摘要：在2018年12月工業和信息化部裝備工業司組織召開 “燃料電池汽車行業研討會”后，國內除已公布的燃料電池汽車產業規劃地外，又有江蘇、遼寧等多地展現出布局信號。在行業熱度漸升的背后，燃料電池汽車還有許多亟需解決的問題，其中車載儲氫罐作為燃料的載體，影響著整車的續航能力及安全性。

　　由于氫氣具有易燃易爆、泄漏性強，以及易引起儲氫材料“氫脆”等問題，使得車載儲氫系統存在著一定的安全隱患，本文從氫氣的特性入手，簡要分析了目前儲氫容器的技術關鍵點，并對國內外儲氫瓶標準和應用動態作了簡單介紹。

　　氫氣易燃易擴散，高壓存儲技術要求較高

　　氫氣具有易燃性，且燃燒范圍寬。氫氣在體積比濃度為4%~75%范圍內均可燃燒，相較其他可燃氣體燃料范圍寬。

　　氫氣具有泄漏性，泄露速率高，但泄露能量低。氫氣在泄露的前提下，速率較其他氣體快，泄露率最高是天然氣的3.8倍，但由于天然氣的體積能量密度是氫氣的3倍多，因此同樣容積的氣瓶天然氣泄漏能量將大于氫氣的泄漏能量。

　　氫氣具有易擴散性，由于浮力大，發生泄漏時將會迅速擴散。即使在通風不暢的環境下，泄漏的氫氣也將會很快上升。在常溫常壓下，氫氣的擴散系數約為0.61 cm2 /s，而天然氣為0. 16 cm2 /s、汽油氣僅為0.05cm2 /s。

　　氫氣的存儲容器易出現“氫脆現象”。氫在高于300 ℃和30 MPa時，會對金屬產生腐蝕，引起金屬的塑性下降，最終誘發裂紋或產生斷裂。因此，儲氫容器中必須選用特殊的材料來規避氫脆現象。

　　燃料電池汽車的氫安全是使用者關心的首要問題，所以氫系統必須對安全性做特殊要求，目前應用的高壓儲氫氣瓶主要有四類：全金屬氣瓶(Ⅰ型) 、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型) 。其中，Ⅲ型瓶集安全性、較高的體積/質量比容量和相對的低成本，在車載儲氫瓶的商業領域得到快速應用。

　　高壓儲氫瓶關鍵技術集中在內襯層、纏繞層和過渡層

圖1 Ⅲ型高壓儲氫瓶結構圖　　

(數據來源：《碳纖維纏繞復合材料儲氫氣瓶的研制與應用進展》)

　　金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型瓶)從內至外由內襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護層和緩沖層構成，其中決定儲氫瓶性能的因素集中在內襯材料、過渡層和纖維纏繞層上。

　　(1)內襯材料的形狀與尺寸影響儲氫氣瓶的重量和耐疲勞性。理論及實踐證明，內襯材料的長徑比大于2時性能最高。為使氣瓶輕量化，必須合理分配氣瓶各層所占的比重，一般內膽所分配的比重在12%～16%。

　　(2)內襯材料利用自緊技術產生塑性形變，提高自身耐疲勞性。儲氫氣瓶反復充放后易發生疲勞損傷，由于鋁內膽層的比強度、比模量低于碳纖維層，在相同的應力下，鋁內膽達到極限時，碳纖維的高強度性能得不到發揮;且在氣瓶泄壓后，可能會有殘余應力影響使用壽命。因此，在氣瓶制成后，加入自緊環節，為其施加一個預應力，從而產生塑性形變，提高氣瓶耐疲勞性。

　　(3)纖維纏繞層采用縱向纏繞與旋向纏繞抵消縱向和環向壓力。由于纖維纏繞層具有各向異性，通過環向纏繞與旋向纏繞交替進行實現的多層次結構，不僅可以滿足強度要求，可抵消縱向和環向壓力，同時還可以使封頭能夠合理鋪覆。

　　(4)過渡層采用高性能樹脂基體，延長使用壽命。環氧樹脂力學性能、耐熱性能良好、工藝簡單、改性空間大、價格合理。由于纏繞層制備時，容易導致產生起毛、斷絲等現象，過渡層可以很好處理這個問題，并且在使用過程中，也充當內襯層和纏繞層的緩沖帶。

　　國際標準已有70Mpa儲氫瓶壓力標準，國內尚需完善

　　從現有的儲氫氣瓶壓力標準政策來看，國際標準化組織已出臺了ISO/CD 19881《車用壓縮氫氣瓶》，其中已有70Mpa壓力標準;國內主要以35Mpa Ⅲ型瓶的標準為主，目前浙江大學正在編制70Mpa儲氫氣瓶國標初稿。

　　從表1比對結果看，我國目前現行標準與國際標準草案ISO/CD 19881大體吻合，但在儲氣瓶的壓力、容積、適應溫度等總體性能標準上尚需擴大范圍，又由于技術差異，在儲氫罐的型式試驗標準中對層間剪切強度做出要求。

　　表1 國內外車載儲氫氣瓶標準對比

　　　(數據來源：《車用高壓儲氫氣瓶法規標準研究》)

　　美、加、日實現70Mpa Ⅲ型瓶量產，國內研發成功待推廣

　　美國通用汽車公司通過增強碳纖維纏繞層結構，在體積不變的前提下，將35Mpa儲氫瓶升級為70Mpa，可以儲存3.1kg氫氣。

　　加拿大Dynetek公司通過改進纏繞層和過渡層技術，加強了碳纖維/樹脂基體復合增強外包層的強度，支持高壓儲氫瓶完成70Mpa壓力標準的升級，目前該產品已投入工業化生產，獲得廣泛應用。

　　日本汽車研究所燃料電池汽車研究中心將37MPa儲氫瓶升級為70Mpa，但相應的氣瓶儲氫量僅增加60%，研究儲氫氣瓶極限儲存量并改善其密閉性能以提高高壓儲氫量是當前亟待解決的問題。

　　浙江大學在國家高技術研究發展計劃(863計劃)的資助下，建立了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶結構-材料-工藝一體化的自適應遺傳優化設計方法，形成了0.5mm鋁合金內襯材料、抗疲勞性能強的纏繞層等一些列關鍵技術，成功研制了質量儲氫密度達5.78wt%的70MPa儲氫氣瓶。

　　沈陽斯達林公司、北京科泰克和北京天海也陸續研制并進行70Mpa氣瓶的型式試驗，有望近期推向市場。

　　結語

　　氫氣的易燃易爆及強擴散性，對車載高壓儲氫技術提出了極高的要求，在已有的四代儲氫氣瓶中，金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型瓶)是當前車載儲氫瓶的主流技術方向，其技術的關鍵點在儲氫瓶的內襯材料、纖維纏繞層和過渡層上，美國通用及加拿大Dynetek等通過升級碳纖維纏繞層技術，完成35Mpa至70Mpa壓力型號的過度，國內浙江大學研制出質量儲氫密度達5.78wt%的70MPa儲氫氣瓶，沈陽斯達林等企業也陸續完成70Mpa型號儲氫氣瓶的研發，需待70MPa標準出臺后投入市場。