探索碳纤维储氢瓶：清洁能源存储的创新之路

作者：段明汗 段跃初 黄湘红

在全球追求清洁能源和可持续发展的浪潮中，氢能作为一种极具潜力的能源载体，正受到越来越多的关注。而车辆用储氢瓶作为氢能应用的关键环节之一，其发展对于推动氢能汽车的普及和氢能产业的壮大具有重要意义。碳纤维应用于车辆用储氢瓶领域，为解决氢能存储和运输的难题带来了新的机遇。本文将详细介绍碳纤维储氢瓶的相关知识，以及国内外在该领域的主要研究成果和企业发展情况。

一、碳纤维储氢瓶的重要性与优势

随着清洁能源和新能源汽车的不断发展，高效且安全的储氢解决方案已成为关键的研究方向。传统的储氢方式存在着诸多问题，如储氢密度低、安全性差等，限制了氢能的广泛应用。而碳纤维复合材料具有高强度、轻质和优异的耐腐蚀性等特点，使其成为制造储氢瓶的理想材料。

碳纤维储氢瓶的优势主要体现在以下几个方面：

1. 高强度：碳纤维具有极高的强度，能够承受高压氢气的储存压力，确保储氢瓶的安全性。

2. 轻质：相比于传统的金属材料，碳纤维复合材料的密度较低，能够减轻储氢瓶的重量，提高车辆的续航里程和能源利用效率。

3. 优异的耐腐蚀性：碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性，能够在恶劣的环境条件下长期稳定运行，延长储氢瓶的使用寿命。

二、国外碳纤维储氢瓶的研究进展

在碳纤维储氢瓶领域，美国、加拿大、日本、法国、挪威等国家的研究机构和企业取得了一系列重要成果。以下是一些具有代表性的研究进展：

1. 美国

- 美国通用汽车公司：开发了双层结构储氢气瓶，其内层是无缝内胆与碳纤维缠绕增强结构，外层是具有高抗冲击性能的保护壳。该气瓶能够储存 3.1kg 氢气，储氢压力达到 70MPa，并成功控制其体积与以往 35MPa 气瓶一致。通过增强碳纤维缠绕层结构，提高了碳纤维与树脂基体复合的强度。

- 美国 Quantum 公司：在 1999 年在商用车上推出世界上第一个 5,000 psi 氢气系统（现代），首个 70 MPa 氢气罐，首个 70 MPa 罐内调节器。该公司与通用、本田、丰田、铃木、宝马、戴姆勒等众多汽车厂商合作开发项目，在氢能存储和应用领域积累了丰富的经验。

- 美国 Impco 技术公司：在为内燃机提供可替代燃料系统技术和零部件方面处于领先地位。公司推出的超轻型 Trishield 储氢气瓶可进行 69MPa 储氢，质量储氢密度为 7.5%，同时质量储氢密度为 8.5%和 11.3%的储氢气瓶也正在积极研制中。

2. 加拿大

- 加拿大 Dynetek 公司：主要通过改进缠绕层和过渡层，加强了碳纤维与树脂基体复合的强度。

3. 日本

- 日本汽车研究所（JAＲI）FCEV 中心：已开发出能够承受 37MPa 和 70MPa 压力的高压储氢气瓶。然而，在压力由 37MPa 增至 70MPa 时，相应的储氢气瓶能够容纳的氢仅增加了 60%。目前，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该中心亟待解决的问题。

- 日本丰田公司：在 2023 年 3 月推出了碳纤维和玻璃纤维增强聚合物（CFRP 和 GFRP）高压储氢罐，并在今年 4 月将这些储氢罐应用在配备氢燃料电池和生物柴油发电机的客轮 Hanaria 上。

4. 法国

- 法国空气化工产品公司：在储氢技术研究方面独树一帜，结合复合材料储氢气瓶研究，开发相应的“缩短压缩过程的加氢站”。该加氢站无需现场压缩氢气，在很大程度上降低了加氢站建设成本，并提高了氢气加注效率。通过一种装载复合压力容器的拖车（Composite Pressure Vessel Trailer）来实现成本效益的提高，该拖车与氢气加注部件直接相连，使得氢气运输车整合成为加氢站的一部分。

- 法国彼欧集团 Plastic Omnium：设计和生产高压 IV 型氢气容器，由包裹在碳纤维外壳中的内衬组成。在长丝缠绕方面的专业知识使彼欧能够在 2019 年获得欧洲和国际认证，随后获得了第一份卡车合同。

- 法国 Faurecia 公司：是法国复合材料储氢气瓶技术领导者。2017 年，佛吉亚宣布公司独家获得 Stelia 航天复合材料公司氢罐复合物材质的知识产权及工艺技术。在得到技术支持后，佛吉亚可实现燃料电池车用高压氢罐的设计、工业化制造及商业化运作，该款氢罐采用了碳纤维复合材质。2021 年给 Stellantis 公司的零排放商用车将供货 3 个高压（700bar）碳纤维复合材料（CFRP）气瓶、装载 120 升氢气，最大行驶里程超过 400 公里。

5. 挪威

- Hexagon（海克斯康）：总部位于挪威，Hexagon Composites 是用于储存气体的轻质复合材料圆筒的全球市场领导者。该复合材料公司为燃料电池汽车开发了高压氢气罐，这些气罐以氢气为燃料，在运行时不会产生有害排放物。同时，Hexagon Composites 还可为氢气的地面存储、运输和备用电源提供解决方案。

6. 英国

- Luxfer Gas Cylinders 公司：Luxfer Gas Cylinders 是 Luxfer Holdings PLC 的一个子公司，随着 G-Stor®Hydrosphere 的推出，巩固了其作为气体密封解决方案的全球领导者的地位。G-Stor®Hydrosphere 系列采用 Luxfer 值得信赖的 4 型（G-Stor®Go H2）气瓶技术，提供最大容量和能量输送。MEGC 有 20 英尺（6 米）和 40 英尺（12 米）的单元，通过有效地存储和运输超过 1 吨的氢气，克服了目前氢气供应链面临的基础设施障碍。

- AMS Composite Cylinders 公司：是世界领先的氢燃料电池应用气瓶供应商，在英国和欧洲提供最先进的轻量气瓶。它的 3 型碳复合气瓶提供高压（300 巴），超低重量，和可选的 NLL（无限寿命）性能。它们的生产符合公认的全球标准和认证。

7. 西班牙

- Calvera Hydrogen 公司：是欧洲氢气行业的领先和先驱公司，在按照最高安全标准设计和制造高压氢气压缩、运输、储存和分配设备方面拥有 40 多年的经验。在其设施中开发了在萨拉戈萨（西班牙），世界上容量最大的氢气管拖车模型，采用最新的碳纤维技术，储氢量超过 1 吨。这款管式拖车的工作压力为 517 巴（7500 psi），在市场上独一无二。

8. 韩国

- Iljin Hysolus 公司：是韩国唯一生产复合材料储氢瓶的企业，也是韩国现代 Nexo 汽车的唯一供应商。该公司还向韩国警方及公交系统供应储氢瓶，在韩国全国有两个生产基地。

- Doosan Group 集团：韩国斗山集团成立于 1896 年，是一个拥有 120 多年历史且持续快速成长的企业。集团产业主要集中在基础设施支援事业（ISB），包括能源、装备、海水淡化设备、燃料电池以及机器人产业等领域。Doosan Mobility Innovation 作为韩国斗山集团下属创新型公司，致力于便携式燃料电池系统及应用的开发。2018 年，中材科技与斗山集团公司的战略合作将极大利于氢燃料复合气瓶国内和国际市场的开拓，为将燃料电池无人机储氢气瓶推向国际市场提供有利支撑。

9. 德国

- Voith Composites 公司：主要业务是生产汽车零部件，且专注于自动化和复合材料 4.0 工艺。2023 年，该公司利用其在新兴氢经济领域的专业知识，为重型货物运输行业提供了 700 巴的储氢罐。与传统的纤维缠绕碳纤维增强聚合物（CFRP）储罐相比，该储罐采用自动丝束缠绕工艺制造，重量更轻，氢气容量更高。2024 年，由该公司生产的 IV 型 700bar 高压储氢瓶 - Carbon4 Tank 成功获得了道路使用批准，该储罐的容量为 350 升，并准备应用于重型卡车和其他商用车。

三、中国碳纤维储氢瓶技术的研究和应用成果

近年来，中国在碳纤维储氢瓶技术的研究和应用方面取得了显著的进展。以下是一些主要的成果：

1. 科研机构的研究成果

- 中国科学院：相关研究所在碳纤维储氢瓶的材料研发、结构设计和性能测试等方面开展了深入的研究。他们致力于提高碳纤维复合材料的性能，优化储氢瓶的结构，以提高储氢密度和安全性。

- 清华大学：科研团队在碳纤维储氢瓶的制造工艺和性能评估方面进行了大量的研究工作。他们开发了新型的碳纤维缠绕技术和树脂浸渍工艺，提高了储氢瓶的质量和性能。

2. 企业的发展情况

- 中材科技：作为国内领先的复合材料企业，中材科技在碳纤维储氢瓶领域取得了重要突破。他们成功研发了具有自主知识产权的碳纤维储氢瓶，产品性能达到了国际先进水平。公司的储氢瓶具有高储氢密度、良好的密封性和耐压性能，已在氢能汽车和加氢站等领域得到了应用。

- 京城股份：该公司积极投入碳纤维储氢瓶的研发和生产，拥有先进的生产设备和技术团队。他们的储氢瓶产品在质量和性能方面具有竞争力，为国内氢能产业的发展提供了有力的支持。

- 亚普股份：专注于汽车零部件的研发和生产，在碳纤维储氢瓶领域也取得了一定的成果。公司开发的储氢瓶产品具有轻量化、高强度的特点，适用于新能源汽车的氢气储存和供应。

3. 应用案例

- 氢能汽车示范运营：在中国的一些城市，如上海、佛山等地，开展了氢能汽车的示范运营项目。这些项目中使用的碳纤维储氢瓶为汽车提供了可靠的氢气储存解决方案，提高了汽车的续航里程和性能。

- 加氢站建设：随着氢能产业的发展，中国各地加快了加氢站的建设步伐。碳纤维储氢瓶作为加氢站的重要设备之一，为加氢站的安全运行和高效加氢提供了保障。

四、碳纤维储氢瓶的制备工艺

碳纤维储氢瓶的制备工艺主要包括以下几个步骤：

1. 内胆制造：通常采用金属材料（如铝合金）制造内胆，以提供良好的密封性和耐压性能。

2. 碳纤维缠绕：将碳纤维丝束按照一定的角度和层数缠绕在内胆上，形成增强层。缠绕工艺的质量直接影响到储氢瓶的强度和性能。

3. 树脂浸渍：在碳纤维缠绕完成后，通过浸渍工艺将树脂材料填充到碳纤维之间的空隙中，形成复合材料结构。树脂的选择和浸渍工艺的控制对于储氢瓶的性能至关重要。

4. 固化处理：将浸渍后的储氢瓶进行固化处理，使树脂固化成型，形成坚固的复合材料结构。

5. 后处理：对固化后的储氢瓶进行表面处理、检测和测试，确保其质量和性能符合要求。

五、碳纤维储氢瓶的应用前景

碳纤维储氢瓶作为氢能存储和运输的重要设备，具有广阔的应用前景。随着氢能产业的不断发展，碳纤维储氢瓶将在以下领域得到广泛应用：

1. 氢能汽车：碳纤维储氢瓶是氢能汽车的关键部件之一，能够为汽车提供高效、安全的氢气存储解决方案，提高汽车的续航里程和性能。

2. 加氢站：加氢站需要大量的储氢设备来储存和供应氢气，碳纤维储氢瓶具有体积小、重量轻、储氢密度高等优点，能够满足加氢站的需求。

3. 氢气运输：在氢气的长距离运输中，碳纤维储氢瓶可以提高运输效率和安全性，降低运输成本。

4. 备用电源：碳纤维储氢瓶可以作为备用电源，为应急设备、通信基站等提供可靠的电力支持。

六、碳纤维储氢瓶发展面临的挑战

尽管碳纤维储氢瓶具有诸多优势和广阔的应用前景，但目前其发展仍面临一些挑战：

1. 成本较高：碳纤维材料的价格相对较高，加上复杂的制备工艺，导致碳纤维储氢瓶的成本较高，限制了其大规模应用。

2. 技术难题：碳纤维储氢瓶的设计和制造需要解决一系列技术难题，如碳纤维与树脂基体的界面结合、储氢瓶的密封性和耐压性能等。

3. 标准和法规不完善：目前，碳纤维储氢瓶的相关标准和法规还不够完善，这给产品的研发、生产和应用带来了一定的困难。

4. 公众认知和接受度：氢能作为一种新兴能源，公众对其认知和接受度还相对较低，这也在一定程度上影响了碳纤维储氢瓶的推广和应用。

七、结论

碳纤维储氢瓶作为氢能存储和运输的重要设备，具有高强度、轻质、优异的耐腐蚀性等优点，为解决氢能应用中的关键问题提供了可行的解决方案。国外在碳纤维储氢瓶领域的研究和应用取得了显著成果，中国在该领域也取得了重要的进展，众多企业和研究机构在材料研发、制备工艺、产品设计等方面不断创新，推动了碳纤维储氢瓶技术的发展。然而，碳纤维储氢瓶的发展仍面临成本较高、技术难题、标准法规不完善和公众认知度低等挑战。未来，需要进一步加强研发投入，提高技术水平，降低成本，完善标准法规，加强公众宣传，以促进碳纤维储氢瓶的广泛应用和氢能产业的健康发展。相信在全球各国的共同努力下，碳纤维储氢瓶将在清洁能源领域发挥更加重要的作用，为实现全球可持续发展目标做出贡献。