碳纤维在氢能领域的应用

1、高压气态储氢瓶是氢能领域中碳纤维的主要应用之一。

1.1在四种储氢方式中，只有高压气体储氢会使用碳纤维。

在氢气储存和运输的不同方式中，只有高压气态储氢瓶会采用碳纤维材料。目前，储存氢气的方式包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态材料储氢四种。其中，高压气态储氢是将氢气加压至20MPa-80MPa，对储氢容器的耐压性和轻质化要求较高，常常采用碳纤维作为工业化解决储氢容器轻质化、强度高的材料。

固态储氢和有机液态储氢不需要加压，也不使用碳纤维。它们都通过某种特殊材料的吸附来实现常压储氢，不需要加压。液态氢储运最重要的是保温和防止氢脆，储罐是由内外两个容器套合组成的双层圆柱形压力容器，真空绝热深冷。液态氢储运的工作压力约为1-1.3bar，接近常压，一般使用奥氏体不锈钢作为内容器的材料。

1.2.使用碳纤维制造高压储氢瓶的目标是为了轻量化，并提高储氢比的质量密度。

从轻量化的角度考虑，碳纤维被应用于II、III、IV型气体储存瓶中。高压气体储氢容器主要有四种类型：I型是纯钢金属瓶，II型是钢制内衬纤维缠绕瓶，III型是铝内衬纤维缠绕瓶，IV型是塑料内衬纤维缠绕瓶。从I型瓶发展到IV型瓶的目的，主要是为了降低气瓶的重量而减小壁厚。

燃料电池汽车一般使用III型和IV型瓶，而长管拖车则使用II型和III型瓶。I型瓶是全金属制成，主要用于15Mpa的实验室瓶和20Mpa的长管拖车。II型瓶内部采用金属衬垫，外部使用玻璃增强纤维缠绕瓶身的直筒部分。III型瓶也是内部采用金属衬垫，外部则用碳纤维缠绕整个瓶身，包括直筒和端盖。IV型瓶是最轻的，采用塑料衬垫，碳纤维缠绕整个瓶身，是目前最先进的高压储氢技术。

2021年国内对高压储氢瓶碳纤维的需求量超过500吨。

2021年，我国燃料电池汽车的销量为1586辆。根据50％的库存率计算，燃料电池汽车的年产量为2,379辆，所需的碳纤维数量为571吨。根据平均每辆燃料电池汽车携带6个储氢瓶（储氢压力为35MPa，容量为165L）的标准来计算，每辆车所使用的碳纤维总重量为240kg。

2021年，丰田Mirai和现代NEXO燃料电池乘用车所需的碳纤维分别为355吨和577吨。以丰田Mirai为例，每辆车都安装了两个高压储氢罐，这两个储氢罐的总容量为122.4升（前60.0升+后62.4升）。此外，每辆车使用了约60公斤的碳纤维。