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        【專題綜述】一文了解車載Ⅳ型儲氫瓶內膽一體化成型工藝發展

        2024-04-08 58
        一、引言
        在全球努力實現碳達峰和碳中和目標的大背景下,氫能作為一種零碳排放的清潔能源方案,吸引了廣泛的關注。特別是,高壓氣態儲氫技術,因其在氫能儲運過程中的重要性,成為研究的焦點。其中,采用塑料內膽和碳纖維全纏繞技術的Ⅳ型儲氫瓶表現出巨大的潛力。但是,傳統的塑料內膽制造方法存在焊接缺陷問題,可能導致儲氫瓶在高壓下失效。因此,開發一體化內膽成型技術,以及在成型效率、內膽質量和能源利用率方面的技術創新,變得至關重要,以提升氫能儲存和運輸的效率和安全性。

        二、車載儲氫瓶分類

        在車載儲氫系統中,根據儲氫瓶的結構特征和材料使用,可以將其大致分為四種類型,分別為Ⅰ型到Ⅳ型。Ⅰ型儲氫瓶主要由金屬材料制成,但因為金屬材料易受氫脆影響,其使用在受限制的條件下,儲氫密度和使用壽命相對較低。隨著技術的進步,Ⅱ型儲氫瓶通過在金屬瓶體上添加纖維材料的纏繞來增強其承壓能力,從而提高儲氫密度和使用壓力。Ⅲ型儲氫瓶采用了輕質的鋁制內膽,并用全纖維材料纏繞,這不僅進一步提升了儲氫密度和工作壓力,也使得氫能在更廣泛的領域得到應用。Ⅳ型儲氫瓶則代表了儲氫技術的一大突破,它采用塑料材料作為內膽,外部則用纖維材料全纏繞,不僅大幅降低了氣瓶的重量,還有效避免了內膽金屬氫脆問題,使儲氫密度大幅提高。這些不同類型的儲氫瓶各有特點,從全金屬到塑料內膽的演進,反映了儲氫技術在安全性、經濟性以及應用廣度上的持續進步。

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        圖 不同類型儲氫瓶

        表 不同類型儲氫瓶特點對比

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        三、國內外最新發展情況

        1、國外技術動態
        為應對氣候變化,全球正在積極發展儲氫技術。日本豐田自1992年起研發燃料電池汽車,并于2015年推出了配備Ⅳ型儲氫瓶的Mirai系列,該系列的儲氫瓶在減輕重量的同時保持了出色的抗疲勞和熱穩定性,實現了5.7wt%的儲氫密度。美國QUANTUM公司推出的Ⅳ型儲氫瓶采用“TriShield”設計,提高了抗沖擊能力,一體成型的內膽避免了焊縫,減少了氫氣泄漏的風險。這些技術進步不僅推動了氫能在交通領域的應用,也為低碳經濟的實現提供了有力支持。

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        圖 采用“TriShield”設計結構的Ⅳ型儲氫瓶

        德國戴姆勒克萊斯勒汽車公司開發的Ⅳ型儲氫瓶具有70MPa的公稱壓力,使得裝載兩個此類儲氫瓶的氫燃料電池汽車續航能力達到700公里。此外,佛吉亞公司通過改進內膽材料,成功實現了儲氫瓶整體重量減輕20%,并且已成為現代汽車、上汽集團和雪鐵龍等多家知名汽車制造商的供應商。這些技術進展不僅推動了氫能汽車的商業化進程,還為實現長距離、低碳排放的交通提供了有效方案。

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        圖 搭載兩個Ⅳ型儲氫瓶的氫燃料電池汽車

        2、國內技術動態
        在中國,隨著國家碳達峰和碳中和的戰略目標的明確提出,Ⅳ型儲氫瓶技術的發展迎來了新的機遇和挑戰。政策推動下,預期到2035年氫能源汽車數量將顯著增加,這對Ⅳ型儲氫瓶市場構成了強大的推力。盡管當前國內在Ⅳ型儲氫瓶的開發和應用方面相比國際市場稍顯滯后,但國內企業正加快研發步伐,并取得了一系列進展。然而,核心技術缺失、塑料與金屬連接技術、材料供應等問題仍是制約國內Ⅳ型儲氫瓶發展的主要障礙。面對這些挑戰,國內企業和研究機構需加強技術創新和合作,以促進Ⅳ型儲氫瓶技術的突破和產業化進程,支撐中國氫能及燃料電池汽車產業的健康發展。例如,天海工業公司已經擁有完整的Ⅲ型儲氫瓶生產線和測試中心,并于近年自主研發出Ⅳ型儲氫瓶。這些儲氫瓶在重型卡車上已經得到了應用,并實現了比Ⅲ型儲氫瓶減重 30%的目標。中材科技公司也大量投入研發Ⅳ型儲氫瓶,并實現了碳纖維的國產化,突破了 385L 儲氫瓶的量產化并投入銷售。奧揚科技公司開發出的Ⅳ型儲氫瓶解決了塑料內膽與金屬瓶閥座的連接密封問題。此外,中集安瑞科公司通過與 Hexagon 公司合作建設了Ⅳ型儲氫瓶生產線,而豐辰氫能科技公司則通過與Steelhead 公司合作,開拓中國Ⅳ型儲氫瓶市場。盡管國內儲氫瓶制造企業與國外企業簽訂了合作關系,但核心技術的缺失仍然存在,這不利于國家長遠發展的戰略目標。國內Ⅳ型儲氫瓶的發展仍然面臨著許多困難,例如塑料與金屬異質界面的連接強度問題、內膽高性能材料壟斷問題以及高模量碳纖維的禁售問題等,這些問題都是當前急需解決的“卡脖子”問題。
        四、儲氫瓶內膽成型工藝進展
        Ⅳ型儲氫瓶和其內膽設計關鍵在于實現金屬瓶閥座與塑料內膽的中空結構,常用高密度聚乙烯或尼龍作為基體材料。研究重點包括通過優化加工工藝以提高內膽的力學性能和阻隔性能,確保尺寸精度,以及強化金屬瓶閥座與塑料內膽界面的結合強度,這對提升儲氫瓶的整體性能至關重要。

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        圖 Ⅳ型儲氫瓶和Ⅳ型儲氫瓶內膽

        Ⅳ型儲氫瓶內膽的成型工藝包括注塑-焊接成型、吹塑成型和滾塑成型,不同的成型工藝各有優缺點。

        表 不同成型工藝優缺點對比

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        在國內外,注塑焊接成型工藝因其成熟度高和可靠性強而被廣泛應用于Ⅳ型儲氫瓶內膽的制造。這種方法特別適用于尺寸較小的車載儲氫瓶,但對于尺寸較大的儲氫瓶,如重卡和加氫站使用的瓶子,需要結合擠出成型技術以滿足封頭和筒體的生產要求。雖然注塑和焊接提供了高精度和尺寸穩定性,但在連接塑料內膽與金屬瓶閥座時,技術挑戰依然存在。另一方面,吹塑和滾塑成型提供了一體成型的可能性,尤其是滾塑成型,它還允許金屬瓶閥座與塑料內膽在線連接,展現了更大的發展潛力和應用價值,盡管目前面臨成型精度和周期等挑戰。這些技術的發展和應用,對推進Ⅳ型儲氫瓶的性能改進和成本降低具有重要意義。當前,日本豐田、韓國現代、ILJIN Composites 公司、德國 NPROXX 等的部分車載儲氫瓶塑料內膽多以注塑和焊接的方式成型。由于吹塑成型無法實現金屬瓶閥座結構與塑料內膽的在線連接,因此需要后續將瓶閥座結構裝配到塑料內膽的本體之上,該成型工藝對裝配要求較高。例如美國 Quantum、通用汽車、Impco 和 HexagonLincoln 等的部分車載儲氫瓶塑料內膽產品是以吹塑工藝成型。另外,針對低熔體剛性和復雜的尼龍材料,荷蘭 DSM 公司實現了尼龍內膽的吹塑成型。滾塑成型不僅可實現封頭與筒體的一體成型,而且可實現金屬瓶閥座結構與塑料的在線連接,例如美國 Quantum 和法國 CEA 等公司的部分內膽制品通過滾塑成型工藝制造。然而,現有的塑料內膽滾塑成型工藝的成型精度低、成型周期長且內膽的成型質量較差,內膽的滾塑成型工藝還有較大發展潛力和應用價值。
        五、車載儲氫市場分析
        儲氫瓶作為高壓氣態氫氣的儲存容器,在國內市場需求持續高速增長,得益于政策支持和技術進步。分為Ⅰ型到Ⅳ型,隨著各型號技術的發展,2022年中國車載儲氫瓶的需求預計達到7萬只,市場規模約為24.2億元。預計到2025年,隨著氫能源汽車的推廣和應用擴大,市場規模將顯著增至101.5億元,顯示出儲氫瓶行業的巨大發展潛力和市場前景。
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        六、總結與展望
        車載Ⅳ型儲氫瓶及其內膽一體化成型工藝的發展顯現了氫能源在實現零碳排放目標中的潛力。目前,該技術面臨塑料與金屬界面連接強度、內膽高性能材料壟斷以及高模量碳纖維禁售等挑戰。注塑焊接、吹塑、滾塑等成型工藝各有利弊,但都在推動Ⅳ型儲氫瓶性能改進和成本降低方面發揮重要作用。特別是,注塑焊接成型在小型車載儲氫瓶制造中得到廣泛應用,而滾塑成型則因其一體成型潛力和在線連接金屬瓶閥座與塑料內膽的能力而顯示出更大發展前景,盡管面臨成型精度和周期挑戰。
        展望未來,國內外市場對Ⅳ型儲氫瓶的需求持續增長,特別是在氫能源汽車推廣和應用擴大的背景下。預計到2025年,中國車載儲氫瓶市場規模將顯著增長,顯示出行業的巨大發展潛力和市場前景。為了應對技術和市場發展的挑戰,重點應放在解決當前技術障礙、推動成型工藝創新、加強國內外合作以及優化材料供應鏈上。這些努力將有助于推動Ⅳ型儲氫瓶技術的進一步突破,支持氫能源及燃料電池汽車產業的健康發展,進而加速實現碳中和目標。

        參考文獻
        [1] 田明明.Ⅳ型儲氫瓶內膽一體化成型工藝及裝備研究[D].北京化工大學,2023.
        [2] 《中國高壓儲氫瓶行業發展前景預測與投資戰略規劃分析報告》

        此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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