氢燃料电池车关键技术——SiC与储氢罐

两大技术难点，沟槽与集成SBD

SiC的产业状况

日本遥遥领先，英飞凌收购Wolfspeed被美国CFIUS拒

中国严重落后，差距在10年以上

IGBT目前已经发展到7.5代，第7代由三菱电机在2012年推出，三菱电机目前的水平可以看作7.5代，同时IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及，无论三菱这样的大厂还是Fuji、Rohm这样的小厂都有能力制造出SiC元件，我国目前停留在第三代水平上，差距在10年以上。Si IGBT与SiC MOSFET的技术有相通之处，拥有IGBT技术有利于开发SiC产品。

SiC基板材料技术短缺，严重制约中国、德国和美国的SiC元件的发展，同时也无法降低成本。日本即使小厂都能自制SiC基板，材料科技全球领先。

氢燃料电池车核心技术：储氢罐

储氢罐为何重要？

1、高成本，储氢罐是氢燃料电池车中除了电池外占成本比例第二高的零部件，乘用车车载储氢罐一般储存6kg左右的高压氢气，保证行驶里程（600km），储氢罐的体积和重量将分别在240L和130kg左右，国外储氢压力70MPa，国内35MPa，且多采用金属材料，效率低下，体积庞大，重量惊人，成本极高，只能用于公交车和货车大型车辆。国外储氢罐一般使用碳纤维，预计乘用车高压储氢瓶成本5~6万元，其中碳纤维材料的成本约为60~70%。日本是全球最大的碳纤维出口国，全球市场占有率超过95%，日系氢燃料电池车具备成本优势。 

2、大体积，储氢罐是氢燃料电池车中体积最大的底盘下部件，储氢罐决定了乘坐空间的大小。 

3、安全 。储氢罐必须保证安全，需要进行多项的测试、氢气循环试验、火灾试验、冲击破坏试验、极端温度压力循环试验、贯穿试验、化学暴露试验等等。这导致其技术门槛大幅度提高。 

4、续航里程。氢气储存的越多，自然续航里程越远，但这可能导致更高的储氢罐重量。

储氢罐发展历史

最早为纯金属储氢罐，由于是单层结构，无法对容器安全状态进行实时在线监测。因此，这类储罐仅适用于固定式、小储量的氢气储存，远不能满足车载系统要求。后来出现金属内胆外加碳纤维缠绕，最初仅是罐体中部缠绕，后来发展到全罐缠绕。缠绕方案主要包括层板理论与网格理论。多层结构的采用不仅可防止内部金属层受侵蚀，还可在各层间形成密闭空间，以实现对储罐安全状态的在线监控。

全复合材料轻质纤维缠绕储氢罐是终极目标

为了进一步降低储罐质量，人们利用具有一定刚度的塑料代替金属，制成了全复合轻质纤维缠绕储罐。这类储罐的筒体一般包括3 层：塑料内胆、纤维增强层、保护层。塑料内胆不仅能保持储罐的形态，还能兼作纤维缠绕的模具。同时，塑料内胆的冲击韧性优于金属内胆，且具有优良的气密性、耐腐蚀性、耐高温和高强度、高韧性等特点。全复合轻质纤维缠绕储罐的质量更低，约为相同储量钢瓶的50%，因此，其在车载氢气储存系统中的竞争具备绝对优势。 

丰田在2015年5月举行的日本汽车技术协会春季大会（日本汽车技术协会主办）上，就燃料电池车“MIRAI”配备的高压储氢罐的轻量化发表了演讲。 高压储氢罐采用三层结构，内层是密封氢气的树脂衬里，中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂（CFRP）层，表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。 

MIRAI的储氢罐的轻量化瞄准的是中层。中层采用的是对含浸了树脂的碳纤施加张力使之卷起层叠的纤维缠绕(Filament winding)工艺。缠绕方法有强化筒部的环向缠绕、强化边缘的高角度螺旋缠绕和强化底部的低角度螺旋缠绕三种，三种方式均减少了缠绕圈数。 

环向缠绕通过使高应力区集中在内层来确保强度，减少了缠绕的总圈数。高角度螺旋缠绕通过改变塑料衬里的形状，减少了向筒部缠绕圈数，在筒部辅以环向缠绕。低角度螺旋缠绕通过减小管底的开口部，减小了表面压力，从而降低了用量。通过削减这三种方式的缠绕圈数，使CFRP的用量比原来减少了40％。 

通过将CFRP用量减少40％，使重量效率比原来提高了20％，达到了全球最高水平的5.7wt.％。

复合材料轻质纤维缠绕储氢罐关键技术：缠绕机

缠绕机是复合材料储氢罐关键设备，与其配套的张力控制系统、浸胶槽、多维度吐丝头、自转芯轴组成的湿法缠绕体系，不仅控制了生产成本，更决定了生产效率和生产质量，全球主要有美国Tankinetic和意大利的Sarplast垄断了大型缠绕机的关键技术。中国没有能力制造大型缠绕机。 

国内主要还是35MPa，国外是70MPa，续航里程差近50%。 

碳纤维是主要成本，日本是碳纤维最大出口国。

全复合材料轻质纤维缠绕储氢罐

中国主要是浙江大学在研究

2009年12月4日，浙江大学王新华研究员主持的2006年探索导向课题“70 MPa静态化学热压缩高压超纯氢压缩技术与装置”通过了国家科技部高技术中心组织专家的验收。2009年科技部又推出了863课题，研制70Mpa的车载气瓶，取得的主要成果有： 

（1）安全状态远程在线监控的全多层大容积高压储氢容器 将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合，创新性地提出了全多层高压容器结构，研制成功拥有自主知识产权的国际首台高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器，突破了高压氢气的经济、安全、规模储存的难题。 

（2）集压缩、净化于一体的低能耗70MPa静态化学氢压缩机研发了在150℃下释氢平台压力达到80MPa的储氢合金，解决了高压下储氢合金粉末堆积预防和传热优化、氢容量匹配等关键技术，形成了高压超纯氢静态化学氢压缩技术，研制成功了国际首台70MPa静态化学氢压缩机，该压缩机同时具有显著提高氢气纯度的功能。 

（3）轻质铝内胆纤维全缠绕高压储氢气瓶设计制造技术 建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构－材料－工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄（0.5mm）铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术，成功研制了70MPa纤维全缠绕高压储氢气瓶的单位质量储氢密度达5.78wt%，实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。 

（4）高压氢气快充温升仿真系统及其控制技术 考虑材料比热容随温度的变化和气瓶内外壁之间的传热，构建了高预测精度的车载高压储氢容器快充温升数值仿真系统，准确预测了快充过程中气瓶内各处压力、温度的分布规律，给出了实用可靠的温升控制方法。  

但是关键的设备如缠绕机和复合材料制造是中国短板，距商业化遥遥无期。

丰田是全球唯二全复合材料储氢罐商业化的企业