兩大技術(shù)難點，溝槽與集成SBD

SiC的產(chǎn)業(yè)狀況

日本遙遙領(lǐng)先，英飛凌收購Wolfspeed被美國CFIUS拒

中國嚴重落后，差距在10年以上

IGBT目前已經(jīng)發(fā)展到7.5代，第7代由三菱電機在2012年推出，三菱電機目前的水平可以看作7.5代，同時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，嚴重制約中國、德國和美國的SiC元件的發(fā)展，同時也無法降低成本。日本即使小廠都能自制SiC基板，材料科技全球領(lǐng)先。

氫燃料電池車核心技術(shù)：儲氫罐

儲氫罐為何重要？

1、高成本，儲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，乘用車車載儲氫罐一般儲存6kg左右的高壓氫氣，保證行駛里程（600km），儲氫罐的體積和重量將分別在240L和130kg左右，國外儲氫壓力70MPa，國內(nèi)35MPa，且多采用金屬材料，效率低下，體積龐大，重量驚人，成本極高，只能用于公交車和貨車大型車輛。國外儲氫罐一般使用碳纖維，預計乘用車高壓儲氫瓶成本5~6萬元，其中碳纖維材料的成本約為60~70%。日本是全球最大的碳纖維出口國，全球市場占有率超過95%，日系氫燃料電池車具備成本優(yōu)勢。 

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

3、安全 。儲氫罐必須保證安全，需要進行多項的測試、氫氣循環(huán)試驗、火災試驗、沖擊破壞試驗、極端溫度壓力循環(huán)試驗、貫穿試驗、化學暴露試驗等等。這導致其技術(shù)門檻大幅度提高。 

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

儲氫罐發(fā)展歷史

最早為純金屬儲氫罐，由于是單層結(jié)構(gòu)，無法對容器安全狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測。因此，這類儲罐僅適用于固定式、小儲量的氫氣儲存，遠不能滿足車載系統(tǒng)要求。后來出現(xiàn)金屬內(nèi)膽外加碳纖維纏繞，最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，以實現(xiàn)對儲罐安全狀態(tài)的在線監(jiān)控。

全復合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲氫罐是終極目標

為了進一步降低儲罐質(zhì)量，人們利用具有一定剛度的塑料代替金屬，制成了全復合輕質(zhì)纖維纏繞儲罐。這類儲罐的筒體一般包括3 層：塑料內(nèi)膽、纖維增強層、保護層。塑料內(nèi)膽不僅能保持儲罐的形態(tài)，還能兼作纖維纏繞的模具。同時，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、耐高溫和高強度、高韌性等特點。全復合輕質(zhì)纖維纏繞儲罐的質(zhì)量更低，約為相同儲量鋼瓶的50%，因此，其在車載氫氣儲存系統(tǒng)中的競爭具備絕對優(yōu)勢。 

豐田在2015年5月舉行的日本汽車技術(shù)協(xié)會春季大會（日本汽車技術(shù)協(xié)會主辦）上，就燃料電池車“MIRAI”配備的高壓儲氫罐的輕量化發(fā)表了演講。 高壓儲氫罐采用三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是密封氫氣的樹脂襯里，中層是確保耐壓強度的碳纖維強化樹脂（CFRP）層，表層是保護表面的玻璃纖維強化樹脂層。 

MIRAI的儲氫罐的輕量化瞄準的是中層。中層采用的是對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。纏繞方法有強化筒部的環(huán)向纏繞、強化邊緣的高角度螺旋纏繞和強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)向纏繞通過使高應力區(qū)集中在內(nèi)層來確保強度，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％，達到了全球最高水平的5.7wt.％。

復合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲氫罐關(guān)鍵技術(shù)：纏繞機

纏繞機是復合材料儲氫罐關(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，全球主要有美國Tankinetic和意大利的Sarplast壟斷了大型纏繞機的關(guān)鍵技術(shù)。中國沒有能力制造大型纏繞機。 

國內(nèi)主要還是35MPa，國外是70MPa，續(xù)航里程差近50%。 

碳纖維是主要成本，日本是碳纖維最大出口國。

全復合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲氫罐

中國主要是浙江大學在研究

2009年12月4日，浙江大學王新華研究員主持的2006年探索導向課題“70 MPa靜態(tài)化學熱壓縮高壓超純氫壓縮技術(shù)與裝置”通過了國家科技部高技術(shù)中心組織專家的驗收。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)遠程在線監(jiān)控的全多層大容積高壓儲氫容器 將鋼帶錯繞筒體技術(shù)與雙層等厚度半球形封頭和加強箍等結(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產(chǎn)權(quán)的國際首臺高于70MPa的鋼帶錯繞全多層高壓儲氫容器，突破了高壓氫氣的經(jīng)濟、安全、規(guī)模儲存的難題。 

（2）集壓縮、凈化于一體的低能耗70MPa靜態(tài)化學氫壓縮機研發(fā)了在150℃下釋氫平臺壓力達到80MPa的儲氫合金，解決了高壓下儲氫合金粉末堆積預防和傳熱優(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)化學氫壓縮技術(shù)，研制成功了國際首臺70MPa靜態(tài)化學氫壓縮機，該壓縮機同時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氫氣瓶設(shè)計制造技術(shù) 建立了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶結(jié)構(gòu)－材料－工藝一體化的自適應遺傳優(yōu)化設(shè)計方法,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纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶的單位質(zhì)量儲氫密度達5.78wt%，實現(xiàn)了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶的輕量化。 

（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內(nèi)外壁之間的傳熱，構(gòu)建了高預測精度的車載高壓儲氫容器快充溫升數(shù)值仿真系統(tǒng)，準確預測了快充過程中氣瓶內(nèi)各處壓力、溫度的分布規(guī)律，給出了實用可靠的溫升控制方法。  

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

豐田是全球唯二全復合材料儲氫罐商業(yè)化的企業(yè)