碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：提升储氢容量技术
摘 要
附：本公众号碳纤维高压储气瓶原创文章：
《宁波材料所新型高强高模碳纤维开发的高压储气瓶通过测试》
《复合材料气瓶用增强纤维的发展与趋势》
《碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用》
《详解国外碳纤维高压储气瓶的市场供需及生产链条》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述1：碳纤维高压储氢瓶的结构及成本分析》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述2：III型、IV型气瓶成本对比》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述3：碳纤维强度转换效率》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述4：高压气瓶成本测算模型》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述5：气瓶低成本化技术》
高压储氢气瓶重量与体积构成
III型、IV型高压储氢气瓶的成本、体积容量以及重量如表1所示，通常而言，压力越高，虽然气瓶体积明显下降，但可以储存更多氢气，因此重量反而提升。
以IV型瓶单储罐系统为例，35MPa储氢系统体积为320L，重量为102kg，但压力提高到70MPa时，体积下降到213L，但重量提高到112kg。
对于35MPa压力IV型高压储氢瓶的重量与体积分布如图1所示，35MPa压力IV型高压储氢瓶系统总重量、总体积分别为102kg、320L，碳纤维占系统总重量的53％和系统体积的10％。
导致系统重量增加的其他因素是内胆（11％），玻璃纤维（6％），泡沫（5％），H2（6％）以及BOP材料（19％）。
图1 35MPa IV型瓶重量与体积分布
35MPa压力IV型高压储氢瓶体积的最大贡献者是储存的H2（81％），内胆，泡沫，玻璃纤维和BOP各自不到5％。
对于70MPa压力IV型高压储氢瓶（图2），系统总重量、总体积分别为112kg、213L，由于碳纤维复合材料含量提升，碳纤维占系统重量的62％，BOP为17％，内胆为7％，H2、泡沫和玻璃纤维分别占系统总重量≤5％。
影响系统体积的两个主要因素是储存的H2（70％）和碳纤维（20％），其他材质体积占比较小。
图2 70MPa IV型瓶重量与体积分布
高压储氢气瓶容积影响因素
IV型高压储氢瓶重量比容量与体积比容量如图3所示，对于35MPa储氢瓶在20bar压力时重量比容量为5.5wt%，当设计为空压状态（3bar）时重量比容量增至5.8wt%.
而通过碳纤维复合材料缠绕工艺、碳纤维表界面等关键技术优化，碳纤维转换效率提高到90%时，重量比容量可以5.5wt%提高到5.7wt%，如果碳纤维转换效率达到100%时，有望进一步提高到6.0wt%。
对于70MPa高压储氢瓶而言，重量比容量为5.2wt％，空压状态可增加至5.3wt％；但是如果碳纤维转换效率提高到90％时，重量比容量可提高到5.6 wt％，若碳纤维转换效率达到100％，重量比容量接近5.9wt％。
图3 IV型高压储氢瓶重量比容量与体积比容量
从体积比容量分析出发，空压从20bar降低到3bar时，35MPa储氢系统体积比容量由17.6g-H2/L增加到18.6g-H2/L；70MPa储氢系统体积比容量由26.3g-H2/L增加到27.2g-H2/L。
当碳纤维强度转换效率提高到90%时，35MPa储氢系统体积比容量由17.6g-H2/L增加到17.7g-H2/L；70MPa储氢系统体积比容量由26.3g-H2/L增加到26.9g-H2/L；转换效率提高到100%时，35MPa储氢系统体积比容量可增加到17.8g-H2/L；70MPa储氢系统体积比容量增加到27.5g-H2/L。
研究结果显示，改变高压储气瓶系统其它参数例如储罐长度与直径之比等，对系统重量比容量和体积比容量影响均很小。
高压储氢气瓶容积影响因素
上述研究结果显示，对于无论是35MPa、亦或是70MPa高压储氢瓶而言，提高碳纤维转换效率对于提高高压储气瓶重量比容量和体积比容量均具有积极意义。
高强高模碳纤维是一种兼具高强度、高模量、高导热、低热膨胀等特性的高性能碳纤维，目前国内外卫星结构中大量使用该型纤维。
明日发布的文章中，将会介绍高强高模碳纤维在卫星系统结构中的应用，并介绍用于卫星系统碳纤维及几款树脂牌号。
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