全球首次！热塑性复合储氢罐耐压达到167.5兆帕

在ARHYSTOTE项目框架下，法国机械工业技术中心Cetim宣布，一款面向70兆帕高压储氢应用的热塑性复合材料储氢罐，在耐压测试中承受了最高167.5兆帕的压力。

该储氢罐容积为62升，总质量为43公斤。这一成果被Cetim视为其“IV.5型”热塑性复合储氢罐研发进程中的重要里程碑。

需要说明的是，167.5兆帕是测试过程中达到的耐压水平，并非储氢罐的日常工作压力。该储氢罐的设计工作压力为70兆帕，167.5兆帕约为其额定工作压力的2.39倍。

法国“2030计划”支持的新型储氢项目

ARHYSTOTE项目由法国政府“法国2030”投资计划提供支持，并由法国生态转型署ADEME负责运营。

项目目标是开发一种更轻、更安全、更容易规模化制造，同时具备材料回收潜力的新一代高压复合储氢罐。

与目前应用较为广泛的传统IV型储氢罐相比，Cetim开发的这款储氢罐采用了热塑性复合材料体系。

Cetim将其称为“IV.5型”储氢罐。需要注意的是，“IV.5型”目前并不是国际法规或行业标准中的统一正式分类，而是Cetim对这一技术路线的定义。

该结构仍然保留聚合物内衬，但内衬与外部复合材料承载层均采用热塑性材料，试图在传统IV型瓶和无内衬V型瓶之间找到新的技术平衡。

热塑性材料有哪些优势

热塑性复合材料正在成为高压储氢领域的重要研发方向。

与传统热固性复合材料相比，热塑性材料主要具备以下几方面潜在优势。

更高的韧性

热塑性材料通常具有更强的抗冲击和抗损伤能力。

在受到碰撞、跌落或局部冲击时，热塑性复合材料有望表现出更好的损伤容限，并形成相对缓和、可预测的失效模式。

这对于需要长期承受压力循环的车载储氢系统具有重要意义。

制造工艺更加灵活

热塑性复合材料可以与自动铺放、带材缠绕、局部加热和快速成型等工艺结合。

通过优化纤维铺放路径、复合材料层数和受力结构，研发人员可以在满足强度要求的同时，进一步减少材料使用量和罐体重量。

内衬与复合层可焊接

传统复合储氢罐的不同材料层之间，通常需要使用胶接或其他连接工艺。

热塑性材料则具备重新加热、熔融和焊接的能力。储氢罐内衬与外部复合材料层可以通过热塑性连接工艺直接结合，从而减少部分胶黏剂和复杂装配步骤。

这种设计还有望缩短储氢罐退役后的拆解和去污处理时间。

具备回收潜力

传统热固性复合材料一旦固化，通常难以重新熔融和再加工。

热塑性材料在加热后可以再次软化，因此具备更好的材料分离、再加工和回收潜力。

不过，目前“可回收”主要代表技术潜力。储氢罐能否在实际报废后实现高效率、低成本的规模化回收，仍需要进一步开展全生命周期验证。

采用激光辅助带材缠绕工艺

这款62升储氢罐在法国南特附近的Technocampus Composites复合材料技术中心完成制造。

罐体采用Cetim开发的HySpide TP激光辅助热塑性带材缠绕工艺。

在制造过程中，激光系统对热塑性复合带材进行局部加热，使材料在缠绕到罐体表面的同时完成压实和结合。

相比传统热固性复合材料需要经过较长时间固化的制造路线，热塑性工艺有望缩短生产周期，提高自动化程度，并减少固化炉等大型设备的使用。

Cetim表示，该储氢罐的设计面向70兆帕运行要求。

但从严格意义上说，完成一次167.5兆帕耐压测试，并不等同于储氢罐已经完成全部产品认证。

高压储氢罐在正式商业化之前，通常还需要接受压力循环、气体渗透、泄漏、跌落、火烧、化学暴露和环境老化等多项测试。

Cetim也表示，ARHYSTOTE项目下一阶段还将继续开展进一步验证。

62升版本重量比达到5.7%

在储氢性能方面，Cetim公布的62升储氢罐重量比指数达到5.7%。

这一指标指的是储存氢气的质量与储氢系统总质量之间的比例。

按照43公斤总质量和5.7%的重量比计算，该储氢罐可储存的氢气质量约为2.45公斤。

这一结果与常温条件下70兆帕压缩氢气的实际密度基本吻合，说明相关数据在物理和数学上具有合理性。

不过，Cetim在此次公告中没有详细说明43公斤是否包含瓶阀、压力调节器、管路和固定装置等全部外围部件。

因此，更准确的说法是，该62升罐体的重量比指数达到5.7%，而不宜直接将其表述为完整车载储氢系统的质量效率。

对于正在开发的120升版本，Cetim预测其重量比指数可以进一步提升至6.8%。

但6.8%目前仍属于设计预测值，并不是已经完成测试的实测结果。

随着储氢罐容积增大，瓶阀、瓶口和局部结构等固定重量在整个系统中的占比会下降，因此更大容积的储氢罐通常更容易获得较高的重量比。

Cetim称综合性能达到“全球首次”

Cetim表示，就耐压水平、储氢罐容积和热塑性复合材料质量效率三项指标的综合表现而言，这是全球首次在该技术路线上取得此类成果。

这一表述需要结合其限定条件理解。

Cetim并不是宣称这款储氢罐是全球第一个达到167.5兆帕耐压水平的高压储氢罐，而是强调其在热塑性复合材料、62升容积和质量效率等多项指标上的综合突破。

目前，这一“全球首次”的说法主要来自Cetim官方，尚未看到独立第三方机构对全球同类储氢技术进行系统比较后给出的认证结论。

因此，更严谨的表述应当是：

Cetim称，就压力、容积和热塑性复合材料效率的综合表现而言，这是该技术路线上的全球首次。

从材料到设计工具的完整研发链

这一成果并不是单一材料或单一制造工艺的突破，而是Cetim多年复合材料研发积累的集中体现。

相关技术覆盖了储氢罐开发的多个环节，包括：

热塑性材料与复合带材表征；

高压储氢罐受力结构设计；

自主开发的Optitank设计与优化工具；

复合材料层数和纤维方向优化；

加热温度与压实压力控制；

带材铺放速度优化；

缠绕轨迹和局部加强结构设计；

制造缺陷识别与可靠性提升。

对于高压复合储氢罐而言，减少材料并不只是简单地降低罐体厚度。

研发人员需要准确判断不同区域所承受的环向应力和轴向应力，并根据受力情况调整纤维铺放方向和层数。

如果设计过于保守，罐体虽然安全，但重量和成本会明显增加；如果过度减重，又可能影响压力循环寿命和极端条件下的安全性。

因此，设计工具与制造工艺的协同优化，是决定复合储氢罐最终性能的关键。

有望服务重型交通和航空航天

Cetim认为，全热塑性复合储氢罐未来有望应用于多个对重量、安全性和生产效率要求较高的领域。

首先是重型交通。

氢能重卡、长途客车、工程机械和农业机械需要携带较多氢气。储氢系统重量越低，车辆能够保留的有效载荷就越高。

其次是航空与航天领域。

航空应用对储氢系统的重量极为敏感。即使罐体重量降低几个百分点，也可能对飞机航程、载荷和能源效率产生明显影响。

此外，这类储氢罐还可以用于高压氢气配送、移动加氢设备和固定式储氢基础设施。

不过，从目前阶段来看，这款储氢罐仍属于研发和验证成果。

它已经证明热塑性复合材料路线能够在70兆帕应用场景下达到较高的耐压水平和质量效率，但距离大规模商业化，还需要完成后续测试、法规认证、批量制造验证和成本评估。

项目合作伙伴

Cetim最新成果公告中列出的ARHYSTOTE项目合作伙伴包括：

AGCO-SAS；

RAIGI；

IPC；

OLIKROM；

CETIM。

Cetim此前发布的项目联盟资料中还曾列出法国纺织服装技术研究院IFTH，主要参与功能纤维与传感材料相关研发。

结语

此次测试证明，一款容积62升、总质量43公斤的热塑性复合储氢罐，可以承受最高167.5兆帕的试验压力。

其额定工作压力为70兆帕，重量比指数达到5.7%；更大容积的120升版本预计可以达到6.8%。

这并不意味着该储氢罐已经完成全部认证或进入商业化阶段，但它表明，热塑性复合材料正在逐步从实验室材料研究，走向完整高压储氢系统验证。

未来，高压储氢罐的竞争将不仅是承压能力的竞争，还将同时考验重量、成本、生产速度、循环寿命、安全性和材料回收能力。

Cetim此次取得的成果，为更轻、更安全、可回收并具备规模化制造潜力的高压储氢技术，提供了一条值得关注的新路线。

信息来源：FCK