碳纤维高压储氢瓶的结构及成本分析
摘 要
高压储氢气瓶主要结构
目前已商业化的高压储氢气瓶分为四种，I型、II型、III型及IV型。I型瓶由金属钢组成，而II型瓶采用金属材质为主，但是外层已经缠绕玻璃纤维复合材料；III型、IV型瓶则主要是基于碳纤维增强塑料材料，前者内胆为金属，后者内胆为塑料，外部通过碳纤维增强塑料缠绕加工而成。
美国Quantum公司70MPa高压储氢系统组成如图1所示，
图1 美国Quantum公司高压储气系统组成
国外IV型储氢瓶生产商不同，其内胆材质也存在差异，如美国Quantum公司、Lincoln composites公司等内胆选择了高强聚乙烯，而法国Ullit公司内胆则选择PA6。Quantum公司碳纤维复合材料为外层，高分子量聚合物为内衬的结构如图2、图3所示。
图2 碳纤维复合材料材质IV型高压储氢瓶剖视图
图3 碳纤维IV型高压储氢瓶主要部件
高压储氢气瓶成本构成
对于具有300英里行驶里程的氢能源汽车，将需要约5公斤的氢气；而在700 bar（〜10,000 psi）的压力下，存储系统的容量约为200升，是当今燃油汽车中汽油箱容量的3-4倍。
碳纤维复合材料的使用可使重量大大低于所有金属压力容器的重量。但是，IV型压力容器中由于高成本碳纤维复合材料应用，也相应增加了IV瓶生产成本。
对于储氢质量均为5.6kg的35MPa、70MPa高压储氢IV型瓶成本组成来看（图4），主要成本贡献者是碳纤维复合材料，碳纤维复合材料成本分别占系统总成本的75％和78％。
图4 35MPa、70MPa碳纤维IV型高压储氢瓶成本构成
从图4中可以看出，相比较35MPa压力IV型瓶总成本2900美元，压力增至70MPa时，相应成本提高到3500美元，成本增加21%。其主要原因在于，随着压力增加碳纤维复合材料应用比例大幅提升。
35MPa、70MPa高压储氢IV型瓶重量分布如图5所示，由于IV瓶中碳纤维复合材料为主承载材料，因此随着70MPa压力IV瓶中承载压力提升，其碳纤维复合材料重量占比达到62%，较之35MPa时53%含量有明显提升。
值得说明的是，在上述成本研究中选择的碳纤维为东丽公司标准模量级T700S纤维，其价格也是最低一种碳纤维，按照DOE提供数据价格为20美元/kg，此外可以选用高强中模T800S碳纤维价格为58美元/kg，当然性能最高为T1000G，但其价格高达170美元/kg，三种纤维性能对比及价格如下表所示。
专业知识多一点
在储氢压力由35MPa增至70MPa时，T700S碳纤维用量增加了近10%，但是如果选用T1000G的话，其纤维用量会明显下降，有关碳纤维力学性能与成本之间取舍对高压储氢瓶成本影响尚缺乏有效数据支撑。
言外之意，在高压储氢瓶研制之初，众多高压储氢气瓶厂商选择原料只是以最便宜的T700S碳纤维为原料以求降低成本，而在研发气瓶抗压要求更高的储氢瓶时，T1000G等高级别纤维在高压气瓶应用研究较少。
尤其是最近两年，日本东丽、美国赫氏等公司，以及中科院宁波材料所相继突破拉伸强度5.5-5.8GPa、拉伸模量330-400GPa的新型高强高模碳纤维关键技术，该型产品在高压储氢气瓶领域具有潜在的应用空间。
宁波材料所前期利用自主开发的新型高强高模碳纤维设计并加工了35MPa高压储气瓶，实际爆破压力可达60MPa，详见《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》。因此，宁波材料所更多的是从高性能碳纤维角度去开展高压储氢瓶领域研究，欢迎相关单位在国产高性能碳纤维材质高压储氢瓶领域开展交流合作，进行联合攻关。
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