车载高压储氢罐技术集中度高，国内70MPa标准亟需出台

       摘要：在2018年12月工业和信息化部装备工业司组织召开 “燃料电池汽车行业研讨会”后，国内除已公布的燃料电池汽车产业规划地外，又有江苏、辽宁等多地展现出布局信号。在行业热度渐升的背后，燃料电池汽车还有许多亟需解决的问题，其中车载储氢罐作为燃料的载体，影响着整车的续航能力及安全性。

　　由于氢气具有易燃易爆、泄漏性强，以及易引起储氢材料“氢脆”等问题，使得车载储氢系统存在着一定的安全隐患，本文从氢气的特性入手，简要分析了目前储氢容器的技术关键点，并对国内外储氢瓶标准和应用动态作了简单介绍。

　　氢气易燃易扩散，高压存储技术要求较高

　　氢气具有易燃性，且燃烧范围宽。氢气在体积比浓度为4%~75%范围内均可燃烧，相较其他可燃气体燃料范围宽。

　　氢气具有泄漏性，泄露速率高，但泄露能量低。氢气在泄露的前提下，速率较其他气体快，泄露率最高是天然气的3.8倍，但由于天然气的体积能量密度是氢气的3倍多，因此同样容积的气瓶天然气泄漏能量将大于氢气的泄漏能量。

　　氢气具有易扩散性，由于浮力大，发生泄漏时将会迅速扩散。即使在通风不畅的环境下，泄漏的氢气也将会很快上升。在常温常压下，氢气的扩散系数约为0.61 cm2 /s，而天然气为0. 16 cm2 /s、汽油气仅为0.05cm2 /s。

　　氢气的存储容器易出现“氢脆现象”。氢在高于300 ℃和30 MPa时，会对金属产生腐蚀，引起金属的塑性下降，最终诱发裂纹或产生断裂。因此，储氢容器中必须选用特殊的材料来规避氢脆现象。

　　燃料电池汽车的氢安全是使用者关心的首要问题，所以氢系统必须对安全性做特殊要求，目前应用的高压储氢气瓶主要有四类：全金属气瓶(Ⅰ型) 、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型) 。其中，Ⅲ型瓶集安全性、较高的体积/质量比容量和相对的低成本，在车载储氢瓶的商业领域得到快速应用。

　　高压储氢瓶关键技术集中在内衬层、缠绕层和过渡层

图1 Ⅲ型高压储氢瓶结构图　　

(数据来源：《碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展》)

　　金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型瓶)从内至外由内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层和缓冲层构成，其中决定储氢瓶性能的因素集中在内衬材料、过渡层和纤维缠绕层上。

　　(1)内衬材料的形状与尺寸影响储氢气瓶的重量和耐疲劳性。理论及实践证明，内衬材料的长径比大于2时性能最高。为使气瓶轻量化，必须合理分配气瓶各层所占的比重，一般内胆所分配的比重在12%～16%。

　　(2)内衬材料利用自紧技术产生塑性形变，提高自身耐疲劳性。储氢气瓶反复充放后易发生疲劳损伤，由于铝内胆层的比强度、比模量低于碳纤维层，在相同的应力下，铝内胆达到极限时，碳纤维的高强度性能得不到发挥;且在气瓶泄压后，可能会有残余应力影响使用寿命。因此，在气瓶制成后，加入自紧环节，为其施加一个预应力，从而产生塑性形变，提高气瓶耐疲劳性。

　　(3)纤维缠绕层采用纵向缠绕与旋向缠绕抵消纵向和环向压力。由于纤维缠绕层具有各向异性，通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现的多层次结构，不仅可以满足强度要求，可抵消纵向和环向压力，同时还可以使封头能够合理铺覆。

　　(4)过渡层采用高性能树脂基体，延长使用寿命。环氧树脂力学性能、耐热性能良好、工艺简单、改性空间大、价格合理。由于缠绕层制备时，容易导致产生起毛、断丝等现象，过渡层可以很好处理这个问题，并且在使用过程中，也充当内衬层和缠绕层的缓冲带。

　　国际标准已有70Mpa储氢瓶压力标准，国内尚需完善

　　从现有的储氢气瓶压力标准政策来看，国际标准化组织已出台了ISO/CD 19881《车用压缩氢气瓶》，其中已有70Mpa压力标准;国内主要以35Mpa Ⅲ型瓶的标准为主，目前浙江大学正在编制70Mpa储氢气瓶国标初稿。

　　从表1比对结果看，我国目前现行标准与国际标准草案ISO/CD 19881大体吻合，但在储气瓶的压力、容积、适应温度等总体性能标准上尚需扩大范围，又由于技术差异，在储氢罐的型式试验标准中对层间剪切强度做出要求。

　　表1 国内外车载储氢气瓶标准对比

　　　(数据来源：《车用高压储氢气瓶法规标准研究》)

　　美、加、日实现70Mpa Ⅲ型瓶量产，国内研发成功待推广

　　美国通用汽车公司通过增强碳纤维缠绕层结构，在体积不变的前提下，将35Mpa储氢瓶升级为70Mpa，可以储存3.1kg氢气。

　　加拿大Dynetek公司通过改进缠绕层和过渡层技术，加强了碳纤维/树脂基体复合增强外包层的强度，支持高压储氢瓶完成70Mpa压力标准的升级，目前该产品已投入工业化生产，获得广泛应用。

　　日本汽车研究所燃料电池汽车研究中心将37MPa储氢瓶升级为70Mpa，但相应的气瓶储氢量仅增加60%，研究储氢气瓶极限储存量并改善其密闭性能以提高高压储氢量是当前亟待解决的问题。

　　浙江大学在国家高技术研究发展计划(863计划)的资助下，建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构-材料-工艺一体化的自适应遗传优化设计方法，形成了0.5mm铝合金内衬材料、抗疲劳性能强的缠绕层等一些列关键技术，成功研制了质量储氢密度达5.78wt%的70MPa储氢气瓶。

　　沈阳斯达林公司、北京科泰克和北京天海也陆续研制并进行70Mpa气瓶的型式试验，有望近期推向市场。

　　结语

　　氢气的易燃易爆及强扩散性，对车载高压储氢技术提出了极高的要求，在已有的四代储氢气瓶中，金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型瓶)是当前车载储氢瓶的主流技术方向，其技术的关键点在储氢瓶的内衬材料、纤维缠绕层和过渡层上，美国通用及加拿大Dynetek等通过升级碳纤维缠绕层技术，完成35Mpa至70Mpa压力型号的过度，国内浙江大学研制出质量储氢密度达5.78wt%的70MPa储氢气瓶，沈阳斯达林等企业也陆续完成70Mpa型号储氢气瓶的研发，需待70MPa标准出台后投入市场。