人類賴以生存的地球環境，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用，人們一直以來致力于各種各樣的研發。燃料電池的開發始于1992年，在2014年推出的燃料電池車（FCV）中，為轎車專門開發了70MPa高壓儲氫系統，兼顧與汽油車同等的續航距離和低成本化，具有巨大市場潛能的燃料電池（FCV）終于問世了。本文就為普及而開發的高壓氫氣儲罐系統，在實現了輕量化、集成化的同時，還降低了成本、提高了商品性等方面進行了闡述。

2. 系統構成

2.1 車載氫瓶的搭載布局

燃料電池車（FCV）具有“續航距離長的電動汽車（EV）”的特點。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），此次續航里程得以大幅度提高。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%。

表1 FCV搭載氫瓶的比較

2.2 氫瓶固定的結構（頸部安裝）

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，增強了發生碰撞時對縱向氫瓶的約束力（如圖2所示）。

圖1 正面碰撞時車輛的后視圖

圖2 氫瓶喉箍結構

之前以綁帶的形式固定，并采用了吸收內壓變化所引起的外形變動的彈簧機構，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），通過替代彈簧機構，可在瓶體直徑范圍內實現瓶頸固定結構，這樣就不會對氫瓶的直徑產生影響。

圖3 中央通道橫截面比較（FR、RR）

圖4 車輛結構透視圖

2.3 高壓儲氫系統

整套高壓儲氫系統主要分兩級，一級是從氫瓶到高壓調節閥，另一級是從高壓調節閥到氫氣噴射器。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節閥。整個車載高壓儲氫系統包括三個壓力傳感器，分別位于兩個四通管路及高壓調節閥后，同時系統中每個氫瓶設有一個溫度傳感器及高壓瓶閥。氫氣經過這兩次減壓后送至燃料電池堆（FC堆）。

圖5 高壓儲氫系統的基本構造

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。

圖6 氫瓶系統布置圖

表2 高壓儲氫瓶的主要規格

3. 高壓氫瓶

3.1 高壓氫瓶的構造

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

通過改進CFRP層結構和減少材料用量，減輕了新開發的高壓氫瓶的重量，同時最大程度提高了儲氫量、襯里的優化、氫瓶溫度分布的優化，實現了目前世界上車載最高儲氫瓶容積效率。

圖7 高壓氫瓶的結構

3.1.1 高強度高彈性碳纖維（CF）的開發

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

圖8 高壓氫瓶質量密度的變遷（質量密度=氫氣質量/氫瓶總質量）

3.1.2 碳纖維預浸料的研發

新一代的高壓儲氫罐的輕量化瞄準的是中層。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。纏繞方法有強化筒部的環向纏繞、強化邊緣的高角度螺旋纏繞和強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。

環向纏繞通過使高應力區集中在內層來確保強度，減少了纏繞的總圈數。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，在筒部輔以環向纏繞。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，使CFRP的用量比原來減少了40％。

圖9 高壓氫瓶的纏繞方式

3.2?氫瓶的生產過程

車載高壓氫瓶的生產制造流程如圖10所示。可以看到高壓氫瓶主要包括襯里加工、纖維纏繞成型、檢查檢驗這三個總體過程，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，檢查檢驗過程包括對高壓氫瓶進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 快速固化環氧樹脂的開發

新開發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）進而促進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關鍵，以往主要采用反應性低的高純度雙酚F型環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出發，采用了末端具有環氧基反應性稀釋劑的并用體系。如圖12所示，作為主劑的環氧樹脂的不同化學結構。

圖12 環氧樹脂成分化學結構的比較

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

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圖13 確保環氧樹脂的適用期（使用時間）的方法

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

3.2.2 FW工藝的高速化

高壓氫瓶的纖維纏繞設備如圖14所示。高壓氫瓶在對低強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度。

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圖14 纏繞機的示意圖

如圖15所示，對比前一代高壓氫瓶采用的纖維纏繞設備，現在的設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備和自動化的纖維纏繞質量檢測。

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圖15 纏繞設備的生產時間

3.2.3 設備的高速化

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

另外，上一代設備由于采用滾珠絲杠，工藝速度因為受到摩擦引起的共振和熱位移的制約而無法進一步提升，所以新一代的設備采用了線材驅動替代滾珠絲杠的驅動系統。其結果使新一代設備的最高運行速度從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%。

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圖16 纖維送料裝置結構的比較

3.2.4 質量檢測的自動化

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

在第二代氫瓶生產中采用了對纖維纏繞成像并進行圖像處理的技術，以此識別在不同時間點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域使用激光變位測試儀進行形狀測定，利用疊層前后的形狀差分算出（如圖17）。

圖17 低角度螺旋纏繞區域測量

在環形纏繞的氫瓶中間區域使用強光照射，基于強光散射圖像進行判斷，如下圖。可以發現纖維里層和新纏繞的纖維層呈現出不同的光線散射圖像。

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圖18 環形纏繞區域的測量

通過上述自動檢測技術的開發，檢測時間削減了90%，從而達到了生產性提高3倍的目標。

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量，因此在整個氫瓶生產過程中需要不間斷的對纏繞位置、纏繞強度和壓力等關鍵指標進行連續監測，比如如前所述，在每個送線器上都安裝有張力計等。

不僅如此，包括加工時的設備運轉在內，對每批次產品都分配有產品序號，監測量產后的產品質量的同時，將積累的經驗反映到新一代產品的開發當中去。

4. 結束語

我們研發團隊經過30年的潛心研究，開發制作出一種替代傳統氫氣瓶制造的最新制造技術。

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

（1）無內膽

（2）耐高溫（460度）

（3）耐高壓（>125MPa）

（4）耐腐蝕（防止氫脆性）、

（5）數字化加工技術及自動化設備

另外，開發出一體化生產氫氣碳纖維編織與纏繞一體化共擠出復合材料的創新儲存管道。

圖19 氫瓶纏繞（FW）設備

圖20 氫瓶纏繞（FW）輔助設備

圖21 日本豐田合成株式會社三重縣高壓氫瓶生產車間實景

本文作者：方鯤1,2（13220137198）劉康1,2 李玫2 喬治3

1.北京熱塑性復合材料工程技術研究所

2.北京納盛通新材料科技有限責任公司

3.中化集團塑料公司