氢燃料电池乘用车储能装备的未来趋势——IV 型储氢瓶

2023-04-07 14:44:46 来源：中冶有色技术网

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简介：在众多储氢技术中，高压气态储氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是现阶段主要的储氢方式，而且储运的介质，主要就是储氢瓶（第三届全国钒钛资源与储能科技大会）。

在众多储氢技术中，高压气态储氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是现阶段主要的储氢方式，而且储运的介质，主要就是储氢瓶（第三届全国钒钛资源与储能科技大会）。

一、车载储氢瓶种类及发展趋势

目前车载储氢瓶主要有以下种类：

I 型：全金属结构，通常为钢。

II型：主要是金属，在环向方向有一些纤维外包裹，主要是钢或铝，玻璃纤维复合材料；金属容器和复合材料共享大约相等的结构载荷。

III 型：带有全复合材料外包装的金属内衬，通常为铝，带有碳纤维复合材料；复合材料承受结构载荷。

IV 型：全复合结构，聚合物——通常是聚酰胺 (PA) 或高密度聚乙烯 (HDPE) 衬里，带有碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料；复合材料承载所有结构载荷。

V 型：无衬里，全复合结构，目前尚处于研发中。

五种不同的储氢瓶

伴随氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，氢储运的难题正成为全世界的研究热点。储氢瓶是其中极其重要的一种储运介质，下表列举了不同储氢瓶的各项性能对比。

来源：北京氢燃料电池发动机工程技术研究中心

就当下而言，Ⅳ型储氢气瓶因其质量轻、耐疲劳等特点正成为全世界的研究热点，也是氢燃料电池乘用车储能装备的未来趋势。日本、韩国、美国与挪威等国的 Ⅳ型储氢气瓶均已量产，其余国家也有相关计划加大Ⅳ型气瓶的研究力度。

二、Ⅳ型储氢瓶结构及材料

IV型储氢瓶的结构主要包括以下部分：

内胆：瓶壁总厚度约为20~30mm，最内层与氢气直接接触的是阻气层，厚度约为2~3mm，材料是PA6、PA612、PA11、HDPE等，起阻隔氢气的作用；

中间层：是比较厚的耐压层，材料是CFRP碳纤维增强复合材料，由碳纤维和环氧树脂构成，在保证耐压等级的前提下，尽量减小该层厚度以提高储氢效率；

表层：厚度约为2~3mm，材料是GFRP玻纤增强复合材料，由玻璃纤维和环氧树脂构成。

IV型瓶结构

IV型瓶内胆多采用尼龙6、高密度聚乙烯（HDPE）以及PET聚酯塑料等，对应的成型工艺主要为注塑、吹塑和滚塑成型。丰田、现代已量产的IV型瓶均为注塑+焊接工艺，该种成型方式成本低、运用较广泛、但良品率也较低，且必须配合后续的焊接工序。

三、IV型储氢瓶内胆尼龙材料及相关厂商

内胆是储氢气瓶的核心部件，起到阻隔氢气的作用，其对材料的性能要求有：耐氢气渗透性、耐热性、良好的低温力学性能、良好的加工性能等等，目前多数是采用尼龙材料，比如PA6、PA612、PA11等。

1. 宇部兴产：PA6

作为 UBE NYLON ™ 1218IU 商业销售的尼龙 6 树脂由丰田汽车和 Ube Industries 共同开发，用作燃料电池汽车高压氢气罐的塑料衬里材料。自 2014 年首次亮相以来，Ube Industries 一直为丰田燃料电池车 MIRAI 中的应用提供 UBE NYLON ™ 1218IU。

UBE NYLON ™ 1218IU 满足严格的标准，被批准为 MIRAI 高压氢气罐的塑料内衬材料。作为储罐最里面的部件，塑料内胆可防止氢气从储罐中泄漏出来。

尼龙 6 树脂在防止氢气渗透方面具有卓越的性能，并具有出色的机械性能，包括耐充填和排放氢气时储罐温度突然变化的耐久性以及低温环境下的抗冲击性。

2. 帝斯曼：PA6

帝斯曼于10年前推出了Akulon® Fuel Lock，以响应对用于车辆和户外设备的可持续材料迅速增长的需求。先进的PA6非常适合生产比钢替代品轻70%的IV型储氢瓶（第三届全国钒钛资源与储能科技大会），并在整个零件生命周期内提供出色的机械强度、尺寸稳定性和抗冲击性。Akulon® Fuel Lock油箱内胆提供出色的阻隔性能，减少氢气从压力容器中渗透泄漏，从而提高车辆安全性和燃油效率。

由于其独特的化学结构，与HDPE和PA11相比，Akulon® Fuel Lock具有卓越的性能。该材料在加热到85°C时比HDPE具有更高的安全裕度，并且超过了广泛使用的热稳定性安全标准。在-40°C环境中进行的快速加注测试验证了Akulon® Fuel Lock在低温条件下表现良好。

3. 杜邦：PA6、PA612

杜邦为燃料电池汽车提供一站式解决方案，涵盖电机和电控、高压电池包、燃料电堆、氢罐等各子系统的材料选择、设计与仿真及零部件测试等。杜邦的 Zytel® PA6和Zytel® LCPA PA612可应用于 IV型储氢瓶内胆，具有以下特性：低氢气渗透率；-40 °C低温下高韧性；吹塑成型或者注塑加焊接方式成型；80°C下强度高于20Mpa；无有害挥发物。