如何设计一款靠谱的气瓶保护罩？一文解锁全流程

（一）研究背景在全球范围内，能源转型的积极推动和高效、清洁的二次能源的广泛寻求背景下，氢能因其无污染、高能量密度、广泛来源等显著优势，已成为能源研究的焦点和发展的主要方向。在众多氢储存技术中，高压气态储氢因其操作简便、反应迅速等特性，在当前阶段的氢储存领域占据主导地位。储氢瓶作为高压气态储氢的核心储存和运输设备，其性能的优劣直接决定了氢能储存的效率、运输的安全性以及应用的推广程度。目前，车载储氢瓶主要分为四种类型：I型、II型、III型和IV型。I型储氢瓶为全金属结构，通常由钢材制成，其耐压能力有限，一般不超过30MPa；II型储氢瓶主要以金属为主体，在环向方向采用部分纤维外包裹，材料多为钢或铝搭配玻璃纤维复合材料，金属容器与复合材料共同承担结构载荷；III型储氢瓶采用金属内衬并带有全复合材料外包装，常见的金属内衬为铝，外覆碳纤维复合材料，主要由复合材料承受结构载荷；IV型储氢瓶则采用全复合结构，以聚合物（如聚酰胺PA或高密度聚乙烯HDPE）作为衬里，搭配碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料，所有结构载荷均由复合材料承担，因其卓越的综合性能，正逐渐成为储氢瓶领域的研究热点和发展趋势。图1储氢气瓶分类在IV型储氢气瓶领域，日本、韩国、美国以及挪威等国家占据全球领先地位。作为该行业的翘楚，日本的丰田合成公司所生产的IV型瓶已经成功地应用于丰田Mirai系列燃料电池汽车。丰田合成公司在IV型储氢气瓶的研发与生产过程中，充分利用了其在材料技术、制造工艺以及质量控制等领域的优势，持续优化产品性能，提升产品质量与可靠性。韩国的Iljin公司所生产的IV型瓶亦广泛应用于现代Nexo系列燃料电池汽车，通过不断的技术创新和工艺改进，Iljin在IV型储氢气瓶的轻量化设计、高压密封技术以及生产效率提升等方面取得了显著成就。图2丰田合成储氢气瓶图3现代Nexo系列燃料电池汽车挪威HexagonPurus公司，作为全球IV型高压储氢瓶的主要生产商之一，其产品已广泛应用于国际市场。该公司配备了尖端的制造设备和全面的质量控制体系，确保了其生产过程的规模化与高效性。HexagonPurus在复合材料领域的研究与开发方面积累了丰富的经验，通过持续改进碳纤维增强复合材料的性能和结构设计，其生产的IV型储氢瓶在储氢质量密度、安全性能及使用寿命等方面均处于行业领先地位。同时，美国部分企业和研究机构亦在IV型储氢瓶技术领域投入了大量研发资源，实现了多项技术革新和突破，促进了该技术领域的持续发展与进步。图4HexagonPurus储氢气瓶在当前全球氢能产业快速发展的背景下，IV型储氢瓶作为关键的储存设备，其技术进步对于整个氢能产业链的完善至关重要。尽管中国在IV型储氢瓶技术方面相较于国际先进水平尚存差距，市场主导权主要掌握在少数国外制造商手中，但这一局面正随着国家政策的积极引导和产业发展的内在需求而逐渐改变。近年来，国家对氢能产业的重视程度显著提升，出台了一系列扶持政策，为氢能产业的发展提供了有力的政策保障和资金支持。在此背景下，国内企业及科研机构积极响应，纷纷加大了在IV型储氢瓶技术领域的研究与开发投入。通过不懈努力，国内研究团队在材料科学、制造工艺以及安全性能等方面取得了显著的进展，部分成果已经达到或接近国际先进水平。这些积极的进展不仅为国内氢能产业的自主发展奠定了坚实的基础，也为打破国外技术垄断、实现产业链的自主可控提供了可能。表1国内外主要IV气瓶研发单位公司名称国家主要产品及特点相关事件及合作丰田日本采用Ⅳ型气瓶技术，为燃料电池汽车Miria提供两个氢气瓶-丰田合成日本生产高压氢气罐，新MIRAI配备三个氢气罐，第三个由丰田合成生产2021年3月11日因开发高压氢气罐获丰田技术开发奖法国彼欧集团PlasticOmnium法国设计和生产高压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有专业知识，2019年获欧洲和国际认证，获第一份卡车合同挪威HexagonPurus复合材料公司挪威全球领先的IV型高压氢瓶、电池组等供应商，提供零排放解决方案2021年3月与中集安瑞科成立合资公司中集合斯康，2022年5月为香港首辆氢燃料电池双层巴士提供IV型车载储氢瓶及供氢系统；2021年9月与巴拉德动力系统合作生产六级七级燃料电池卡车韩国IljinHysolus韩国韩国唯一的复合材料储氢罐生产商，为现代Nexo牌汽车提供储氢罐2021年9月3日在韩国证券交易所公开发行，拥有两个生产基地，为韩国警察、地区和公交系统提供储氢罐佛吉亚法国获得STELIAAerospaceComposites的复合氢气罐知识产权和工艺专有技术的独家使用权，设计、工业化和商业化用于燃料电池电动汽车的高压氢气罐2017年宣布获得相关技术美国Quantum美国1999年在商用车上推出世界上第一个5,000psi氢气系统，首个70MPa氢气罐，首个70MPa罐内调节器与通用、本田、丰田、铃木、宝马、戴姆勒等合作开发项目荷兰NPROXX荷兰2018年EMS分拆成NPROXX和Pronexos，利用复合高压容器开展储氢解决方案业务，推广NPROXX品牌的压力容器2018年10月1日总部在荷兰海尔伦投入运营奥扬科技中国海外先进专利技术，并进行自主研发转化，突破Ⅳ型瓶技术创新，打造了独有的内胆成型技术，塑料内胆具有优良的耐酸碱腐蚀性能及优良的抗疲劳性能，疲劳寿命可达45000次以上。奥扬高压四型储氢瓶将具备年产2万只的强大生产能力，有望抢占全国最高的产品市场占有率，成为行业领军者。国富氢能中国专业从事氢气增压装置与加氢站成套设备、车载供氢系统等产品的设计、制造和相关技术及销售服务-中集安瑞科中国隶属中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司，产品涵盖氢能储、运、加等各细分领域2020年初与挪威的HEXAGONPURUS成立合资公司，布局中国及东南亚高压氢气储运市场佛吉亚斯林达中国原沈阳斯林达安科新技术有限公司，2021年被佛吉亚收购大部分股份，从事轻量化产品研发和制造2002年7月11日正式成立，2021年被收购天海工业中国推出具有完全自主知识产权的新一代车载储氢气瓶——IV型瓶，70MPa-190L产品攻克多项技术，35MPa-450L产品具有容积大等特点2021年5月17日推出IV型瓶，推进碳纤维等原材料国产化应用科泰克中国生产车载压缩氢气铝胆碳纤维全缠绕气瓶，2008年实现35MPa车载氢气瓶规模量产，2012年启动70MPa车载氢气瓶研发在国家发改委和科技部支持下，产品性能达到国际标准要求，广泛应用于多种车型中材科技股份有限公司中国研发制造的70MPa-IV型瓶一次性通过第三方全套型式试验，取得IV型储氢瓶特种设备生产许可，年产能3万只建成国内首条柔性自动化产线，针对国内物流车、重卡设计开发大容积70MPa-IV型瓶产品未势能源中国推出适用于乘用车型的第二代70MPa-57LⅣ型储氢瓶，质量储氢密度达到6.1wt%，部分商用车载IV型储氢瓶质量储氢密度指标可达6.8wt%全系产品关键核心技术100%自主可控，平台化产品包括多种规格型号绿动能源中国致力于车用高压CH4复合氢气瓶的研发，2024年成功研制出35MPa和70MPa高压氢气瓶2023年投资3亿元建设自动化厂房，计划2025年生产出符合标准的高压氢气瓶投放市场金博碳素中国主要从事先进碳基复合材料及产品的研发、生产和销售，是高新技术企业金博氢能拟投资约3000万元用于碳纤维储氢瓶的研发、生产，引进相关技术人才和设备蓝能氢能中国集研发、制造、销售、服务及系统集成为一体的专业化气体储存、运输装备制造企业2023年与彼欧集团联合成立合资公司彼欧蓝能，为中国商用车市场生产三型及四型高压储氢瓶及储氢系统，今年4月与中车智行合作，将高压IV型瓶储氢系统技术应用于轨道交通领域（二）IV型储氢气瓶的结构IV型储氢气瓶瓶壁总厚20-30mm，除金属瓶阀座外，瓶体由非金属复合材料制成。从内至外，其结构主要包括：内胆：厚度约4-8mm，作为与氢气直接接触的核心层，选用PA6等烯烃类聚合物，需具备耐氢气渗透、耐热、低温力学性能良好及易加工成型的特点。中间层：为耐压主体，采用CFRP碳纤维增强复合材料，由碳纤维与环氧树脂复合而成。通过优化设计减小厚度，在保证耐压的同时提升储氢效率、减轻重量。表层：厚约2-3mm，由GFRP玻纤增强复合材料构成，能抵御机械冲击、磨损和紫外线，保护内部结构，延长气瓶使用寿命。图5IV储氢气瓶主要零部件构成（三）IV型储氢气瓶内胆材料及成型工艺3.1内胆材料PA6树脂在防止氢气渗透方面表现卓越，能有效阻止泄漏，同时具备出色机械性能，可在温度急剧变化及低温环境下保持稳定，满足燃料电池车储氢罐需求。PA6材料可使IV型储氢瓶重量较钢质替代品减轻70%，其机械强度、尺寸稳定性和抗冲击性良好，化学结构带来突出的阻隔性能，在高低温环境下可靠性高。PA6材料氢气渗透率低、低温韧性好，可通过吹塑或注塑焊接加工，高温下结构强度达标，且环保安全。PA11在低温下物理性能优异人，是理想的氢气阻隔材料，能承受氢气罐压力大幅变化，避免裂纹、起泡，确保结构完整可靠。其重量轻、易加工，适用于车载储氢罐及加氢站等场景。其他材料HDPE具有良好耐腐蚀性、加工性和一定阻隔性，可用于内胆制造。PET聚酯塑料有强度与阻隔性，具备应用潜力。EVOH兼具阻气性和可加工性，添加到内胆材料中能提升低温弹性与阻隔性能。图6塑料内胆3.2成型工艺IV型瓶内胆的成型工艺主要有注塑、吹塑和滚塑成型。其中，注塑+焊接工艺因成本低，在行业内应用广泛，丰田、现代量产的IV型瓶多采用此工艺，但存在良品率低、生产流程复杂、易影响材料性能等问题。吹塑成型可制得壁厚均匀、整体性好的内胆，产品质量高，不过设备要求高、投资大、生产效率低，限制了大规模应用。滚塑成型能生产无焊缝、一体成型的内胆，可靠性高，模具成本低，适合小批量多品种生产，但生产周期长、效率低，不利于大规模生产。表2内胆成型方式项目注塑滚塑吹塑工艺介绍将塑料材料熔融然后注入模腔，熔融的塑料一旦进入模具中冷却后就会依模腔样成型成一定形状。将粉状塑料装入模具，然后旋转并同时加热，模内的粉料逐渐熔融粘附于模腔，经冷却定型而制得塑料产品。在闭合的模具内利用压缩空气将挤出或注射成型得到的半熔融状态的塑料型坯吹胀，然后冷却而获得中空制件的一种加工方法。优点制品尺寸稳定，成本低；密封结构设计自由，具有较高的冲击韧性和耐环境开裂性能制品壁厚均匀，成型工艺简单，工艺成本低，可成型大型零件生产效率高，具有较高的冲击韧性和耐环境开裂性能，成本较低缺点需要焊接工艺支撑，良品率低，大尺寸成型困难尺寸稳定性差，致密性低，易产生缺陷，对材料熔体流动速率要求高，生产效率偏低（需要2到3小时）壁厚均匀性差，嵌件成形困难，对熔体流动指数要求（四）IV气瓶缠绕成型工艺气瓶缠绕工艺主要有湿法缠绕和干法缠绕。湿法缠绕是让碳纤维纱线直接在树脂胶液槽中浸渍后，立即缠绕到芯模上，其设备投资和成本低，但含胶量难控，产品质量稳定性欠佳；干法缠绕则是先将纤维制成预浸带，缠绕时加热至粘流态再缠绕到芯模，该工艺产品质量稳定、生产效率高，不过预浸设备投资大。表3缠绕优缺点对比缠绕方式湿法缠绕干法缠绕优点设备成本低：无需复杂预浸设备，初始投资小。浸渍充分：纤维直接浸树脂，结合力好，提升气瓶性能。工艺灵活：能随时调整树脂配方与浸渍程度。修复较易：损伤后，未固化树脂利于与修复材料融合。优点效率高：用预浸纱，省浸胶步骤，缠绕速度快。质量稳：预浸纱质量与树脂含量稳定，产品性能均一。环境好：无树脂挥发、滴漏，环保。固化快：预浸纱已部分固化，后续固化耗时短。缺点效率低：需保证纤维浸胶，缠绕速度慢。树脂难控：受多种因素影响，树脂含量不易精准控制。污染环境：树脂易挥发、滴漏，危害环境与健康。质量不均：因树脂控制及缠绕不稳定，产品质量一致性差缺点设备贵：需专用预浸设备，投资成本高。易分层：树脂粘度大，层间结合力弱，易分层。有空隙：预浸纱缠绕有搭接，固化后易留空隙。材料苛：对预浸纱及原材料质量要求严苛，成本高。难维修：结构特殊，维修需专业技术，性能恢复难。来源：气瓶设计的小工程师