一文了解复合材料储氢瓶（上篇）

氢能作为一种零碳能源， 具有来源丰富、洁净环保、燃烧值高、无污染、可储运等一系列优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源。氢气的储存是氢能利用重要的环节，氢气存储技术也是推动氢和燃料电池技术在交通、发电等领域应用发展的关键技术。

在氢能技术的快速发展中，储氢瓶作为氢能储存的关键设备，其类型及性能对于氢能的应用与推广具有至关重要的作用。当前，市场上储氢瓶种类繁多，各具特色，其中，复合材料高压气态储氢瓶以其高强度、轻量化、高压储氢以及高安全性等特点，在氢能储存领域脱颖而出，成为当前研究的热点和未来发展的方向。高压储氧气瓶主要分为四个类型：全金属气瓶( Ⅰ型) 、金属内胆纤维环向缠绕气瓶( Ⅱ型) 、金属内胆纤维全缠绕气瓶( Ⅲ型) 、非金属内胆纤维全缠绕气瓶( Ⅳ型)。其中，Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，难以满足氢燃料电池汽车的储氬密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构，具有重容比小、单位质量储氧密度高等优点，目前已广泛应用于氧燃料电池汽车。

复合材料高压储气瓶的发展始于20世纪50 年代，储气瓶具有质量轻、高强度、高模量和可设计性强等特点，被广泛应用于航空航天、建筑、汽车、火箭等重要领域。早期的复合高压气瓶的形成主要是玻璃纤维、芳纶纤维等浸渍树脂逐层缠绕铝或者钢内胆上， 60年代开始开始出现了新型材料即硼纤维和碳纤维增强复合材料。

美国在1972年开始使用纯金属的铝合金气瓶，1975年研制出复合材料缠绕铝内胆的高压气瓶，德国戴姆勒克莱斯勒汽车公司于2008年开始研发氢燃料电池汽车，并于2008年开始生产奔驰氧燃料电池汽车，其高压储氢气瓶的公称工作压力为70MPa，续驶里程达678km。美国通用汽车公司研发氧燃料电池汽车始于1964年.韩国现代公司于2010年开发出第三代燃料电池汽车， Tucsonix 燃料电池电动汽车( FCEV) ， 设置有100kW 燃料电池系统和两个储氢气瓶( 70MPa) 。储氢气瓶充满氢气后全行程为650km，相当于汽油动力汽车，可在温度低达－25℃ 下启动。

国际高压储氢气瓶主要生产商见下表。

复合材料全缠绕储氢气瓶制造所需材料主要 包括内胆材料、中间层材料及外层保护层材料。

储氢气瓶内胆与氢气直接接触，在使用时起到阻隔氢气密封防泄漏作用。另外在缠绕成型时， 内胆亦可起到缠绕模具作用。对于Ⅲ型气瓶来说，为铝合金内胆，一般采用 6061 铝合金。

在传统的复合材料全缠绕气瓶强度设计时， 气瓶的内压完全由中间层的增强纤维承担，中间层缠绕纤维一般为碳纤维材料。每个储罐的碳纤维使用量取决于储罐的容量及其额定压力，根据经验法则，在 70 MPa 下每储存 1 kg 氢气需要10 kg 碳纤维。在保证耐压等级的前提下，应尽量减小该层厚度以提高储氢效率。以东丽公司碳纤维为例，其公司用于缠绕气瓶领域的碳纤维基本属于干喷湿纺工艺产品，其产品特点为单丝表面光滑无沟槽，图如 3 ( a) 所 示，缠绕时毛丝较少。

从车载储氢瓶材料成本来看，储氢瓶的成本主要集中在外部缠绕用的碳纤维复合材料。对于储氢质量均为5.6kg的35MPa、70MPa高压储氢IV型瓶成本构成来看，碳纤维复合材料成本分别占系统总成本的75%和78%。

根据DOE对车载高压储氢瓶项目的早期成本评估可以发现，无论是35MPa，亦或是70MPa，总体而言，III型高压储氢气瓶成本都要略高于IV型，其主要原因在于，III型瓶储罐采用大量金属铝材料。

与之相比，IV型瓶采用的高分子聚合物价格较低，聚合物用量也较少。Ⅲ型瓶向Ⅳ型瓶转变，是未来的发展趋势。

（未完待续）

参考文献

[1]马全胜,王文义,卢钊钧.复合材料全缠绕储氢气瓶研制及应用进展[J].高科技纤维与应用,2023,48(03):13-19.