杨超凡：制造热塑性复合材料储氢罐

本文由杨超凡老师提供。杨超凡老师是原航空工业部第一批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。1965年西北工业大学飞机系制造专业毕业。先后在西安飞机制造公司、陕西飞机制造公司、上海飞机制造厂、中航商用飞机设计有限公司从事飞机制造工作，并在广东昌盛飞机设计有限公司承担飞机制造工艺和复合材料选材工作。曾任陕飞副总工程师。

燃料电池电动汽车（FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle）以氢为燃料、由电动机驱动，因此被归类为电动汽车。氢燃料电池汽车和其他电动汽车有一个关键的区别——氢燃料汽车自己发电。因此，与全电动或插电式混合动力汽车不同的是，这种汽车的动力并非来自内置外部电源充电电池。相反，氢动力汽车实际上有自己的高效动力装置：燃料电池。

在燃料电池技术中，一种被称为反向电解的过程发生了，在这种过程中氢与燃料电池中的氧发生反应。氢气来自燃料电池电动汽车内的一个或多个储氢罐，而氧气来自环境空气。这一反应会产生电能、热能和水。因此，氢动力汽车基本是零排放汽车（ZEV – Zero Emission Vehicle ）。

氢燃料电池所产生的电能有两种流向，这取决于具体驾驶情况的需要。它要么流向电动机，直接为燃料电池电动汽车提供动力，要么给蓄电池充电，蓄电池储存能量，以备发动机所需。这种电池被称为峰值功率电池，它比全电动汽车的电池要小得多，也要轻得多，因为它是由燃料电池不断充电的。

与其他电动汽车一样，氢动力汽车也可以回收或 “恢复”制动能量。电动机将汽车的动能转换回电能，并将其输入蓄电池。

在燃料电池电动汽车（FCEV）的动力系统中，储氢罐是主要部件之一。目前汽车行业普遍采用IV型储氢罐，罐体用热固性环氧树脂基碳纤维复合材料，内胆用高密度热塑性树脂。

使用热固性环氧树脂基碳纤维复合材料，制造高压气体存储罐，突出的问题是制造周期长（需要固化周期）、报废的罐体回收困难。十多年前，英国政府资助建立了DuraStor财团。该财团组织有关院校、企业，研发全热塑性储氢罐。2014年公布了研发成果，并根据汽车行业的要求，制造了一批车用储氢罐。所公布的资料包括了储氢罐的参数、材料选择、制造工艺和测试项目，介绍如下：

试制车用储氢罐参数：

内衬材料及工艺

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）。目前多用对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯硫醚（PPS）、聚甲醛（POM）。

上述内衬材料具有良好的抗渗透性、耐化学性和机械性能。基于前期的研究结果，POM被认为具有最好的抗氢渗透性，尤其是良好的抗气体渗透性，因此数十年来一直用于管道、盖子和汽车油箱。POM也曾在历史上，在低压条件下被用作储存容器和长期燃料储存罐。

热塑内衬采用旋转模塑工艺制造。模具设计见图。

纱带缠绕在内衬上。纱带厚度0.2mm，宽度12mm。

测试结果：

• 聚甲醛（POM）内衬厚度超过5mm，能够满足抗氢渗透和强度要求。

• 对纤维体积分数44%；密度为1.58 g/cm3；熔体温度为166°C的外层聚甲醛（POM）碳纤维复合材料，给出了在-40、23、85°C下的机械性能。

车用储氢罐发展趋势

• 车用储氢罐目前还集中在研制、生产IV型罐。但是，罐体外层使用热塑性碳纤维复合材料，将要取代热固性环氧树脂基复合材料，是一个必然的趋势。对于热塑性复合材料，人们的认知和经验远不如环氧树脂基复合材料。在4月19号编发的《热塑性复合材料储氢罐》一文中，罐体已经使用高温、高性能的聚醚醚酮（PEEK）复合材料。最早将聚芳醚酮（PAEK）家族树脂（包括 PEEK、PEKK）推进飞机制造行业的法国Arkema公司，还专门为制造储氢罐，研制出高温、高性能聚酰胺（polyamide）树脂-Rilsan® Matrix或Elium®。聚芳醚酮树脂要比环氧树脂价格高出若干倍。降低储氢罐的制造成本，只能从其它环节想办法、下功夫。空客研发“新 A320”直径4米、长度8米机身筒体试验件，重量比铝合金结构轻、总制造成本与它相当。
• 罐体缠绕采用自动铺丝工艺（AFP）。在自动铺丝机铺放和缠绕过程中，不仅可以精确控制纱带铺放路径，还可以用激光或红外线加热纱带和基板，同时把纱带压实。
• 研发无内衬的热塑复材V型储氢罐。据报道，同样容积的V型罐要比 IV 型罐轻15-20%。
• 车用储氢罐是一个大批量产品。需要设计、制造自动化生产线。
• 为了最大利用汽车有限空间，增加氢气存储量，研发新型的储氢系统，如图示的一种结构:

结尾：压力容器（氢和天然气）将成为树脂基碳纤维复合材料，继航空航天、风电叶片之后的第三大应用领域。仅车用储氢罐就是一桩“小产品，大买卖”，而且它的技术难度和投资强度远小于航空航天领域，是最适合中小型复材制品企业进入的细分市场。