在全球努力實(shí)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(chǔ)氫技術(shù)，因其在氫能儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的重要性，成為研究的焦點(diǎn)。其中，采用塑料內(nèi)膽和碳纖維全纏繞技術(shù)的Ⅳ型儲(chǔ)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(wèn)題，可能導(dǎo)致儲(chǔ)氫瓶在高壓下失效。因此，開(kāi)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(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)男屎桶踩浴?/span>二、車(chē)載儲(chǔ)氫瓶分類
在車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)中，根據(jù)儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶主要由金屬材料制成，但因?yàn)榻饘俨牧弦资軞浯嘤绊?，其使用在受限制的條件下，儲(chǔ)氫密度和使用壽命相對(duì)較低。隨著技術(shù)的進(jìn)步，Ⅱ型儲(chǔ)氫瓶通過(guò)在金屬瓶體上添加纖維材料的纏繞來(lái)增強(qiáng)其承壓能力，從而提高儲(chǔ)氫密度和使用壓力。Ⅲ型儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫瓶則代表了儲(chǔ)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(wèn)題，使儲(chǔ)氫密度大幅提高。這些不同類型的儲(chǔ)氫瓶各有特點(diǎn)，從全金屬到塑料內(nèi)膽的演進(jìn)，反映了儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶
表 不同類型儲(chǔ)氫瓶特點(diǎn)對(duì)比
三、國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展情況
1、國(guó)外技術(shù)動(dòng)態(tài)為應(yīng)對(duì)氣候變化，全球正在積極發(fā)展儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶的Mirai系列，該系列的儲(chǔ)氫瓶在減輕重量的同時(shí)保持了出色的抗疲勞和熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了5.7wt%的儲(chǔ)氫密度。美國(guó)QUANTUM公司推出的Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶采用“TriShield”設(shè)計(jì)，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(xiǎn)。這些技術(shù)進(jìn)步不僅推動(dòng)了氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，也為低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。
圖 采用“TriShield”設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶
德國(guó)戴姆勒克萊斯勒汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶具有70MPa的公稱壓力，使得裝載兩個(gè)此類儲(chǔ)氫瓶的氫燃料電池汽車(chē)?yán)m(xù)航能力達(dá)到700公里。此外，佛吉亞公司通過(guò)改進(jìn)內(nèi)膽材料，成功實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氫瓶整體重量減輕20%，并且已成為現(xiàn)代汽車(chē)、上汽集團(tuán)和雪鐵龍等多家知名汽車(chē)制造商的供應(yīng)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(xiàn)長(zhǎng)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(chǔ)氫瓶的氫燃料電池汽車(chē)
2、國(guó)內(nèi)技術(shù)動(dòng)態(tài)在中國(guó)，隨著國(guó)家碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)的明確提出，Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。政策推動(dòng)下，預(yù)期到2035年氫能源汽車(chē)數(shù)量將顯著增加，這對(duì)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)構(gòu)成了強(qiáng)大的推力。盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)在Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面相比國(guó)際市場(chǎng)稍顯滯后，但國(guó)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(wèn)題仍是制約國(guó)內(nèi)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶發(fā)展的主要障礙。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，國(guó)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(chǔ)氫瓶技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，支撐中國(guó)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(chǔ)氫瓶生產(chǎn)線和測(cè)試中心，并于近年自主研發(fā)出Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶。這些儲(chǔ)氫瓶在重型卡車(chē)上已經(jīng)得到了應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了比Ⅲ型儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶，并實(shí)現(xiàn)了碳纖維的國(guó)產(chǎn)化，突破了 385L 儲(chǔ)氫瓶的量產(chǎn)化并投入銷售。奧揚(yáng)科技公司開(kāi)發(fā)出的Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶解決了塑料內(nèi)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(shè)了Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)線，而豐辰氫能科技公司則通過(guò)與Steelhead 公司合作，開(kāi)拓中國(guó)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)。盡管?chē)?guó)內(nèi)儲(chǔ)氫瓶制造企業(yè)與國(guó)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(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。國(guó)內(nèi)Ⅳ型儲(chǔ)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(wèn)題、內(nèi)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(dāng)前急需解決的“卡脖子”問(wèn)題。四、儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)膽成型工藝進(jìn)展Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶和其內(nèi)膽設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于實(shí)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(diǎn)包括通過(guò)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(duì)提升儲(chǔ)氫瓶的整體性能至關(guān)重要。
圖 Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶和Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)膽
Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶?jī)?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(diǎn)。表 不同成型工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
在國(guó)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(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)膽的制造。這種方法特別適用于尺寸較小的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶，但對(duì)于尺寸較大的儲(chǔ)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(shí)，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(jià)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(duì)推進(jìn)Ⅳ型儲(chǔ)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(guó)現(xiàn)代、ILJIN Composites 公司、德國(guó) NPROXX 等的部分車(chē)載儲(chǔ)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(wú)法實(shí)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(duì)裝配要求較高。例如美國(guó) Quantum、通用汽車(chē)、Impco 和 HexagonLincoln 等的部分車(chē)載儲(chǔ)氫瓶塑料內(nèi)膽產(chǎn)品是以吹塑工藝成型。另外，針對(duì)低熔體剛性和復(fù)雜的尼龍材料，荷蘭 DSM 公司實(shí)現(xiàn)了尼龍內(nèi)膽的吹塑成型。滾塑成型不僅可實(shí)現(xiàn)封頭與筒體的一體成型，而且可實(shí)現(xiàn)金屬瓶閥座結(jié)構(gòu)與塑料的在線連接，例如美國(guó) Quantum 和法國(guó) CEA 等公司的部分內(nèi)膽制品通過(guò)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(zhǎng)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(jià)值。五、車(chē)載儲(chǔ)氫市場(chǎng)分析儲(chǔ)氫瓶作為高壓氣態(tài)氫氣的儲(chǔ)存容器，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求持續(xù)高速增長(zhǎng)，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(hào)技術(shù)的發(fā)展，2022年中國(guó)車(chē)載儲(chǔ)氫瓶的需求預(yù)計(jì)達(dá)到7萬(wàn)只，市場(chǎng)規(guī)模約為24.2億元。預(yù)計(jì)到2025年，隨著氫能源汽車(chē)的推廣和應(yīng)用擴(kuò)大，市場(chǎng)規(guī)模將顯著增至101.5億元，顯示出儲(chǔ)氫瓶行業(yè)的巨大發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。車(chē)載Ⅳ型儲(chǔ)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(shí)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(dòng)Ⅳ型儲(chǔ)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(chǔ)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(lái)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的需求持續(xù)增長(zhǎng)，特別是在氫能源汽車(chē)推廣和應(yīng)用擴(kuò)大的背景下。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)車(chē)載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模將顯著增長(zhǎng)，顯示出行業(yè)的巨大發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。為了應(yīng)對(duì)技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展的挑戰(zhàn)，重點(diǎn)應(yīng)放在解決當(dāng)前技術(shù)障礙、推動(dòng)成型工藝創(chuàng)新、加強(qiáng)國(guó)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(dòng)Ⅳ型儲(chǔ)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(xiàn)碳中和目標(biāo)。[1] 田明明.Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶?jī)?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(guó)高壓儲(chǔ)氫瓶行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測(cè)與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)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(qǐng)注明出處。
