文章從車用氣瓶分類及廠家、儲氫氣瓶用材料、儲氫氣瓶成型工藝、Ⅴ型無內膽氣瓶情況四個角度展開介紹。

　　

　　一、車用氣瓶分類及廠家方面

　　

　　美國機械工程 師 協 會 ( ASME ) 和國際標準化組織( ISO) 對壓力容器類型和結構的分類，氣瓶共分為 5 種類型，包括Ⅰ型全金屬氣瓶、Ⅱ型金屬內復合材料環向纏繞氣瓶、Ⅲ型金屬內復合材料纏繞氣瓶、IV 塑料內膽復合材料全纏繞氣瓶、Ⅴ型無內膽全復合材料氣瓶。內膽是儲氫氣瓶的核心部件，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型儲氫瓶內膽大多為金屬材料，不適合長期儲存，而Ⅳ型儲氫瓶內膽采用塑料等復合材料，耐滲透性和耐熱性較好。目前，Ⅳ型儲氫瓶憑借優異的抗氫脆腐蝕性、更輕的質量，以及更高質量儲氫密度和循環壽命，正成為燃料電池汽車行業的“新寵”。

　　

　　而在剛剛過去的6月份，由浙江大學、國家市場監督管理總局特種設備安全監察局等單位聯合起草的國家標準《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》發布，將于2024年6月1日正式實施，標準的出臺也為Ⅳ型儲氫瓶的發展掃清了標準上的障礙。

　　

　　

（氣瓶分類及主要特點，圖片來自文獻配圖）

　　

　　表1  國際高壓儲氫氣瓶主要生產商

　 　 

　　　　

二、儲氫氣瓶用材料

　　

　　我們都知道，儲氫氣瓶制造所需材料主要分為內膽材料、中間層材料及外層保護層材料。文章作者也從這三個方面進行了分析論述。

　　

　　2.1 內膽材料

　　

　　就Ⅲ型氣瓶來說，為鋁合金內膽，一般采用 6061 鋁合金，6061鋁合金的應力－應變曲線如下圖所示

　　

　　

　　

　　（合金6061(T6)應力-應變曲線，圖片來自文獻配圖）

　　

　　需要強調指出，由于金屬鋁與碳纖維存在電位差，易產生腐蝕，所以Ⅲ型氣瓶中的鋁內膽與碳纖維纏繞層不能直接接觸，這就需要在鋁內膽與碳纖維纏繞層之間增加防電偶腐蝕層，從而進一步增加了氣瓶總體重量。

　　

　　對于Ⅳ型氣瓶來說，內膽材料一般采用聚酰胺 ( PA6) 、高密度聚乙烯 ( HDPE) 等材質，需滿足軟化溫度 100 ℃以上、抗氫滲透、抗高低溫、耐沖擊、可與復合材料層界面良好結合、優異的力學和加工成型性能等要求。塑料內膽一般采用注塑、吹塑、擠塑或滾塑成型。

　　

　　2. 2 中間層與外層纖維材料

　　

　　作者對中間層碳纖維的使用經驗進行了介紹。我們知道，在傳統的復合材料全纏繞氣瓶強度設計時，氣瓶的內壓完全由中間層的增強纖維承擔，中間層纏繞纖維一般為碳纖維材料。那么每個儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量及其額定壓力，根據經驗法則，在 70 MPa 下每儲存 1 kg 氫氣需要10 kg 碳纖維。在保證耐壓等級的前提下，應盡量減小該層厚度以提高儲氫效率。

　　

　　以東麗公司碳纖維為例，以掃描電鏡圖片的形式直觀比較了干噴濕紡和濕法紡織兩種工藝制備的碳纖維用于纏繞氣瓶的區別，圖片上可以明顯看出干噴濕紡工藝制備的碳纖維單絲表面光滑無溝槽，纏繞時毛絲較少。

　　

　　

（干噴濕紡及濕法紡絲碳纖維表面SEM圖像，圖片來自文章配圖）

　　

　　儲氫氣瓶的外層材料主要起保護氣瓶的作用，為玻璃纖維增強樹脂層，玻璃纖維采用 S 型玻璃纖維或 E 型玻璃纖維。

　　

　　三、儲氫氣瓶成型工藝

　　

　　目前行業內主要采用纏繞成型，之后進入固化爐固化成型的工藝進行制作。根據所使用的原料形式的不同，分為濕法纏繞、干法纏繞和半干法纏繞。相信很多人包括小編都會望文生義，以為濕法纏繞是用預浸料，而干法纏繞是用干紗浸漬再纏繞，其實恰恰相反，濕法纏繞使用的原材料形式為碳纖維絲束，絲束首先在浸膠裝置中充分浸漬樹脂，之后在張力控制下經絲嘴直接纏繞至芯模上。而干法纏繞使用的才是預浸紗或預浸窄帶，預浸紗或預浸窄帶在纏繞機上經加熱樹脂軟化至黏流態，之后纏繞至芯模上。濕法纏繞較為靈活，對原材料要求不高，成本低，而干法纏繞是采用預浸料進行纏繞，纖維體積分數可以精確控制，現場環境整潔，目前，國內外普遍使用的是濕法纏繞工藝。三者間的優缺點，濕法纏繞的難點就在于其纖維體積含量和成品質量的控制。

　　

　　

　　

　　四、Ⅴ型無內膽氣瓶情況

　　

　　伴隨氫燃料電池和電動汽車的迅速發展與產業化，Ⅳ型儲氫氣瓶因其質量輕、耐疲勞等特點成為全世界的研究熱點，日本、韓國、美國與歐洲等國的Ⅳ型儲氫氣瓶均已量產，同時，我國也在加大Ⅳ型儲氫氣瓶的研究計劃，突破關鍵技術、關鍵材料及成型工藝等問題，由邁愛德®、【碳纖維研習社】將于2023年7月26日在中國•蘇州匯融廣場假日酒店舉辦的【2023中國（第三屆）儲氫氣瓶關鍵材料與技術論壇】，也是聚焦當前主流方向，邀請產學研資等相關重要代表，共同研討儲氫氣瓶，尤其是Ⅳ型儲氫氣瓶關鍵材料與技術問題。

　　

　　文章對Ⅴ型氣瓶的發展進行了論述，指出Ⅴ型氣瓶一直被認為是壓力容器行業產品和技術的制高點，因其不使用Ⅳ型氣瓶的塑料內膽，僅依靠碳纖維復合材料來提供結構性能并防止氣體泄漏，對工藝和材料都提出了更高的要求。國外已開發出多款用于商業應用或工業研究的Ⅴ型氣瓶產品，如復合材料技術發展公司 ( CTD) 的Ⅴ型氣瓶如下圖所示。

　　

　　無內膽氣瓶這類出口小而內腔大的結構復雜的復合材料產品，制造時必須將增強纖維纏繞在水溶性或可拆卸的芯模上。芯模的適用性取決于氣瓶的物理尺寸及開口尺寸。Ⅴ型氣瓶產品具有更低的產品重量，儲氫效率進一步提升，無內膽設計使得產品熱變形降低，且其在爆裂故障前為良性泄漏特性，具有更低更穩定的滲透速率及高壓高循環能力。

　　

　　Ⅴ型氣瓶的試驗與應用在國外已經逐步展開，但離井噴式發展尚有很長的路需要走。

　　

　　目前來看，隨著氫能利用的優勢越來越凸顯，電動汽車等新能源行業的快速發展，加之儲氫氣瓶新國標的正式發布和實施，極大提振了行業信心，為行業發展指明了方向。