储氢瓶发展现状（中篇）

4.4具体缠绕工艺方法

碳纤维缠绕成型工艺可分为湿法缠绕和干法缠绕，其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好，因此应用较为广泛，湿法缠绕设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。国际上较先进的六维缠绕技术能够很好地控制纤维走向，实现环向缠绕、旋向缠绕以及平面缠绕相结合。实际生产中多采用旋向缠绕与环向缠绕相结合的方式，环向缠绕可消除气瓶受内压而产生的环向应力，旋向缠绕可提供纵向应力，提升气瓶整体性能。

纤维缠绕层的设计需要考虑纤维的各向异性，根据其结构要求，通常采用层板理论和网格理论来计算容器封头、内衬、纤维缠绕层的应力分布情况，进而确定缠绕工艺中张力选择与线型分布。通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现多层次结构，选择适当纤维堆叠面积和纵向缠绕角度与旋向缠绕线型，不仅满足强度要求，同时使封头处能够合理铺覆。

干法缠绕工艺以经过预浸胶处理的预浸带为原料，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。其优点主要有：

专业生产的预浸纱线/带，可以保证严格控制纤维和树脂（精确至2%以内）含量比例，产品质量好且稳定；

生产效率高，缠绕速度可达100-200m/min；

缠绕设备及生产环境卫生整洁，便于清理，缠绕机的使用寿命也更长。

图7 干法缠绕工艺流程图

图8 干法缠绕

图9 门型多轴缠绕设备

湿法缠绕工艺

湿法缠绕工艺是将碳纤维丝束在特定浸胶装置中浸渍处理后，再在张力控制下直接缠绕到芯模上，最后经过固化的成型方法。其优点主要如下：

生产成本较低，约比干法缠绕低40%。涉及的工艺设备比较简单，设备投资小，且对原材料要求相对较低。

产品气密性好，在缠绕过程中，通过张力控制可以使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙。

碳纤维表面浸渍的树脂胶液可有效减少纤维磨损。纤维排列平行度好。

图10 湿法缠绕工艺流程图

图11 湿法缠绕

主要缠绕方式

（1）环向缠绕

环向缠绕是沿容器圆周方向进行的缠绕。缠绕时芯模绕自己轴线作匀速运动， 导丝头在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动。芯模每转一周，导丝头移动距离为一个纱片宽。如此循环下去，直至纱片均匀布满芯模圆筒段表面为止。

环向缠绕的特点是缠绕只能在筒身段进行，不能缠到封头上去。邻近纱片间相接而不重叠，纤维的缠绕角通常在85°~90°之间。

（2）螺旋缠绕

螺旋缠绕也称测地线缠绕。缠绕时芯模绕自己轴线匀速转动，导丝头按特定速度沿芯模轴线方向往复运动，这样就在芯模的筒身和封头上实现了螺旋缠绕,其缠绕角约为12°~70°。在螺旋缠绕中，纤维缠绕不仅在筒身段进行，而且在封头上也进行。其缠绕过程为：纤维从容器一端的极孔圆周上某一点出发，沿着封头曲面上与极孔圆相切的曲线绕过封头，并按螺旋线轨迹绕过圆筒段，进入另一端封头，然后再返回到圆筒段，最后绕回到开始缠 绕的封头，如此循环下去，直至芯模表面均匀布满纤维为止。这样，当纤维均匀缠满芯模表面时，就构成了双层纤维层。为保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求，其缠绕方式一般选择环向缠绕和螺旋缠绕相结合的方式。

图13 螺旋缠绕示意图

图14 储氢瓶缠绕工艺

5 国内外储氢瓶发展现状

美国Quantum 公司目前在氢气供应系统研究与开发方面具有比较领先的技术优势。美国Quantum公司通过与美国国防部的合作，研制出了Hy-Hauler 移动加氢系统，分为Hy-Hauler 普通型和Hy-Hauler 改进型。普通型系统通过把储氢气瓶输送至异地现场，其工作压力一般为35MPa 或70MPa。改进型系统为自带电解装置电解水制氢，同时通过高压快充技术，能够把单辆车的加注时间缩短至三分钟内。美国国防部已经将Hy-Hauler 系统成功应用到部分车辆上。

美国通用汽车公司开发的双层结构储氢气瓶，其内层是无缝内胆与碳纤维缠绕增强结构，外层是具有高抗冲击性能的保护壳，能够储存3.1kg 氢气，储氢压力达到70MPa，并成功控制其体积与以往35MPa 气瓶一致。美国加利福尼亚州Irvine 的Impco技术公司推出的超轻型Trishield 储氢气瓶可进行69MPa 储氢，质量储氢密度为7.5%。同时，质量储氢密度为8.5%和11.3%的储氢气瓶正在积极研制中。

法国空气化工产品公司在储氢技术研究方面也独树一帜: 结合复合材料储氢气瓶研究，开发相应的“缩短压缩过程的加氢站”，无需现场压缩氢气，在很大程度上降低了加氢站建设成本，并提高了氢气加注效率。该种技术能够提高成本效益的关键是通过一种装载复合压力容器的拖车(Composite Pressure Vessel Trailer)来实现的。该拖车与氢气加注部件直接相连，这样使得氢气运输车整合成为加氢站的一部分。通过这项先进的技术，加氢站可以有效地加注压力为700bar /10000psi 的氢能汽车，这使得加注氢气具有更大的灵活性并能很好地控制成本。

日本汽车研究所(JAＲI) FCEV 中心已开发出能够承受37MPa 和70MPa 压力的高压储氢气瓶，但是在压力由37MPa 增至70MPa 时，相应的储氢气瓶能够容纳的氢仅增加了60%，研究储氢气瓶极限储存量并改善其密闭性能以提高高压储氢量是当前亟待解决的问题。

丰田公司独自开发的70MPa 高压氢储存箱，容量为156L，较从前的FCHV 有所增加，储存压强增加了一倍。FCHV-adv(全称为Fuel Cell Hybrid Vehicle-advanced) 是一种混合动力概念车，通过高压氢为燃料的高性能燃料电池“TOYOTA FC Stack”和镍氢蓄电池两种动力源驱动。一次充氢后续航里程可达830 公里，达到了以往同类车型两倍的水平。

除上述所列举的公司外，国际上其他一些公司在储氢技术方面也获得了一定成果。例如，加拿大Dynetek 公司开发的铝合金内胆、碳纤维/树脂基体复合增强外包层的高压储氢容器可进行70MPa储氢，已投入工业化生产，获得广泛应用。韩国现代公司于2010 年开发出第三代燃料电池汽车，Tucsonix 燃料电池电动汽车(FCEV) ，设置有100kW 燃料电池系统和两个储氢气瓶(70MPa) 。储氢气瓶充满氢气后全行程为650km，相当于汽油动力汽车，可在温度低达－25℃下启动。德国奔驰公司的B-Cell 通过提高储氢气瓶的容量和储存密度，压力增至70MPa，使“续航里程”达到约400 公里，提高了1.5 倍。德国林德公司开发的移动加氢站，工作压力可达70MPa，它能够同时提供压缩氢气及液氢。欧洲标致公司研发出配备5 个压力为70MPa 的储氢气瓶，合计可最多贮存3kg 氢燃料的汽车。

5.2 国内氢气瓶技术现状

我国对高压储氢气瓶也进行了大量的卓有成效的研究。早在“十五”期间，浙江大学化工机械研究，以国家高技术研究发展计划(“863”计划)“轻质高压储氢系统的研究”项目为依托，对40MPa铝合金内胆碳纤维缠绕高压储氢气瓶的加工工艺、力学相应特性和优化设计等理论进行了深入研究,在国内率先试制成功了工作压力40MPa,容积在0.1~100L的高压储氢气瓶。

“十一五”期间，浙江大学联合沈阳斯林达安科新技术有限公司在国家高技术研究发展计划(863计划)项目、国家重点基础研究发展计划(973计划)课题科研项目的支持下，解决了超薄铝合金内胆成型和碳纤维缠绕层固化等关键技术难题,建立了完善的强度分析和结构、材料、工艺一体化的遗传优化设计方法，实现了复合材料氢气瓶的轻量化设计制造。35MPa复合材料氢气瓶已实现小批量生产，该型气瓶在2010上海世博会燃料电池观光车上得到了成功应用，70MPa氢气瓶的研究也取得了突破。

通过技术引进、消化和吸收,以及与高校等科研机构合作,我国气瓶制造企业在复合材料氧气瓶的制造方面也取得了重大突破。2011年10月,由北京科泰克科技有限责任公司主持的国家863计划项目“车载高压供氢瓶与组合电磁瓶阀研究”课题顺利通过了科技部高新司组织的验收,课题研发了具有自主知识产权的工作压力为35MPa的高压氢气瓶，气瓶性能达到了国际标准要求，容重比、重量等指标达到了国际先进水平。

目前国内有十几家头部企业正在关注IV型瓶研发和生产，中集安瑞科、天海工业、斯林达安科、奥扬科技等气体储运装备制造企业最为突出，龙蟠科技、未势能源、亚普股份等汽车配套企业和中材科技、金博股份、山东通佳机械等复合材料制造企业也在积极布局；主要通过技术引进和自主研发两种方式，其中中集安瑞科、斯林达安科、浙江蓝能、丰辰氢能等企业通过与国外公司开展合作推进IV型储氢瓶制造。

表2 国内IV型储氢瓶生产企业动态

从国内主要IV型瓶生产商现有和规划产线产能来看，合计产能已超33万支，规模之大令人惊叹。

从IV型瓶企业分布区域来看，呈点状分散布局，尚未形成产业集群，主要分布在上海、江苏、广东及环渤海地区，具备燃料电池汽车工业基础扎实、企业研发实力强、政策支持力度大等地区特点。