揭秘 III 型氢能储罐：固化工艺如何影响安全性能？
带大家一起学习一下这篇文章；在全球低碳转型的浪潮中，氢能作为清洁能源的重要载体备受关注。而氢能储运的安全核心，正藏在一个你可能从未留意的细节里——储罐的"残余应力"。韩国首尔国立大学的研究团队近日在《CompositesResearch》期刊上发表的研究，为我们揭开了III型氢能储罐制造中的关键秘密。为什么氢能储罐的残余应力如此重要？想象一下，一个能承受700bar高压（相当于7000米深海压强）的储罐，在-40℃至85℃的极端环境中反复充放氢，其内部若存在"隐形压力"（残余应力），会像定时炸弹一样威胁安全。研究表明，残余应力直接关系到储罐的耐久性，而降低这种应力正是提升氢能设备安全性的关键。目前主流的氢能储罐分为四大类：TypeI：纯金属制造，虽然结构简单但重量较大，这在一定程度上限制了其在对重量较为敏感的应用场景中的使用，不过成本相对较低。TypeII：采用金属衬里搭配玻璃纤维增强的方式，在一定程度上减轻了重量，同时具备较好的性价比，在一些对性能和成本都有一定要求的领域有广泛应用。TypeIII：以铝衬里为基础，外覆碳纤维增强材料。铝衬里提供了良好的气密性，碳纤维则赋予了储罐高强度和轻量化的特性，使其在氢燃料电池汽车等领域备受青睐，成为了目前的热门选择。TypeIV：使用塑料衬里结合碳纤维增强，是所有类型中重量最轻的。然而，塑料与铝制端口的连接部位存在气体泄漏风险，且塑料衬里可能会出现极少量氢气渗出的渗透现象，这在一定程度上影响了其安全性和应用范围。小小的固化工艺，大大的安全差异研究团队聚焦III型储罐的"纤维缠绕工艺"——这种将碳纤维浸渍树脂后缠绕在铝衬里上的制造方法，其固化过程直接影响最终性能。通过差示扫描量热仪（DSC）分析发现，环氧树脂在140℃时能达到理想固化效果，既保证充分反应又不会过度耗能。实验数据显示，在120℃时，试样的放热量仅为140℃、160℃时放热量的约3/4，这表明在该温度下固化不完全。因此，从放热量和固化时间综合考虑，140℃以上的固化温度对于使用该树脂制造III型复合材料氢气罐更为适宜。实验设计了两种固化方案：2阶段固化：快速升温至140℃，固化时间短但易过热。在这种固化方式下，由于固化初期反应迅速，厚复合材料内部因放热反应产生的大量热量无法及时向外部散发，导致内部过热，形成较大的温度梯度，进而产生较高的残余应力。4阶段固化：缓慢升温，延长120℃（固化起始温度）的保持时间。这种方式有效避免了内部过热，减少了温度梯度的产生，使得残余应力显著降低。结果令人惊讶：在相同总时长下，4阶段固化能使残余应力减少9.1%-17.6%！具体数据为，在无量纲半径r∗值为0.28、0.56、0.83的位置，与两阶段固化周期制作的复合材料相比，四阶段固化周期固化时，残余应变分别减少了9.1%、11.0%、17.6%。图3.两阶段固化与四阶段固化的温度曲线图复合材料圆环的残余应变从实验室到产业：这些发现有多重要？首尔市计划到2030年将450辆机场巴士全部换成氢能车，现代汽车、SK等企业也在加速布局氢能生态。在这样的背景下，这项研究的价值不言而喻：安全性：减少残余应力意味着降低储罐开裂风险。残余应力的存在可能导致储罐在长期使用过程中出现微小裂纹，随着时间推移和压力循环，这些裂纹可能逐渐扩展，最终引发安全事故。而降低残余应力能够有效延缓裂纹的产生和发展，大大提高储罐的安全性能。经济性：延长储罐使用寿命，降低全生命周期成本。一个能够在更长时间内安全稳定运行的储罐，减少了更换和维护的频率，从而降低了总体成本。对于大规模应用的氢能产业来说，这将带来显著的经济效益。产业化：为大规模生产提供明确的工艺优化方向。通过明确四阶段固化工艺在降低残余应力方面的优势，企业在进行大规模生产时可以直接应用这一研究成果，优化生产流程，提高产品质量和生产效率。研究团队还通过数值模拟验证了实验结果，虽然部分数据存在细微差异，但整体趋势高度一致。在数值分析中，径向应变数值是在缠绕时，芯模角速度3.14rad/s、每带宽缠绕张力48lbf/inch条件下得出的。在r∗>0.11（复合材料容器部分）处的径向应变值趋势与实验值相似。这为后续开发更精准的预测模型奠定了基础。此外，数值分析还表明，在两阶段试样中，各层树脂粘度超过1kPa・s的时间比四阶段的早约1小时以上。这进一步佐证了四阶段固化工艺在控制温度和树脂固化过程方面的优势，也说明了固化条件对最终产品性能的显著影响。未来展望：氢能储罐还能更安全吗？研究人员指出，下一步将探索更多变量对残余应力的影响，包括缠绕角度、树脂类型等，并计划将研究扩展到IV型储罐。随着技术的不断进步，或许未来我们能看到更轻、更安全、更便宜的氢能储运设备。氢能时代的安全密码，往往就藏在这些看似微小的工艺细节里。你对氢能汽车的安全性还有哪些疑问？欢迎在评论区留言讨论！（注：本文基于ShinYong-Chul发表于《CompositesResearch》2024年第37卷第1期的研究成果编译）来源：气瓶设计的小工程师
