复合材料全缠绕储氢气瓶研制及应用进展.pdf
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1、 专题综述 年第 期高科技纤维与应用复合材料全缠绕储氢气瓶研制及应用进展马全胜 王文义 卢钊钧(北京蓝科盈晟航空科技有限公司 北京 威海光威复合材料股份有限公司 威海)摘 要:氢能作为零碳能源 是一种极具潜力的清洁能源 由于氢体积能量低 因此一般采用高密度方式储存氢气 高压气态储氢是目前应用最为成熟的储氢技术 随着储氢密度要求的提高 对储氢气瓶的安全性和可靠性提出更高要求 本文介绍了复合材料全缠绕储氢气瓶的分类及生产厂家情况 分析了储氢气瓶所用材料及成型工艺特点 重点关注了新一代无内胆气瓶现状及研究成果 总体上看 复合材料全缠绕储氢气瓶向着高压、高储氢效率方向发展 随着氢能源领域对储氢气瓶需求
2、提高 碳纤维复合材料在储氢气瓶领域将迎来更大发展关键词:储氢气瓶 碳纤维 复合材料 内胆 缠绕成型中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:马全胜()博士 正高级工程师 主要研究方向为碳纤维复合材料通信作者:王文义()硕士 高级工程师 主要研究方向为国产碳纤维及其复合材料 电子邮箱:(.):专题综述 高科技纤维与应用 年第 期 :引言当今世界面临环境问题及能源危机双重挑战 年国际能源署发布 年净零排放:全球能源行业路线图 报告 路线图要求今后十年迅速扩大太阳能和风能等清洁能源的利用并提高电动车在全球汽车销售中的占比 我国也提出了“”双碳目标 年中国碳排放将达到 亿吨的峰值 是实现碳中和的
3、关键里程碑 预计至 年 我国能源消费非化石能源占一次能源比重将上升到 氢能被视为极具潜力的清洁能源 使用过程仅排放水 是一种“零碳”能源 我国是世界上最大制氢国 氢能发展优势显著 在国家“碳中和”、“碳达峰”的政策支持和引导下 氢能作为国家战略进入了快速发展的通道 同等质量下氢在所有燃料中能量最高 但在自然状态下 其体积能量极低 因此有必要以高密度方式储存氢气 高压气态储氢是目前应用最为成熟的储氢技术 在氢能汽车等领域有着广泛应用 随着储氢密度要求的提高 目前车载高压气态储氢压力已由 提高至 因此对车载储氢瓶的安全性和可靠性提出了更高要求 复合材料全缠绕储氢气瓶具有质量轻、储氢密度高、耐疲劳性
4、能好等优点 是氢能汽车领域技术发展的重点 车用气瓶分类及厂家车用气瓶已有 余年的历史 从早期的全金属气瓶到现在的复合材料气瓶 质量逐步减轻储氢效率与使用安全性逐步提高 根据美国机械工 程 师 协 会()和 国 际 标 准 化 组 织()对压力容器类型和结构的分类 气瓶共分为 种类型 包括型全金属气瓶、型金属内复合材料环向缠绕气瓶、型金属内复合材料全缠绕气瓶、塑料内胆复合材料全缠绕气瓶、型无内胆全复合材料气瓶 各气瓶分类及主要特点如图 所示4/U4.&UK33U*40U1+13FI*J*IJ5IJ555(44444444*.1B_-F!_F!D_F!D_F!_FF/LH-D0PUJUDPUUUU
5、UU*F*$/(BDD*$/(D*!*DF!&*DE*97K/*图 气瓶分类及主要特点 专题综述 年第 期高科技纤维与应用 其中 型气瓶和型气瓶由于容重比大储氢效率低 且存在氢脆现象 用于新能源汽车领域的车载供氢系统并不理想 本领域多采用型气瓶及型气瓶 另外型气瓶由于无内胆进一步降低了气瓶的质量 也是国外研究的热点方向国际上的高压储氢气瓶厂商及产品技术特点见表 表 国际高压储氢气瓶主要生产商生产商生产地技术特点 ()挪威 型储氢瓶、组合阀 气瓶:塑料内胆德国型瓶:、亦提供型气瓶法国型气瓶、型气瓶 法国型气瓶、型瓶 美国 型储氢瓶、组合阀、移动加氢系统 氢气瓶:聚乙烯内胆 美国型储氢瓶 美国型储
6、氢瓶 美国型储氢瓶 美国型气瓶美国型气瓶 加拿大 型贮氢瓶以及储氢系统氢气瓶:塑料内胆()韩国碳纤维复合材料以及增强纳米复合材料内衬氢气:塑料内胆丰田日本 型储氯瓶、组合阀 塑料内胆 国内的车载高压储氢气瓶市场主要在发展型气瓶 工作压力集中在 气瓶容积一般在 之间 从成本上看 型高压储氢气瓶采用大量金属铝材料 成本要略高于型气瓶(型气瓶采用的高分子聚合物价格较低 聚合物用量也较少)近几年 我国对型气瓶的研究增加针对型气瓶的标准规范制定工作也在有序进行 年 车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶/团体标准发布 年 月 国标委下达 车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶 国家标准制定计划 标准非等效采
7、标:预计将于近期完成 储氢气瓶用材料复合材料全缠绕储氢气瓶制造所需材料主要包括内胆材料、中间层材料及外层保护层材料 内胆材料储氢气瓶内胆与氢气直接接触 在使用时起到阻隔氢气密封防泄漏作用 另外在缠绕成型时内胆亦可起到缠绕模具作用对于型气瓶来说 为铝合金内胆 一般采用 铝合金 其化学成分见表 专题综述 高科技纤维与应用 年第 期 表 铝合金化学成分元素其他质量分数/最小值 最大值 余量 铝合金 应力 应变曲线如图 所示.1 BAaaSPaS图 合金 ()应力 应变曲线需要注意的是 型气瓶中的铝内胆与碳纤维缠绕层不能直接接触 这主要是因金属铝与碳纤维存在电位差 易产生腐蚀 所以需在铝内胆与碳纤维缠
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