Ⅳ型储氢瓶采用非金属内胆纤维全缠绕结构，具有重量轻、储氢密度高、寿命长等优点，广泛应用于氢燃料电池汽车。其结构从内至外依次包括内胆（PA6、PA11、HDPE等）、中间层（CFRP碳纤维增强复合材料）和表层（GFRP玻璃纤维增强复合材料），整体具备优异的耐压性和阻气性。

IV型瓶的制造主要涉及复合材料、阀门、调节器、组装检查等，生产制造流程如下图所示。可以看到高压氢瓶的生产过程主要包括：

（1）内胆制造（将热塑性烯烃聚合物制成内胆）
（2）纤维缠绕成型
（3）检测和装配

Ⅳ型瓶生产流程图

一、内胆制造

IV型瓶内胆多采用PA6、高密度聚乙烯（HDPE）以及PET聚酯塑料等，对应的成型工艺主要为注塑、吹塑和滚塑成型。

1.  注塑

注塑是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。

注塑储氢瓶，图源：未势能源

注塑成型一般搭配焊接制备储氢瓶，成本较低，应用也比较广泛，可提供高精度和尺寸稳定性，但存在连接塑料内胆与金属瓶阀座的技术挑战。丰田、现代已量产的IV型瓶均为注塑+焊接工艺。

2.  吹塑

吹塑是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。

吹塑成型储氢瓶，图源：海控复材

3.  滚塑

滚塑是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。

滚塑成型储氢瓶，图源：六拓新材

吹塑和滚塑成型都提供了一体成型的可能性，滚塑成型还允许金属瓶阀座与塑料内胆在线连接，展现了更大的发展潜力和应用价值，但目前还面临着成型精度和周期等挑战。

二、缠绕成型

碳纤维缠绕成型工艺可分为湿法缠绕和干法缠绕，其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好，因此应用较为广泛。

1、湿法缠绕

湿法缠绕工艺是将碳纤维丝束在特定浸胶装置中浸渍处理后，再在张力控制下直接缠绕到芯模上，最后经过固化的成型方法。设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。

湿法缠绕工艺流程图

其优点主要如下：

（1）生产成本较低，约比干法缠绕低 40%。涉及的工艺设备比较简单，设备投资小，且对原材料要求相对较低。
（2）产品气密性好，在缠绕过程中，通过张力控制可以使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙。
（3）碳纤维表面浸渍的树脂胶液可有效减少纤维磨损。
（4）纤维排列平行度好。

2、干法缠绕

干法缠绕工艺以经过预浸胶处理的预浸带为原料，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。

干法缠绕工艺流程图

其优点主要有：

（1）专业生产的预浸纱线/带，可以保证严格控制纤维和树脂（精确至2%以内）含量比例，产品质量好且稳定；
（2）生产效率高，缠绕速度可达100-200m/min；
（3）缠绕设备及生产环境卫生整洁，便于清理，缠绕机的使用寿命也更长。

3、FW成型缠绕方式

纤维缠绕过程是按照一定的规则，将浸渍有树脂胶的连续纤维或布带缠绕在芯模上，然后将其固化和脱模。

纤维缠绕层的设计需要考虑纤维的各向异性，根据其结构要求，通常采用层板理论和网格理论来计算容器封头、内衬、纤维缠绕层的应力分布情况，进而确定缠绕工艺中张力选择与线型分布。

（1）环向缠绕

环向缠绕是沿容器圆周方向进行的缠绕。缠绕时芯模绕自己轴线作匀速运动，导丝头在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动。芯模每转一周，导丝头移动距离为一个纱片宽。如此循环下去，直至纱片均匀布满芯模圆筒段表面为止。 

环向缠绕的特点是缠绕只能在筒身段进行，不能缠到封头上去。邻近纱片间相接而不重叠，纤维的缠绕角通常在85°~90°之间。

环向缠绕示意图

（2）螺旋缠绕

螺旋缠绕也称测地线缠绕。缠绕时芯模绕自己轴线匀速转动，导丝头按特定速度沿芯模轴线方向往复运动，这样就在芯模的筒身和封头上实现了螺旋缠绕,其缠绕角约为12°~70°。

在螺旋缠绕中，纤维缠绕不仅在筒身段进行，而且在封头上也进行。

螺旋缠绕示意图

其缠绕过程为：纤维从容器一端的极孔圆周上某一点出发，沿着封头曲面上与极孔圆相切的曲线绕过封头，并按螺旋线轨迹绕过圆筒段，进入另一端封头，然后再返回到圆筒段，最后绕回到开始缠 绕的封头，如此循环下去，直至芯模表面均匀布满纤维为止。

当纤维均匀缠满芯模表面时，就构成了双层纤维层。为保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求，其缠绕方式一般选择环向缠绕和螺旋缠绕相结合的方式。

储氢瓶缠绕工艺

图源：Roth Werke

通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现多层次结构，选择适当纤维堆叠面积和纵向缠绕角度与旋向缠绕线型，不仅满足强度要求，同时使封头处能够合理铺覆。

（3）平面缠绕

平面缠绕又称为纵向缠绕。纵向缠绕时芯模绕轴线慢速旋转，导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，导丝头转动一周，芯模的转角是一个纱片的宽度。纱片与芯模轴线间成0°~25°交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。

平面缠绕示意图，图源：济南大学

平面缠绕示例，图源：海控复材

三、储氢瓶检测

2023年发布的标准GB/T 42612-2023《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》规定了高压储氢瓶的各项型式试验的要求及合格指标，该标准于2024年6月1日正式实施。

该标准明确了车用压缩氢气塑料内胆碳纤维缠绕气瓶的设计、制造、测试、检验及储运等全方位要求，为行业提供了详尽技术规范，促进了储氢瓶标准体系的完善，对氢能技术及产业的快速发展具有重要推动作用。

车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶试验方法及合格指标
图源：特嗨氢能检测

来源：艾邦氢科技网综合网络整理

原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：车载高压储氢Ⅳ型瓶生产工艺解析