氫能作為一種零碳能源， 具有來(lái)源豐富、潔凈環(huán)保、燃燒值高、無(wú)污染、可儲(chǔ)運(yùn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉?。氫氣的?chǔ)存是氫能利用重要的環(huán)節(jié)，氫氣存儲(chǔ)技術(shù)也是推動(dòng)氫和燃料電池技術(shù)在交通、發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

在氫能技術(shù)的快速發(fā)展中，儲(chǔ)氫瓶作為氫能儲(chǔ)存的關(guān)鍵設(shè)備，其類(lèi)型及性能對(duì)于氫能的應(yīng)用與推廣具有至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，市場(chǎng)上儲(chǔ)氫瓶種類(lèi)繁多，各具特色，其中，復(fù)合材料高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶以其高強(qiáng)度、輕量化、高壓儲(chǔ)氫以及高安全性等特點(diǎn)，在氫能儲(chǔ)存領(lǐng)域脫穎而出，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展的方向。高壓儲(chǔ)氧氣瓶主要分為四個(gè)類(lèi)型：全金屬氣瓶( Ⅰ型) 、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶( Ⅱ型) 、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶( Ⅲ型) 、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶( Ⅳ型)。其中，Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，難以滿(mǎn)足氫燃料電池汽車(chē)的儲(chǔ)氬密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纖維全纏繞結(jié)構(gòu)，具有重容比小、單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氧密度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于氧燃料電池汽車(chē)。

復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氣瓶的發(fā)展始于20世紀(jì)50 年代，儲(chǔ)氣瓶具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高模量和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、汽車(chē)、火箭等重要領(lǐng)域。早期的復(fù)合高壓氣瓶的形成主要是玻璃纖維、芳綸纖維等浸漬樹(shù)脂逐層纏繞鋁或者鋼內(nèi)膽上， 60年代開(kāi)始開(kāi)始出現(xiàn)了新型材料即硼纖維和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

美國(guó)在1972年開(kāi)始使用純金屬的鋁合金氣瓶，1975年研制出復(fù)合材料纏繞鋁內(nèi)膽的高壓氣瓶，德國(guó)戴姆勒克萊斯勒汽車(chē)公司于2008年開(kāi)始研發(fā)氫燃料電池汽車(chē)，并于2008年開(kāi)始生產(chǎn)奔馳氧燃料電池汽車(chē)，其高壓儲(chǔ)氫氣瓶的公稱(chēng)工作壓力為70MPa，續(xù)駛里程達(dá)678km。美國(guó)通用汽車(chē)公司研發(fā)氧燃料電池汽車(chē)始于1964年.韓國(guó)現(xiàn)代公司于2010年開(kāi)發(fā)出第三代燃料電池汽車(chē)， Tucsonix 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)( FCEV) ， 設(shè)置有100kW 燃料電池系統(tǒng)和兩個(gè)儲(chǔ)氫氣瓶( 70MPa) 。儲(chǔ)氫氣瓶充滿(mǎn)氫氣后全行程為650km，相當(dāng)于汽油動(dòng)力汽車(chē)，可在溫度低達(dá)－25℃ 下啟動(dòng)。

國(guó)際高壓儲(chǔ)氫氣瓶主要生產(chǎn)商見(jiàn)下表。

復(fù)合材料全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶制造所需材料主要 包括內(nèi)膽材料、中間層材料及外層保護(hù)層材料。

儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)膽與氫氣直接接觸，在使用時(shí)起到阻隔氫氣密封防泄漏作用。另外在纏繞成型時(shí)， 內(nèi)膽亦可起到纏繞模具作用。對(duì)于Ⅲ型氣瓶來(lái)說(shuō)，為鋁合金內(nèi)膽，一般采用 6061 鋁合金。

在傳統(tǒng)的復(fù)合材料全纏繞氣瓶強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)， 氣瓶的內(nèi)壓完全由中間層的增強(qiáng)纖維承擔(dān)，中間層纏繞纖維一般為碳纖維材料。每個(gè)儲(chǔ)罐的碳纖維使用量取決于儲(chǔ)罐的容量及其額定壓力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，在 70 MPa 下每?jī)?chǔ)存 1 kg 氫氣需要10 kg 碳纖維。在保證耐壓等級(jí)的前提下，應(yīng)盡量減小該層厚度以提高儲(chǔ)氫效率。以東麗公司碳纖維為例，其公司用于纏繞氣瓶領(lǐng)域的碳纖維基本屬于干噴濕紡工藝產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點(diǎn)為單絲表面光滑無(wú)溝槽，圖如 3 ( a) 所 示，纏繞時(shí)毛絲較少。

從車(chē)載儲(chǔ)氫瓶材料成本來(lái)看，儲(chǔ)氫瓶的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復(fù)合材料。對(duì)于儲(chǔ)氫質(zhì)量均為5.6kg的35MPa、70MPa高壓儲(chǔ)氫IV型瓶成本構(gòu)成來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料成本分別占系統(tǒng)總成本的75%和78%。

根據(jù)DOE對(duì)車(chē)載高壓儲(chǔ)氫瓶項(xiàng)目的早期成本評(píng)估可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是35MPa，亦或是70MPa，總體而言，III型高壓儲(chǔ)氫氣瓶成本都要略高于IV型，其主要原因在于，III型瓶?jī)?chǔ)罐采用大量金屬鋁材料。

與之相比，IV型瓶采用的高分子聚合物價(jià)格較低，聚合物用量也較少。Ⅲ型瓶向Ⅳ型瓶轉(zhuǎn)變，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

（未完待續(xù)）

參考文獻(xiàn)

[1]馬全勝,王文義,盧釗鈞.復(fù)合材料全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶研制及應(yīng)用進(jìn)展[J].高科技纖維與應(yīng)用,2023,48(03):13-19.