一、儲氫瓶種類

目前車載儲氫瓶主要有以下種類：

• I 型：全金屬結構，通常為鋼。

• II型：主要是金屬，在環向方向有一些纖維外包裹，主要是鋼或鋁，玻璃纖維復合材料；金屬容器和復合材料共享大約相等的結構載荷。

• III 型：帶有全復合材料外包裝的金屬內襯，通常為鋁，帶有碳纖維復合材料；復合材料承受結構載荷。

• IV 型：全復合結構，聚合物——通常是聚酰胺 (PA) 或高密度聚乙烯 (HDPE) 襯里，帶有碳纖維或混合碳/玻璃纖維復合材料；復合材料承載所有結構載荷。

• V 型：無襯里，全復合結構。

儲氫瓶特點對比
圖源自北京市氫燃料電池發動機工程技術研究中心

Ⅳ型瓶因采用了纖維全纏繞結構，具有重容比小、單位質量儲氫密度高等優點，目前已廣泛應用于氫燃料電池汽車。日本、韓國、美國與挪威等國的Ⅳ型儲氫氣瓶均已量產，其余國家也有相關計劃加大Ⅳ型氣瓶的研究力度。

二、Ⅳ型氫氣瓶的結構

復合材料儲氫氣瓶由內至外包括內襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護層、緩沖層。儲氫氣瓶進行充氣的周期可能較長，而氫氣在高壓下又具有很強的滲透性，所以氫氣儲罐內襯材料要有良好的阻隔功能，以保證大部分的氣體能夠儲存于容器中。

IV型儲氫瓶的結構主要包括以下部分：

• 內膽：瓶壁總厚度約為20~30mm，最內層與氫氣直接接觸的是阻氣層，厚度約為2~3mm，材料是PA6、PA612、PA11、HDPE等，起阻隔氫氣的作用；

• 中間層：是比較厚的耐壓層，材料是CFRP碳纖維增強復合材料，由碳纖維和環氧樹脂構成，在保證耐壓等級的前提下，盡量減小該層厚度以提高儲氫效率；
  

• 表層：厚度約為2~3mm，材料是GFRP玻纖增強復合材料，由玻璃纖維和環氧樹脂構成。

 IV 型儲氫瓶結構

三、尼龍材料的優勢

1.  耐氫氣滲透性和耐熱性

氫氣分子極易透過塑料內膽的殼體材料，選材時必須考慮原材料的氫氣阻隔性能。此外，氫氣在經過閥門的節流作用后，氣體溫度會升高，隨后氣體被壓縮到氣瓶工作壓力，溫度同樣升高，內膽原材料需具備合適的氫氣滲透性和耐熱性能。

PA6樹脂在防止氫氣滲透方面具有卓越的性能，并具有出色的機械性能，包括耐充填和排放氫氣時儲罐溫度突然變化的耐久性以及低溫環境下的抗沖擊性。可通過對PA6材料滲透性進行了原材料級別的改性處理，并提高材料的軟化溫度至180℃左右，能滿足使用要求。

2.  良好的低溫力學性能

為了避免加注溫度過高對內膽原材料造成損傷，通常將氣源進行冷卻，一般冷卻至-40 ℃，當低溫氫氣充入氣瓶內部，內膽在低溫下將會變硬而脆，易破裂，因此內膽原材料的低溫力學性能顯得尤為重要。

一般PA6在-20攝氏度到-40℃之間具有較好的韌性，純PA66在50℃以下容易脆化，改性后的PA66則有更好的耐低溫性能，而PA12的脆性溫度最低，可達-70℃，可見尼龍材料基本能適應氫氣加注的低溫條件，具有良好的低溫力學性能。

3.  良好的工藝性

塑料內膽成型技術包括注塑成型、滾塑成型、吹塑成型等。目前豐田、現代等燃料電池汽車所采用的Ⅳ型儲氫氣瓶內膽成型工藝均為注塑工藝。注塑工藝是成本較低，運用也較為廣泛的內膽成型方式，同時須配合后續的焊接工序，才能成型內膽。

尼龍材料最大的特點即為其超高的機械強度，非常易于加工，可以通過注塑、擠出等多種方式成型，適配Ⅳ型瓶的成型工藝。且尼龍材料的重量較輕、抗沖擊性能好，優于傳統的金屬和HDPE襯里材料，是制備Ⅳ型瓶內膽的理想材料。

四、應用實例及相關廠商

1.  宇部株式會社

2023年12月，豐田汽車發布了與宇部株式會社合作的新型皇冠燃料電池汽車。該車用的高壓氫罐內襯為聚酰胺（尼龍）6樹脂“UBE NYLON?1218IU”(以下簡稱“1218IU”)。

1218IU用作皇冠燃料電池汽車高壓氫罐的內襯，具有出色的防氫滲透性和機械性能，能耐受氫氣充放氣時的溫度變化和低溫環境下的沖擊，滿足了嚴格的安全要求。

高壓氫氣罐剖面圖

2.  帝斯曼

帝斯曼推出的Akulon? Fuel Lock，響應了對用于車輛和戶外設備的可持續材料迅速增長的需求。先進的PA6非常適合生產比鋼替代品輕70%的IV型儲氫瓶，并在整個零件生命周期內提供出色的機械強度、尺寸穩定性和抗沖擊性。

Akulon? Fuel Lock油箱內膽提供出色的阻隔性能，減少氫氣從壓力容器中滲透泄漏，從而提高車輛安全性和燃油效率。

由于其獨特的化學結構，與HDPE和PA11相比，Akulon? Fuel Lock具有卓越的性能。該材料在加熱到85°C時比HDPE具有更高的安全裕度，并且超過了廣泛使用的熱穩定性安全標準。在-40°C環境中進行的快速加注測試驗證了Akulon? Fuel Lock在低溫條件下表現良好。

3.  杜邦

杜邦為燃料電池汽車提供一站式解決方案，涵蓋電機和電控、高壓電池包、燃料電堆、氫罐等各子系統的材料選擇、設計與仿真及零部件測試等。杜邦的 Zytel? PA6和Zytel? LCPA PA612可應用于 IV型儲氫瓶內膽，具有以下特性：

• 低氫氣滲透率；

• -40 °C低溫下高韌性；

• 吹塑成型或者注塑加焊接方式成型；

• 80°C下強度高于20Mpa；

• 無有害揮發物。

4.  韓國曉星

曉星在2022年就利用自主技術成功開發并使用尼龍作為氫燃料儲罐的內襯材料。該尼龍襯里材料比金屬輕70%，比HDPE輕50%，防止氫氣泄漏的阻氣性也比金屬高30%，比HDPE高50%。

該氫氣容器內膽能夠承受因頻繁充放電而引起的溫度急劇變化，在-40至85攝氏度的溫度范圍內具有優異的抗沖擊性。

曉星TNC還計劃將尼龍作為襯里材料的應用從商用卡車的管狀拖車擴大到航行于南極洲和赤道等世界各地海域的CNG和氫氣船，將耐沖擊性和耐熱性范圍從-60至 90 攝氏度。

此外，曉星TNC利用海中廢棄的再生漁網開發出世界首創的再生尼龍纖維技術，未來計劃將再生尼龍應用于內襯材料，擴大環保塑料材料市場。

5.  阿科瑪

阿科瑪的Rilsan? PA11 具有優異的物理性能，即便在低溫條件下也能保持性能，是氫氣阻隔層的理想材料。在氫氣罐工作過程中，內部壓力變化巨大，Rilsan? PA11 可以在充壓和泄壓等壓力快速變化過程中，避免材料產生裂紋和起泡。

此外，Rilsan? PA11 重量輕， 易于加工，適用于多種成型工藝，如滾塑、擠出吹塑、注塑、焊接和擠出工藝。

6.  樂天化學

樂天化學開發的IV型(Type 4)輕量化高壓儲氫容器適用于氫能電動車(乘用車/商用車)、工業機械/建筑機械、無人機等多種氫能移動出行領域。

該儲氫瓶的內膽采用的是基礎吹塑的一體式尼龍內膽，加強了氣密性，且制造時間短、工藝流程簡單。此外，通過開發干法纏繞工藝和優化纏繞線型提高了生產率，實現世界最高水平的減重比率(6.2wt%)。

7.  巴斯夫

巴斯夫Uitramid? PA應用于燃料電池車，可作為IV型儲氫瓶的內膽提供可靠的阻隔滲透能力，具有出色的加工性能，兼具優異的低溫韌性和強度；滾塑級規格適用于制備商用車的大容積儲氫瓶，同時提供注塑和吹塑材料解決方案。

燃料電池汽車及固定站用四型儲氫氣瓶

實驗室級內膽滾塑樣品

8.  韓國可隆

可隆工業是韓國較大的尼龍廠之一，在2023年的Chinaplas國際橡塑展也展出了一個儲氫瓶內襯樣品。

來源：艾邦氫科技網綜合整理

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原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：尼龍在儲氫瓶內膽上的應用