摘要：在2018年12月工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司組織召開 “燃料電池汽車行業(yè)研討會(huì)”后，國(guó)內(nèi)除已公布的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃地外，又有江蘇、遼寧等多地展現(xiàn)出布局信號(hào)。在行業(yè)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(chǔ)氫罐作為燃料的載體，影響著整車的續(xù)航能力及安全性。

　　由于氫氣具有易燃易爆、泄漏性強(qiáng)，以及易引起儲(chǔ)氫材料“氫脆”等問題，使得車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)存在著一定的安全隱患，本文從氫氣的特性入手，簡(jiǎn)要分析了目前儲(chǔ)氫容器的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)氫瓶標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用動(dòng)態(tài)作了簡(jiǎn)單介紹。

　　氫氣易燃易擴(kuò)散，高壓存儲(chǔ)技術(shù)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(nèi)均可燃燒，相較其他可燃?xì)怏w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(kuò)散性，由于浮力大，發(fā)生泄漏時(shí)將會(huì)迅速擴(kuò)散。即使在通風(fēng)不暢的環(huán)境下，泄漏的氫氣也將會(huì)很快上升。在常溫常壓下，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)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(chǔ)容器易出現(xiàn)“氫脆現(xiàn)象”。氫在高于300 ℃和30 MPa時(shí)，會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，引起金屬的塑性下降，最終誘發(fā)裂紋或產(chǎn)生斷裂。因此，儲(chǔ)氫容器中必須選用特殊的材料來規(guī)避氫脆現(xiàn)象。

　　燃料電池汽車的氫安全是使用者關(guān)心的首要問題，所以氫系統(tǒng)必須對(duì)安全性做特殊要求，目前應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫氣瓶主要有四類：全金屬氣瓶(Ⅰ型) 、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內(nèi)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(zhì)量比容量和相對(duì)的低成本，在車載儲(chǔ)氫瓶的商業(yè)領(lǐng)域得到快速應(yīng)用。

　　高壓儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵技術(shù)集中在內(nèi)襯層、纏繞層和過渡層

圖1 Ⅲ型高壓儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)圖　　

(數(shù)據(jù)來源：《碳纖維纏繞復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶的研制與應(yīng)用進(jìn)展》)

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

　　(1)內(nèi)襯材料的形狀與尺寸影響儲(chǔ)氫氣瓶的重量和耐疲勞性。理論及實(shí)踐證明，內(nèi)襯材料的長(zhǎng)徑比大于2時(shí)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(nèi)膽所分配的比重在12%～16%。

　　(2)內(nèi)襯材料利用自緊技術(shù)產(chǎn)生塑性形變，提高自身耐疲勞性。儲(chǔ)氫氣瓶反復(fù)充放后易發(fā)生疲勞損傷，由于鋁內(nèi)膽層的比強(qiáng)度、比模量低于碳纖維層，在相同的應(yīng)力下，鋁內(nèi)膽達(dá)到極限時(shí)，碳纖維的高強(qiáng)度性能得不到發(fā)揮;且在氣瓶泄壓后，可能會(huì)有殘余應(yīng)力影響使用壽命。因此，在氣瓶制成后，加入自緊環(huán)節(jié)，為其施加一個(gè)預(yù)應(yīng)力，從而產(chǎn)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(huán)向壓力。由于纖維纏繞層具有各向異性，通過環(huán)向纏繞與旋向纏繞交替進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的多層次結(jié)構(gòu)，不僅可以滿足強(qiáng)度要求，可抵消縱向和環(huán)向壓力，同時(shí)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(zhǎng)使用壽命。環(huán)氧樹脂力學(xué)性能、耐熱性能良好、工藝簡(jiǎn)單、改性空間大、價(jià)格合理。由于纏繞層制備時(shí)，容易導(dǎo)致產(chǎn)生起毛、斷絲等現(xiàn)象，過渡層可以很好處理這個(gè)問題，并且在使用過程中，也充當(dāng)內(nèi)襯層和纏繞層的緩沖帶。

　　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已有70Mpa儲(chǔ)氫瓶壓力標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)尚需完善

　　從現(xiàn)有的儲(chǔ)氫氣瓶壓力標(biāo)準(zhǔn)政策來看，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已出臺(tái)了ISO/CD 19881《車用壓縮氫氣瓶》，其中已有70Mpa壓力標(biāo)準(zhǔn);國(guó)內(nèi)主要以35Mpa Ⅲ型瓶的標(biāo)準(zhǔn)為主，目前浙江大學(xué)正在編制70Mpa儲(chǔ)氫氣瓶國(guó)標(biāo)初稿。

　　從表1比對(duì)結(jié)果看，我國(guó)目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/CD 19881大體吻合，但在儲(chǔ)氣瓶的壓力、容積、適應(yīng)溫度等總體性能標(biāo)準(zhǔn)上尚需擴(kuò)大范圍，又由于技術(shù)差異，在儲(chǔ)氫罐的型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)層間剪切強(qiáng)度做出要求。

　　表1 國(guó)內(nèi)外車載儲(chǔ)氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

　　　(數(shù)據(jù)來源：《車用高壓儲(chǔ)氫氣瓶法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)研究》)

　　美、加、日實(shí)現(xiàn)70Mpa Ⅲ型瓶量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)研發(fā)成功待推廣

　　美國(guó)通用汽車公司通過增強(qiáng)碳纖維纏繞層結(jié)構(gòu)，在體積不變的前提下，將35Mpa儲(chǔ)氫瓶升級(jí)為70Mpa，可以儲(chǔ)存3.1kg氫氣。

　　加拿大Dynetek公司通過改進(jìn)纏繞層和過渡層技術(shù)，加強(qiáng)了碳纖維/樹脂基體復(fù)合增強(qiáng)外包層的強(qiáng)度，支持高壓儲(chǔ)氫瓶完成70Mpa壓力標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，目前該產(chǎn)品已投入工業(yè)化生產(chǎn)，獲得廣泛應(yīng)用。

　　日本汽車研究所燃料電池汽車研究中心將37MPa儲(chǔ)氫瓶升級(jí)為70Mpa，但相應(yīng)的氣瓶?jī)?chǔ)氫量?jī)H增加60%，研究?jī)?chǔ)氫氣瓶極限儲(chǔ)存量并改善其密閉性能以提高高壓儲(chǔ)氫量是當(dāng)前亟待解決的問題。

　　浙江大學(xué)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)的資助下，建立了纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶結(jié)構(gòu)-材料-工藝一體化的自適應(yīng)遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，形成了0.5mm鋁合金內(nèi)襯材料、抗疲勞性能強(qiáng)的纏繞層等一些列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)5.78wt%的70MPa儲(chǔ)氫氣瓶。

　　沈陽斯達(dá)林公司、北京科泰克和北京天海也陸續(xù)研制并進(jìn)行70Mpa氣瓶的型式試驗(yàn)，有望近期推向市場(chǎng)。

　　結(jié)語

　　氫氣的易燃易爆及強(qiáng)擴(kuò)散性，對(duì)車載高壓儲(chǔ)氫技術(shù)提出了極高的要求，在已有的四代儲(chǔ)氫氣瓶中，金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型瓶)是當(dāng)前車載儲(chǔ)氫瓶的主流技術(shù)方向，其技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)襯材料、纖維纏繞層和過渡層上，美國(guó)通用及加拿大Dynetek等通過升級(jí)碳纖維纏繞層技術(shù)，完成35Mpa至70Mpa壓力型號(hào)的過度，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)研制出質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)5.78wt%的70MPa儲(chǔ)氫氣瓶，沈陽斯達(dá)林等企業(yè)也陸續(xù)完成70Mpa型號(hào)儲(chǔ)氫氣瓶的研發(fā)，需待70MPa標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后投入市場(chǎng)。