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)先，英飛凌收購Wolfspeed被美國CFIUS拒

中國嚴(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、德國和美國的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，材料科技全球領(lǐng)先。

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，國外儲(chǔ)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(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%。日本是全球最大的碳纖維出口國，全球市場(chǎng)占有率超過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最大的底盤下部件，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)、極端溫度壓力循環(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

最早為純金屬儲(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，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(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)氫罐是終極目標(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)具備絕對(duì)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)到了全球最高水平的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，全球主要有美國Tankinetic和意大利的Sarplast壟斷了大型纏繞機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。中國沒有能力制造大型纏繞機(jī)。 

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(fù)合材料輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)氫罐

中國主要是浙江大學(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)的國際首臺(tái)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)，研制成功了國際首臺(tái)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?。?.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)量儲(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內(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)了快充過程中氣瓶內(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)合材料制造是中國短板，距商業(yè)化遙遙無期。

豐田是全球唯二全復(fù)合材料儲(chǔ)氫罐商業(yè)化的企業(yè)