氫能作為一種零碳能源，具有來源豐富、潔凈環保、燃燒值高、無污染、可儲運等一系列優點，被譽為21世紀最具發展潛力的二次能源。氫能利用形式廣泛，氫燃料電池汽車、燃料電池叉車、燃料電池電站、通訊基站應急備用電源等氫能利用典型產品已逐步推廣，這對解決世界面臨的能源和環境問題具有重要意義。

2021 年十四五規劃中提出“要前瞻謀劃未來產業: 在氫能與儲能等前沿科技和產業變革領域， 組織實施未來產業孵化與加速計劃?！?021年5月8日，沈陽斯林達安科新技術有限公司成功獲得國內第一張車用Ⅳ型儲氫瓶（即塑料內膽纖維纏繞瓶）特種設備制造許可證，中國車用儲氫瓶從此進入Ⅳ型時代。憑借優異的抗氫脆腐蝕性、更輕的質量、更低的成本及更高的質量儲氫密度與循環壽命，IV型儲氫瓶已成為燃料電池汽車行業的“新寵”。

2 儲氫瓶分類

氫是易燃易爆氣體，高壓氣態儲氫充放速度快、常溫可操作，但需要配備高強度耐壓容器。氫氣原子直徑只有 0.982nm，在金屬材料中可能會滲 透或使金屬變質產生氫脆現象，腐蝕耐壓容器造成 泄漏和爆炸等風險，特別是高壓情況下更為明顯。高壓儲氧氣瓶的公稱工作壓力一般為35-70MPa。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)。II 型、III 型瓶是金屬內膽外用復合材料纏繞，耐壓可提高到70MPa。IV 型瓶內膽為高分子材料，全瓶身用纖維增強 樹脂復合材料包裹，只有瓶口處為金屬。IV 型比 III 型瓶輕很多，儲氣壓力相當。

圖1 高壓儲氫瓶的種類

伴隨氫燃料電池和電動汽車的迅速發展與產業化，氫儲運的難題正成為全世界的研究熱點。儲氫瓶是其中極其重要的一種儲運介質，下表列舉了不同儲氫瓶的各項性能對比。

表1 I~IV型儲氫瓶

伴隨氫燃料電池和電動汽車的迅速發展與產業化，Ⅳ型儲氫氣瓶因其質量輕、耐疲勞等特點正成為全世界的研究熱點，日本、韓國、美國與挪威等國的Ⅳ型儲氫氣瓶均已量產，其余國家也有相關計劃加大Ⅳ型氣瓶的研究力度。

3 IV 型儲氫瓶結構

圖2是IV型儲氫瓶的內部結構，除了金屬瓶閥座外的瓶體全部由非金屬復合材料制成。瓶壁總厚度約為 20～30mm，最內層與氫氣直接接觸的是阻氣層，厚度約為 2 ～ 3mm，是烯烴類可塑性聚合物，起阻隔氫氣的作用;中間層是比較厚的耐壓層，材料是CFRP碳纖維增強復合材料，由碳纖維和環氧樹脂構成，在保證耐壓等級的前提下，盡量減小該層厚度以提高儲氫效率; 最外層是表面保護層，厚度約為2～3mm，材料是GFRP玻纖增強復合材料，由玻璃纖維和環氧樹脂構成。由于IV型瓶瓶體全部為樹脂，易于成型，因而其外形尺寸可以依照不同廠家和型號的燃料汽車設計要求做相應調整。

圖2 IV型儲氫瓶的內部結構

4 瓶體成型工藝

儲氫瓶制備的工藝流程如圖3所示，先將熱塑性烯烴聚合物制成內膽，然后檢查表面是否有褶皺、凹痕等缺陷，接著進入纖維纏繞工序，貼好標簽后固化，然后給外表面拋光，靜壓測試合格后，做最后的成品檢測。下面分別詳細介紹重點工序。

圖3 儲氫瓶制作流程工藝

4.1滾塑內膽

IV 型儲氫瓶制造的第一道工序，是制備具有氫氣阻隔性的內膽。將熔融指數高流動性好的聚烯烴粉料，裝入圖4所示滾塑模具，模具升溫至聚烯烴熔點以上，兩個不同方向的軸使模具同時做自轉和公轉，粉料熔化后在模具內均勻分布成中空結構，成型后降溫脫模，呈現為半徑均勻的大致圓筒狀瓶體。滾塑工藝的優點是壁厚均勻，成型工藝簡單，但也存在制品致密性低易形成缺陷的問題，所以內膽壁厚不能太薄。當成型后的內膽進入下一工序被碳纖維纏繞時，受到壓力會向內凹陷，所以應向其內部充一定氣壓以平衡纖維的張力。

圖4 滾塑工藝

4.2纖維纏繞

儲氫瓶的中間層和最外層均是由纏繞工藝制而成。纖維纏繞是制造中空復合材料部件的最先進的方法之一，可生產1～100m3 的儲罐。碳纖維增強樹脂纏繞工序如圖5所示，包括卷繞單元、樹脂浸漬單元和控制單元，碳纖維干絲纏繞在多個粗紗繞線架上，經固定滑輪引導，在液體環氧樹脂中充分浸漬后，匯集成 1cm 寬的帶狀纖維束帶，在計算機的精確控制下，通過敷設箱軸向的往復運動，配合內膽的旋轉驅動裝置，將纖維束反復纏繞在內膽外圍，從而獲得中間產品罐。裝有環氧樹脂的液槽配有機械攪拌裝置，保證具有微波吸收性的無機鐵氧體顆粒能夠均勻分散，從而提高熱固化性，同時不斷補充新鮮的液體環氧樹脂。纖維在被拉伸的同時分子鏈沿受力方向取向，在纏繞前通過附加設備預先給予纖維 適當應力，可以使纖維在內膽上的纏繞位置更加精確。除了復合材料本身高強度外，成型方式對性能 影響同樣至關重要。纏繞的類型 (兩端纏繞、螺旋纏繞和箍式纏繞) 、次數、方向、纏繞帶的寬度、間距等的組合方式有無限多種可能，必須要依靠CAE計算機輔助工程設計。

圖5 碳纖維增強樹脂纏繞工藝

4.3 微波固化

IV 型儲氫瓶瓶體安全性能評估的重點，是碳纖維和玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能，包括: 基體開裂，纖維/基體脫粘和纖維斷裂。纖維增強環氧樹脂熱固化一般要幾個小時，纖維與樹脂基體的熱擴散系數不同，界面更易受應力集中或松弛的影響，降低復合材料的性能。微波照射條件下，固化時間可大幅縮短，降低固化后材料殘留的內應力，提高基材與纖維的界面作用力，從而改善復合材料的強度和剛度。微波照射固化工序如圖 6所示，罐兩端的罐軸將中間產品罐支撐在框架上，以恒定速度旋轉，通過微波振蕩器產生2.1GHz的微波，直接照射到中間產品罐的纖維增強樹脂層上，并在微波加熱裝置的內壁表面上反射，然后繼續施加到纖維增強樹脂層上，依靠微波加熱使環氧樹脂固化，之后冷卻獲得高壓氫罐。微波照射的時間由最終高壓氫罐產品的尺寸、纖維增強樹脂層厚度、纖維纏繞的次數決定。為了提高強度，可多次重復以上纖維纏繞和微波固化的步驟，根據需要調整使用碳纖、玻纖、環氧等復合材料的配比，并增加后固化工序，即在適當的高溫下放置較長時間，使環氧樹脂完全固化。由于較長的纏繞時間會使樹脂浸潤性變差，偏高的體系粘度會使氣泡難以排出，所以需要加入低分子量低粘度的環氧樹脂調配，而且應使最外層環氧粘 度小于中間層環氧粘度，以便于固化過程中內部氣體的排出。

圖6 微波照射固化工藝