4.4具體纏繞工藝方法

碳纖維纏繞成型工藝可分為濕法纏繞和干法纏繞，其中濕法纏繞由于其成本較低、工藝性好，因此應(yīng)用較為廣泛，濕法纏繞設(shè)備主要包括纖維架、張力控制設(shè)備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉(zhuǎn)芯模結(jié)構(gòu)。國際上較先進(jìn)的六維纏繞技術(shù)能夠很好地控制纖維走向，實(shí)現(xiàn)環(huán)向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結(jié)合。實(shí)際生產(chǎn)中多采用旋向纏繞與環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式，環(huán)向纏繞可消除氣瓶受內(nèi)壓而產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，旋向纏繞可提供縱向應(yīng)力，提升氣瓶整體性能。

纖維纏繞層的設(shè)計(jì)需要考慮纖維的各向異性，根據(jù)其結(jié)構(gòu)要求，通常采用層板理論和網(wǎng)格理論來計(jì)算容器封頭、內(nèi)襯、纖維纏繞層的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。通過環(huán)向纏繞與旋向纏繞交替進(jìn)行實(shí)現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)纖維堆疊面積和縱向纏繞角度與旋向纏繞線型，不僅滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)使封頭處能夠合理鋪覆。

干法纏繞工藝以經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸帶為原料，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

專業(yè)生產(chǎn)的預(yù)浸紗線/帶，可以保證嚴(yán)格控制纖維和樹脂（精確至2%以內(nèi)）含量比例，產(chǎn)品質(zhì)量好且穩(wěn)定；

生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達(dá)100-200m/min；

纏繞設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生整潔，便于清理，纏繞機(jī)的使用壽命也更長。

圖7 干法纏繞工藝流程圖

圖8 干法纏繞

圖9 門型多軸纏繞設(shè)備

濕法纏繞工藝

濕法纏繞工藝是將碳纖維絲束在特定浸膠裝置中浸漬處理后，再在張力控制下直接纏繞到芯模上，最后經(jīng)過固化的成型方法。其優(yōu)點(diǎn)主要如下：

生產(chǎn)成本較低，約比干法纏繞低40%。涉及的工藝設(shè)備比較簡單，設(shè)備投資小，且對(duì)原材料要求相對(duì)較低。

產(chǎn)品氣密性好，在纏繞過程中，通過張力控制可以使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙。

碳纖維表面浸漬的樹脂膠液可有效減少纖維磨損。纖維排列平行度好。

圖10 濕法纏繞工藝流程圖

圖11 濕法纏繞

主要纏繞方式

（1）環(huán)向纏繞

環(huán)向纏繞是沿容器圓周方向進(jìn)行的纏繞。纏繞時(shí)芯模繞自己軸線作勻速運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)絲頭在平行于芯模軸線方向的筒身區(qū)間運(yùn)動(dòng)。芯模每轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲頭移動(dòng)距離為一個(gè)紗片寬。如此循環(huán)下去，直至紗片均勻布滿芯模圓筒段表面為止。

環(huán)向纏繞的特點(diǎn)是纏繞只能在筒身段進(jìn)行，不能纏到封頭上去。鄰近紗片間相接而不重疊，纖維的纏繞角通常在85°~90°之間。

（2）螺旋纏繞

螺旋纏繞也稱測地線纏繞。纏繞時(shí)芯模繞自己軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就在芯模的筒身和封頭上實(shí)現(xiàn)了螺旋纏繞,其纏繞角約為12°~70°。在螺旋纏繞中，纖維纏繞不僅在筒身段進(jìn)行，而且在封頭上也進(jìn)行。其纏繞過程為：纖維從容器一端的極孔圓周上某一點(diǎn)出發(fā)，沿著封頭曲面上與極孔圓相切的曲線繞過封頭，并按螺旋線軌跡繞過圓筒段，進(jìn)入另一端封頭，然后再返回到圓筒段，最后繞回到開始纏 繞的封頭，如此循環(huán)下去，直至芯模表面均勻布滿纖維為止。這樣，當(dāng)纖維均勻纏滿芯模表面時(shí)，就構(gòu)成了雙層纖維層。為保證纏繞后的氣瓶滿足使用的壓力要求，其纏繞方式一般選擇環(huán)向纏繞和螺旋纏繞相結(jié)合的方式。

圖13 螺旋纏繞示意圖

圖14 儲(chǔ)氫瓶纏繞工藝

5 國內(nèi)外儲(chǔ)氫瓶發(fā)展現(xiàn)狀

美國Quantum 公司目前在氫氣供應(yīng)系統(tǒng)研究與開發(fā)方面具有比較領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。美國Quantum公司通過與美國國防部的合作，研制出了Hy-Hauler 移動(dòng)加氫系統(tǒng)，分為Hy-Hauler 普通型和Hy-Hauler 改進(jìn)型。普通型系統(tǒng)通過把儲(chǔ)氫氣瓶輸送至異地現(xiàn)場，其工作壓力一般為35MPa 或70MPa。改進(jìn)型系統(tǒng)為自帶電解裝置電解水制氫，同時(shí)通過高壓快充技術(shù)，能夠把單輛車的加注時(shí)間縮短至三分鐘內(nèi)。美國國防部已經(jīng)將Hy-Hauler 系統(tǒng)成功應(yīng)用到部分車輛上。

美國通用汽車公司開發(fā)的雙層結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氫氣瓶，其內(nèi)層是無縫內(nèi)膽與碳纖維纏繞增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，外層是具有高抗沖擊性能的保護(hù)殼，能夠儲(chǔ)存3.1kg 氫氣，儲(chǔ)氫壓力達(dá)到70MPa，并成功控制其體積與以往35MPa 氣瓶一致。美國加利福尼亞州Irvine 的Impco技術(shù)公司推出的超輕型Trishield 儲(chǔ)氫氣瓶可進(jìn)行69MPa 儲(chǔ)氫，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度為7.5%。同時(shí)，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度為8.5%和11.3%的儲(chǔ)氫氣瓶正在積極研制中。

法國空氣化工產(chǎn)品公司在儲(chǔ)氫技術(shù)研究方面也獨(dú)樹一幟: 結(jié)合復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶研究，開發(fā)相應(yīng)的“縮短壓縮過程的加氫站”，無需現(xiàn)場壓縮氫氣，在很大程度上降低了加氫站建設(shè)成本，并提高了氫氣加注效率。該種技術(shù)能夠提高成本效益的關(guān)鍵是通過一種裝載復(fù)合壓力容器的拖車(Composite Pressure Vessel Trailer)來實(shí)現(xiàn)的。該拖車與氫氣加注部件直接相連，這樣使得氫氣運(yùn)輸車整合成為加氫站的一部分。通過這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，加氫站可以有效地加注壓力為700bar /10000psi 的氫能汽車，這使得加注氫氣具有更大的靈活性并能很好地控制成本。

日本汽車研究所(JAＲI) FCEV 中心已開發(fā)出能夠承受37MPa 和70MPa 壓力的高壓儲(chǔ)氫氣瓶，但是在壓力由37MPa 增至70MPa 時(shí)，相應(yīng)的儲(chǔ)氫氣瓶能夠容納的氫僅增加了60%，研究儲(chǔ)氫氣瓶極限儲(chǔ)存量并改善其密閉性能以提高高壓儲(chǔ)氫量是當(dāng)前亟待解決的問題。

豐田公司獨(dú)自開發(fā)的70MPa 高壓氫儲(chǔ)存箱，容量為156L，較從前的FCHV 有所增加，儲(chǔ)存壓強(qiáng)增加了一倍。FCHV-adv(全稱為Fuel Cell Hybrid Vehicle-advanced) 是一種混合動(dòng)力概念車，通過高壓氫為燃料的高性能燃料電池“TOYOTA FC Stack”和鎳氫蓄電池兩種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。一次充氫后續(xù)航里程可達(dá)830 公里，達(dá)到了以往同類車型兩倍的水平。

除上述所列舉的公司外，國際上其他一些公司在儲(chǔ)氫技術(shù)方面也獲得了一定成果。例如，加拿大Dynetek 公司開發(fā)的鋁合金內(nèi)膽、碳纖維/樹脂基體復(fù)合增強(qiáng)外包層的高壓儲(chǔ)氫容器可進(jìn)行70MPa儲(chǔ)氫，已投入工業(yè)化生產(chǎn)，獲得廣泛應(yīng)用。韓國現(xiàn)代公司于2010 年開發(fā)出第三代燃料電池汽車，Tucsonix 燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV) ，設(shè)置有100kW 燃料電池系統(tǒng)和兩個(gè)儲(chǔ)氫氣瓶(70MPa) 。儲(chǔ)氫氣瓶充滿氫氣后全行程為650km，相當(dāng)于汽油動(dòng)力汽車，可在溫度低達(dá)－25℃下啟動(dòng)。德國奔馳公司的B-Cell 通過提高儲(chǔ)氫氣瓶的容量和儲(chǔ)存密度，壓力增至70MPa，使“續(xù)航里程”達(dá)到約400 公里，提高了1.5 倍。德國林德公司開發(fā)的移動(dòng)加氫站，工作壓力可達(dá)70MPa，它能夠同時(shí)提供壓縮氫氣及液氫。歐洲標(biāo)致公司研發(fā)出配備5 個(gè)壓力為70MPa 的儲(chǔ)氫氣瓶，合計(jì)可最多貯存3kg 氫燃料的汽車。

5.2 國內(nèi)氫氣瓶技術(shù)現(xiàn)狀

我國對(duì)高壓儲(chǔ)氫氣瓶也進(jìn)行了大量的卓有成效的研究。早在“十五”期間，浙江大學(xué)化工機(jī)械研究，以國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)“輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的研究”項(xiàng)目為依托，對(duì)40MPa鋁合金內(nèi)膽碳纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶的加工工藝、力學(xué)相應(yīng)特性和優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論進(jìn)行了深入研究,在國內(nèi)率先試制成功了工作壓力40MPa,容積在0.1~100L的高壓儲(chǔ)氫氣瓶。

“十一五”期間，浙江大學(xué)聯(lián)合沈陽斯林達(dá)安科新技術(shù)有限公司在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)課題科研項(xiàng)目的支持下，解決了超薄鋁合金內(nèi)膽成型和碳纖維纏繞層固化等關(guān)鍵技術(shù)難題,建立了完善的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)、材料、工藝一體化的遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料氫氣瓶的輕量化設(shè)計(jì)制造。35MPa復(fù)合材料氫氣瓶已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，該型氣瓶在2010上海世博會(huì)燃料電池觀光車上得到了成功應(yīng)用，70MPa氫氣瓶的研究也取得了突破。

通過技術(shù)引進(jìn)、消化和吸收,以及與高校等科研機(jī)構(gòu)合作,我國氣瓶制造企業(yè)在復(fù)合材料氧氣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責(zé)任公司主持的國家863計(jì)劃項(xiàng)目“車載高壓供氫瓶與組合電磁瓶閥研究”課題順利通過了科技部高新司組織的驗(yàn)收,課題研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工作壓力為35MPa的高壓氫氣瓶，氣瓶性能達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)要求，容重比、重量等指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

目前國內(nèi)有十幾家頭部企業(yè)正在關(guān)注IV型瓶研發(fā)和生產(chǎn)，中集安瑞科、天海工業(yè)、斯林達(dá)安科、奧揚(yáng)科技等氣體儲(chǔ)運(yùn)裝備制造企業(yè)最為突出，龍?bào)纯萍?、未勢能源、亞普股份等汽車配套企業(yè)和中材科技、金博股份、山東通佳機(jī)械等復(fù)合材料制造企業(yè)也在積極布局；主要通過技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)兩種方式，其中中集安瑞科、斯林達(dá)安科、浙江藍(lán)能、豐辰氫能等企業(yè)通過與國外公司開展合作推進(jìn)IV型儲(chǔ)氫瓶制造。

表2 國內(nèi)IV型儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)企業(yè)動(dòng)態(tài)

從國內(nèi)主要IV型瓶生產(chǎn)商現(xiàn)有和規(guī)劃產(chǎn)線產(chǎn)能來看，合計(jì)產(chǎn)能已超33萬支，規(guī)模之大令人驚嘆。

從IV型瓶企業(yè)分布區(qū)域來看，呈點(diǎn)狀分散布局，尚未形成產(chǎn)業(yè)集群，主要分布在上海、江蘇、廣東及環(huán)渤海地區(qū)，具備燃料電池汽車工業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、企業(yè)研發(fā)實(shí)力強(qiáng)、政策支持力度大等地區(qū)特點(diǎn)。