I. Введение

　　В контексте глобальных усилий по достижению пиковых значений выбросов углерода и углеродной нейтральности водородная энергетика как вариант чистой энергии с нулевым уровнем выбросов привлекает широкое внимание. В частности, технология хранения водорода под высоким давлением в газообразном состоянии из-за ее важности в процессе хранения и транспортировки водорода стала центром исследований. Среди них, баллоны IV типа для хранения водорода, использующие пластиковую внутреннюю оболочку и технологию полного обмотки углеродным волокном, демонстрируют огромный потенциал. Однако традиционные методы производства пластиковых внутренних оболочек имеют проблему дефектов сварки, которые могут привести к выходу из строя баллонов для хранения водорода под высоким давлением. Поэтому разработка технологии формования цельной внутренней оболочки, а также технологические инновации в отношении эффективности формования, качества внутренней оболочки и энергопотребления становятся крайне важными для повышения эффективности и безопасности хранения и транспортировки водорода.

　　II. Классификация баллонов для хранения водорода в автомобилях

　　В системах хранения водорода в автомобилях в зависимости от конструктивных особенностей и используемых материалов баллоны можно условно разделить на четыре типа: с I по IV тип. Баллоны I типа в основном изготовлены из металлических материалов, но поскольку металлические материалы подвержены водородной хрупкости, их использование ограничено, а плотность хранения водорода и срок службы относительно низки. С развитием технологий баллоны II типа за счет добавления намотки из волокнистых материалов на металлический корпус повышают свою несущую способность, что позволяет увеличить плотность хранения водорода и рабочее давление. Баллоны III типа используют легкую алюминиевую внутреннюю оболочку и полностью волокнистую обмотку, что не только еще больше повышает плотность хранения водорода и рабочее давление, но и позволяет использовать водород в более широком диапазоне областей. Баллоны IV типа представляют собой крупный прорыв в технологии хранения водорода, они используют пластиковый материал в качестве внутренней оболочки, а снаружи полностью обмотаны волокнистым материалом, что не только значительно снижает вес баллона, но и эффективно предотвращает проблему водородной хрупкости металлической внутренней оболочки, что значительно повышает плотность хранения водорода. Эти баллоны разных типов имеют свои особенности, эволюция от полностью металлических до баллонов с пластиковой внутренней оболочкой отражает постоянное совершенствование технологии хранения водорода в плане безопасности, экономичности и широты применения.

　　III. Последние достижения в стране и за рубежом

　　1. Динамика зарубежных технологий

　　Для решения проблемы изменения климата во всем мире активно развиваются технологии хранения водорода. Японская компания Toyota с 1992 года занимается разработкой автомобилей с топливными элементами и в 2015 году выпустила серию Mirai, оснащенную баллонами IV типа для хранения водорода. Эти баллоны при уменьшении веса сохраняют отличную усталостную прочность и термостойкость, достигая плотности хранения водорода 5,7% масс. Американская компания QUANTUM выпустила баллоны IV типа для хранения водорода с конструкцией «TriShield», которая повышает ударопрочность, а цельная внутренняя оболочка предотвращает сварные швы, снижая риск утечки водорода. Эти технологические достижения не только способствуют применению водорода в транспортной отрасли, но и оказывают значительную поддержку реализации низкоуглеродной экономики.

　　Разработанные немецкой компанией Daimler Chrysler автомобильные баллоны IV типа для хранения водорода имеют номинальное давление 70 МПа, что позволяет автомобилю на водородных топливных элементах, оснащенному двумя такими баллонами, иметь запас хода 700 км. Кроме того, компания Faurecia за счет усовершенствования материала внутренней оболочки добилась снижения общего веса баллона на 20% и стала поставщиком таких известных автопроизводителей, как Hyundai, SAIC и Citroen. Эти технологические достижения не только способствуют коммерциализации водородных автомобилей, но и обеспечивают эффективные решения для обеспечения дальних перевозок с низким уровнем выбросов.

　　2. Динамика отечественных технологий

　　В Китае, с четкой постановкой стратегических целей по достижению пиковых значений выбросов углерода и углеродной нейтральности, развитие технологии баллонов IV типа для хранения водорода получило новые возможности и вызовы. Под влиянием государственной политики ожидается, что к 2035 году количество автомобилей на водородном топливе значительно увеличится, что создает мощный стимул для рынка баллонов IV типа. Несмотря на то, что в настоящее время отечественные разработки и применение баллонов IV типа для хранения водорода несколько отстают от мирового рынка, отечественные предприятия ускоряют темпы НИОКР и добились ряда успехов. Однако отсутствие ключевых технологий, технологии соединения пластика и металла, поставка материалов и другие проблемы по-прежнему являются основными препятствиями для развития баллонов IV типа в стране. Перед лицом этих проблем отечественным предприятиям и научно-исследовательским институтам необходимо усилить технологические инновации и сотрудничество, чтобы способствовать прорыву и промышленному развитию технологии баллонов IV типа для хранения водорода, поддерживая здоровое развитие водородной энергетики и автомобильной промышленности с топливными элементами в Китае. Например, компания Tianhai Industry уже имеет полную производственную линию и испытательный центр для баллонов III типа и в последние годы самостоятельно разработала баллоны IV типа. Эти баллоны уже применяются на тяжелых грузовиках и достигли цели снижения веса на 30% по сравнению с баллонами III типа. Компания CNBM также вложила значительные средства в НИОКР баллонов IV типа и добилась локализации производства углеродного волокна, освоив серийное производство баллонов объемом 385 л и выведя их на рынок. Компания Aoyang Technology разработала баллоны IV типа для хранения водорода, которые решили проблему герметизации соединения пластиковой внутренней оболочки и металлического штуцера баллона. Кроме того, компания CIMC Enric построила производственную линию баллонов IV типа для хранения водорода в сотрудничестве с компанией Hexagon, а компания Fengchen Hydrogen Energy Technology совместно с компанией Steelhead осваивает рынок баллонов IV типа для хранения водорода в Китае. Несмотря на то, что китайские производители баллонов заключили соглашения о сотрудничестве с зарубежными компаниями, отсутствие ключевых технологий по-прежнему существует, что не способствует достижению долгосрочных стратегических целей страны. Развитие баллонов IV типа в стране по-прежнему сталкивается со многими трудностями, такими как проблема прочности соединения гетерогенных границ раздела пластика и металла, проблема монополии на высокоэффективные материалы внутренней оболочки и проблема запрета на продажу высокомодульного углеродного волокна, и эти проблемы являются неотложными проблемами, которые необходимо решить в настоящее время.

　　IV. Прогресс в технологии формования внутренней оболочки баллона для хранения водорода

　　Ключевым моментом в конструкции баллонов IV типа и их внутренней оболочки является реализация полой структуры металлического штуцера баллона и пластиковой внутренней оболочки, в качестве основного материала обычно используется полиэтилен высокой плотности или нейлон. Основные направления исследований включают оптимизацию технологического процесса для повышения механических и барьерных свойств внутренней оболочки, обеспечение точности размеров, а также повышение прочности соединения металлического штуцера баллона и пластиковой внутренней оболочки, что имеет важное значение для повышения общих характеристик баллона для хранения водорода.

　　Технологии формования внутренней оболочки баллонов IV типа для хранения водорода включают литье под давлением - сварку, выдувное формование и ротационное формование, различные технологии формования имеют свои преимущества и недостатки.

　　Внутри и за пределами страны технология литья под давлением и сварки широко используется для производства внутренних емкостей баллонов для хранения водорода типа IV благодаря своей высокой зрелости и надежности. Этот метод особенно подходит для водородных баллонов для автомобилей небольшого размера, но для баллонов большего размера, таких как баллоны, используемые в большегрузных автомобилях и на водородных заправочных станциях, необходимо сочетать технологию экструзии для удовлетворения требований к производству крышек и корпусов. Хотя литье под давлением и сварка обеспечивают высокую точность и стабильность размеров, по-прежнему остаются технические проблемы при соединении пластиковой внутренней емкости с металлическим седлом клапана. С другой стороны, литье методом выдувания и ротационное формование обеспечивают возможность изготовления единой детали, особенно ротационное формование, которое также позволяет соединять металлическое седло клапана с пластиковой внутренней емкостью в процессе производства, демонстрируя больший потенциал развития и практическое применение, несмотря на существующие проблемы с точностью формования и временем цикла. Развитие и применение этих технологий имеют важное значение для повышения производительности и снижения стоимости баллонов для хранения водорода типа IV. В настоящее время некоторые пластиковые внутренние емкости водородных баллонов для автомобилей компаний Toyota (Япония), Hyundai (Южная Корея), ILJIN Composites (Южная Корея) и NPROXX (Германия) изготавливаются методом литья под давлением и сварки. Поскольку литье методом выдувания не позволяет осуществлять соединение конструкции металлического седла клапана с пластиковой внутренней емкостью в процессе производства, необходимо последующее крепление конструкции седла клапана к корпусу пластиковой внутренней емкости, что предъявляет высокие требования к сборке. Например, некоторые пластиковые внутренние емкости водородных баллонов для автомобилей компаний Quantum (США), General Motors, Impco и HexagonLincoln изготавливаются методом выдувного формования. Кроме того, компания DSM (Нидерланды) разработала метод выдувного формования для нейлоновых внутренних емкостей с низкой жесткостью расплава и сложной формой. Ротационное формование позволяет не только изготавливать крышки и корпуса единой деталью, но и осуществлять соединение конструкции металлического седла клапана с пластиком в процессе производства, например, некоторые внутренние емкости компаний Quantum (США) и CEA (Франция) изготавливаются методом ротационного формования. Однако существующая технология ротационного формования пластиковых внутренних емкостей характеризуется низкой точностью формования, длительным циклом формования и низким качеством формования внутренних емкостей, поэтому технология ротационного формования внутренних емкостей имеет большой потенциал развития и практическое применение.

　　V. Анализ рынка водородных баллонов для автомобилей

　　Баллоны для хранения водорода, являющиеся емкостями для хранения водорода под высоким давлением, пользуются постоянно растущим спросом на внутреннем рынке благодаря государственной поддержке и техническому прогрессу. Они подразделяются на типы I-IV, и с развитием технологий различных типов, ожидается, что в 2022 году спрос на водородные баллоны для автомобилей в Китае достигнет 70 000 единиц, а объем рынка составит около 2,42 млрд юаней. Ожидается, что к 2025 году с расширением использования водородных автомобилей объем рынка значительно увеличится до 10,15 млрд юаней, что демонстрирует огромный потенциал развития и перспективы рынка отрасли.

　　VI. Заключение и перспективы

　　Развитие технологии изготовления водородных баллонов для автомобилей типа IV и их внутренних емкостей единой деталью демонстрирует потенциал водородной энергетики в достижении цели нулевых выбросов. В настоящее время эта технология сталкивается с такими проблемами, как прочность соединения пластика и металла, монополия на высокоэффективные материалы для внутренних емкостей и запрет на высокомодульные углеродные волокна. Технологии литья под давлением и сварки, выдувного формования и ротационного формования имеют свои преимущества и недостатки, но все они играют важную роль в улучшении характеристик и снижении стоимости водородных баллонов типа IV. В частности, технология литья под давлением и сварки широко используется при производстве водородных баллонов для автомобилей небольшого размера, а технология ротационного формования демонстрирует большие перспективы развития благодаря своему потенциалу изготовления единой детали и возможности соединения металлического седла клапана с пластиковой внутренней емкостью в процессе производства, несмотря на проблемы с точностью формования и временем цикла.

　　В будущем ожидается дальнейший рост спроса на водородные баллоны типа IV на внутреннем и внешнем рынках, особенно на фоне расширения использования водородных автомобилей. Ожидается, что к 2025 году объем рынка водородных баллонов для автомобилей в Китае значительно увеличится, что демонстрирует огромный потенциал развития и перспективы рынка отрасли. Для решения проблем технического и рыночного развития необходимо сосредоточиться на устранении существующих технических препятствий, стимулировании инноваций в технологиях формования, укреплении международного сотрудничества и оптимизации цепочки поставок материалов. Эти усилия будут способствовать дальнейшему прорыву в технологии водородных баллонов типа IV, поддержке здорового развития водородной энергетики и топливных элементов, а также ускорению достижения цели углеродной нейтральности.