一、储氢瓶种类

目前车载储氢瓶主要有以下种类：

• I 型：全金属结构，通常为钢。

• II型：主要是金属，在环向方向有一些纤维外包裹，主要是钢或铝，玻璃纤维复合材料；金属容器和复合材料共享大约相等的结构载荷。

• III 型：带有全复合材料外包装的金属内衬，通常为铝，带有碳纤维复合材料；复合材料承受结构载荷。

• IV 型：全复合结构，聚合物——通常是聚酰胺 (PA) 或高密度聚乙烯 (HDPE) 衬里，带有碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料；复合材料承载所有结构载荷。

• V 型：无衬里，全复合结构。

储氢瓶特点对比
图源自北京市氢燃料电池发动机工程技术研究中心

Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构，具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点，目前已广泛应用于氢燃料电池汽车。日本、韩国、美国与挪威等国的Ⅳ型储氢气瓶均已量产，其余国家也有相关计划加大Ⅳ型气瓶的研究力度。

二、Ⅳ型氢气瓶的结构

复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。储氢气瓶进行充气的周期可能较长，而氢气在高压下又具有很强的渗透性，所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能，以保证大部分的气体能够储存于容器中。

IV型储氢瓶的结构主要包括以下部分：

• 内胆：瓶壁总厚度约为20~30mm，最内层与氢气直接接触的是阻气层，厚度约为2~3mm，材料是PA6、PA612、PA11、HDPE等，起阻隔氢气的作用；

• 中间层：是比较厚的耐压层，材料是CFRP碳纤维增强复合材料，由碳纤维和环氧树脂构成，在保证耐压等级的前提下，尽量减小该层厚度以提高储氢效率；
  

• 表层：厚度约为2~3mm，材料是GFRP玻纤增强复合材料，由玻璃纤维和环氧树脂构成。

 IV 型储氢瓶结构

三、尼龙材料的优势

1.  耐氢气渗透性和耐热性

氢气分子极易透过塑料内胆的壳体材料，选材时必须考虑原材料的氢气阻隔性能。此外，氢气在经过阀门的节流作用后，气体温度会升高，随后气体被压缩到气瓶工作压力，温度同样升高，内胆原材料需具备合适的氢气渗透性和耐热性能。

PA6树脂在防止氢气渗透方面具有卓越的性能，并具有出色的机械性能，包括耐充填和排放氢气时储罐温度突然变化的耐久性以及低温环境下的抗冲击性。可通过对PA6材料渗透性进行了原材料级别的改性处理，并提高材料的软化温度至180℃左右，能满足使用要求。

2.  良好的低温力学性能

为了避免加注温度过高对内胆原材料造成损伤，通常将气源进行冷却，一般冷却至-40 ℃，当低温氢气充入气瓶内部，内胆在低温下将会变硬而脆，易破裂，因此内胆原材料的低温力学性能显得尤为重要。

一般PA6在-20摄氏度到-40℃之间具有较好的韧性，纯PA66在50℃以下容易脆化，改性后的PA66则有更好的耐低温性能，而PA12的脆性温度最低，可达-70℃，可见尼龙材料基本能适应氢气加注的低温条件，具有良好的低温力学性能。

3.  良好的工艺性

塑料内胆成型技术包括注塑成型、滚塑成型、吹塑成型等。目前丰田、现代等燃料电池汽车所采用的Ⅳ型储氢气瓶内胆成型工艺均为注塑工艺。注塑工艺是成本较低，运用也较为广泛的内胆成型方式，同时须配合后续的焊接工序，才能成型内胆。

尼龙材料最大的特点即为其超高的机械强度，非常易于加工，可以通过注塑、挤出等多种方式成型，适配Ⅳ型瓶的成型工艺。且尼龙材料的重量较轻、抗冲击性能好，优于传统的金属和HDPE衬里材料，是制备Ⅳ型瓶内胆的理想材料。

四、应用实例及相关厂商

1.  宇部株式会社

2023年12月，丰田汽车发布了与宇部株式会社合作的新型皇冠燃料电池汽车。该车用的高压氢罐内衬为聚酰胺（尼龙）6树脂“UBE NYLON™1218IU”(以下简称“1218IU”)。

1218IU用作皇冠燃料电池汽车高压氢罐的内衬，具有出色的防氢渗透性和机械性能，能耐受氢气充放气时的温度变化和低温环境下的冲击，满足了严格的安全要求。

高压氢气罐剖面图

2.  帝斯曼

帝斯曼推出的Akulon® Fuel Lock，响应了对用于车辆和户外设备的可持续材料迅速增长的需求。先进的PA6非常适合生产比钢替代品轻70%的IV型储氢瓶，并在整个零件生命周期内提供出色的机械强度、尺寸稳定性和抗冲击性。

Akulon® Fuel Lock油箱内胆提供出色的阻隔性能，减少氢气从压力容器中渗透泄漏，从而提高车辆安全性和燃油效率。

由于其独特的化学结构，与HDPE和PA11相比，Akulon® Fuel Lock具有卓越的性能。该材料在加热到85°C时比HDPE具有更高的安全裕度，并且超过了广泛使用的热稳定性安全标准。在-40°C环境中进行的快速加注测试验证了Akulon® Fuel Lock在低温条件下表现良好。

3.  杜邦

杜邦为燃料电池汽车提供一站式解决方案，涵盖电机和电控、高压电池包、燃料电堆、氢罐等各子系统的材料选择、设计与仿真及零部件测试等。杜邦的 Zytel® PA6和Zytel® LCPA PA612可应用于 IV型储氢瓶内胆，具有以下特性：

• 低氢气渗透率；

• -40 °C低温下高韧性；

• 吹塑成型或者注塑加焊接方式成型；

• 80°C下强度高于20Mpa；

• 无有害挥发物。

4.  韩国晓星

晓星在2022年就利用自主技术成功开发并使用尼龙作为氢燃料储罐的内衬材料。该尼龙衬里材料比金属轻70%，比HDPE轻50%，防止氢气泄漏的阻气性也比金属高30%，比HDPE高50%。

该氢气容器内胆能够承受因频繁充放电而引起的温度急剧变化，在-40至85摄氏度的温度范围内具有优异的抗冲击性。

晓星TNC还计划将尼龙作为衬里材料的应用从商用卡车的管状拖车扩大到航行于南极洲和赤道等世界各地海域的CNG和氢气船，将耐冲击性和耐热性范围从-60至 90 摄氏度。

此外，晓星TNC利用海中废弃的再生渔网开发出世界首创的再生尼龙纤维技术，未来计划将再生尼龙应用于内衬材料，扩大环保塑料材料市场。

5.  阿科玛

阿科玛的Rilsan® PA11 具有优异的物理性能，即便在低温条件下也能保持性能，是氢气阻隔层的理想材料。在氢气罐工作过程中，内部压力变化巨大，Rilsan® PA11 可以在充压和泄压等压力快速变化过程中，避免材料产生裂纹和起泡。

此外，Rilsan® PA11 重量轻， 易于加工，适用于多种成型工艺，如滚塑、挤出吹塑、注塑、焊接和挤出工艺。

6.  乐天化学

乐天化学开发的IV型(Type 4)轻量化高压储氢容器适用于氢能电动车(乘用车/商用车)、工业机械/建筑机械、无人机等多种氢能移动出行领域。

该储氢瓶的内胆采用的是基础吹塑的一体式尼龙内胆，加强了气密性，且制造时间短、工艺流程简单。此外，通过开发干法缠绕工艺和优化缠绕线型提高了生产率，实现世界最高水平的减重比率(6.2wt%)。

7.  巴斯夫

巴斯夫Uitramid® PA应用于燃料电池车，可作为IV型储氢瓶的内胆提供可靠的阻隔渗透能力，具有出色的加工性能，兼具优异的低温韧性和强度；滚塑级规格适用于制备商用车的大容积储氢瓶，同时提供注塑和吹塑材料解决方案。

燃料电池汽车及固定站用四型储氢气瓶

实验室级内胆滚塑样品

8.  韩国可隆

可隆工业是韩国较大的尼龙厂之一，在2023年的Chinaplas国际橡塑展也展出了一个储氢瓶内衬样品。

来源：艾邦氢科技网综合整理

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原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：尼龙在储氢瓶内胆上的应用