由于传统化石能源的大量消耗，温室气体排放导致全球气候变暖的问题愈发严峻，同时可再生能源的研制和应用相对滞后，使得当今世界面临着巨大的环境问题及能源危机。氢能作为零碳清洁能源，具有储量丰富、热值高、环保、可再生等诸多优点，在全球清洁能源需求不断增长的背景下，氢能的应用场景得到了快速拓展。

在氢能产业链中，储氢技术是实现氢能大规模应用的关键，储氢气瓶更是储氢系统的核心部件，其性能和安全性直接影响到整个氢能系统的运行效率和可靠性。传统的储氢气瓶主要采用金属材料制造，但其存在重量大、储氢密度低等问题，严重限制了氢能的广泛应用。

近年来，碳纤维复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPolymer，简称CFRP）因优异的综合性能，逐渐成为储氢气瓶制造领域的研究热点。一方面，CFRP具有高比强度、轻质化和耐腐蚀等特性，能够在保证结构强度的同时显著降低储氢气瓶的重量，从而提高储氢密度和运输效率；另一方面，CFRP还具有良好的疲劳性能和抗冲击性能，能够在恶劣环境下长期稳定工作，确保储氢系统的安全性和可靠性。

根据结构和材料的不同，美国机械工程师协会（ASME）和国际标准化组织（ISO）将储氢气瓶主要分为 5 种类型（图 1）：I型（纯钢制金属瓶）、II型（金属内胆复合材料环向缠绕瓶）、III型（金属内胆复合材料全缠绕瓶）、IV型（塑料内胆纤维全缠绕瓶）和V型（无内胆纤维全缠绕瓶）。随着氢能产业的快速发展，对储氢气瓶的需求也在不断增加，深入研究CFRP在储氢气瓶中的应用对于推动氢能产业的发展具有重要意义。

储氢气瓶发展历程与结构对比

以下以IV型碳纤维氢气瓶为代表对其进行介绍。IV型碳纤维氢气瓶结构分为瓶阀座、塑料内胆、保护罩、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层。其中瓶阀座是压力释放阀的重要组成部分；塑料内胆用于储存充入的高压氢气，主要起到密封作用，同时能够为碳纤维缠绕层提供支撑；保护罩用于保护气瓶免受外界机械冲击、碰撞等损伤，防止气瓶表面出现划痕、凹陷等缺陷，并在一定程度上密封内部氢气，防止泄露，确保气瓶的完整性和安全性。碳纤维缠绕层一般是由碳纤维和环氧树脂构成，能够承受高压氢气的作用力，确保气瓶安全可靠；玻璃纤维保护层则是为了保护碳纤维缠绕层而设置，一般由玻璃纤维和环氧树脂制成，进而保证气瓶强度以避免气瓶受损或破裂。

IV型碳纤维氢气瓶结构

内胆的材料选择与设计

内胆是储氢气瓶的核心部件，其设计对全缠绕气瓶的强度和疲劳寿命至关重要。由于氢气极易透过塑料内胆的壳体材料，并经过阀门节流作用后，温度会升高，随后被压缩到气瓶工作压力，温度同样升高。内胆原材料需具备优异的耐氢气渗透性以及耐热性能，确保密闭性，并保证高温环境下仍能保持其结构和功能稳定。常用内胆材料有高密度聚乙烯（HDPE）、尼龙6（PA6）、尼龙11（PA11）、尼龙12（PA12）等。

在传统设计中，虽然理论上内压由纤维承担，但实际内胆始终处于拉应力状态。为满足储氢气瓶轻质且耐疲劳的要求，长径比大于 2 的长圆柱体形状内胆性能更优，且适当增厚内胆壁能延长疲劳裂纹扩展距离。同时，内胆封头设计需满足工艺性和结构要求，无焊缝连接封头更利于提高耐疲劳性和降低成本，碳纤维缠绕气瓶多采用椭球型或等应力封头，合理设定纤维包覆可优化性能。

纤维缠绕工艺及缠绕方式

通过纤维缠绕工艺，CFRP能够均匀地包覆在内胆外层，提供均匀的抗压强度。其中，缠绕角度和层数的设计对储氢气瓶的性能有重要影响。纤维缠绕工艺主要包括湿法缠绕、干法缠绕和半干法缠绕工艺。

储氢容器湿法缠绕示意图

确定碳纤维缠绕工艺后，根据芯模形状和设计要求，进而确定碳纤维在内衬的表面缠绕方式，具体有螺旋缠绕、纵向缠绕、环向缠绕，相应缠绕特点和线型如表所示。

不同的缠绕方式及特点

更多内容，请关注纺织导报2025年第4期《碳纤维复合材料在高压储氢气瓶上的应用》。