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复合材料大显身手，储氢瓶生产工艺及国内外15家生产企业介绍

发布时间：

2021/09/15 00:00

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氢燃料电池氢气是储存在高压气瓶里边，高压气瓶是氢燃料电池里边至关重要的一部分。做为氢燃料电池车子核心部件，储氢气瓶的高速发展水平将直接确定车子续航能力。

现阶段，车载式髙压汽态储氢气瓶主要包含铝里胆纤维缠绕瓶( Ⅲ型)和塑料里胆纤维缠绕瓶( Ⅳ 型)，车载式气瓶具备容积、净重受到限制、充配有特别要求、坚固耐用和使用场景变化多端等优点。因而，轻量、高压力、高储氢质量比和寿命长是车载式储氢气瓶的特征。

（一）储氢瓶的分类

高压容器分成五种种类：

（AE）和（ISO）分类的高压容器种类和结构。

型：全金属构件，一般为钢。

：通常是金属材料，在腋角方位有一些化学纤维外包囊，通常是钢或铝，玻纤复合材质；不锈钢容器和复合材质分享大概相等的构造荷载。

型：含有全复合材质外包装盒的金属里衬，一般为铝，含有碳纤维材料复合材质；复合材质承担构造荷载。

型：全复合结构，高聚物——一般是丙烯酸树脂 (PA) 或聚乙烯塑料 (HDPE) 内衬，含有碳纤维材料或混和碳/玻纤复合材质；复合材质承重全部构造荷载。

型：无内衬，全复合结构。

从历史里看，占据着超出 90%的市场。但是，伴随着应用复合材质缓解净重和提高压缩空气储存效率的 III 型和 IV 型器皿的销量提升，这样的事情逐渐产生变化。V 型还是处于前期环节，主要运用于外太空运用，但是随着新外太空工业生产的高速发展，这是一个值得关注的领域。比如，2020年 4 月，Infinite Composites Technologies（ICT，美国的俄克拉荷马州塔尔萨）开发设计了一种球型 V 型低温罐，用以在火箭动力外太空火箭发动机上存储超低温液体推进剂。无垫片碳纤维材料/环氧树脂胶冷冻球是由涤纶丝盘绕和工业烤箱干固制造出来的。

Ⅳ型碳纤维材料全盘绕储氢气瓶的里胆关键具有密封性氡气的功效，复合材质层主要是具有承重压力的作用。

（二）Ⅳ型瓶的构造

复合材质层一般分为双层，里层为碳纤维材料盘绕层，一般是由碳纤维材料和环氧树脂胶组成;表层为玻纤防护层，一般是由玻纤和环氧树脂胶组成。双层均是由盘绕加工工艺制作而成，根据对环氧树脂胶加温干固，以确保气瓶抗压强度。因为里胆的差别，Ⅳ型瓶便有了有别于Ⅲ型储氢气瓶的关键所在技术难点。

髙压储氢气瓶主要是由塑胶里衬、金属接头、碳纤维材料盘绕层、外防护层及其密封结构构成，如下图2所显示。在其中里衬关键起汽体密封性和做为盘绕空心楼盖的功效，基本不承受载荷，行为主体原材料海外所采用的为聚乙烯塑料（HDPE）、涤纶6（PA6）及其消息的PET聚酯塑料，一般使用滚塑产品、注塑及其注塑成型工艺制取。

纤维缠绕层采用的是持续碳纤维材料浸渍树脂，依照起模设计工艺盘绕在空心楼盖（里衬）上，再通过固化处理获得，主要为气瓶给予抗压强度，确保气瓶达到定制的承重规定。

（三）里胆原料及成型方法

里胆是储氢气瓶的核心部件，具有隔绝氡气的功效，其核心存有以下几个核心技术点：

① 耐氡气透水性和耐温性

氢原子是有机化学元素周期表中最小的分子，氡气的分子结构非常容易通过塑胶里胆的外壳原材料，因而考虑到原材料的氡气隔绝特性是选料中不可缺少的阶段。除此之外，氡气在经过闸阀的节流阀功效后，气体温度会上升，接着汽体被缩小到气瓶压力，环境温度一样上升，温度做到 85 ℃，里胆原料需具备适宜的氡气透水性和热稳定性能。

Ⅳ型储氢气瓶里胆由于透水性存有两个问题，一是塑胶里胆失衡，向里坍塌，;二是塑胶里胆原材料内部结构产生屈服现象，乃至出泡裂开。

现阶段世界各国专业技术人员从两方面进行分析，国内外研究组织和企业技术工程师给出了许多的解决方案，在其中，西班牙的企业、日本的对 PA6 原材料渗入特性作出了原料级别的改性材料解决，并提高了涤纶的软化温度至 180 ℃上下，且早已交付使用，均能够满足运用规定。

塑胶里胆的金属表面处理是避免渗入所引起的页面分层次缺陷的关键方式，利用物理学或是有机化学的办法更改塑料的界面张力和表面。其中以应力应用较广泛，应力就是指运用持续高温汽体火苗对工件表面开展改性材料。火苗由氧化物( 氧气) 和然料( 天燃气) 的化合物给予，因为火苗中含有大量高自旋的 = O，－和－等官能团，高温下可以与工件表面高聚物产生化学变化，造成甲基、羰基和羟基等极性基团，并使工件表面不光滑化，进而提升粘附水平。

② 较好的超低温物理性能

为了防止充注温度太高对里胆原料造成损伤，一般将气动阀门开展制冷，一般制冷至－40 ℃，当超低温氡气充进气瓶内部结构，里胆在低温下将会发硬而脆，易裂开，里胆原材料的超低温物理性能显得尤为重要。

世界各国专家对尼龙改性做了很多科学研究，最主要的改性材料技术方案分成共混改性材料、添充提高改性材料、共聚物改性材料和纳米技术复合型改性材料，在其混改性材料常被用于涤纶超低温改性材料。

③ 较好的工艺性能

对于塑胶里胆成型技术，并没统一的成形方法，在其中主流的塑料成型技术性都有运用的报道，包含注塑工艺、滚塑成型、吹塑成型等。现阶段、当代等燃料电池车所使用的Ⅳ型储氢气瓶里胆成型方法均是注塑成型。

注塑成型是成本较低，应用也较为广泛里胆成形方法，因为注塑成型不可以成形空心构件，因此注塑成型务必相互配合后续的电焊焊接工艺流程，才可以成形里胆。

的Ⅳ型 70 MPa 储氢气瓶里胆使用了激光焊接，里胆由两种颜色的半圆柱( 包括筒体) 电焊焊接成的，色调较深的为吸光度层，偏浅的以透光性层，激光器在两者的交汇处造成发热量，将原材料溶化，使其连接在一起。

现代车等储氢气瓶全部采用了注塑加工焊接的方法。发热板电焊焊接和摩擦焊接方式在里胆电焊焊接层面都有应用，可是有关的报道偏少。由于注塑加工焊接方式所带来的电焊焊接产品合格率低难题，海外关键气瓶生产厂家已经科学研究非注塑成型的里胆成形方法。

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