燃料電池大的障礙之一是氫燃料儲存。這種極輕的氣體（比空氣輕14倍）的能量密度是傳統液體石油燃料的3倍，但體積能量卻少得多。此外，氫分子是上小的，所以儲存容器的抗滲透性成為一個真正的問題，以免燃料泄漏。因此，很難將H2裝在大多數汽車可用的小空間中，以足夠的數量對應當今汽油動力汽車每油箱500公里的行駛里程，特別是當目標是在不增加車重量的情況下實現這一目標。盡管有替代方法，但實用和成本低的車上氫氣儲存方法，是將工作壓力為20-70兆帕的壓縮氣體儲存在儲罐中，儲罐的爆裂強度必須達到其額定壓力的兩倍。

　　
儲氫的條件

　　氫氣儲存的工作原理。氫可以以氣體或液體的形式儲存。氫氣作為氣體儲存通常需要高壓罐（350–700 bar[5000–10000 psi]罐壓）。氫作為液體儲存需要低溫，因為氫在一個大氣壓下的沸點為?252.8℃。

　　目前，有五種類型的壓力容器可用于氫氣儲存：

　　I型（全鋼）儲罐又大又笨重。

　　II型儲罐（用碳纖維/環氧樹脂基材環繞的鋼或鋁襯里）較輕，但成本較高。每個都能達到30兆帕的工作壓力，并用于散裝運輸或固定在加油站儲存氣體。

　　III型儲罐更輕，但成本更高，可承受更高的工作壓力（達到82.5 MPa，帶鋁襯里），主要用于商用卡車上的氫氣或天然氣儲存。

　　IV型存儲罐采用高密度聚乙烯或橡膠襯里并用碳纖維/環氧樹脂完全包裹。輕，但昂貴的，他們提供類似的性能類型III型存儲罐。存儲罐的內襯除了高密度聚乙烯（HDPE- High-Densitypolyethylene）外，還有三種半結晶熱塑性樹脂：聚對苯二甲酸丁二醇酯（Polybutylene terephthalate）、聚苯硫醚（PPS-Polyphenylene sulfide）和聚甲醛（POM-Polyoxymethylene或縮醛）。這些樹脂具有良好的機械性能和高耐化學和滲透性。

　　V型：全復合材料結構。該罐無襯里，并具有樹脂基碳纖維復合材料纏繞的可折疊或融化的芯模，樹脂基碳纖維復合材料承載所有負載。

　　以上II、III、IV、V存儲罐，外層均纏繞熱固性環氧樹脂復合材料，這種材料報廢回收復雜，這對銷往歐盟的汽車制造商來說是一個額外的難題。使用熱塑性樹脂復合材料，不但加工速度更快，并且比熱固性樹脂具有更大的沖擊強度和可再加工性、可回收性。此外，熱塑性樹脂可以重新熔化，提供了單獨生產內襯和外包裝的機會，然后將它們連接起來，形成一個整體式罐，可以避免現有金屬/復合材料混合材料中出現的疲勞問題，并促進回收。通過消除耦合硬件（可隔離）以外的所有金屬，可以減少或消除氫脆和電偶腐蝕。

　　熱塑性復合材料激光輔助卷繞

　　熱塑性復合材料（TPCs-Thermoplastic composites）由于其在提高生產率和減輕重量方面的巨大潛力，近年來得到了廣泛的推廣。使用TPCs提高生產率的一個受討論的話題是在自動纖維和膠帶放置（AFP/ATP）過程中的原位固結（ISC- in-situ consolidation）。實現原位固結需要在纏繞材料帶時，對材料帶和基板加熱。加熱的方法有兩種：激光加熱和紅外線加熱。以下介紹激光加熱：

　　激光輔助卷繞（LATW- laser-assisted tape winding）制造，該卷繞包括激光輔助膠帶放置（LATP-laser-assisted tape placement）機和旋轉心軸。AFP/ATP磁頭安裝在CNC六軸機器人上，利用激光加熱進入的膠帶和基板，熔化熱塑性聚合物。然后用滾筒將膠帶壓在基板上，以促進層間粘合和固結。

 

　　層工藝

　　與任何增材制造工藝一樣，纏繞的層也是一個需要解決的問題。在芯軸上應用脫模劑，便于纏繞后抽出芯軸。另一個考慮因素是固定。如果在層上使用環形纏繞（相對于螺旋或軸向疊層），則可以在層的開始和結束處手動放置膠帶，以提高穩定性和對引入膠帶的附著力。如果需要螺旋或軸向疊層，則應使用完整的膠帶環并將其固定在罐體的端頭，使用膠帶防止滑動。

 

　　對于IV型壓力容器（帶碳纖維復合材料外包皮有塑料內襯），纏繞的膠帶將與內襯熔合。這消除了膠帶固定的需要，但塑料襯里和熱塑性碳纖維帶應具有相同的基礎聚合物，以確保適當的粘合。

　　加熱塑料襯里時可能會出現問題。例如，如果它不能吸收激光加熱，或者使用了金屬芯軸，考慮調整激光角度以充分加熱進入的膠帶。換言之，與典型的定位不同，使激光器分布在進入的膠帶和基板之間（圖1），使激光器更朝向膠帶。這將避免激光反射，確保更均勻的材料帶加熱，并減少能源消耗。

　　激光分布隨鋪層角度或幾何形狀的變化而變化

　　通常在LATP和LATW過程中，激光分布在進入的材料帶和基板之間。在半徑幾何形狀和鋪層方向恒定的情況下，這種分布是恒定的。不過，也有一些考慮因素。例如，在管狀芯軸上的軸向疊層期間，與環向疊層相比，引入的膠帶將接收相同的輻射，而基板將接收比環向疊層更多的激光投影。

 

　　在加熱過程中，由于聚合物粘度降低，熱塑性膠帶會隨著溫度和鋪層速度（加熱時間）的不同而展開并變寬變薄。在采用閉環控制的系統中（加熱區域的溫度保持恒定），軸向疊層的膠帶比環向疊層的膠帶更寬?；蛘?，在具有恒定功率控制的系統中，軸向疊層會在較低的溫度下形成，因此磁帶的寬度會更小。理解和解決這一點很重要，因為膠帶尺寸的不均勻變化可能會導致不需要的間隙和重疊，從而增加空隙率。

　　在包裹壓力容器時，由于端部圓弧頂，半徑幾何體會發生變化。當進入或離開這些圓頂時，機器人減速，基板上的激光光斑減小。這兩種作用都會導致溫度急劇升高，從而導致截面變薄、材料性能不同，甚至對聚合物造成損壞。

　　另一個需要考慮的問題是，當部件的纖維層在纏繞過程中形成時，纏繞在其上的芯的尺寸（到目前為止，芯軸加層）會發生變化。因此，應調整疊層角度以避免間隙。否則，必須手動或使用在線檢查系統檢查繞組，并根據需要進行糾正。盡管解決上述問題有幫助，但不可能100%消除缺陷，如間隙、重疊和厚度變化。但是，纏繞工藝的發展應該達到零件的設計允許值。

　　大化機械性能、層間附著力和結晶度

　　熱管理是熱塑性基體中獲得足夠的層間附著力和完全潛在結晶性的關鍵因素。層靠近芯軸，芯軸起散熱器的作用。這可以防止分子間的相互擴散，并促進較差的層間附著力、較低的結晶度和較高的空隙率。為了克服這一挑戰，人們應該考慮降低沉積速度，提高溫度和調整激光角度，使更長的加熱時間，以確保分子擴散。

　　然而，這并不能保證完全結晶。這是因為分子擴散-在冷卻過程中熔化后重新形成分子纏結-比結晶過程快得多，在結晶過程中分子排列形成有序的晶體結構。如果要制造的零件很薄（大約小于2毫米），人們會期望結晶度低于較厚的零件，因為較厚的零件接受更多的固結過程，芯軸的熱損失也較少。對于薄零件和厚零件，考慮初始鋪層的較慢鋪層速度。

　　要達到完全結晶度，請考慮以下事項：

　　1）、纏繞后，在熱塑性基體Tg（玻璃化轉變溫度）和Tm（熔融溫度）之間的溫度下進行退火（熱浸）。根據經驗，兩個溫度之間的中間點提供了快的結晶動力學。

　　2）、使用加熱芯軸，以提高初始層的結晶度。這并不總是可能的，而且可能更貴。如果使用加熱芯軸，一定要考慮芯軸可能發生熱膨脹。

　　3）、通過固結程序-換句話說，包括通過沒有進入材料帶纏繞，但激光完全投影在基板上。這主要是通過后層獲得較少，但也可以在層，以提高層間粘附。

　　材料帶尺寸–設計靈活性和生產率

　　纏繞材料帶尺寸是纏繞的一個重要參數。顯然，從供應商處獲得恒定的材料帶寬度和厚度將使產品具有可重復性和均勻性。但是，材料帶尺寸也定義了設計靈活性。例如，對于管狀芯軸上的軸向疊層，膠帶寬度應足夠窄，以符合芯軸曲率。芯軸直徑越大，可使用的膠帶越寬。較寬的磁帶意味著更快的吞吐量，而較窄的磁帶則更便于設計，因為它更能適應曲率變化，更易于轉向。

　　國產先進儲氫罐早日進入市場

　　熱塑性復材纏繞的V型儲氫罐，是汽車行業發展需求的目標。隨著技術進步，新的高溫、高性能熱塑性碳纖維復合材料，已經開始用于民用飛機的主要受力結構，如機身、機翼。新材料完全能滿足儲氫罐的機械性能要求。做為V型儲氫罐另外一個關鍵是芯模。芯模除了CTD公司制造V型氫燃料罐的核心技術–可折疊芯模外，還有一種可融化的芯模。目前可融化的芯模技術還未見報道。估計這種技術，在美國制造太空運載火箭的低溫燃料罐-冰球(CryoSphere)上，已經使用了?？扇诨灸Ｊ侵圃霽型罐發展方向?？扇诨灸Ｒ膊皇鞘裁锤卟豢膳实募夹g，只要企業認準這個方向努力去做，一定會攻克的。

 

　　總之,汽車用熱塑性復材纏繞的V型儲氫罐,目前國外也還處在研發階段。國內制罐企業應該抓住這個機遇，盡快投入研制工作。早日讓國產熱塑性復材V型罐，進入國際市場。（來源：楊超凡手稿，先端技術整理）