在全球努力實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)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)，因其在氫能儲運過程中的重要性，成為研究的焦點。其中，采用塑料內(nèi)膽和碳纖維全纏繞技術(shù)的Ⅳ型儲氫瓶表現(xiàn)出巨大的潛力。但是，傳統(tǒng)的塑料內(nèi)膽制造方法存在焊接缺陷問題，可能導(dǎo)致儲氫瓶在高壓下失效。因此，開發(fā)一體化內(nèi)膽成型技術(shù)，以及在成型效率、內(nèi)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?shù)男屎桶踩浴?/span>二、車載儲氫瓶分類
在車載儲氫系統(tǒng)中，根據(jù)儲氫瓶的結(jié)構(gòu)特征和材料使用，可以將其大致分為四種類型，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。隨著技術(shù)的進(jìn)步，Ⅱ型儲氫瓶通過在金屬瓶體上添加纖維材料的纏繞來增強(qiáng)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(nèi)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(yīng)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(nèi)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(nèi)膽金屬氫脆問題，使儲氫密度大幅提高。這些不同類型的儲氫瓶各有特點，從全金屬到塑料內(nèi)膽的演進(jìn)，反映了儲氫技術(shù)在安全性、經(jīng)濟(jì)性以及應(yīng)用廣度上的持續(xù)進(jìn)步。
圖 不同類型儲氫瓶
表 不同類型儲氫瓶特點對比
三、國內(nèi)外最新發(fā)展情況
為應(yīng)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，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保持了出色的抗疲勞和熱穩(wěn)定性，實現(xiàn)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(shè)計，提高了抗沖擊能力，一體成型的內(nèi)膽避免了焊縫，減少了氫氣泄漏的風(fēng)險。這些技術(shù)進(jìn)步不僅推動了氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，也為低碳經(jīng)濟(jì)的實現(xiàn)提供了有力支持。
圖 采用“TriShield”設(shè)計結(jié)構(gòu)的Ⅳ型儲氫瓶
德國戴姆勒克萊斯勒汽車公司開發(fā)的Ⅳ型儲氫瓶具有70MPa的公稱壓力，使得裝載兩個此類儲氫瓶的氫燃料電池汽車?yán)m(xù)航能力達(dá)到700公里。此外，佛吉亞公司通過改進(jìn)內(nèi)膽材料，成功實現(xiàn)了儲氫瓶整體重量減輕20%，并且已成為現(xiàn)代汽車、上汽集團(tuán)和雪鐵龍等多家知名汽車制造商的供應(yīng)商。這些技術(shù)進(jìn)展不僅推動了氫能汽車的商業(yè)化進(jìn)程，還為實現(xiàn)長距離、低碳排放的交通提供了有效方案。
圖 搭載兩個Ⅳ型儲氫瓶的氫燃料電池汽車
在中國，隨著國家碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)的明確提出，Ⅳ型儲氫瓶技術(shù)的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。政策推動下，預(yù)期到2035年氫能源汽車數(shù)量將顯著增加，這對Ⅳ型儲氫瓶市場構(gòu)成了強(qiáng)大的推力。盡管當(dāng)前國內(nèi)在Ⅳ型儲氫瓶的開發(fā)和應(yīng)用方面相比國際市場稍顯滯后，但國內(nèi)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(yīng)等問題仍是制約國內(nèi)Ⅳ型儲氫瓶發(fā)展的主要障礙。面對這些挑戰(zhàn)，國內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)需加強(qiáng)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上已經(jīng)得到了應(yīng)用，并實現(xiàn)了比Ⅲ型儲氫瓶減重 30%的目標(biāo)。中材科技公司也大量投入研發(fā)Ⅳ型儲氫瓶，并實現(xiàn)了碳纖維的國產(chǎn)化，突破了 385L 儲氫瓶的量產(chǎn)化并投入銷售。奧揚科技公司開發(fā)出的Ⅳ型儲氫瓶解決了塑料內(nèi)膽與金屬瓶閥座的連接密封問題。此外，中集安瑞科公司通過與 Hexagon 公司合作建設(shè)了Ⅳ型儲氫瓶生產(chǎn)線，而豐辰氫能科技公司則通過與Steelhead 公司合作，開拓中國Ⅳ型儲氫瓶市場。盡管國內(nèi)儲氫瓶制造企業(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，這不利于國家長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。國內(nèi)Ⅳ型儲氫瓶的發(fā)展仍然面臨著許多困難，例如塑料與金屬異質(zhì)界面的連接強(qiáng)度問題、內(nèi)膽高性能材料壟斷問題以及高模量碳纖維的禁售問題等，這些問題都是當(dāng)前急需解決的“卡脖子”問題。Ⅳ型儲氫瓶和其內(nèi)膽設(shè)計關(guān)鍵在于實現(xiàn)金屬瓶閥座與塑料內(nèi)膽的中空結(jié)構(gòu)，常用高密度聚乙烯或尼龍作為基體材料。研究重點包括通過優(yōu)化加工工藝以提高內(nèi)膽的力學(xué)性能和阻隔性能，確保尺寸精度，以及強(qiáng)化金屬瓶閥座與塑料內(nèi)膽界面的結(jié)合強(qiáng)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型儲氫瓶內(nèi)膽
Ⅳ型儲氫瓶內(nèi)膽的成型工藝包括注塑-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。表 不同成型工藝優(yōu)缺點對比
在國內(nèi)外，注塑焊接成型工藝因其成熟度高和可靠性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于Ⅳ型儲氫瓶內(nèi)膽的制造。這種方法特別適用于尺寸較小的車載儲氫瓶，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(jié)合擠出成型技術(shù)以滿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(wěn)定性，但在連接塑料內(nèi)膽與金屬瓶閥座時，技術(shù)挑戰(zhàn)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(nèi)膽在線連接，展現(xiàn)了更大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值，盡管目前面臨成型精度和周期等挑戰(zhàn)。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(dāng)前，日本豐田、韓國現(xiàn)代、ILJIN Composites 公司、德國 NPROXX 等的部分車載儲氫瓶塑料內(nèi)膽多以注塑和焊接的方式成型。由于吹塑成型無法實現(xiàn)金屬瓶閥座結(jié)構(gòu)與塑料內(nèi)膽的在線連接，因此需要后續(xù)將瓶閥座結(jié)構(gòu)裝配到塑料內(nèi)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、Impco 和 HexagonLincoln 等的部分車載儲氫瓶塑料內(nèi)膽產(chǎn)品是以吹塑工藝成型。另外，針對低熔體剛性和復(fù)雜的尼龍材料，荷蘭 DSM 公司實現(xiàn)了尼龍內(nèi)膽的吹塑成型。滾塑成型不僅可實現(xiàn)封頭與筒體的一體成型，而且可實現(xiàn)金屬瓶閥座結(jié)構(gòu)與塑料的在線連接，例如美國 Quantum 和法國 CEA 等公司的部分內(nèi)膽制品通過滾塑成型工藝制造。然而，現(xiàn)有的塑料內(nèi)膽滾塑成型工藝的成型精度低、成型周期長且內(nèi)膽的成型質(zhì)量較差，內(nèi)膽的滾塑成型工藝還有較大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值。儲氫瓶作為高壓氣態(tài)氫氣的儲存容器，在國內(nèi)市場需求持續(xù)高速增長，得益于政策支持和技術(shù)進(jìn)步。分為Ⅰ型到Ⅳ型，隨著各型號技術(shù)的發(fā)展，2022年中國車載儲氫瓶的需求預(yù)計達(dá)到7萬只，市場規(guī)模約為24.2億元。預(yù)計到2025年，隨著氫能源汽車的推廣和應(yīng)用擴(kuò)大，市場規(guī)模將顯著增至101.5億元，顯示出儲氫瓶行業(yè)的巨大發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬啊?/span>車載Ⅳ型儲氫瓶及其內(nèi)膽一體化成型工藝的發(fā)展顯現(xiàn)了氫能源在實現(xiàn)零碳排放目標(biāo)中的潛力。目前，該技術(shù)面臨塑料與金屬界面連接強(qiáng)度、內(nèi)膽高性能材料壟斷以及高模量碳纖維禁售等挑戰(zhàn)。注塑焊接、吹塑、滾塑等成型工藝各有利弊，但都在推動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載儲氫瓶制造中得到廣泛應(yīng)用，而滾塑成型則因其一體成型潛力和在線連接金屬瓶閥座與塑料內(nèi)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(zhàn)。展望未來，國內(nèi)外市場對Ⅳ型儲氫瓶的需求持續(xù)增長，特別是在氫能源汽車推廣和應(yīng)用擴(kuò)大的背景下。預(yù)計到2025年，中國車載儲氫瓶市場規(guī)模將顯著增長，顯示出行業(yè)的巨大發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬?。為了?yīng)對技術(shù)和市場發(fā)展的挑戰(zhàn)，重點應(yīng)放在解決當(dāng)前技術(shù)障礙、推動成型工藝創(chuàng)新、加強(qiáng)國內(nèi)外合作以及優(yōu)化材料供應(yīng)鏈上。這些努力將有助于推動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產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，進(jìn)而加速實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。[1] 田明明.Ⅳ型儲氫瓶內(nèi)膽一體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(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(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。
