I型瓶是全金屬瓶，耐壓不超過30MPa； II型、III型瓶是金屬內(nèi)膽外用復(fù)合材料纏繞，耐壓可提高到70MPa； IV型瓶內(nèi)膽為高分子材料，全瓶身用纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料包裹，只有瓶口處為金屬，IV型比III型瓶輕很多，儲(chǔ)氣壓力相當(dāng)；
目前，中國燃料電池車用氫瓶比較成熟的是III型瓶，生產(chǎn)廠家包括國富氫能、中材科技、科泰克等；而IV型瓶技術(shù)尚不成熟無法量產(chǎn)，基本被國外廠商壟斷，如全球最大的IV型瓶生產(chǎn)商Hexagon海克斯康，以及Toyoda Gosei豐田合成和韓國Iljin的IV型瓶，已經(jīng)分別用于豐田Mirai系列燃料電池汽車和現(xiàn)代Nexo系列燃料電池汽車。
IV型儲(chǔ)氫瓶的制造成本在3000~3500美元，主要包括：復(fù)合材料、閥門、調(diào)節(jié)器、組裝檢查、氫氣等，其中復(fù)合材料的成本占總成本的75%以上，而氫氣本身的成本只占約0.5%。儲(chǔ)氫瓶技術(shù)的發(fā)展趨勢是輕量化、高壓力、高儲(chǔ)氫密度、長壽命，相比傳統(tǒng)的金屬材料，高分子復(fù)合材料可以在保持相同耐壓等級(jí)的同時(shí)，減小儲(chǔ)罐壁厚，提高容量和氫存儲(chǔ)效率，降低長途運(yùn)輸過程中的能耗成本。因此，復(fù)合材料的性能和成本是IV型儲(chǔ)氫氣瓶制備的關(guān)鍵。
一
IV型儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)
如圖1所示，IV型儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括以下部分：
瓶壁總厚度約為20~30mm，最內(nèi)層與氫氣直接接觸的是阻氣層，厚度約為2~3mm，是烯烴類可塑性聚合物，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(qiáng)復(fù)合材料，由碳纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成，在保證耐壓等級(jí)的前提下，盡量減小該層厚度以提高儲(chǔ)氫效率； 最外層是表面保護(hù)層，厚度約為2~3mm，材料是GFRP玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成。
由于IV型瓶瓶體全部為樹脂，易于成型，因而其外形尺寸可以依照不同廠家和型號(hào)的燃料汽車設(shè)計(jì)要求做相應(yīng)調(diào)整。
二
瓶體成型工藝
下面分別詳細(xì)介紹重點(diǎn)工序。
1、滾塑內(nèi)膽
IV型儲(chǔ)氫瓶制造的第一道工序，是制備具有氫氣阻隔性的內(nèi)膽。工藝如圖3所示。
2、纖維纏繞
3、微波固化
4、預(yù)浸漬工藝
纖維纏繞工藝包括：濕法纏繞、干法纏繞和半干法纏繞。
濕法纏繞是將纖維浸漬后直接纏繞到內(nèi)膽上，設(shè)備投資小，需要嚴(yán)格控制張力，固化時(shí)易產(chǎn)生氣泡。 干法纏繞是將預(yù)浸布在纏繞機(jī)上加熱至粘流狀態(tài)并纏繞到內(nèi)膽上，纖維上浸漬液的含量可精確計(jì)量控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，纏繞速度高達(dá)100~200m/min，但是預(yù)浸設(shè)備投資大。 半干法纏繞是將纖維浸漬后，隨即預(yù)烘干，然后纏繞到內(nèi)膽上。
圖6是干纖維預(yù)浸漬工藝圖，纖維干絲經(jīng)過輥?zhàn)訝恳谝后w環(huán)氧樹脂槽中充分浸漬，之后經(jīng)過模具上緊密排列的多個(gè)獨(dú)立小模孔初步成型，在最后一個(gè)模具中受熱半固化定型，然后切割成預(yù)浸漬布。
三
復(fù)合材料
1、儲(chǔ)氫瓶用氫氣阻隔材料
氫氣的滲透會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題：
（1）塑料內(nèi)膽失穩(wěn)向內(nèi)塌陷。
（2）塑料內(nèi)膽材料內(nèi)部發(fā)生屈服現(xiàn)象，甚至起泡開裂。Ⅳ型儲(chǔ)氫氣瓶還要特別注意金屬加注口與聚合物瓶體之間的結(jié)構(gòu)和材料密封，可用接枝聚合物對(duì)內(nèi)膽材料做改性，如添加僅1wt%的低粘度EVA-g-MA，可明顯提高EVOH的粘度和扭矩。
IV型儲(chǔ)氫氣瓶中的EVOH，要想在70MPa下長期安全使用，需要解決以下問題：
（1）樹脂中的殘留氫導(dǎo)致樹脂起泡。
（2）氫脆使得樹脂表面形成爪形開裂。
（3）在-40℃的低溫下承受反復(fù)應(yīng)力載荷的耐久性。
（4）在高壓條件下保持阻氣性。
2、碳纖維增強(qiáng)材料
3、環(huán)氧復(fù)合材料
