在全球努力實(shí)現碳達峰和碳中和目標的大背景下，氫能作為一種零碳排放的清潔能源方案，吸引了廣泛的關(guān)注。特別是，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)，因其在氫能儲運過(guò)程中的重要性，成為研究的焦點(diǎn)。其中，采用塑料內膽和碳纖維全纏繞技術(shù)的Ⅳ型儲氫瓶表現出巨大的潛力。但是，傳統的塑料內膽制造方法存在焊接缺陷問(wèn)題，可能導致儲氫瓶在高壓下失效。因此，開(kāi)發(fā)一體化內膽成型技術(shù)，以及在成型效率、內膽質(zhì)量和能源利用率方面的技術(shù)創(chuàng )新，變得至關(guān)重要，以提升氫能儲存和運輸的效率和安全性。二、車(chē)載儲氫瓶分類(lèi)
在車(chē)載儲氫系統中，根據儲氫瓶的結構特征和材料使用，可以將其大致分為四種類(lèi)型，分別為Ⅰ型到Ⅳ型。Ⅰ型儲氫瓶主要由金屬材料制成，但因為金屬材料易受氫脆影響，其使用在受限制的條件下，儲氫密度和使用壽命相對較低。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，Ⅱ型儲氫瓶通過(guò)在金屬瓶體上添加纖維材料的纏繞來(lái)增強其承壓能力，從而提高儲氫密度和使用壓力。Ⅲ型儲氫瓶采用了輕質(zhì)的鋁制內膽，并用全纖維材料纏繞，這不僅進(jìn)一步提升了儲氫密度和工作壓力，也使得氫能在更廣泛的領(lǐng)域得到應用。Ⅳ型儲氫瓶則代表了儲氫技術(shù)的一大突破，它采用塑料材料作為內膽，外部則用纖維材料全纏繞，不僅大幅降低了氣瓶的重量，還有效避免了內膽金屬氫脆問(wèn)題，使儲氫密度大幅提高。這些不同類(lèi)型的儲氫瓶各有特點(diǎn)，從全金屬到塑料內膽的演進(jìn)，反映了儲氫技術(shù)在安全性、經(jīng)濟性以及應用廣度上的持續進(jìn)步。
圖 不同類(lèi)型儲氫瓶
表 不同類(lèi)型儲氫瓶特點(diǎn)對比
三、國內外最新發(fā)展情況
為應對氣候變化，全球正在積極發(fā)展儲氫技術(shù)。日本豐田自1992年起研發(fā)燃料電池汽車(chē)，并于2015年推出了配備Ⅳ型儲氫瓶的Mirai系列，該系列的儲氫瓶在減輕重量的同時(shí)保持了出色的抗疲勞和熱穩定性，實(shí)現了5.7wt%的儲氫密度。美國QUANTUM公司推出的Ⅳ型儲氫瓶采用“TriShield”設計，提高了抗沖擊能力，一體成型的內膽避免了焊縫，減少了氫氣泄漏的風(fēng)險。這些技術(shù)進(jìn)步不僅推動(dòng)了氫能在交通領(lǐng)域的應用，也為低碳經(jīng)濟的實(shí)現提供了有力支持。
圖 采用“TriShield”設計結構的Ⅳ型儲氫瓶
德國戴姆勒克萊斯勒汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的Ⅳ型儲氫瓶具有70MPa的公稱(chēng)壓力，使得裝載兩個(gè)此類(lèi)儲氫瓶的氫燃料電池汽車(chē)續航能力達到700公里。此外，佛吉亞公司通過(guò)改進(jìn)內膽材料，成功實(shí)現了儲氫瓶整體重量減輕20%，并且已成為現代汽車(chē)、上汽集團和雪鐵龍等多家知名汽車(chē)制造商的供應商。這些技術(shù)進(jìn)展不僅推動(dòng)了氫能汽車(chē)的商業(yè)化進(jìn)程，還為實(shí)現長(cháng)距離、低碳排放的交通提供了有效方案。
圖 搭載兩個(gè)Ⅳ型儲氫瓶的氫燃料電池汽車(chē)
在中國，隨著(zhù)國家碳達峰和碳中和的戰略目標的明確提出，Ⅳ型儲氫瓶技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)了新的機遇和挑戰。政策推動(dòng)下，預期到2035年氫能源汽車(chē)數量將顯著(zhù)增加，這對Ⅳ型儲氫瓶市場(chǎng)構成了強大的推力。盡管當前國內在Ⅳ型儲氫瓶的開(kāi)發(fā)和應用方面相比國際市場(chǎng)稍顯滯后，但國內企業(yè)正加快研發(fā)步伐，并取得了一系列進(jìn)展。然而，核心技術(shù)缺失、塑料與金屬連接技術(shù)、材料供應等問(wèn)題仍是制約國內Ⅳ型儲氫瓶發(fā)展的主要障礙。面對這些挑戰，國內企業(yè)和研究機構需加強技術(shù)創(chuàng )新和合作，以促進(jìn)Ⅳ型儲氫瓶技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，支撐中國氫能及燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。例如，天海工業(yè)公司已經(jīng)擁有完整的Ⅲ型儲氫瓶生產(chǎn)線(xiàn)和測試中心，并于近年自主研發(fā)出Ⅳ型儲氫瓶。這些儲氫瓶在重型卡車(chē)上已經(jīng)得到了應用，并實(shí)現了比Ⅲ型儲氫瓶減重 30%的目標。中材科技公司也大量投入研發(fā)Ⅳ型儲氫瓶，并實(shí)現了碳纖維的國產(chǎn)化，突破了 385L 儲氫瓶的量產(chǎn)化并投入銷(xiāo)售。奧揚科技公司開(kāi)發(fā)出的Ⅳ型儲氫瓶解決了塑料內膽與金屬瓶閥座的連接密封問(wèn)題。此外，中集安瑞科公司通過(guò)與 Hexagon 公司合作建設了Ⅳ型儲氫瓶生產(chǎn)線(xiàn)，而豐辰氫能科技公司則通過(guò)與Steelhead 公司合作，開(kāi)拓中國Ⅳ型儲氫瓶市場(chǎng)。盡管?chē)鴥葍淦恐圃炱髽I(yè)與國外企業(yè)簽訂了合作關(guān)系，但核心技術(shù)的缺失仍然存在，這不利于國家長(cháng)遠發(fā)展的戰略目標。國內Ⅳ型儲氫瓶的發(fā)展仍然面臨著(zhù)許多困難，例如塑料與金屬異質(zhì)界面的連接強度問(wèn)題、內膽高性能材料壟斷問(wèn)題以及高模量碳纖維的禁售問(wèn)題等，這些問(wèn)題都是當前急需解決的“卡脖子”問(wèn)題。Ⅳ型儲氫瓶和其內膽設計關(guān)鍵在于實(shí)現金屬瓶閥座與塑料內膽的中空結構，常用高密度聚乙烯或尼龍作為基體材料。研究重點(diǎn)包括通過(guò)優(yōu)化加工工藝以提高內膽的力學(xué)性能和阻隔性能，確保尺寸精度，以及強化金屬瓶閥座與塑料內膽界面的結合強度，這對提升儲氫瓶的整體性能至關(guān)重要。
圖 Ⅳ型儲氫瓶和Ⅳ型儲氫瓶?jì)饶?/span>
Ⅳ型儲氫瓶?jì)饶懙某尚凸に嚢ㄗ⑺?焊接成型、吹塑成型和滾塑成型，不同的成型工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)。表 不同成型工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比
在國內外，注塑焊接成型工藝因其成熟度高和可靠性強而被廣泛應用于Ⅳ型儲氫瓶?jì)饶懙闹圃?。這種方法特別適用于尺寸較小的車(chē)載儲氫瓶，但對于尺寸較大的儲氫瓶，如重卡和加氫站使用的瓶子，需要結合擠出成型技術(shù)以滿(mǎn)足封頭和筒體的生產(chǎn)要求。雖然注塑和焊接提供了高精度和尺寸穩定性，但在連接塑料內膽與金屬瓶閥座時(shí)，技術(shù)挑戰依然存在。另一方面，吹塑和滾塑成型提供了一體成型的可能性，尤其是滾塑成型，它還允許金屬瓶閥座與塑料內膽在線(xiàn)連接，展現了更大的發(fā)展潛力和應用價(jià)值，盡管目前面臨成型精度和周期等挑戰。這些技術(shù)的發(fā)展和應用，對推進(jìn)Ⅳ型儲氫瓶的性能改進(jìn)和成本降低具有重要意義。當前，日本豐田、韓國現代、ILJIN Composites 公司、德國 NPROXX 等的部分車(chē)載儲氫瓶塑料內膽多以注塑和焊接的方式成型。由于吹塑成型無(wú)法實(shí)現金屬瓶閥座結構與塑料內膽的在線(xiàn)連接，因此需要后續將瓶閥座結構裝配到塑料內膽的本體之上，該成型工藝對裝配要求較高。例如美國 Quantum、通用汽車(chē)、Impco 和 HexagonLincoln 等的部分車(chē)載儲氫瓶塑料內膽產(chǎn)品是以吹塑工藝成型。另外，針對低熔體剛性和復雜的尼龍材料，荷蘭 DSM 公司實(shí)現了尼龍內膽的吹塑成型。滾塑成型不僅可實(shí)現封頭與筒體的一體成型，而且可實(shí)現金屬瓶閥座結構與塑料的在線(xiàn)連接，例如美國 Quantum 和法國 CEA 等公司的部分內膽制品通過(guò)滾塑成型工藝制造。然而，現有的塑料內膽滾塑成型工藝的成型精度低、成型周期長(cháng)且內膽的成型質(zhì)量較差，內膽的滾塑成型工藝還有較大發(fā)展潛力和應用價(jià)值。儲氫瓶作為高壓氣態(tài)氫氣的儲存容器，在國內市場(chǎng)需求持續高速增長(cháng)，得益于政策支持和技術(shù)進(jìn)步。分為Ⅰ型到Ⅳ型，隨著(zhù)各型號技術(shù)的發(fā)展，2022年中國車(chē)載儲氫瓶的需求預計達到7萬(wàn)只，市場(chǎng)規模約為24.2億元。預計到2025年，隨著(zhù)氫能源汽車(chē)的推廣和應用擴大，市場(chǎng)規模將顯著(zhù)增至101.5億元，顯示出儲氫瓶行業(yè)的巨大發(fā)展潛力和市場(chǎng)前景。車(chē)載Ⅳ型儲氫瓶及其內膽一體化成型工藝的發(fā)展顯現了氫能源在實(shí)現零碳排放目標中的潛力。目前，該技術(shù)面臨塑料與金屬界面連接強度、內膽高性能材料壟斷以及高模量碳纖維禁售等挑戰。注塑焊接、吹塑、滾塑等成型工藝各有利弊，但都在推動(dòng)Ⅳ型儲氫瓶性能改進(jìn)和成本降低方面發(fā)揮重要作用。特別是，注塑焊接成型在小型車(chē)載儲氫瓶制造中得到廣泛應用，而滾塑成型則因其一體成型潛力和在線(xiàn)連接金屬瓶閥座與塑料內膽的能力而顯示出更大發(fā)展前景，盡管面臨成型精度和周期挑戰。展望未來(lái)，國內外市場(chǎng)對Ⅳ型儲氫瓶的需求持續增長(cháng)，特別是在氫能源汽車(chē)推廣和應用擴大的背景下。預計到2025年，中國車(chē)載儲氫瓶市場(chǎng)規模將顯著(zhù)增長(cháng)，顯示出行業(yè)的巨大發(fā)展潛力和市場(chǎng)前景。為了應對技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展的挑戰，重點(diǎn)應放在解決當前技術(shù)障礙、推動(dòng)成型工藝創(chuàng )新、加強國內外合作以及優(yōu)化材料供應鏈上。這些努力將有助于推動(dòng)Ⅳ型儲氫瓶技術(shù)的進(jìn)一步突破，支持氫能源及燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，進(jìn)而加速實(shí)現碳中和目標。[1] 田明明.Ⅳ型儲氫瓶?jì)饶懸惑w化成型工藝及裝備研究[D].北京化工大學(xué),2023.[2] 《中國高壓儲氫瓶行業(yè)發(fā)展前景預測與投資戰略規劃分析報告》此文由中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )搜集整理編譯，部分數據來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。
