一文了解车载Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型工艺发展
发布时间：2024-04-02 浏览人数：人
在全球努力实现碳达峰和碳中和目标的大背景下，氢能作为一种零碳排放的清洁能源方案，吸引了广泛的关注。特别是，高压气态储氢技术，因其在氢能储运过程中的重要性，成为研究的焦点。其中，采用塑料内胆和碳纤维全缠绕技术的Ⅳ型储氢瓶表现出巨大的潜力。但是，传统的塑料内胆制造方法存在焊接缺陷问题，可能导致储氢瓶在高压下失效。因此，开发一体化内胆成型技术，以及在成型效率、内胆质量和能源利用率方面的技术创新，变得至关重要，以提升氢能储存和运输的效率和安全性。
二、车载储氢瓶分类
在车载储氢系统中，根据储氢瓶的结构特征和材料使用，可以将其大致分为四种类型，分别为Ⅰ型到Ⅳ型。Ⅰ型储氢瓶主要由金属材料制成，但因为金属材料易受氢脆影响，其使用在受限制的条件下，储氢密度和使用寿命相对较低。随着技术的进步，Ⅱ型储氢瓶通过在金属瓶体上添加纤维材料的缠绕来增强其承压能力，从而提高储氢密度和使用压力。Ⅲ型储氢瓶采用了轻质的铝制内胆，并用全纤维材料缠绕，这不仅进一步提升了储氢密度和工作压力，也使得氢能在更广泛的领域得到应用。Ⅳ型储氢瓶则代表了储氢技术的一大突破，它采用塑料材料作为内胆，外部则用纤维材料全缠绕，不仅大幅降低了气瓶的重量，还有效避免了内胆金属氢脆问题，使储氢密度大幅提高。这些不同类型的储氢瓶各有特点，从全金属到塑料内胆的演进，反映了储氢技术在安全性、经济性以及应用广度上的持续进步。
不同类型储氢瓶
不同类型储氢瓶特点对比表
三、国内外最新发展情况
为应对气候变化，全球正在积极发展储氢技术。日本丰田自1992年起研发燃料电池汽车，并于2015年推出了配备Ⅳ型储氢瓶的Mirai系列，该系列的储氢瓶在减轻重量的同时保持了出色的抗疲劳和热稳定性，实现了5.7wt%的储氢密度。美国QUANTUM公司推出的Ⅳ型储氢瓶采用“TriShield”设计，提高了抗冲击能力，一体成型的内胆避免了焊缝，减少了氢气泄漏的风险。这些技术进步不仅推动了氢能在交通领域的应用，也为低碳经济的实现提供了有力支持。
采用“TriShield”设计结构的Ⅳ型储氢瓶
德国戴姆勒克莱斯勒汽车公司开发的Ⅳ型储氢瓶具有70MPa的公称压力，使得装载两个此类储氢瓶的氢燃料电池汽车续航能力达到700公里。此外，佛吉亚公司通过改进内胆材料，成功实现了储氢瓶整体重量减轻20%，并且已成为现代汽车、上汽集团和雪铁龙等多家知名汽车制造商的供应商。这些技术进展不仅推动了氢能汽车的商业化进程，还为实现长距离、低碳排放的交通提供了有效方案。
搭载两个Ⅳ型储氢瓶的氢燃料电池汽车
在中国，随着国家碳达峰和碳中和的战略目标的明确提出，Ⅳ型储氢瓶技术的发展迎来了新的机遇和挑战。政策推动下，预期到2035年氢能源汽车数量将显著增加，这对Ⅳ型储氢瓶市场构成了强大的推力。尽管当前国内在Ⅳ型储氢瓶的开发和应用方面相比国际市场稍显滞后，但国内企业正加快研发步伐，并取得了一系列进展。然而，核心技术缺失、塑料与金属连接技术、材料供应等问题仍是制约国内Ⅳ型储氢瓶发展的主要障碍。面对这些挑战，国内企业和研究机构需加强技术创新和合作，以促进Ⅳ型储氢瓶技术的突破和产业化进程，支撑中国氢能及燃料电池汽车产业的健康发展。例如，天海工业公司已经拥有完整的Ⅲ型储氢瓶生产线和测试中心，并于近年自主研发出Ⅳ型储氢瓶。这些储氢瓶在重型卡车上已经得到了应用，并实现了比Ⅲ型储氢瓶减重 30%的目标。中材科技公司也大量投入研发Ⅳ型储氢瓶，并实现了碳纤维的国产化，突破了 385L 储氢瓶的量产化并投入销售。奥扬科技公司开发出的Ⅳ型储氢瓶解决了塑料内胆与金属瓶阀座的连接密封问题。此外，中集安瑞科公司通过与 Hexagon 公司合作建设了Ⅳ型储氢瓶生产线，而丰辰氢能科技公司则通过与Steelhead 公司合作，开拓中国Ⅳ型储氢瓶市场。尽管国内储氢瓶制造企业与国外企业签订了合作关系，但核心技术的缺失仍然存在，这不利于国家长远发展的战略目标。国内Ⅳ型储氢瓶的发展仍然面临着许多困难，例如塑料与金属异质界面的连接强度问题、内胆高性能材料垄断问题以及高模量碳纤维的禁售问题等，这些问题都是当前急需解决的“卡脖子”问题。
Ⅳ型储氢瓶和其内胆设计关键在于实现金属瓶阀座与塑料内胆的中空结构，常用高密度聚乙烯或尼龙作为基体材料。研究重点包括通过优化加工工艺以提高内胆的力学性能和阻隔性能，确保尺寸精度，以及强化金属瓶阀座与塑料内胆界面的结合强度，这对提升储氢瓶的整体性能至关重要。
Ⅳ型储氢瓶和Ⅳ型储氢瓶内胆
Ⅳ型储氢瓶内胆的成型工艺包括注塑-焊接成型、吹塑成型和滚塑成型，不同的成型工艺各有优缺点。
不同成型工艺优缺点对比表
在国内外，注塑焊接成型工艺因其成熟度高和可靠性强而被广泛应用于Ⅳ型储氢瓶内胆的制造。这种方法特别适用于尺寸较小的车载储氢瓶，但对于尺寸较大的储氢瓶，如重卡和加氢站使用的瓶子，需要结合挤出成型技术以满足封头和筒体的生产要求。虽然注塑和焊接提供了高精度和尺寸稳定性，但在连接塑料内胆与金属瓶阀座时，技术挑战依然存在。另一方面，吹塑和滚塑成型提供了一体成型的可能性，尤其是滚塑成型，它还允许金属瓶阀座与塑料内胆在线连接，展现了更大的发展潜力和应用价值，尽管目前面临成型精度和周期等挑战。这些技术的发展和应用，对推进Ⅳ型储氢瓶的性能改进和成本降低具有重要意义。当前，日本丰田、韩国现代、ILJIN Composites 公司、德国 NPROXX 等的部分车载储氢瓶塑料内胆多以注塑和焊接的方式成型。由于吹塑成型无法实现金属瓶阀座结构与塑料内胆的在线连接，因此需要后续将瓶阀座结构装配到塑料内胆的本体之上，该成型工艺对装配要求较高。例如美国 Quantum、通用汽车、Impco 和 HexagonLincoln 等的部分车载储氢瓶塑料内胆产品是以吹塑工艺成型。另外，针对低熔体刚性和复杂的尼龙材料，荷兰 DSM 公司实现了尼龙内胆的吹塑成型。滚塑成型不仅可实现封头与筒体的一体成型，而且可实现金属瓶阀座结构与塑料的在线连接，例如美国 Quantum 和法国 CEA 等公司的部分内胆制品通过滚塑成型工艺制造。然而，现有的塑料内胆滚塑成型工艺的成型精度低、成型周期长且内胆的成型质量较差，内胆的滚塑成型工艺还有较大发展潜力和应用价值。
储氢瓶作为高压气态氢气的储存容器，在国内市场需求持续高速增长，得益于政策支持和技术进步。分为Ⅰ型到Ⅳ型，随着各型号技术的发展，2022年中国车载储氢瓶的需求预计达到7万只，市场规模约为24.2亿元。预计到2025年，随着氢能源汽车的推广和应用扩大，市场规模将显著增至101.5亿元，显示出储氢瓶行业的巨大发展潜力和市场前景。
车载Ⅳ型储氢瓶及其内胆一体化成型工艺的发展显现了氢能源在实现零碳排放目标中的潜力。目前，该技术面临塑料与金属界面连接强度、内胆高性能材料垄断以及高模量碳纤维禁售等挑战。注塑焊接、吹塑、滚塑等成型工艺各有利弊，但都在推动Ⅳ型储氢瓶性能改进和成本降低方面发挥重要作用。特别是，注塑焊接成型在小型车载储氢瓶制造中得到广泛应用，而滚塑成型则因其一体成型潜力和在线连接金属瓶阀座与塑料内胆的能力而显示出更大发展前景，尽管面临成型精度和周期挑战。
展望未来，国内外市场对Ⅳ型储氢瓶的需求持续增长，特别是在氢能源汽车推广和应用扩大的背景下。预计到2025年，中国车载储氢瓶市场规模将显著增长，显示出行业的巨大发展潜力和市场前景。为了应对技术和市场发展的挑战，重点应放在解决当前技术障碍、推动成型工艺创新、加强国内外合作以及优化材料供应链上。这些努力将有助于推动Ⅳ型储氢瓶技术的进一步突破，支持氢能源及燃料电池汽车产业的健康发展，进而加速实现碳中和目标。
[1] 田明明.Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型工艺及装备研究[D].北京化工大学,2023.
[2] 《中国高压储氢瓶行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》
来源：中国复材
