丰田MIRAI高压储氢罐的碳纤维用量减少贸易

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 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％。

高压储氢罐的储存性能用储氢重量除以罐体重量得到的重量效率来衡量，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.％。

另外，对于按照高压储氢罐的全球技术规则(Global technical regulation) 新设计的非常严格的局部火烧试验（以600℃以上的高温对溶栓式安全阀背面连续用火烧10分钟），采取用含有膨胀石墨的耐火聚氨酯板来保护吸收下落冲击的耐冲击聚氨酯护板的方法，确保了耐火性能。这样一来，即使追加耐火性能，不用改变原来的罐体状态，就可以兼顾耐摔性能和耐火性能。（特约撰稿人：伊东敏夫，芝浦工业大学）