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，因此應用較為廣泛，濕法纏繞設備主要包括纖維架、張力控制設備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉芯模結構。國際上較先進的六維纏繞技術能夠很好地控制纖維走向，實現環向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結合。實際生產中多采用旋向纏繞與環向纏繞相結合的方式，環向纏繞可消除氣瓶受內壓而產生的環向應力，旋向纏繞可提供縱向應力，提升氣瓶整體性能。

纖維纏繞層的設計需要考慮纖維的各向異性，根據其結構要求，通常采用層板理論和網格理論來計算容器封頭、內襯、纖維纏繞層的應力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。通過環向纏繞與旋向纏繞交替進行實現多層次結構，選擇適當纖維堆疊面積和縱向纏繞角度與旋向纏繞線型，不僅滿足強度要求，同時使封頭處能夠合理鋪覆。

干法纏繞工藝以經過預浸膠處理的預浸帶為原料，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態后纏繞到芯模上。其優點主要有：

專業生產的預浸紗線/帶，可以保證嚴格控制纖維和樹脂（精確至2%以內）含量比例，產品質量好且穩定；

生產效率高，纏繞速度可達100-200m/min；

纏繞設備及生產環境衛生整潔，便于清理，纏繞機的使用壽命也更長。

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，最后經過固化的成型方法。其優點主要如下：

生產成本較低，約比干法纏繞低40%。涉及的工藝設備比較簡單，設備投資小，且對原材料要求相對較低。

產品氣密性好，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）環向纏繞

環向纏繞是沿容器圓周方向進行的纏繞。纏繞時芯模繞自己軸線作勻速運動， 導絲頭在平行于芯模軸線方向的筒身區間運動。芯模每轉一周，導絲頭移動距離為一個紗片寬。如此循環下去，直至紗片均勻布滿芯模圓筒段表面為止。

環向纏繞的特點是纏繞只能在筒身段進行，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。纏繞時芯模繞自己軸線勻速轉動，導絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復運動，這樣就在芯模的筒身和封頭上實現了螺旋纏繞,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行，而且在封頭上也進行。其纏繞過程為：纖維從容器一端的極孔圓周上某一點出發，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，如此循環下去，直至芯模表面均勻布滿纖維為止。這樣，當纖維均勻纏滿芯模表面時，就構成了雙層纖維層。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向纏繞和螺旋纏繞相結合的方式。

圖13 螺旋纏繞示意圖

圖14 儲氫瓶纏繞工藝

5 國內外儲氫瓶發展現狀

美國Quantum 公司目前在氫氣供應系統研究與開發方面具有比較領先的技術優勢。美國Quantum公司通過與美國國防部的合作，研制出了Hy-Hauler 移動加氫系統，分為Hy-Hauler 普通型和Hy-Hauler 改進型。普通型系統通過把儲氫氣瓶輸送至異地現場，其工作壓力一般為35MPa 或70MPa。改進型系統為自帶電解裝置電解水制氫，同時通過高壓快充技術，能夠把單輛車的加注時間縮短至三分鐘內。美國國防部已經將Hy-Hauler 系統成功應用到部分車輛上。

美國通用汽車公司開發的雙層結構儲氫氣瓶，其內層是無縫內膽與碳纖維纏繞增強結構，外層是具有高抗沖擊性能的保護殼，能夠儲存3.1kg 氫氣，儲氫壓力達到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技術公司推出的超輕型Trishield 儲氫氣瓶可進行69MPa 儲氫，質量儲氫密度為7.5%。同時，質量儲氫密度為8.5%和11.3%的儲氫氣瓶正在積極研制中。

法國空氣化工產品公司在儲氫技術研究方面也獨樹一幟: 結合復合材料儲氫氣瓶研究，開發相應的“縮短壓縮過程的加氫站”，無需現場壓縮氫氣，在很大程度上降低了加氫站建設成本，并提高了氫氣加注效率。該種技術能夠提高成本效益的關鍵是通過一種裝載復合壓力容器的拖車(Composite Pressure Vessel Trailer)來實現的。該拖車與氫氣加注部件直接相連，這樣使得氫氣運輸車整合成為加氫站的一部分。通過這項先進的技術，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 中心已開發出能夠承受37MPa 和70MPa 壓力的高壓儲氫氣瓶，但是在壓力由37MPa 增至70MPa 時，相應的儲氫氣瓶能夠容納的氫僅增加了60%，研究儲氫氣瓶極限儲存量并改善其密閉性能以提高高壓儲氫量是當前亟待解決的問題。

豐田公司獨自開發的70MPa 高壓氫儲存箱，容量為156L，較從前的FCHV 有所增加，儲存壓強增加了一倍。FCHV-adv(全稱為Fuel Cell Hybrid Vehicle-advanced) 是一種混合動力概念車，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力源驅動。一次充氫后續航里程可達830 公里，達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氫技術方面也獲得了一定成果。例如，加拿大Dynetek 公司開發的鋁合金內膽、碳纖維/樹脂基體復合增強外包層的高壓儲氫容器可進行70MPa儲氫，已投入工業化生產，獲得廣泛應用。韓國現代公司于2010 年開發出第三代燃料電池汽車，Tucsonix 燃料電池電動汽車(FCEV) ，設置有100kW 燃料電池系統和兩個儲氫氣瓶(70MPa) 。儲氫氣瓶充滿氫氣后全行程為650km，相當于汽油動力汽車，可在溫度低達－25℃下啟動。德國奔馳公司的B-Cell 通過提高儲氫氣瓶的容量和儲存密度，壓力增至70MPa，使“續航里程”達到約400 公里，提高了1.5 倍。德國林德公司開發的移動加氫站，工作壓力可達70MPa，它能夠同時提供壓縮氫氣及液氫。歐洲標致公司研發出配備5 個壓力為70MPa 的儲氫氣瓶，合計可最多貯存3kg 氫燃料的汽車。

5.2 國內氫氣瓶技術現狀

我國對高壓儲氫氣瓶也進行了大量的卓有成效的研究。早在“十五”期間，浙江大學化工機械研究，以國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)“輕質高壓儲氫系統的研究”項目為依托，對40MPa鋁合金內膽碳纖維纏繞高壓儲氫氣瓶的加工工藝、力學相應特性和優化設計等理論進行了深入研究,在國內率先試制成功了工作壓力40MPa,容積在0.1~100L的高壓儲氫氣瓶。

“十一五”期間，浙江大學聯合沈陽斯林達安科新技術有限公司在國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)課題科研項目的支持下，解決了超薄鋁合金內膽成型和碳纖維纏繞層固化等關鍵技術難題,建立了完善的強度分析和結構、材料、工藝一體化的遺傳優化設計方法，實現了復合材料氫氣瓶的輕量化設計制造。35MPa復合材料氫氣瓶已實現小批量生產，該型氣瓶在2010上海世博會燃料電池觀光車上得到了成功應用，70MPa氫氣瓶的研究也取得了突破。

通過技術引進、消化和吸收,以及與高校等科研機構合作,我國氣瓶制造企業在復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任公司主持的國家863計劃項目“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收,課題研發了具有自主知識產權的工作壓力為35MPa的高壓氫氣瓶，氣瓶性能達到了國際標準要求，容重比、重量等指標達到了國際先進水平。

目前國內有十幾家頭部企業正在關注IV型瓶研發和生產，中集安瑞科、天海工業、斯林達安科、奧揚科技等氣體儲運裝備制造企業最為突出，龍蟠科技、未勢能源、亞普股份等汽車配套企業和中材科技、金博股份、山東通佳機械等復合材料制造企業也在積極布局；主要通過技術引進和自主研發兩種方式，其中中集安瑞科、斯林達安科、浙江藍能、豐辰氫能等企業通過與國外公司開展合作推進IV型儲氫瓶制造。

表2 國內IV型儲氫瓶生產企業動態

從國內主要IV型瓶生產商現有和規劃產線產能來看，合計產能已超33萬支，規模之大令人驚嘆。

從IV型瓶企業分布區域來看，呈點狀分散布局，尚未形成產業集群，主要分布在上海、江蘇、廣東及環渤海地區，具備燃料電池汽車工業基礎扎實、企業研發實力強、政策支持力度大等地區特點。