复合材料在高压储氢瓶制造新工艺上的应用

伴随氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，氢储运的难题正成为全世界的研究热点。储氢瓶是其中极其重要的一种储运介质，下表列举了不同储氢瓶的各项性能对比。 伴随氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，Ⅳ型储氢气瓶因其质量轻、耐疲劳等特点正成为全世界的研究热点，日本、韩国、美国与挪威等国的Ⅳ型储氢气瓶均已量产，其余国家也有相关计划加大Ⅳ型气瓶的研究力度。

IV型储氢瓶的制造成本在3000~3500美元，主要包括：复合材料、阀门、调节器、组装检查、氢气等，其中复合材料的成本占总成本的75%以上，而氢气本身的成本只占约0.5%。储氢瓶技术的发展趋势是轻量化、高压力、高储氢密度、长寿命，相比传统的金属材料，高分子复合材料可以在保持相同耐压等级的同时，减小储罐壁厚，提高容量和氢存储效率，降低长途运输过程中的能耗成本。因此，复合材料的性能和成本是IV型储氢气瓶制备的关键。 复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。储氢气瓶进行充气的周期可能较长，而氢气在高压下又具有很强的渗透性，所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能，以保证大部分的气体能够储存于容器中。

IV型储氢瓶的结构主要包括以下部分：

（1）内胆：瓶壁总厚度约为2030mm，最内层与氢气直接接触的是阻气层，厚度约为23mm，材料是PA6、PA612、PA11、HDPE等，起阻隔氢气的作用；

（2）中间层：是比较厚的耐压层，材料是CFRP碳纤维增强复合材料，由碳纤维和环氧树脂构成，在保证耐压等级的前提下，尽量减小该层厚度以提高储氢效率；

（3）表层：最外层是表面保护层，厚度约为2~3mm，材料是GFRP玻纤增强复合材料，由玻璃纤维.1和环氧树脂构成。 塑料内胆的全复合材料气瓶( Ⅳ型瓶) ，采用高分子材料做内胆，碳纤维复合材料缠绕作为承力层，储氢质量比可达 6%以上，最高能达到7%，进而成本可以进一步降低。 胆是储氢气瓶的核心部件，起到阻隔氢气的作用，其主要存在以下几个关键技术点：

（1）耐氢气渗透性和耐热性

氢气子极易透过塑料内胆的壳体材料，选材时必须考虑原材料的氢气阻隔性能。此外，氢气在经过阀门的节流作用后，气体温度会升高，随后气体被压缩到气瓶工作压力，温度同样升高，内胆原材料需具备合适的氢气渗透性和耐热性能。

PA6树脂在防止氢气渗透方面具有卓越的性能，并具有出色的机械性能，包括耐充填和排放氢气时储罐温度突然变化的耐久性以及低温环境下的抗冲击性。可通过对PA6材料渗透性进行了原材料级别的改性处理，并提高材料的软化温度至180°C左右，能满足使用要求。

（2）良好的低温力学性能

为了避免加注温度过高对内胆原材料造成损伤，通常将气源进行冷却，一般冷却至－40 ℃，当低温氢气充入气瓶内部，内胆在低温下将会变硬而脆，易破裂，内胆原材料的低温力学性能显得尤为重要。

（3）良好的工艺性

塑料内胆成型技术包括注塑成型、滚塑成型、吹塑成型等。目前丰田、现代等燃料电池汽车所采用的Ⅳ型储氢气瓶内胆成型工艺均为注塑工艺。注塑工艺是成本较低，运用也较为广泛的内胆成型方式，同时须配合后续的焊接工序，才能成型内胆。