氫燃料電池車關(guān)鍵技術(shù)——SiC與儲(chǔ)氫罐

更新時(shí)間：2018-10-22

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氫燃料電池車是新能源車的終ji目標(biāo)

氫燃料電池車沒有里程焦慮，氫燃料電池車可以輕易做到綜合工況下650公里的續(xù)航，大部分傳統(tǒng)新能源車都在300公里以下。

加大儲(chǔ)氫罐，氫燃料電池車甚至可以超越汽油車。加氫只需要3分鐘，和汽油車一樣。同時(shí)可以應(yīng)對(duì)寬溫度范圍。

氫燃料電池車比汽油車還要安全，作為液體，碳基燃料一旦泄露就會(huì)流動(dòng)散布開來。

當(dāng)傳統(tǒng)燃料燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生灰燼，同時(shí)輻射大量的熱。然而氫卻不是這樣。氫燃燒時(shí)不產(chǎn)生熱的灰燼，很少輻射熱量。

更重要的是，當(dāng)氫氣泄漏時(shí)，它不是流動(dòng)開來，而是迅速揮發(fā)散布在大氣中，所以它幾乎沒有時(shí)間來燃燒。

氫是地球上取之不盡用之不竭的能源，而且在驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)，排放的只有水氣，沒有二氧化碳，是真正的*。

目前絕大多數(shù)電動(dòng)車仍然需要從電網(wǎng)中獲得電能，而中國(guó)的電能80%來自燃煤發(fā)電廠，燃煤發(fā)電廠的污染程度是相當(dāng)高的。

中國(guó)有zui豐富的煤炭資源，這就注定我國(guó)的能源格局中，燃煤發(fā)電至少在50年內(nèi)都是電能的主要來源。

盡管這幾年中國(guó)一花獨(dú)秀地大力推進(jìn)純電動(dòng)車的發(fā)展，但是也確信氫燃料電池車是節(jié)能減排的終ji方案。

按照工信部2016年10月發(fā)布的氫燃料電池車發(fā)展規(guī)劃，到2020年，燃料電池車將會(huì)達(dá)到5000輛，2025年達(dá)到5萬輛，2030年達(dá)到100萬輛。同期建設(shè)加氫站分別為100座，350座和1000座。

中國(guó)發(fā)展氫燃料電池車有個(gè)突出優(yōu)勢(shì)，這就是中國(guó)是世界上鋼廠、煉化、煤氣化廠分布密度高的國(guó)家，所有大中城市周邊均有鋼廠、煉化或煤氣化廠。

煉鋼和化工行業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品氫氣，這就是焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣提取的氫氣成本大約為人民幣每公斤30元，遠(yuǎn)低于汽油的價(jià)格。

光是在上海鋼鐵和化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的氫氣副產(chǎn)品，就足以可以支撐40萬輛新能源車的行駛；對(duì)于山西的話，足以支撐500萬輛氫燃料電池車。

鋼鐵工業(yè)已經(jīng)形成一套經(jīng)過多年安全驗(yàn)證的氫氣的儲(chǔ)存與運(yùn)輸方式，可以低成本改造為加氫站。

對(duì)新能源車來說，電池、VCU、BSM、電機(jī)效率都缺乏提升空間，有提升空間的當(dāng)屬電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。

而電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分核心的元件IGBT則是需要重視的，IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。

不僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)要用IGBT，新能源的發(fā)電機(jī)和空調(diào)部分一般也需要IGBT。

也正因?yàn)镮GBT太重要，豐田在開發(fā)混合動(dòng)力車時(shí)就認(rèn)定IGBT管要*控制在手中，豐田也是唯yi能夠自產(chǎn)IGBT管的汽車廠家（自產(chǎn)，而不是買別人的晶圓再做封裝），普銳斯也因此獲得強(qiáng)大的生命力，也是目前唯yi的強(qiáng)混合動(dòng)力車。

不僅是新能源車，直流充電樁和機(jī)車（高鐵和地鐵）的核心也是IGBT管，直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。

電力機(jī)車一般需要 500 個(gè) IGBT 模塊，動(dòng)車組需要超過 100 個(gè) IGBT 模塊，一節(jié)地鐵需要 50-80 個(gè) IGBT 模塊。

特斯拉成本節(jié)約之處

特斯拉Model X使用132個(gè)IGBT管，由英飛凌提供，其中后電機(jī)為96個(gè)，前電機(jī)為36個(gè)，每個(gè)單管的價(jià)格大約4-5美元，合計(jì)大約650美元。

如果改用模塊的話，估計(jì)需要12-16個(gè)模塊，成本大約1200-1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本。

Si IGBT向SiC MOSFET轉(zhuǎn)換

SiC PCU

豐田內(nèi)部完成SiC元件所有工序

混動(dòng)上也大量使用SiC

特斯拉Model 3長(zhǎng)續(xù)航的奧秘

特斯拉與SiC

特斯拉是繼豐田后第二家使用全SiC功率模塊的車企，工程設(shè)計(jì)部門直接與意法半導(dǎo)體的合作，特斯拉逆變器由24個(gè)1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。

如圖所示，實(shí)際的連接還有很多的細(xì)節(jié)，在拆解過程中發(fā)現(xiàn)，為了有效地做好這些連接，使用了大量的激光焊接的工藝，來把MOSFET與銅母線相連。

SiC在氫燃料車上

成本逐漸降低

兩大技術(shù)難點(diǎn)，溝槽與集成SBD

SiC的產(chǎn)業(yè)狀況

日本遙遙領(lǐng)xian，英飛凌收購(gòu)Wolfspeed被美國(guó)CFIUS拒

中國(guó)嚴(yán)重落后，差距在10年以上

IGBT目前已經(jīng)發(fā)展到7.5代，第7代由三菱電機(jī)在2012年推出，三菱電機(jī)目前的水平可以看作7.5代，同時(shí)IGBT的下一代SiC技術(shù)已經(jīng)在日本全面普及，無論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力制造出SiC元件，我國(guó)目前停留在第三代水平上，差距在10年以上。

Si IGBT與SiC MOSFET的技術(shù)有相通之處，擁有IGBT技術(shù)有利于開發(fā)SiC產(chǎn)品。

SiC基板材料技術(shù)短缺，嚴(yán)重制約中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)的SiC元件的發(fā)展，同時(shí)也無法降低成本。日本即使小廠都能自制SiC基板，材料科技。

氫燃料電池車核心技術(shù)：儲(chǔ)氫罐

儲(chǔ)氫罐為何重要？

1、高成本，儲(chǔ)氫罐是氫燃料電池車中除了電池外占成本比例第二高的零部件，乘用車車載儲(chǔ)氫罐一般儲(chǔ)存6kg左右的高壓氫氣，保證行駛里程（600km），儲(chǔ)氫罐的體積和重量將分別在240L和130kg左右，國(guó)外儲(chǔ)氫壓力70MPa，國(guó)內(nèi)35MPa，且多采用金屬材料，效率低下，體積龐大，重量驚人，成本*，只能用于公交車和貨車大型車輛。

國(guó)外儲(chǔ)氫罐一般使用碳纖維，預(yù)計(jì)乘用車高壓儲(chǔ)氫瓶成本5~6萬元，其中碳纖維材料的成本約為60~70%。日本是zui大的碳纖維出口國(guó)，*超過95%，日系氫燃料電池車具備成本優(yōu)勢(shì)。

2、大體積，儲(chǔ)氫罐是氫燃料電池車中體積大的底盤下部件，儲(chǔ)氫罐決定了乘坐空間的大小。

3、安全 。儲(chǔ)氫罐必須保證安全，需要進(jìn)行多項(xiàng)的測(cè)試、氫氣循環(huán)試驗(yàn)、火災(zāi)試驗(yàn)、沖擊破壞試驗(yàn)、溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)、貫穿試驗(yàn)、化學(xué)暴露試驗(yàn)等等。這導(dǎo)致其技術(shù)門檻大幅度提高。

4、續(xù)航里程。氫氣儲(chǔ)存的越多，自然續(xù)航里程越遠(yuǎn)，但這可能導(dǎo)致更高的儲(chǔ)氫罐重量。

儲(chǔ)氫罐發(fā)展歷史

早為純金屬儲(chǔ)氫罐，由于是單層結(jié)構(gòu)，無法對(duì)容器安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。因此，這類儲(chǔ)罐僅適用于固定式、小儲(chǔ)量的氫氣儲(chǔ)存，遠(yuǎn)不能滿足車載系統(tǒng)要求。

后來出現(xiàn)金屬內(nèi)膽外加碳纖維纏繞，初僅是罐體中部纏繞，后來發(fā)展到全罐纏繞。

纏繞方案主要包括層板理論與網(wǎng)格理論。多層結(jié)構(gòu)的采用不僅可防止內(nèi)部金屬層受侵蝕，還可在各層間形成密閉空間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐安全狀態(tài)的在線監(jiān)控。

全復(fù)合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)氫罐是終ji目標(biāo)

為了進(jìn)一步降低儲(chǔ)罐質(zhì)量，人們利用具有一定剛度的塑料代替金屬，制成了全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐。

這類儲(chǔ)罐的筒體一般包括3 層：塑料內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)層、保護(hù)層。

塑料內(nèi)膽不僅能保持儲(chǔ)罐的形態(tài)，還能兼作纖維纏繞的模具。同時(shí)，塑料內(nèi)膽的沖擊韌性優(yōu)于金屬內(nèi)膽，且具有優(yōu)良的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫和高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)。全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐的質(zhì)量更低，約為相同儲(chǔ)量鋼瓶的50%，因此，其在車載氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)具備優(yōu)勢(shì)。

豐田在2015年5月舉行的日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)春季大會(huì)（日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)主辦）上，就燃料電池車“MIRAI”配備的高壓儲(chǔ)氫罐的輕量化發(fā)表了演講。

高壓儲(chǔ)氫罐采用三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是密封氫氣的樹脂襯里，中層是確保耐壓強(qiáng)度的碳纖維強(qiáng)化樹脂（CFRP）層，表層是保護(hù)表面的玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層。

MIRAI的儲(chǔ)氫罐的輕量化瞄準(zhǔn)的是中層。中層采用的是對(duì)含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞(Filament winding)工藝。

纏繞方法有強(qiáng)化筒部的環(huán)向纏繞、強(qiáng)化邊緣的高角度螺旋纏繞和強(qiáng)化底部的低角度螺旋纏繞三種，三種方式均減少了纏繞圈數(shù)。

環(huán)向纏繞通過使高應(yīng)力區(qū)集中在內(nèi)層來確保強(qiáng)度，減少了纏繞的總?cè)?shù)。

高角度螺旋纏繞通過改變塑料襯里的形狀，減少了向筒部纏繞圈數(shù)，在筒部輔以環(huán)向纏繞。

低角度螺旋纏繞通過減小管底的開口部，減小了表面壓力，從而降低了用量。通過削減這三種方式的纏繞圈數(shù)，使CFRP的用量比原來減少了40％。

通過將CFRP用量減少40％，使重量效率比原來提高了20％，達(dá)到了zui高水平的5.7wt.％。

復(fù)合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵技術(shù)：纏繞機(jī)

纏繞機(jī)是復(fù)合材料儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵設(shè)備，與其配套的張力控制系統(tǒng)、浸膠槽、多維度吐絲頭、自轉(zhuǎn)芯軸組成的濕法纏繞體系，不僅控制了生產(chǎn)成本，更決定了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，主要有美國(guó)Tankinetic和意大利的Sarplast壟斷了大型纏繞機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。中國(guó)沒有能力制造大型纏繞機(jī)。

國(guó)內(nèi)主要還是35MPa，國(guó)外是70MPa，續(xù)航里程差近50%。碳纖維是主要成本，日本是碳纖維大出口國(guó)。

全復(fù)合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)氫罐

中國(guó)主要是浙江大學(xué)在研究

2009年12月4日，浙江大學(xué)王新華研究員主持的2006年探索導(dǎo)向課題“70 MPa靜態(tài)化學(xué)熱壓縮高壓超純氫壓縮技術(shù)與裝置”通過了國(guó)家科技部高技術(shù)中心組織專家的驗(yàn)收。2009年科技部又推出了863課題，研制70Mpa的車載氣瓶，取得的主要成果有：

（1）安全狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控的全多層大容積高壓儲(chǔ)氫容器將鋼帶錯(cuò)繞筒體技術(shù)與雙層等厚度半球形封頭和加強(qiáng)箍等結(jié)構(gòu)相結(jié)合，創(chuàng)新性地提出了全多層高壓容器結(jié)構(gòu)，研制成功擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的*高于70MPa的鋼帶錯(cuò)繞全多層高壓儲(chǔ)氫容器，突破了高壓氫氣的經(jīng)濟(jì)、安全、規(guī)模儲(chǔ)存的難題。

（2）集壓縮、凈化于一體的低能耗70MPa靜態(tài)化學(xué)氫壓縮機(jī)研發(fā)了在150℃下釋氫平臺(tái)壓力達(dá)到80MPa的儲(chǔ)氫合金，解決了高壓下儲(chǔ)氫合金粉末堆積預(yù)防和傳熱優(yōu)化、氫容量匹配等關(guān)鍵技術(shù)，形成了高壓超純氫靜態(tài)化學(xué)氫壓縮技術(shù)，研制成功了*70MPa靜態(tài)化學(xué)氫壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)同時(shí)具有顯著提高氫氣純度的功能。

（3）輕質(zhì)鋁內(nèi)膽纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶設(shè)計(jì)制造技術(shù)建立了纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶結(jié)構(gòu)－材料－工藝一體化的自適應(yīng)遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決了超薄（0.5mm）鋁內(nèi)膽成型、高抗疲勞性能的纏繞線形匹配等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了70MPa纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)5.78wt%，實(shí)現(xiàn)了纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶的輕量化。

（4）高壓氫氣快充溫升仿真系統(tǒng)及其控制技術(shù)考慮材料比熱容隨溫度的變化和氣瓶?jī)?nèi)外壁之間的傳熱，構(gòu)建了高預(yù)測(cè)精度的車載高壓儲(chǔ)氫容器快充溫升數(shù)值仿真系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了快充過程中氣瓶?jī)?nèi)各處壓力、溫度的分布規(guī)律，給出了實(shí)用可靠的溫升控制方法。

但是關(guān)鍵的設(shè)備如纏繞機(jī)和復(fù)合材料制造是中國(guó)短板，距商業(yè)化遙遙無期。

豐田是唯二全復(fù)合材料儲(chǔ)氫罐商業(yè)化的企業(yè)

豐田儲(chǔ)氫罐

豐田Mirai的兩個(gè)儲(chǔ)氫罐容積分別是60L和62.4L。為了布置體積較大的前儲(chǔ)氫罐，Mirai的后排座椅較高，并且只能乘坐2人。帶來的優(yōu)勢(shì)是行李廂的空間會(huì)大一些。

豐田的價(jià)格比本田低43萬日元，而配置高出本田不少。

豐田儲(chǔ)氫罐所有工藝全內(nèi)部完成

2018年2月，為了提升FCEV核心零部件的產(chǎn)能，豐田在位于日本愛知縣豐田市的總公司工廠內(nèi)新建廠房，用于增加氫燃料電池堆的產(chǎn)能。同時(shí)，在位于愛知縣三好市的下山工廠內(nèi)新建高壓儲(chǔ)氫罐生產(chǎn)線。

此次新增生產(chǎn)設(shè)施，除為了滿足在2020年后通過豐富產(chǎn)品線帶來FCEV銷量增長(zhǎng)所需的產(chǎn)能外，同時(shí)也將滿足應(yīng)用于自2017年2月在東京開始銷售的氫燃料電池大巴、豐田自動(dòng)織機(jī)與2016年開始銷售的氫燃料電池叉車等所需的氫燃料電池堆、氫燃料電池單元及高壓儲(chǔ)氫罐所需的產(chǎn)能。

豐田計(jì)劃在2020年前后將MIRAI、氫燃料電池大巴等氫燃料電池車的銷量擴(kuò)大至每年3萬輛以上。

本田和奔馳儲(chǔ)氫罐采用挪威Hexagon 技術(shù)