70MPa供氫系統核心產品介紹系列——高壓儲氫瓶
發布時間：
2023-04-06
本期介紹的是供氫系統——70MPa儲氫瓶。設計用于在壓力下容納液體和氣體的容器和罐的發展經歷了五個不同的階段：全金屬罐（Ⅰ型），金屬內膽纖維環向纏繞瓶（Ⅱ型），金屬內膽纖維全纏繞瓶（Ⅲ型），塑料內膽纖維全纏繞瓶（Ⅳ型）和無內膽全復合材料瓶（Ⅴ型）。
我們推出70MPa供氫系統核心產品介紹系列文章，將包括減壓閥、瓶閥、加氫口、高壓傳感器、儲氫瓶，加氫槍等產品，敬請期待。
本期介紹的是供氫系統——70MPa儲氫瓶。
設計用于在壓力下容納液體和氣體的容器和罐的發展經歷了五個不同的階段：全金屬罐（Ⅰ型），金屬內膽纖維環向纏繞瓶（Ⅱ型），金屬內膽纖維全纏繞瓶（Ⅲ型），塑料內膽纖維全纏繞瓶（Ⅳ型）和無內膽全復合材料瓶（Ⅴ型）。
圖1.儲氫瓶分類
儲氫瓶內部主要由內膽、中間層、表層三部分組成，內膽是儲氫氣瓶的核心部件，主要作用為阻隔氫氣。中間層是比較厚的耐壓層，主要作用為承壓，碳纖維憑借較好的拉伸強度及較輕的重量廣泛用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型瓶中的中間層，表層一般使用玻纖等包裹材料用于保護內部結構。
圖2.儲氫瓶結構
由于氫脆效應及纖維纏繞形式，Ⅰ、Ⅱ型儲氫瓶只能滿足35MPa儲氫壓力，不適用于70MPa儲氫條件。Ⅲ型、Ⅳ型和V型都可以滿足70MPa儲氫,三者各有優缺點。
Ⅲ型儲氫瓶內膽一般采用鋁合金，雖然偏重些、成本高些，但其材質溫度及環境適應能力強，密封性好，一般沒有泄漏問題。
相比較Ⅲ型儲氫瓶的金屬內膽，Ⅳ型儲氫瓶內膽采用塑料等復合材料，耐氫氣滲透性和耐熱性較好采用塑料材料，具有重量輕、成本低、質量儲氫密度大，內膽耐腐蝕，使用壽命更長等優點。但其也存在塑料內膽與金屬瓶口閥的接觸處很難獲得可靠密封，塑料與金屬之間熱膨脹系數差異，隨著使用時間延長，金屬與塑料間的粘結力將削弱，另外塑料內膽對溫度敏感。
有鑒于Ⅳ型儲氫瓶的復雜生產工藝和技術難題，以及國內尚未建立相關標準，所以國內70MPa儲氫瓶目前仍以Ⅲ型為主。
表1.中材70MPaⅢ型儲氫瓶
表2.斯林達70PaⅢ型儲氫瓶
關于V型儲瓶的國際研發進展
無襯里V型儲瓶多年來一直是壓力容器行業的目標。無襯里V型儲瓶是使用濕風或絲束浸漬長絲纏繞制造——碳纖維和專用的樹脂系統——從而消除了瓶內性能和每層之間熱膨脹系數（CTE）的差異。V型瓶尚未實現商業化大規模應用，目前更多還是應用在航空航天等對重量極其敏感的行業。
2010年，位于美國科羅拉多州拉斐特的復合材料技術開發公司（Composites Technology Development Inc，CTD）其第一個商用、全復合材料、無襯里壓力容器是與美國空軍研究實驗室（俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地）和德克薩斯大學（德克薩斯州奧斯汀）合作建造的。它安裝在FASTRAC 1衛星上，1.9L儲罐的直徑約為6英寸（152mm），直徑為7至8英寸（長度為178至203mm），重量僅為0.44磅（0.2Kg）。CTD的無襯里壓力容器預計將比其最接近的IV型同類輕15%至20%。該瓶由東麗復合材料美國公司提供的T200碳纖維纏繞而成，并用CTD專有的KIBOKO增韌環氧樹脂潤濕。
英國國家復合材料中心（NCC）在航空航天制造商Thsles Alenia Space（法國戛納)的行業指導下，在SpaceTank項目下制造了96L碳纖維復合材料罐，在運載火箭和衛星推進劑罐的應用中減輕了30%的重量。
圖3.NCC全復合材料V型儲瓶
2020年，無限復合材料技術公司（Infinite Composites Technologies，美國俄克拉荷馬州塔爾薩）宣布開發一種球形、無襯里、全復合材料低溫罐——通過長絲纏繞和工業烤箱固化制造——一種用于在火箭動力太空運載火箭上儲存低溫推進劑的壓力容器。ICT的全復合材料儲瓶稱為CryoSphere，為儲存燃料提供了更輕，更省油的選擇。
該項目由東麗（日本東京）T800碳纖維和環氧樹脂制成，通過長絲纏繞制造，在室溫下固化，并在ICT塔爾薩工廠的工業烘箱中進行后固化。
圖4.CryoSphereV型儲瓶
2021年，Haydale宣布與Viritech合作開發用于儲氫容器的石墨烯增強環氧樹脂項目。該項目設計旨在為超級跑車和重型公路車輛的應用進一步減輕重量。專注于設計和開發基于功能化石墨烯的新材料和樹脂，使用其專利的HDPlas技術，用于V型儲氫瓶。該樹脂可以作為儲存容器的滲透屏障，但功能化的石墨烯還可能提供大大增強的機械性能，以提高容器的整體性能。
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