碳纖纏繞金屬內襯復合材料高壓儲氫容器（Ⅲ型瓶）

碳纖纏繞金屬內膽復合材料高壓儲氫容器是一種金屬與非金屬材料相復合的高壓容器，其結構為金屬內襯外纏繞多種纖維固化后形成增強結構。

纖維纏繞方式有環向纏繞和縱向纏繞兩種。第二代高壓儲氫容器采用了環向纏繞方式，通過在鋁內膽環向纏繞復合材料可以將其車過載能力提高1倍，但儲氫罐的壓力一般不超過20MPa。為了提升高壓復合儲氫罐的承壓能力和質量儲氫密度，第三代高壓儲氫容器采用了環向纏繞和縱向纏繞相結合的方式。

 

高壓儲氫容器內襯的基本要求是抗氫滲能力強，且具備良好的抗疲勞性。一般金屬的密度較大，考慮到成本、降低容器的自重和防止氫氣滲透等多方面原因，金屬內襯多采用鋁合金，典型牌號如6061。根據美國DOT-CFFC標準，內襯材料主要有如下規定：

 

• 必須為無縫柱體，鋁合金6061制造，回火條件T6；
• 可以由冷擠壓或熱擠壓和冷拉制成，也可以由擠壓管道和沖模的或者旋轉的封頭制成；
• 測試前，所有的鋁合金6061柱體必須進行固溶熱處理和老化熱處理，且必須用統一性能的材料制造內襯；
• 內襯外表面必須防止不同的材料（鋁和碳纖維）接觸導致的電化學腐蝕。

 

纖維纏繞層可以選擇碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等。以碳纖維為例，日本東麗公司的T700碳纖維的主要技術參數為：抗拉強度σb＝4900MPa，彈性模量E ＝240GPa，延伸率 δ ＝2.0%。密度d＝1.78g/cm³。環氧樹脂常被用作碳纖維的基體，其特點為：

• 固化收縮率低，僅1％-3%；
• 固化壓力低，基本無揮發成分；
• 粘接好；
• 固化后的樹脂具有良好的力學性能、耐化學腐蝕性能和電絕緣性能；
• 環氧樹脂可用于制造各種纖維增強復合材料，特別適用于制造碳纖維增強復合材料。

 

纖維纏繞金屬內襯復合材料高壓儲氫容器根據各部分材料的選擇、儲氫量和壓力要求、厚度設計方案等。最后確定的系統儲氫密度是不同的。以70MPa常溫下的25L碳纖維增強鋁內襯高壓儲氫容器為例，其系統質量儲氫密度為5.0%。

全復合塑料儲氫容器（Ⅳ型瓶）

為了進一步減輕高壓儲氫容器的自重，提高系統儲氫密度，同時降低成本，將金屬內襯替換為塑料內襯，其他結構和制造工藝與金屬內襯復合材料壓力容器基本相同，發展出了第四代全復合塑料高壓儲氫容器。這種復合塑料高壓儲氫容器的制造難度較大。

復合材料一般為高密度聚乙烯，20世紀90年代初布倫瑞克公司就成功研發出了該產品。這種材料使用溫度范圍較寬，延伸率高達700%，沖擊韌性和斷裂韌性較好。如添加密封膠等添加劑，進行氟化或硫化等表面處理，或用其他材料通過共擠作用的結合，還可提高氣密性。目前，美國、加拿大、日本等國家都已掌握70MPa復合儲氫罐技術。

 

2015年豐田Mirai汽車上市，其70MPa高壓儲氫罐采用三層結構復合材料內襯，內層是密封氫氣的塑料內襯，中層是確保耐壓強度的碳纖維強化樹脂層，表層是保護表面的玻璃纖維強化樹脂層。

Mirai的儲氫罐的輕量化瞄準的是中層。中層采用的是對含浸了樹脂的碳纖維施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞工藝，通過特殊的纏繞方法減少了纖維的纏繞圈數，使碳纖維強化樹脂層的用量比原來減少了40％。Mirai的70MPa高壓儲氫罐的質量儲氫密度達到5.7%，體積儲氫密度約40.8kg/m³。

全復合塑料儲氫容器的質量儲氫密度可以達到10%左右，如美國Quantum公司開發的70MPa全復合塑料儲氫容器，其系統質量儲氫密度已高達13.36%。

金屬內襯和塑料內襯的比較

金屬內襯和塑料內襯復合材料高壓儲氫容器僅僅是內襯材料不同，其他結構和制造工藝基本是一致的。兩種內襯材料各有自己的適用范圍。傳統復合材料高壓容器使用金屬內襯（通常選用鋁合金），外層用高強纖維復合材料通過橫向＋縱向，或螺旋等方式纏繞制成。金屬內襯高壓容器技術是從金屬壓力容器逐漸演變來的，已有幾十年的歷史。

塑料內襯復合材料高壓容器開發的目的是在金屬內襯基礎上進一步降低容器的自重，并降低成本，內襯材料通常選用高密度聚乙烯（HDPE）。

 

金屬內襯以鋁合金為例，塑料內襯以高密度聚乙烯為例，兩種內襯材料的優劣勢對比如下：

鋁內襯的優勢：

• 一般鋁合金內襯采用旋壓成型，整體結構無縫隙，可防止滲漏；
• 由于氣體不能透過鋁合金內襯，因此帶該類內襯的氣瓶可長期儲存氣體，無泄露；
• 在鋁合金內襯外采用復合材料纏繞層后，施加的纖維張力使內襯有很高的壓縮應力，因此大大提高了氣瓶的氣壓循環壽命；
• 鋁合金內襯在很大的溫度范圍內都是穩定的。高壓氣體快速泄壓時溫降高達35℃以上，而鋁合金內襯可不受此溫度波動的影響；
• 對復合材料氣瓶而言，采用鋁合金內襯穩定性好，抗碰撞。一般地，鋁合金內襯比塑料內襯的抗損傷能力強得多。

鋁合金內襯劣勢：

• 復合材料用鋁內襯通常很貴，其價格取決于規格；
• 新規格內襯研究周期長。

塑料內襯的優勢：

• 成本比金屬內襯低；
• 高壓循環壽命長，塑料內襯得復合材料氣瓶壓力從0到使用條件能工作10萬余次；
• 防腐蝕：塑料內襯比金屬內襯更防腐蝕。

塑料內襯的劣勢：

• 易通過接頭發生氫氣泄露。塑料內襯與金屬接頭之間很難獲得可靠得密封，高壓氣體分子易浸入塑料與金屬結合處。當內部氣體迅速釋放時，會產生極大得膨脹力。因塑料與金屬之間熱膨脹系數得差異，隨著使用時間延長，金屬與塑料間得粘結力將削弱。在載荷不變的條件下，最后塑料也將趨于凸出或凹陷，從而導致氫氣泄露；
• 抗外力能力低。由于塑料結構對纖維纏繞層沒有增強或提高剛度的作用，因此，需增強氣瓶的外加強曾厚度；
• 塑料內襯對溫度敏感；
• 塑料內襯剛度低。這使制造過程中容器的變形較大，會增加操作時的附加應力，降低容器的承壓能力。

Ⅳ型瓶結構 ▼

選擇金屬內襯還是塑料內襯的復合材料儲氫容器要根據具體的使用條件來確定。但現階段國內氫能汽車市場，主要以Ⅲ型35MPa氫氣瓶為主，Ⅲ型70MPa氫氣瓶僅占極少市場份額。而IV型氫氣瓶因為法規和標準的限制，目前在國內仍處在禁用階段，但正在成為研究的熱點。

 

上海富晨可提供定型的低粘度成型環氧用于制作IV型瓶，該類樹脂具有良好的工藝性和力學特性，尤其是成型溫度可低至80℃。