工業材料雜誌443期｜2023/11
複合材料於儲氫的應用 技術專題
商用高壓氫氣瓶重量效率解析
Weight Efficiency of Commercial Hydrogen Cylinders
邱佑宗 Y. T. Chiu1、趙珏 Joue Chao2
工研院(ITRI) 材料與化工研究所 1正研究員/技術總監
台灣區複合材料工業同業公會(Taiwan Composites Association) 2秘書長
摘要/Abstract
本文分析英國Luxfer、美國Quantum與Hexagon三大氫氣瓶商所提供之氫氣瓶規格，
探討影響高壓氫氣瓶重量效率的因子，包括：容積大小、使用壓力、氣瓶型式、長
徑比等，並經由迴歸分析得到瓶重預估方程式，作為產品設計前之規畫參考。同時
也提出工研院材料與化工研究所開發高壓氫氣瓶結構設計之方法，由力學原理研究
最有效率的纖維纏繞安排方式，可將容積900公升級的Ⅲ型瓶減重達18%，即重量效
率提高超過1%以上。此外，針對未來便攜式的使用，如何提高小型高壓氣瓶的重量
效率，陳述現況並提出挑戰目標。
The specifications of pressure vessels for hydrogen storage from major suppliers,
such as Luxfer from United Kingdom, Quantum and Hexagon from United State,
are analyzed in this study. The key factors that influence weight efficiency are
examined. They are volume capacity, service pressure, classification, slenderness
ratio. In addition, empirical formulae to predict the weight of a cylinder to carry
some specific weight of hydrogen are provided, from which a fast estimate helps
planning before the detail design of a hydrogen system. Furthermore, by adopting
a new design concept, the weight of a type-III cylinder is reduced as much
as 18%. Finally, feasibility of portable hydrogen cylinder is examined and it is
concluded that the limitation of the weight efficiency must be overcome to make it
come true.
關鍵字/Keywords
氫氣儲存(Hydrogen Storage)、壓力容器(Pressure Vessel)、複合材料(Composites)
120
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前
5.1.1. 最初爆裂壓力之基準值
言
5.1.2. 最初壓力循環壽命之基準值
達2050年淨零碳排目標，各國政府與
為
(1)
企業提出氫能政策與方針 ，屆時美
5.2. 耐久性驗證試驗（連續液壓試驗）：
5.2.1. 保證壓力試驗
國預計所有再生能源及綠氫占全國能源需
5.2.2. 落下（衝擊）試驗
求14%，中國氫能占總能源消耗10%及年經
5.2.3. 表面損壞試驗
濟產值10兆人民幣，日本全面以氫能汽車
5.2.4. 化學暴露與周圍溫度壓力循環試驗
及加氫站取代汽油車與加油站，歐盟則累
5.2.5. 高溫靜態壓力試驗
計氫能投資金額達1,800億~4,700億歐元；
5.2.6. 嚴苛溫度壓力循環試驗
更有國家將目標實現提前：澳洲目標為
5.2.7. 液壓殘餘壓力試驗
2030年成為全球氫能產業領導者，韓國目
5.2.8. 殘餘爆裂強度試驗
標為2030年成為最大燃料電池生產國並以
氫燃料電池為主要出口產業之一。在企業
5.3. 預期路上性能驗證試驗（連續氣壓試
驗）：
方面，德國西門子與聯邦鐵路公司發展氫
5.3.1. 保證壓力試驗
動力燃料電池列車並將於2024年試行，歐
5.3.2. 周圍溫度及嚴苛溫度氣壓循環試驗
盟空中巴士在2035年推出氫燃料飛機，英
5.3.3. 嚴苛溫度靜壓力洩漏/滲透試驗
國BP石油在德國投資的氫能製造廠於2024
5.3.4. 殘餘保證壓力試驗（液壓）
年商轉，日本三菱於歐洲投資氫氣製鋼已
5.3.5. 殘餘爆裂強度試驗（液壓）
自2021年起年產25萬噸鋼鐵，韓國現代汽
5.4. 燃燒終止系統性能驗證試驗
車投資7.6兆韓圜以達商用車氫燃料電池系
5.5. 主要封閉裝置之要求
上述條文中涉及氣體壓力的包括：
統市占25%。
近期台灣亦開始投入氫燃料機動車
①5.1.1最初爆裂壓力之基準值試驗中
輛，2022年底公路局修正的《車輛型式安全
規定：三個儲存容器應以液壓加壓直到爆
(2)
審驗管理辦法》 即包括附件八十一「氫燃
裂。所有受驗儲存容器之爆裂壓力應在爆
料車輛整車安全防護」、附件八十二「氫儲
裂壓力中點值之±10%範圍內，且大於或等
存系統」、附件八十三「氫儲存系統組件」
於標稱工作壓力(Nominal Working Pressure;
等三部分。而對應於氫燃料電池機車的相
NWP)之2.25倍。但若以玻璃纖維複合材料
關條文則列於附件八十八「氫燃料機車整車
作為主要構成之儲存容器，其最小爆裂壓
安全防護」、附件八十九「機車用氫儲存系
力應大於NWP之3.5倍。
統」、附件九十「機車用氫儲存系統組件」。
②5.1.2最初壓力循環壽命之基準值則
其中附件八十二之條文5詳列各性能要求之
規定：三個儲存容器應以液壓加壓循環至
試驗組成如下：
NWP之1.25倍達22,000次循環無爆裂，或直
5.1. 基準指標之驗證試驗：
到洩漏發生。限用期限15年之儲存容器不
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121
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應於11,000次循環內發生洩漏。
③5.2.6嚴苛溫度壓力循環試驗則規
狀態下，比重僅約0.039，遠低於液體汽油
定：於低於-40˚C下，讓氫儲存容器壓力循
的0.76。維持高壓的結構需極為強固，如
環至NWP之80%，執行20%之壓力循環次
以一般鋼材製作壓力容器(Pressure Vessel)
數；於超過5˚C及相對濕度95%下，則讓壓
盛裝氫氣，在200 bar~300 bar的使用壓條
力循環至NWP之1.25倍，執行20%的循環次
件下，氣瓶的重量效率僅約1% (3)。以小客
數。
車為例，行駛400公里使用5公斤氫氣，即
④5.2.7殘餘保證壓力試驗規定：將氫
需搭配一只500公斤的鋼瓶；而相形之下，
儲存容器加壓至NWP之1.8倍，維持至少4
裝載5公斤氫氣所需之碳纖複合材料瓶僅約
分鐘而不發生爆裂。
70公斤左右。故要運輸氫氣或將氫氣作為
由上述條文可知：一般所稱耐壓350
交通運輸工具燃料，使用輕量化的結構複
bar的高壓氫氣瓶之極限設計壓力應大於790
合材料(Composites)，為未來必然的手段。
bar或79 MPa，而700 bar的高壓氫氣瓶之極
本文將分析英國Luxfer、美國Quantum與
限設計壓力應大於1,580 bar或158 MPa。
Hexagon三大氫氣瓶商所提供之氫氣瓶規
針對機車，附件八十九條「機車用氫
格，探討影響高壓氫氣瓶重量效率的因子，
儲存系統」規定：①容器應為具有連續纖
包括：容積大小、使用壓力、氣瓶型式、長
維化樹脂層（完全包裹）之金屬內襯，且水
徑比等，並經由迴歸分析得到瓶重預估方
容量為23公升以下；②使用於道路上車輛
程式，作為產品設計前之規畫參考。
之所有新壓縮氫儲存系統，其NWP應為70
MPa或以下，使用年限應為十五年或以下；
高壓氫氣瓶重量效率
③由一個加壓氫儲存容器、三個關閉裝置
一個儲氫5公斤的儲氫瓶造價約
（應符合「機車用氫儲存系統組件」基準規
4,000~5,000美元。目前主要的車用高壓
定）及其配件所組成，封閉裝置應包含：
儲氫瓶供應商包括：英國Luxfer、南韓
(a)熱致動壓力釋放裝置(Thermally-activated
ILJIN、美國Quantum與Hexagon。2021年全
Pressure Relief Device; TPRD)；(b)止回閥，
球高壓儲氫瓶市場為0.52億美金，預估2026
用以防止逆流至加燃料管線；(c)自動關閉
年將達2.08億美金，年複合成長率達32%。
閥，可關閉以防止燃料從氫儲存容器流至
其中約四分之一為運輸氫氣的容器載具、
燃料電池或內燃機。
四分之三是交通工具的燃料箱(4)。如圖一所
由上述條文可知：機車所使用的氫氣
示，高壓氣瓶可分為五類(5)：
瓶僅限於金屬內襯之Ⅲ型瓶，且工作壓力
①Ⅰ型瓶(TypeⅠ)：全金屬殼；
以700 bar為限。
②Ⅱ型瓶(Type Ⅱ)：金屬殼，外部中
如同天然氣，氫氣亦為氣態燃料，須
以高壓儲氫瓶盛載，方能儲存與輸送。然
122
而，氫氣密度極低，即使在700 bar的高壓
段圓周方向以纖維複材纏繞；
③Ⅲ型瓶(Type Ⅲ)：金屬內襯，外部
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All-metal
Steel or
Aluminum
TypeⅠ
Steel or
Aluminum
Liner
Steel or
Aluminum
Liner
Plastic Liner
No Liner
Composite
Full Wrap
Composite
Full Wrap
Composite
Full Wrap
AllComposite
Type Ⅱ
Type Ⅲ
Type Ⅳ
Type Ⅴ
▲圖一
以纖維複材全部纏繞包覆；
④Ⅳ型瓶(Type Ⅳ)：塑料，外部以纖
維複材全部纏繞包覆；
氣瓶型式分類(5)
而重量效率高達9.8%；表四為其壓力規格
700 bar產品，最大容積卻僅約330公升，而
重量效率也降為5.7%。故雖然提高壓力可
⑤Ⅴ型瓶(Type Ⅴ)：其他。
在相同的空間裝載更多的氫氣，然而重量
國際目前技術成熟度較高者為壓縮
效率卻明顯下降。
氫氣瓶，常用規格有350 bar、700 bar等。
Hexagon亦僅提供Ⅳ瓶。表五與表六分
加氫站及運輸用長管拖車，均需使用高壓
別為其壓力規格350 bar與700 bar的產品，
氣瓶。加氫站內因無重量效益的考慮，可
最大容積分別約350 bar與450 bar，差異不
採鋼瓶，其重量效率約在1%左右，拖車
大，但就重量效率而言，350 bar產品亦優
則多採用纖維複材纏繞所製成之Ⅲ型或Ⅳ
於700 bar產品。
型瓶，其重量效率>5%左右。重量效率的
定義為氫氣/瓶身重量比。此處將Luxfer、
Quantum、Hexagon等三大廠商之350 bar與
700 bar氣瓶商品整理比較其規格(6-8)如下。
影響高壓氫氣瓶重量效率的因素
1. 容積與重量效率
Luxfer Ⅲ型瓶壓力規格有350 bar、450
圖二為Luxfer、Quantum、Hexagon等
bar、517 bar等三種。表一僅列出350 bar項
三大廠商350 bar與700 bar氣瓶之重量效率比
目，最大容積達約320公升，重量效率約
較，在不考慮廠牌技術能力與壓力規格的情
5.7%；表二為Luxfer 350 bar Ⅳ型氣瓶規
況下，顯然大容積有利於重量效率的提升。
格，最大容積將近800公升，但重量效率高
圖三氫氣重量與容器重量之對應點陣圖顯
達8.5%。顯見在輕量化的需求下，Ⅳ型瓶
示，大型化確實有提高重量效率的趨勢。
優於Ⅲ型瓶。
Quantum僅提供Ⅳ瓶。表三為其壓力規
格350 bar產品，最大容積將近1,000公升，
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2. 壓力規格的影響
圖四顯示壓力規格與重量效率，同
123
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▼表一
Luxfer 350 bar Ⅲ型氣瓶規格
容積V
(L)
直徑D
(m)
長徑比
(L/D)
盛裝氫氣重量Wh
(kg)
瓶身重量Wc
(kg)
重量效率
(Wh/Wc)
42
0.740
0.340
2.18
1.0
26.0
3.8%
52
0.875
0.340
2.57
1.3
29.0
4.5%
94
1.458
0.340
4.29
2.3
38.0
6.1%
74
0.900
0.400
2.25
1.8
39.0
4.6%
150
1.614
0.415
3.89
3.6
73.0
4.9%
205
2.110
0.415
5.08
5.0
95.0
5.3%
322
3.165
0.415
7.63
7.8
138.0
5.7%
280
2.743
0.419
6.55
6.5
117.9
5.5%
310
3.048
0.419
7.27
7.3
129.2
5.7%
310
3.048
0.439
6.94
8.6
187.8
4.6%
150
1.614
0.415
3.89
3.6
73.0
4.9%
205
2.110
0.415
5.08
5.0
95.0
5.3%
275
2.743
0.415
6.61
6.7
123.0
5.4%
322
3.165
0.415
7.63
7.8
138.0
5.7%
▼表二
Luxfer 350 bar IV 型氣瓶規格
容積V
(L)
長度L
(m)
直徑D
(m)
長徑比
(L/D)
盛裝氫氣重量Wh
(kg)
瓶身重量Wc
(kg)
重量效率
(Wh/Wc)
614
2.381
0.6665
3.57
14.5
176.0
8.2%
638
2.306
0.6858
3.36
15.3
191.0
8.0%
796
2.762
0.6858
4.03
19.1
225.0
8.5%
盛裝氫氣重量Wh
(kg)
瓶身重量Wc
(kg)
重量效率
(Wh/Wc)
▼表三
Quantum 350 bar IV型氣瓶規格
容積V
(L)
124
長度L
(m)
長度L
(m)
直徑D
(m)
長徑比
(L/D)
34
0.842
0.302
2.79
0.8
16.0
5.0%
39
0.941
0.302
3.12
0.9
18.0
5.0%
164
1.641
0.424
3.87
3.9
49.0
8.0%
445
1.899
0.690
2.75
10.7
141.0
7.6%
644
2.561
0.690
3.71
15.5
178.0
8.7%
594
2.042
0.745
2.74
14.3
153.0
9.3%
810
2.306
0.783
2.95
19.5
211.0
9.2%
936
2.607
0.828
3.15
22.5
239.0
9.4%
994
2.753
0.782
3.52
23.9
245.0
9.8%
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複合材料於儲氫的應用 技術專題
▼表四
Quantum 700 bar IV型氣瓶規格
容積V
(L)
長度L
(m)
直徑D
(m)
長徑比
(L/D)
盛裝氫氣重量Wh
(kg)
瓶身重量Wc
(kg)
重量效率
(Wh/Wc)
26
0.769
0.289
2.66
1.0
24.0
4.2%
38
0.733
0.362
2.02
1.5
35.0
4.3%
51
0.753
0.424
1.78
2.1
43.0
4.9%
58
0.705
0.452
1.56
2.3
41.0
5.6%
76
0.721
0.504
1.43
3.1
51.0
6.1%
118
0.800
0.597
1.34
4.7
73.0
6.4%
120
2.182
0.340
6.42
4.8
80.0
6.0%
129
1.651
0.427
3.87
5.2
92.0
5.7%
332
2.039
0.606
3.36
13.4
241.0
5.6%
▼表五
Hexagon 350 bar IV 型氣瓶規格
容積V
(L)
長度L
(m)
直徑D
(m)
長徑比
(L/D)
盛裝氫氣重量Wh
(kg)
瓶身重量Wc
(kg)
重量效率
(Wh/Wc)
312
3.191
0.430
7.42
7.5
101.0
7.4%
193
2.110
0.430
4.91
4.7
67.0
7.0%
362
3.190
0.450
7.09
8.8
109.0
8.1%
225
2.110
0.450
4.69
5.4
71.0
7.6%
416
3.600
0.450
8.00
10.1
124.0
8.1%
350
2.324
0.509
4.57
8.4
112.0
7.5%
▼表六
Hexagon 700 bar IV 型氣規格
容積V
(L)
長度L
(m)
直徑D
(m)
長徑比
(L/D)
盛裝氫氣重量Wh
(kg)
瓶身重量Wc
(kg)
重量效率
(Wh/Wc)
36
0.921
0.332
2.77
1.4
33.0
4.2%
53.4
0.878
0.368
2.39
2.1
37.0
5.7%
76
1.050
0.440
2.39
3.1
59.0
5.3%
244
2.154
0.530
4.06
9.8
188.0
5.2%
364
2.060
0.600
3.43
14.6
191.0
7.6%
457
2.078
0.705
2.95
18.4
272.0
6.8%
樣為Ⅳ型瓶，350 bar規格的氣瓶以灰色三
度與每公斤氫氣的體積如表七(9)，圖五為不
角形標示，而700 bar規格的氣瓶則以紅色
同壓力之氫氣密度，圖六為不同壓力每公
方形標示，顯然350 bar規格之重量效率較
斤氫氣的公升體積。由表七中顯示當壓力
佳。此因氫氣非理想氣體，其壓力對應密
由350 bar增高為700 bar，密度由23.7 kg/m3
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Weight Efficiency (H2/Container)
10%
▼表七 氫氣壓力對應密度與每公斤氫氣的體積
Luxfer-III-350 bar
Luxfer-IV-350 bar
9%
壓力
(bar)
密度
(kg/m3)
每公斤氫氣的體積
（公升）
Hexagon-IV-350 bar
1
0.083
12,048
Hexagon-IV-700 bar
5
0.412
2,427
20
1.62
617
Quantum-IV-350 bar
Quantum-IV-700 bar
8%
7%
6%
5%
4%
3%
20
2,000
200
Volume Capacity in Log-scale (Litters)
▲圖二 Luxfer、Quantum、Hexagon等三大
廠商350 bar與700 bar氣瓶重量效率
50
4.02
249
100
7.81
128
150
11.16
89.6
200
14.51
68.9
350
23.7
42.2
450
28.73
34.8
700
38.73
25.8
800
42.47
23.5
900
46.22
21.6
10%
30
Weight Efficiency (H2/Container)
Luxfer-III-350 bar
Luxfer-IV-350 bar
Quantum-IV-350 bar
Weight of H2 (kg)
Quantum-IV-700 bar
Hexagon-IV-700 bar
20
Hexagon-IV-700 bar
斜率表示重量效率
10
9%
8%
Luxfer-IV-350 bar
Quantum-IV-350 bar
Quantum-IV-700 bar
Hexagon-IV-350 bar
Hexagon-IV-700 bar
7%
6%
5%
4%
斜率增加
0
0
100
200
300
3%
20
Wight of Container (kg)
▲圖四
▲圖三 氫氣重量與容器重量之對應圖（彩圖請
見材料世界網）
200
2,000
Volume Capacity in Log-scale (Liters)
壓力規格與重量效率（彩圖請見材料
世界網）
當設計提高為700 bar時，其重量效率即降
增為38.73，約1.6倍，而維持瓶體強度所需
的重量則與殼體的厚度呈正比，增為兩倍
(10)
，換言之，重量亦增為兩倍。故假設有
一幾何尺寸的350 bar瓶體重量效率為7%，
126
低約為5.6%。
3. 氣瓶型式影響
圖七為壓力規格同為350 bar氣瓶型式
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0.10
40
30
20
10
0
0
200
每公斤氫氣的體積（公升）
▲圖五
400
600
壓力(bar)
800
1,000
不同壓力之氫氣密度
Weight Efficiency (H2/Container)
密度(kg/m3)
50
Luxfer-III-350 bar
Luxfer-IV-350 bar
0.09
Quantum-IV-350 bar
Hexagon-IV-350 bar
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0
20,000
20
200
2,000
Volume Capacity in Log-scale (Liters)
2,000
▲圖七
氣瓶型式與重量效率（彩圖請見材料世
界網）
200
20
1
10
100
1,000
壓力(bar)
10%
Quantum-IV-700 bar
Luxfer-IV-350 bar
Hexagon-IV-350 bar
Quantum-IV-350 bar
Hexagon-IV-700 bar
不同壓力每公斤氫氣的體積（公升）
與重量效率點陣圖，其中Ⅲ型瓶以紅色方
塊標示，Ⅳ型瓶以灰綠色圓點標示，圖中
顯示Ⅳ型瓶明顯優於Ⅲ型瓶。由於Ⅲ型瓶
使用金屬內襯而Ⅳ型瓶使用塑料內襯，前
者重量高於後者，是很容易理解的。
4. 長徑比對重量效率的影響
基於力學公式
(10)
Weight Efficiency (H2/Container)
▲圖六
Luxfer-III-350 bar
9%
8%
7%
6%
5%
4%
3%
，筒狀容器的容積與
直徑的平方成正比，球狀容器的容積與直
徑的三次方成正比，但所需之容器壁厚則
▲圖八
0
2
4
6
8
Slenderness Ratio (L/D)
10
長徑比對應於重量效率（彩圖請見材料
世界網）
與直徑的一次方成正比，故是否存在一最
佳的長徑比以達輕量優化的目標，為設計
350 bar的Ⅳ型瓶於長徑比3~3.5左右時具有
的重要考量。圖八為長徑比對應於重量效
較佳的重量效率，然而這幾型氣瓶也具大容
率，並無明顯趨勢。惟Quantum壓力規格
積，故尚無法歸因於是否為長徑比的效果。
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127
工業材料雜誌443期｜2023/11
複合材料於儲氫的應用 技術專題
350
瓶重(kg)
300
環向纖維層
250
200
150
100
50
0
0
軸向（螺旋）
纖維層
IV-700 bar
IV-350 bar
III-350 bar
IV-700 bar
IV-350 bar
III-350 bar
5
10
15
20
25
氫氣重量(kg)
30
鋁內襯
35
100.00
50.00
▲圖九
Y
X
0.00
氫重/瓶重迴歸分析（彩圖請見材料世
界網）
▲圖十
200.00 (mm)
150.00
Z
Ⅲ型瓶有限元模型
瓶重預估公式
一般設計者必須經過精密冗長的力學
分析，決定纖維纏繞的方向與數量後，方
能知道氣瓶重量。然而，由前述各大廠牌
Thickness. 1
7.6
主要產品的規格特性，經由迴歸分析，如
7.3778
7.1556
圖九，可得到：
6.9333
6.7111
6.4889
0.86
for Type Ⅳ-700 bar
6.2667
0.81
for Type Ⅳ-350 bar
5.8222
y = 22.2x
y = 18.9x
0.89
y = 22.88x
for Type Ⅲ-350 bar
其中x為氫氣重量，y則為瓶重。有了上述
6.0444
5.6
▲圖十一 瓶身中段軸向（螺旋）層纖維走向
（彩圖請見材料世界網）
估計方式，設計者在細部設計前即可預估氣
瓶重量，以利其他周邊設計的同步進行。
氣瓶結構設計的優化
128
軸向（螺旋）纖維層、環向纖維層等。其
中，瓶身中段之軸向（螺旋）層之纖維走向
如圖十一、環向層之纖維走向如圖十二、
工研院材料與化工研究所開發高壓氫
而瓶身兩端軸向（螺旋）層之纖維走向如圖
氣瓶結構設計方法，由力學原理研究最有效
十三。依公路局修正的《車輛型式安全審
率的纖維纏繞安排方式，提高重量效率，
驗管理辦法》附件八十九「機車用氫儲存系
優於傳統二段花式的纖維安排。以使用壓
統」，350 bar的高壓氫氣瓶之極限設計壓力
力350 bar之Ⅲ型瓶為例，建立一組Ⅲ型瓶
應大於790 bar。圖十四顯示充氣至800 bar
有限元模型(FEM)如圖十，包括：鋁內襯、
時瓶身所包覆碳纖複材之環向應力狀態。
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工業材料雜誌443期｜2023/11
複合材料於儲氫的應用 技術專題
X
Z
Y
Min
Thickness. 1
7.6
7.3778
3,005.3 Max
265.94
23.534
2.0825
0.18429
-0.039109
-0.32414
-2.6865
-22.266
-184.51 Min
7.1556
6.9333
6.7111
6.4889
6.2667
6.0444
5.8222
Max
100.00
0.00
50.00
5.6
▲圖十二 瓶身中段環向層纖維走向（彩圖請見
材料世界網）
200.00 (mm)
150.00
▲圖十四 充氣至800 bar時瓶身所包覆碳纖複
材之環向應力（彩圖請見材料世界網）
小型化的挑戰
雖然本文圖二顯示大容積對應於氣瓶
的高重量效率，然而隨著氫能應用領域之
拓展，小型化氣瓶的需求也益發增長。例
Thickness. 1
7.6
如三陽工業於2023年1月與工研院舉行簽約
7.3778
儀式 (11)，如圖十七，宣告雙方正式合作氫
7.1556
6.9333
6.7111
燃料電動車技術開發，於創新能源載具領
6.4889
6.2667
域邁出第一步。第一階段雙方將針對超高
6.0444
5.8222
壓氫氣的儲存技術共同研究、設計與開發
5.6
▲圖十三 瓶身兩端軸向（螺旋）層纖維走向
（彩圖請見材料世界網）
一通勤機車所使用之高壓氫氣瓶，並將此
技術使用於氫能源電動機車。
此外，日本豐田於2022年6月發表新
所有試算結果如表八及圖十五，顯示
在高容量或高長徑比的條件下，工研院開
發之纏繞花式的瓶重大幅低於二段纏繞花
式的瓶重，可將容積900公升級的氣瓶減重
型便攜式氫氣筒原型（圖十八）(12)，特點如
下：
①原型尺寸：長400 mm (16 ʺ ) × 直徑
180 mm (7ʺ)；
達18%。而圖十六氣瓶重量效率比較也顯
②目標瓶重：5 kg (11 lbs)；
示，工研院開發纏繞花式可將Ⅲ型瓶的重
③儲能約3.3 kWh：重量效率0.66 kWh/
量效率提高超過1%以上。
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kg，優於鋰電池之0.26 kWh/kg；
129
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複合材料於儲氫的應用 技術專題
▼表八
氣瓶結構設計的優化
二段纏繞花式
工研院纏繞花式
容積
(L)
裝載氫氣重量
(kg)
直徑
(m)
長度
(m)
長徑比
瓶重(kg)
重量效率
瓶重(kg)
重量效率
124
2.94
0.475
1
2.11
69.1
4.25%
69.7
4.22%
266
6.30
0.475
1.9
4.00
126.1
5.00%
113.2
5.57%
440
10.43
0.475
3
6.32
195.8
5.33%
165.8
6.29%
912
21.61
0.475
6
12.63
385.9
5.60%
314.8
6.87%
500
瓶重(kg)
400
300
200
100
兩段花式
工研院花式
0
0
5
10
15
20
25
氫氣重量(kg)
▲圖十五
氫氣重量與設計瓶重
重量效率
▲圖十七
8%
7%
6%
5%
4%
3%
2%
1%
0%
0
三陽工業與工研院簽約儀式合影
兩段花式
工研院花式
2
4
▲圖十六
6
8
長徑比(LD)
10
12
14
氣瓶重量效率比較
④易於更換及快充。
▲圖十八 日本豐田2022年6月發表新型便攜式
氫氣筒原型(12)
其可用於燃料電池發電，也可用作燃
130
燒燃料。便攜卡匣式氫氣筒將促進氫能日
善所有人的日常生活，例如：靜岡縣裾野
常運輸和供應，為家庭日常生活提供動力
市未來智能城市—Woven City。Woven City
(13)
；也可供應小型基礎設施，滿足偏遠無
為一實驗性質的零碳排實驗社區 (14-15)，由
電地區能源需求，災害時迅速調度。豐田
ENEOS、Toyota於2021年5月簽署協議，
將於多處進行概念驗證，模擬氫能如何改
在靜岡縣裾野市開發未來城市原型，將於
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10
重量效率
瓶重(kg)
8
6
4
Toyota Cartidge
IV-700 bar
IV-350 bar
III-350 bar
2
0
0.0
0.1
0.2
0.3
氫氣重量(kg)
0.4
1.8%
1.6%
1.4%
1.2%
1.0%
0.8%
0.6%
0.4%
0.2%
0.0%
0
50
0.5
▲圖廿
250
300
350
氣，為未來亟待克服之挑戰。
結
施，以達到人本(Human-centered)、生活實
驗室(Living Laboratory)、永續進化(EverEvolving)等目的
200
容量1公升的Ⅲ型瓶其重量效率隨壓力
之變化
實驗零碳排生活、物流、移動性、生活設
(16-20)
150
使用壓力(bar)
▲圖十九 日本豐田便攜式氫氣筒，重量效率
低於其他各型氣瓶（彩圖請見材料世界網）
2024年夏季完成、2025年示範運行。在此
100
語
本文分析英國Luxfer、美國Quantum
。其中ENEOS負責
與Hexagon等三大氫氣瓶商所提供之氫氣
建立和運營加氫站及從可再生能源電解槽
瓶規格，探討影響高壓氫氣瓶重量效率的
生產綠氫；Toyota負責供應固定式燃料電
因子，包括：容積大小、使用壓力、氣瓶
池及建構移動物流及供需管理系統 (21-22)。
型式、長徑比等。經由迴歸分析得到瓶
此二成員在氫能產業的經驗包括：ENEOS
重預估方程式，可作為產品設計前之規畫
在日本四大都市圈運營45個商業加氫站，
參考。同時，也提出工研院材料與化工研
並研發氫能生產技術，構建無碳的氫氣供
究所開發高壓氫氣瓶結構設計之方法，由
應鏈；豐田將氫和燃料電池技術用於乘用
力學原理研究最有效率的纖維纏繞安排方
車、商用車、堆高機等工業車，以及火
式，可將容積900公升級的Ⅲ型瓶減重達
車、輪船與固定式發電機。
18%，即重量效率提高超過1%以上。此
然而，依其儲能3.3 kWh，推估裝載氫
外，針對未來便攜式的使用，如何提高小
氣約0.1 kg，重量效率約2%，低於圖九所述
型高壓氣瓶的重量效率，陳述現況並提出
之其他各型氣瓶，如圖十九。而依據本團
挑戰目標。
隊模擬分析，一公升容量Ⅲ型瓶之重量效
率隨使用壓力之變化如圖廿，也顯示小容
量高壓在重量效率不具優勢。故因應小型
化使用情境，如何在有限的瓶重限制下，
誌
謝
本文部分內容係由工研院「臺灣2050氫
應用發展技術藍圖計畫」所支持。
提高承載氫氣的重量效率，裝載更多的氫
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131
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複合材料於儲氫的應用 技術專題
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