この記事では、新エネルギー車の水素貯蔵およびバッテリー パック エンクロージャにおける炭素繊維複合材料の現在の用途と研究の進捗状況を調査します。高圧ガスシリンダーとバッテリーパックエンクロージャの分類と開発傾向を論じ、炭素繊維複合材の長所と短所を分析し、新エネルギー車の分野における高性能繊維複合材の将来の応用と展望を予測します。

炭素繊維複合材料の概要

軽量材料を使用して車両重量を軽減することは、新エネルギー車の軽量化を達成するための重要な方法となっています。材料科学の継続的な発展に伴い、ガラス繊維強化複合材料や炭素繊維強化複合材料などのさまざまな軽量繊維複合材料が新エネルギー車の分野で使用され始めています。

炭素繊維複合材は、低密度、高強度、耐食性、耐疲労性で知られ、自動車分野で最も広く使用されている高性能繊維複合材です。車体のドアやルーフ、エンジン系のプッシュロッドやロッカー、トランスミッション系のドライブシャフトやクラッチブレード、足回りフレームやサスペンション部品などのシャシー部品など、自動車のさまざまなシステムに幅広く使用されています。

新エネルギー自動車の急速な発展に伴い、その電力エネルギーの安全な貯蔵が重要な研究の焦点となっています。水素エネルギー自動車用の高圧ガスシリンダーと電気自動車用のバッテリーパックエンクロージャーは、現在、主要なエネルギー貯蔵方法です。炭素繊維複合材料は、その多くの利点により、この分野で注目を集め始めています。

カーボンファイバーの紹介

炭素繊維は一般に強化材として使用され、樹脂、金属、またはセラミックのマトリックスと組み合わせて炭素繊維複合材料を形成します。図 1 は、炭素繊維織物と炭素繊維複合材プロファイルの例を示しています。

炭素繊維には次のような利点があります。

1. 低密度かつ高強度: 密度はわずか 1.5 ～ 2.0 g/cm³ で、軽量アルミニウム合金の約半分の密度ですが、強度は鋼の 4 ～ 5 倍、アルミニウムの 6 ～ 7 倍です。

2. 高温および低温耐性: 炭素繊維は、3000°C の非酸化性雰囲気中で溶融または軟化せず、液体窒素温度でも脆くなりません。

3. 良好な導電性: 25°C では、高弾性炭素繊維の比抵抗は 775Ω·cm ですが、高強度炭素繊維の比抵抗は 1500Ω·cm です。

4. 耐酸腐食性：炭素繊維は濃塩酸、リン酸、硫酸に対する腐食に耐性があります。

前駆体の種類、機械的特性、フィラメント束のサイズに基づいて、炭素繊維は表 1 に示すようにいくつかの種類に分類できます。

炭素繊維は通常、その機械的特性、主に引張強度と弾性率によって分類されます。高強度タイプは強度2000MPa、弾性率250GPa、高弾性タイプは300GPaを超えます。超高強度タイプは4000MPaを超える強度を持ち、超高弾性タイプは450GPaを超える弾性率を持ちます。

自動車分野における炭素繊維複合材料の現在の応用例

グリーンエネルギーと効率に対する需要の高まりに伴い、自動車の軽量化レベルは上昇し続けています。欧州アルミニウム協会のデータによると、車両の重量を 10% 削減すると、エネルギー効率が 6% ～ 8% 向上し、100 キロメートルあたりの汚染物質の排出量が 10% 削減されます。新エネルギー車の場合、重量を 100 kg 減らすと航続距離が約 6% ～ 11% 伸びる可能性があります。

軽量かつ高強度の炭素繊維複合材料は、自動車に幅広い用途があります。表 2 に炭素繊維複合材料を使用するいくつかの車種を示し、図 2 に世界の自動車用炭素繊維市場の市場規模と予測を示します。この市場は 2025 年までに 20,100 トンに達すると予想されています。

水素貯蔵における炭素繊維複合材料の応用

炭素繊維複合材料は、高い強度、耐食性、耐疲労性、良好な難燃性、寸法安定性により、新エネルギー車や軽量バッテリーパックの筐体の水素貯蔵に理想的な材料です。

高圧水素貯蔵タンク

高圧ガスシリンダーは、国内外のメーカーが水素貯蔵に広く採用している方式です。高圧水素貯蔵タンクは材質によりタイプI、Ⅱ、Ⅲ、IVに分類され、それぞれ純鋼製、繊維ラッピングされたスチールライナー、繊維ラッピングされた金属ライナー、および繊維ラッピングされたプラスチックライナーで作られています。図 3 に示すように。

表 3 は、さまざまなタイプの水素貯蔵タンクの性能を比較しています。高圧水素貯蔵は、定置式高圧貯蔵、軽量車載式高圧貯蔵、輸送用高圧貯蔵に分けられます。固定式高圧貯蔵タンク（通常は鋼製水素タンクや鋼製圧力容器）は、主に水素補給ステーションで使用され、低コストで成熟した開発を実現します。

車載の軽量高圧貯蔵タンクは、主にアルミニウム合金または炭素繊維でラッピングされたプラスチックライナーを使用して、構造強度を高め、全体の重量を軽減します。国際的には、70 MPa の炭素繊維で包まれたタイプ IV タンクが水素燃料電池自動車に広く使用されていますが、国内では 35 MPa の炭素繊維で包まれたタイプ Ⅲ タンクがより一般的であり、70 MPa の炭素繊維で包まれたタイプ Ⅲ タンクの用途は少ないです。

車載高圧水素貯蔵タンクの炭素繊維複合材

車載用高圧水素貯蔵の主流はⅢ型、Ⅳ型タンクで、主にライナーと繊維巻き層で構成されています。図4に炭素繊維複合材タイプIV高圧水素貯蔵タンクの断面図を示します。ライナーの周囲に螺旋状およびフープ状に巻き付けられた繊維複合材料は、主にライナーの構造強度を高めます。

現在、車載の高圧水素貯蔵タンクに使用される一般的な繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、炭化ケイ素繊維、酸化アルミニウム繊維、アラミド繊維、ポリ（p-フェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維などがあります。中でも炭素繊維はその優れた特性から繊維素材の主流となりつつあります。

国内では、高圧水素貯蔵タンクの開発は国際的な進歩に遅れをとっています。米国、カナダ、日本は70MPa水素貯蔵タンクの量産を達成し、IV型タンクの使用を開始している。ゼネラルモーターズなどの米国企業は炭素繊維で包まれた層の構造を強化し、カナダのダイネットテックは巻き層と移行層を改良し、炭素繊維と樹脂マトリックスの複合強度を高めている。しかし、プラスチックや金属のシーリングなどの問題により、中国の規制は現在、その広範な使用を許可していません。

浙江大学や同済大学などの国内機関は70MPaの水素貯蔵タンクの開発に成功しており、ボホン Energy傘下のBlue 空 Energyなどの企業は70MPaの車両用水素貯蔵システムを突破している。さらに、瀋陽 ムクドリ、北京 ケタイケ、北京 Tianhaiなどの企業も70 MPaの水素貯蔵タンクを開発し、テストしました。

70 MPa 炭素繊維被覆 IV 型タンクの国内での量産は技術が未熟であり、困難であるため、製造コストが高く、IV 型タンクの需要と開発が大きく阻害されています。米国自動車研究評議会の調査によると、高圧水素貯蔵タンクは生産規模が大きいほどコストが下がるという。生産規模が1万セットから50万セットに増えると、コストは5分の1に下がります。したがって、製造技術の進歩と生産規模の拡大により、将来的には高レベルの炭素繊維被覆車載用高圧水素貯蔵タンクが輝けることは間違いありません。

バッテリーパックエンクロージャにおける炭素繊維複合材料の応用

電池パックの筐体の開発

新エネルギー電源バッテリーの安定性と安全性は常に懸念の焦点です。バッテリー パック エンクロージャは、新エネルギー車バッテリー システムの重要なコンポーネントであり、電気システムと車両の安全性と密接に関係しています。エンクロージャで覆われたパワー バッテリ パックがバッテリ パックの本体を形成します。

バッテリー パックのエンクロージャは、バッテリー モジュールの安全な操作と保護において重要な役割を果たしており、耐食性、絶縁性、通常および低温の衝撃 (-25°C) に対する耐性、および難燃性を備えた材料が必要です。図 5 は、新エネルギー車の電源バッテリー パックとその分解を示しています。

バッテリー パック エンクロージャは、バッテリー モジュールのキャリアとして、バッテリー モジュールの安定した動作と安全保護を保証します。通常、リチウム バッテリーを外部の衝突や圧縮による損傷から保護するために車両の底部に取り付けられます。従来の車両用バッテリー エンクロージャは、鋼板やアルミニウム合金などの材料から鋳造されており、保護のために表面コーティングが施されています。省エネルギーで軽量な車両の開発に伴い、バッテリーエンクロージャーの材料には、ガラス繊維強化複合材料、シート成形材料、炭素繊維強化複合材料などの軽量な代替品が登場しています。

スチール製バッテリー パック エンクロージャは、パワー バッテリー パックに使用されるオリジナルの素材で、通常は溶接鋼板で作られ、高い強度と剛性を備えていますが、高密度で質量も大きいため、追加の腐食防止プロセスが必要です。アルミニウム合金の筐体は、パワー バッテリー パックの主流の素材であり、軽量 (鋼密度のわずか 35%)、加工と成形の容易さ、耐食性を備えています。

軽量車両の開発と熱硬化性プラスチック成形技術の進歩に伴い、新しいプラスチックや複合材料がバッテリーパックの筐体材料として徐々に使用されています。熱硬化性プラスチックのバッテリー パック エンクロージャの重量は 35 kg で、金属製のエンクロージャよりも約 35% 軽く、340 kg のバッテリを搭載できます。

バッテリーパックのエンクロージャにおける炭素繊維複合材の展望

カーボンファイバー複合材は、その多くの利点により、従来の金属製バッテリーエンクロージャの理想的な代替品となっており、すでに一部の車両モデルで予備的な用途が確認されています。たとえば、ニオ はドイツの スリージーエル 炭素 と協力して、180 (W·h)/kg を超えるエネルギー密度を備え、アルミニウム構造と比較してシェル重量を 40% 削減した 84 キロワット時 カーボンファイバー バッテリー パックを開発しました。天津先進技術研究所と麗神は共同で、重量約24kgの炭素繊維複合材バッテリーパック筐体を開発し、アルミニウム合金構造と比較して重量を50%削減し、エネルギー密度は最大210(W·h)/kgとなった。

ドゥアン ドゥアンシャン らの研究者は、は、炭素繊維複合材バッテリーパックエンクロージャの軽量設計とプライプロセスの最適化を実施し、関連する作業条件を満たしながら、鋼構造と比較してエンクロージャの重量を 66% 削減しました。趙暁宇ら。カーボンファイバーコンポジットと剛性等価設計手法を採用した軽量バッテリーパック筐体により、鉄骨構造と比較して64%～67.6%の軽量化を実現しました。

リューら。カーボンファイバーコンポジットバッテリーパック上部カバーの軽量設計課題をRBDO法で解決し、性能要件を満たしながら22.14%の軽量化を達成しました。 タン Lizhongら。厚さ 1.5 んん のアルミニウム製アッパー カバー (スキーム 1)、厚さ 1.5 んん のカーボンファイバー製アッパー カバー (スキーム 2)、および 0.5 んん カーボンファイバー 3 んん 厚さのハニカム パネル 0.5 んん 厚さのカーボンファイバー複合アッパー カバーの 3 つのソリューションを比較しました。 (スキーム 3)。彼らは、スキーム 3 が最適であり、スキーム 1 と比較して重量を 31% 削減できることを発見しました。

金属ライナー繊維包装タンク (タイプ Ⅲ) およびプラスチックライナー繊維包装タンク (タイプ IV) は、繊維複合包装ガスシリンダーの主流です。ガラス繊維、炭化ケイ素繊維、酸化アルミニウム繊維、ホウ素繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリ(p-フェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維などの繊維が、繊維複合材で包まれたガスシリンダーの製造に使用されてきました。軽量、耐衝撃性、難燃性の繊維複合材料も、将来の軽量バッテリーパック筐体にとって重要な材料となることが期待されています。

しかし、コストの制約により、炭素繊維複合材が主流の高性能繊維複合材はバッテリーパックの筐体には広く適用されていません。新しいエネルギーの開発と繊維複合材の用途の拡大に伴い、繊維複合材の使用コストは徐々に低下すると考えられています。繊維複合材料は、将来の新エネルギー市場で輝くことになるでしょう。