70MPa供氢系统核心产品介绍系列——高压储氢瓶

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发布时间：

2023-04-06

本期介绍的是供氢系统——70MPa储氢瓶。设计用于在压力下容纳液体和气体的容器和罐的发展经历了五个不同的阶段：全金属罐（Ⅰ型），金属内胆纤维环向缠绕瓶（Ⅱ型），金属内胆纤维全缠绕瓶（Ⅲ型），塑料内胆纤维全缠绕瓶（Ⅳ型）和无内胆全复合材料瓶（Ⅴ型）。

我们推出70MPa供氢系统核心产品介绍系列文章，将包括减压阀、瓶阀、加氢口、高压传感器、储氢瓶，加氢枪等产品，敬请期待。

本期介绍的是供氢系统——70MPa储氢瓶。

设计用于在压力下容纳液体和气体的容器和罐的发展经历了五个不同的阶段：全金属罐（Ⅰ型），金属内胆纤维环向缠绕瓶（Ⅱ型），金属内胆纤维全缠绕瓶（Ⅲ型），塑料内胆纤维全缠绕瓶（Ⅳ型）和无内胆全复合材料瓶（Ⅴ型）。

图1.储氢瓶分类

储氢瓶内部主要由内胆、中间层、表层三部分组成，内胆是储氢气瓶的核心部件，主要作用为阻隔氢气。中间层是比较厚的耐压层，主要作用为承压，碳纤维凭借较好的拉伸强度及较轻的重量广泛用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型瓶中的中间层，表层一般使用玻纤等包裹材料用于保护内部结构。

图2.储氢瓶结构

由于氢脆效应及纤维缠绕形式，Ⅰ、Ⅱ型储氢瓶只能满足35MPa储氢压力，不适用于70MPa储氢条件。Ⅲ型、Ⅳ型和V型都可以满足70MPa储氢,三者各有优缺点。

Ⅲ型储氢瓶内胆一般采用铝合金，虽然偏重些、成本高些，但其材质温度及环境适应能力强，密封性好，一般没有泄漏问题。

相比较Ⅲ型储氢瓶的金属内胆，Ⅳ型储氢瓶内胆采用塑料等复合材料，耐氢气渗透性和耐热性较好采用塑料材料，具有重量轻、成本低、质量储氢密度大，内胆耐腐蚀，使用寿命更长等优点。但其也存在塑料内胆与金属瓶口阀的接触处很难获得可靠密封，塑料与金属之间热膨胀系数差异，随着使用时间延长，金属与塑料间的粘结力将削弱，另外塑料内胆对温度敏感。

有鉴于Ⅳ型储氢瓶的复杂生产工艺和技术难题，以及国内尚未建立相关标准，所以国内70MPa储氢瓶目前仍以Ⅲ型为主。

表1.中材70MPaⅢ型储氢瓶

表2.斯林达70PaⅢ型储氢瓶

关于V型储瓶的国际研发进展

无衬里V型储瓶多年来一直是压力容器行业的目标。无衬里V型储瓶是使用湿风或丝束浸渍长丝缠绕制造——碳纤维和专用的树脂系统——从而消除了瓶内性能和每层之间热膨胀系数（CTE）的差异。V型瓶尚未实现商业化大规模应用，目前更多还是应用在航空航天等对重量极其敏感的行业。

2010年，位于美国科罗拉多州拉斐特的复合材料技术开发公司（Composites Technology Development Inc，CTD）其第一个商用、全复合材料、无衬里压力容器是与美国空军研究实验室（俄亥俄州赖特-帕特森空军基地）和德克萨斯大学（德克萨斯州奥斯汀）合作建造的。它安装在FASTRAC 1卫星上，1.9L储罐的直径约为6英寸（152mm），直径为7至8英寸（长度为178至203mm），重量仅为0.44磅（0.2Kg）。CTD的无衬里压力容器预计将比其最接近的IV型同类轻15%至20%。该瓶由东丽复合材料美国公司提供的T200碳纤维缠绕而成，并用CTD专有的KIBOKO增韧环氧树脂润湿。

英国国家复合材料中心（NCC）在航空航天制造商Thsles Alenia Space（法国戛纳)的行业指导下，在SpaceTank项目下制造了96L碳纤维复合材料罐，在运载火箭和卫星推进剂罐的应用中减轻了30%的重量。

图3.NCC全复合材料V型储瓶

2020年，无限复合材料技术公司（Infinite Composites Technologies，美国俄克拉荷马州塔尔萨）宣布开发一种球形、无衬里、全复合材料低温罐——通过长丝缠绕和工业烤箱固化制造——一种用于在火箭动力太空运载火箭上储存低温推进剂的压力容器。ICT的全复合材料储瓶称为CryoSphere，为储存燃料提供了更轻，更省油的选择。
该项目由东丽（日本东京）T800碳纤维和环氧树脂制成，通过长丝缠绕制造，在室温下固化，并在ICT塔尔萨工厂的工业烘箱中进行后固化。

图4.CryoSphereV型储瓶

2021年，Haydale宣布与Viritech合作开发用于储氢容器的石墨烯增强环氧树脂项目。该项目设计旨在为超级跑车和重型公路车辆的应用进一步减轻重量。专注于设计和开发基于功能化石墨烯的新材料和树脂，使用其专利的HDPlas技术，用于V型储氢瓶。该树脂可以作为储存容器的渗透屏障，但功能化的石墨烯还可能提供大大增强的机械性能，以提高容器的整体性能。