氫能作為一種零碳能源， 具有來源豐富、潔凈環(huán)保、燃燒值高、無污染、可儲運等一系列優(yōu)點，被譽為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉础錃獾膬Υ媸菤淠芾弥匾沫h(huán)節(jié)，氫氣存儲技術也是推動氫和燃料電池技術在交通、發(fā)電等領域應用發(fā)展的關鍵技術。

在氫能技術的快速發(fā)展中，儲氫瓶作為氫能儲存的關鍵設備，其類型及性能對于氫能的應用與推廣具有至關重要的作用。當前，市場上儲氫瓶種類繁多，各具特色，其中，復合材料高壓氣態(tài)儲氫瓶以其高強度、輕量化、高壓儲氫以及高安全性等特點，在氫能儲存領域脫穎而出，成為當前研究的熱點和未來發(fā)展的方向。高壓儲氧氣瓶主要分為四個類型：全金屬氣瓶( Ⅰ型) 、金屬內膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶( Ⅱ型) 、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶( Ⅲ型) 、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶( Ⅳ型)。其中，Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，難以滿足氫燃料電池汽車的儲氬密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纖維全纏繞結構，具有重容比小、單位質量儲氧密度高等優(yōu)點，目前已廣泛應用于氧燃料電池汽車。

復合材料高壓儲氣瓶的發(fā)展始于20世紀50 年代，儲氣瓶具有質量輕、高強度、高模量和可設計性強等特點，被廣泛應用于航空航天、建筑、汽車、火箭等重要領域。早期的復合高壓氣瓶的形成主要是玻璃纖維、芳綸纖維等浸漬樹脂逐層纏繞鋁或者鋼內膽上， 60年代開始開始出現(xiàn)了新型材料即硼纖維和碳纖維增強復合材料。

美國在1972年開始使用純金屬的鋁合金氣瓶，1975年研制出復合材料纏繞鋁內膽的高壓氣瓶，德國戴姆勒克萊斯勒汽車公司于2008年開始研發(fā)氫燃料電池汽車，并于2008年開始生產奔馳氧燃料電池汽車，其高壓儲氫氣瓶的公稱工作壓力為70MPa，續(xù)駛里程達678km。美國通用汽車公司研發(fā)氧燃料電池汽車始于1964年.韓國現(xiàn)代公司于2010年開發(fā)出第三代燃料電池汽車， Tucsonix 燃料電池電動汽車( FCEV) ， 設置有100kW 燃料電池系統(tǒng)和兩個儲氫氣瓶( 70MPa) 。儲氫氣瓶充滿氫氣后全行程為650km，相當于汽油動力汽車，可在溫度低達－25℃ 下啟動。

國際高壓儲氫氣瓶主要生產商見下表。

復合材料全纏繞儲氫氣瓶制造所需材料主要 包括內膽材料、中間層材料及外層保護層材料。

儲氫氣瓶內膽與氫氣直接接觸，在使用時起到阻隔氫氣密封防泄漏作用。另外在纏繞成型時， 內膽亦可起到纏繞模具作用。對于Ⅲ型氣瓶來說，為鋁合金內膽，一般采用 6061 鋁合金。

在傳統(tǒng)的復合材料全纏繞氣瓶強度設計時， 氣瓶的內壓完全由中間層的增強纖維承擔，中間層纏繞纖維一般為碳纖維材料。每個儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量及其額定壓力，根據經驗法則，在 70 MPa 下每儲存 1 kg 氫氣需要10 kg 碳纖維。在保證耐壓等級的前提下，應盡量減小該層厚度以提高儲氫效率。以東麗公司碳纖維為例，其公司用于纏繞氣瓶領域的碳纖維基本屬于干噴濕紡工藝產品，其產品特點為單絲表面光滑無溝槽，圖如 3 ( a) 所 示，纏繞時毛絲較少。

從車載儲氫瓶材料成本來看，儲氫瓶的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復合材料。對于儲氫質量均為5.6kg的35MPa、70MPa高壓儲氫IV型瓶成本構成來看，碳纖維復合材料成本分別占系統(tǒng)總成本的75%和78%。

根據DOE對車載高壓儲氫瓶項目的早期成本評估可以發(fā)現(xiàn)，無論是35MPa，亦或是70MPa，總體而言，III型高壓儲氫氣瓶成本都要略高于IV型，其主要原因在于，III型瓶儲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格較低，聚合物用量也較少。Ⅲ型瓶向Ⅳ型瓶轉變，是未來的發(fā)展趨勢。

（未完待續(xù)）

參考文獻

[1]馬全勝,王文義,盧釗鈞.復合材料全纏繞儲氫氣瓶研制及應用進展[J].高科技纖維與應用,2023,48(03):13-19.