『CEST』北京化工大学研究团队 | IV型储氢瓶内胆的补充理论设计框架：快速减压屈曲预防的最小壁厚研究

基础信息：

本文内容来自《Clean Energy Science and Technology》 第 3 卷第 3 期发表的 “Supplementary theoretical design framework for Type IV hydrogen storage vessel liners: A minimum wall thickness addressing discharge buckling failure” (Online: 2025-09-30)

文章DOI:

https://doi.org/10.18686/cest447

引用格式：

Wang X, Zha Y, Xie P, Yang W. Supplementary theoretical design framework for Type IV hydrogen storage vessel liners: A minimum wall thickness addressing discharge buckling failure. Clean Energy Science and Technology. 2025; 3(3): 447. https://doi.org/10.18686/cest447

01 研究背景

Ⅳ型储氢瓶因为轻量化和抗氢脆的优势而被针对研发，其中核心部件之一是塑料内胆。但塑料内胆因自由体积等特性产生的渗漏可能在界面形成氢聚集并在不合理的减压速度下发生屈曲失效。现有的研究只关注了内胆必然屈曲条件下，屈曲过程中的服役环境、内胆壁厚、界面改性、减压速率等对屈曲临界载荷的影响，均忽略了服役过程中内胆与复合材料渗透之间的关系对界面氢滞留量的重要影响，也并未明确内胆极限壁厚值的设计方法，仍然缺乏从根本上对内胆是否屈曲的预测能力，过度将问题留到最终的型式试验。因此，补全基于“渗透平衡”的内胆壁厚设计方法，对于提前预知内胆是否会发生屈曲以及如何根据储氢瓶服役压力、结构形状、材料性能调整内胆壁厚具有重要意义。

02 图文导读

2.1 传统内胆壁厚计算及屈曲分析

目前比较简单的厚度设计方法是依据储氢瓶对泄漏的基本评价进行隐性分析。例如ISO 11515-2013 8.5.13渗透率测试中规定对于水容积450-3000 L的内胆渗透率≤2ml/(h·L)。国标中规定，水容积0-450 L的气瓶在55℃和15℃条件下的氢气泄漏值应该分别≤46 ml/L·h和6 ml/L·h。当忽略瓶口泄漏，假定所有已经被检测到的泄漏源都来自于氢气在内胆壁面中的渗透。可得内胆壁厚为：

其中ql为内胆材料在对应使用条件下的渗透系数，R为内胆筒体段外半径，r为内胆筒体段内半径，L为内胆筒体段长度，H为单个封头在内胆轴向方向上的高度， P0为储氢瓶使用过程中驱动氢气渗透的压力，tl为内胆的厚度。

现有内胆屈曲研究主要基于“屈曲不可避免”的假设，重点分析屈曲发展过程。相关研究探讨了温度、衬里厚度、界面改性及放气速率等因素对临界失稳载荷的影响等。例如，如图1所示，我们团队的研究人员分析了单因素排气速率对外径176mm的HDPE内胆坍塌临界储氢压力的影响。研究表明，在低于0.2MPa/s的排气速率时，排气速率越快，内胆坍塌的临界储氢压力越高。当排气速率进一步增大时，坍塌的临界储氢压力与速率相关性因为非弹性-弹性的转变而减弱。此外，如图2所示，厚径比越大，内胆坍塌临界压差越大。

图1. 不同减压速率条件下内胆坍塌临界压差随界面体积变化的曲线

图2. 内胆坍塌临界压差与厚径比的关系曲线

2.2 基于渗透平衡的内胆壁厚设计框架

内胆服役期间屈曲/坍塌的主要原因是：氢气从内胆壁面渗透到界面后，无法穿过碳纤维增强复合材料（CFRP）向外充分扩散，导致其在界面处持续积聚。这种氢气积聚最终在快速减压条件下引发内胆屈曲，如图3所示。这种氢气积聚取决于材料渗透系数、内胆与CFRP厚度以及容器的工作压力。基于此核心关系，同时依据Fick定律计算内胆的渗透率等于CFRP的渗透率时可以预防屈曲的情况，就可以计算内胆不屈曲时的壁厚。

图3. 塑料内胆屈曲失稳示意图

2.3 基于渗透平衡的设计示例

如表所示，展示了理论计算得到的碳纤维复合材料层厚度，以及碳纤维复材和内胆的材料阻隔性能，计算了在不同材料和状态下内胆所需的厚度指标。存在不足的是未能测试多个温度及压力条件下的材料渗透系数以做对比。但本研究给出了内胆壁厚的计算可行方法。

当然，依据本研究提供的计算方法，可能计算得到的内胆壁厚超出常理，例如得到超过10mm的内胆壁厚。那么证明在该条件下，还需要考虑轻量化和应力分布，就必须通过控制减压速率预防屈曲的发生。

03 结论及展望

本研究综合考虑了材料渗透性、容器结构与工作压力之间的关联关系对内胆屈曲的协同影响，基于“渗透失衡”的快速减压屈曲根本原因，得到以下结论：

（1）储氢瓶服役压力会影响CFRP厚度而间接影响内胆抗屈曲壁厚。当储氢压力升高导致CFRP的厚度增加，理论所需内胆壁厚也会增加。

（2）增大CFRP的渗透系数有利于降低快速减压过程中的内胆屈曲风险。

（3）内胆成型后的材料渗透系数越小，则相同服役条件下的内胆所需最小抗屈曲的理论壁厚越小。由于不同成型工艺会显著影响最终材料的渗透性，壁厚设计必须考虑生产过程。此外，衬里筒体的设计厚度应基于加工后测得的最小局部壁厚。

（4）建议在测试后（即氢老化和循环测试完成后）进行氢渗透性测量。此时获得的渗透性数据反映了衬里可能存在微裂纹的状态，由此得出的渗透系数值更高且更保守。

通讯作者简介

谢鹏程，北京化工大学机电工程学院、人工智能交叉研究中心教授/博导，北京化工大学高新技术研究院院长，中国塑协注塑专业委员会秘书长。主要研究方向为高分子材料模塑成型高性能制造技术及装备，围绕高端装备关键复杂构件模塑成型精度控制模型、形性一体化制造方法、智能装备设计与制造等方面取得一系列创新性研究成果，突破了高性能复杂构件控形/控性一体化协同制造难题，研制出系列化模塑成型成套工艺及装备，应用于战机整体座舱罩、深海探测视窗、高压储氢容器等关键构件的制造，实现了面向国家重大需求的高性能复杂构件模塑成型高端装备的自主可控。

《Clean Energy Science and Technology 》是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月CEST被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

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