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NS1354 储氢压力容器中的碳纤维

   日期:2022-07-19     来源:CompositesWorld、中国复材    浏览:426    评论:0    
核心提示:氢气作为化石燃料的无二氧化碳替代物,几十年来一直存在,用于储氢的碳纤维增强复合材料(CFRP)压力容器的增长毫无疑问是在上升
 氢气作为化石燃料的无二氧化碳替代物,几十年来一直存在,用于储氢的碳纤维增强复合材料(CFRP)压力容器的增长毫无疑问是在上升。在2020年,氢能成为一项任务,被欧盟委员会确定为到2050年实现欧洲可持续经济和气候中立的欧盟绿色协议的一个关键优先事项。氢气在航空领域的关键事件包括:
 
 
2020年5月--"Clean Sky 2 "和 "燃料电池和氢气联合企业"发布了 "氢动力航空",详细说明了短程(85-165名乘客)氢动力飞机如何在2030-2035年实现投入使用。
2020年6月--法国170亿美元新冠疫情救济计划与 "氢动力航空 "报告中的目标相联系;法国航空公司表示将在2024年前将国内航班的二氧化碳排放量减少一半。
2020年7月--欧盟委员会公布了《欧洲气候中立氢能源战略》,呼吁为氢气运输、分配、储存和加气站投资650亿欧元,列出了包括清洁氢气伙伴关系和ETS创新基金(2020-2030年间100亿欧元)在内的支持政策和供资机制。
2020年7月--空客公司席执行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》编辑Graham Warwick的采访时,承诺到2035年推出架脱碳飞机的投入使用;他预测到2027-28年启动该计划,到2025年使必要的技术成熟起来。
2020年7月--ZeroAvia公司完成了单引擎、六座的Piper飞机的试飞,该飞机经过改装,可以使用压缩氢气,并根据其路线图公布了在美国进行的类似改装的双涡轮螺旋桨、19座的Dornier Do 228飞机的飞行测试,该飞机将在2023年前获得20座的H2动力飞机,航程为500英里。
2020年8月--环球氢能公司(美国加州洛杉矶)宣布为一架50座的飞机提供双油箱模组(下图),并为区域航空公司/运营商提供加油物流和基础设施,在2024年之前实现商用。
 
 
氢作为一种燃料来源,无论在哪个行业,都取决于各种运输、输送和储存技术的快速发展,这些技术虽然新颖但发展迅速。将这些技术商业化并非易事,但相关技术难点正在逐步突破。以下是一些正在进行的项目摘要:
 
 
#  Universal Hydrogen(环球氢能公司)
 
2020年,由空客SE(荷兰莱顿)前席技术官Paul Eremenko和联合技术公司(美国康涅狄格州法明顿)共同创立,环球氢能的目标是通过提供氢燃料基础设施,帮助向氢动力航空过渡。一个关键部件是其燃料模块,包括碳纤维增强聚合物(CFRP)框架中的两个H2储罐。“我们将根据需要向现场提供模块,因此不需要储氢基础设施,”环球氢能席技术官J.P.克拉克解释道。“这些模块就像电池或厨房用品一样简单地装入飞机。”

 
模块初是为 50 座 Dash 8 和 ATR 涡轮螺旋桨支线飞机开发的。这些模块将配备 7 英尺长 x 3 英尺直径的储罐,使用碳纤维将 H2 气体保持在 850 bar,达到 50 kg/m3 的密度,或者使用绝缘金属储罐在标准压力下保持液态 H2 (LH2) 和温度达到 71 kg/m3 的密度。虽然 LH2 储罐提供更高的容积效率,但必须在 42 小时内使用隔热但未冷却的储罐,因为如果 LH2 不保持在 -253°C,它会蒸发。“这两种类型的储罐都将安装在一个轻质、结构优化的复合框架内,该框架还具有抗冲击性和一些承重能力,”克拉克说。
 
 
H2气罐将包括一个不透水的聚合物内衬,内衬有几层干燥的碳纤维编织层和一个凯夫拉芳纶纤维保护外层。“不需要树脂,”克拉克解释道。“衬里处理渗透性,而碳处理环向和轴向载荷,外层加框架防止损坏;因此重量和厚度减少。这种集成的油箱和框架设计,与每个油箱层的功能映射相结合,使我们能够在质量分数上获得一些显著的改善。”
 
 
质量分数是通过将储存的氢气质量除以整个模组的质量来计算的,因此质量分数越大越好。克拉克指出:“我们对Dash 8和ATR飞机的质量分数和体积效率进行了广泛的权衡研究。”。“所以,你要看的是燃料的体积和重量与这些飞机所能容纳的燃料、可实现的射程和大起飞重量、重量分布等。在850巴的氢气条件下,我们可以用45分钟的储备飞行约400海里,用LH2坦克飞行约550海里。然而,涡轮螺旋桨飞机任务的平均阶段长度约为300海里,因此,巨大的飞行压力将使我们无法承受大部分飞行可以通过使用碳纤维增强塑料罐的气体H2系统完成。”
 
 
环球氢能公司会与复合材料罐制造商合作吗?克拉克说:“我们的战略是在有意义的地方合作,坚持我们的核心业务。”。他重申了环球氢能的重点:“我们希望成为燃料和基础设施的供应商。我们将提供模块,并将它们送到需要的地方,以便我们的合作伙伴能够专注于飞机设计和运营的其余部分。我们的目标是成为氢动力航空的推动者。”
 
 
#  SpaceTech4Sea
 
与航空业一样,航运也受到旨在减少二氧化碳和其他温室气体 (GHG) 排放的法规的约束。从 2018 年 1 月起,在欧洲经济区 (EEA) 港口装卸货物或乘客的 5,000 总吨以上的船舶必须监测并报告其二氧化碳排放量。更进一步,作为减少船舶污染的 MARPOL 公约的一部分,国际海事组织 (IMO) 已要求从 2020 年 1 月起,燃油中的硫含量必须从 3.50% m/m(质量比)降低到 0.50%。国际海事组织还承诺制定一项初步温室气体战略,力争到 2050 年将温室气体排放量比 2008 年减少 50%。

 
“遵守法规的佳可能性是初转向液化天然气 (LNG),”海洋金融(希腊雅典)的董事总经理 Panayotis Zacharioudakis 博士说,该公司是一家推进海洋可持续性的咨询公司,也是欧共体项目的协调员SuperGreen 和 SpaceTech4Sea。SuperGreen 将在希腊创建一个可持续的绿色运输系统,包括电动通勤船和两艘混合液化天然气/电动双体船,将比雷埃夫斯港与东地中海网络中的其他港口连接起来。“对于这个项目,我们正在用 CFRP 建造高速渡轮,”Zacharioudakis 解释道。“如果我们使用先进的金属液化天然气储罐,它的重量将达到 7 公吨,这相当于 70 多名乘客(每人 100 公斤的行李)。因此,我们必须将载客量减少 70 人。”

 
为什么超重?Zacharioudakis说:“与柴油相比,液化天然气必须在-163°C的低温下储存,金属储罐必须使用符合国际海事组织气体燃料要求或IGF规范的材料、结构、绝缘和操作系统。”。对于海洋金融来说,超重是不可接受的,因此它开始研究可能的解决方案,并发现了一份关于与美国宇航局合作开发的低温箱Cimarron Composites(美国阿拉巴马州亨茨维尔)的报告。
 
 
“这是我们开始 EASME(欧洲中小企业机构)SpaceTech4Sea 项目的时候,”Zacharioudakis 说。“这个想法是为了改进用于海洋应用的航空航天技术。”第三个项目合作伙伴是船级社美国船级社(ABS,休斯顿,德克萨斯州,美国),它将验证和鉴定该技术。2019 年 9 月,ABS 原则上批准了 Cimarron 的超轻型、低温能力复合 LNG 罐的概念设计(AIP)。从那时起,它就建造并测试了小尺寸和全尺寸储罐以进行认证。“他们刚刚完成了后一次测试,”Zacharioudakis 说。“在两个多月后,我们将获得用于海运市场的复合 LNG 储罐的全面认证。与传统金属罐相比,该罐将减轻 85% 以上的重量。”
 
 
尽管储罐的大部分细节都是独家的,但 Cimarron Composites 创始人兼总裁 Tom DeLay 表示,它是由碳纤维和先进的热固性树脂制成的,使用了一些树脂灌注和湿纤维缠绕。“我们已经测试了 25 英寸和 40 英寸直径的储罐,并正在与 SuperGreen 的 CFRP 渡轮制造商讨论容量为 5 立方米 [5,000 升] 的储罐,这可以通过直径为 2 米的储罐来实现和2.5米长。” Ocean Finance 看到了一千多个这样的坦克的市场,并将与 Cimarron 合作建立自动化生产,可能在希腊。
 
 
那么氢呢?“即使我们完成了这些液化天然气项目,我们也开始关注氢,”Zacharioudakis 指出。“欧洲有如此多的兴趣、活动和资金。然而,一个问题是海事法规规定储罐必须为液化天然气提供长达 15 天的储存时间。LH2 也是如此。” DeLay 承认,开发用于 LH2(-253ºC,见上文)的低温储罐比开发用于 LNG(-196ºC)的低温储罐要困难得多。挑战之一是找到能够抵抗脆化和开裂的材料。他现在正在与 Ocean Finance 合作,帮助完成一项贸易研究,研究在船舶上使用液态与气态 H2 的技术和经济因素。
 
 
 
#  Neptune(海王星)储氢罐
 
值得一提的是,Cimarron Composites 已经开发了一种 IV 型 CFRP 罐,用于高压储存氢气和其他气体。“我们初的Jupiter(木星)储罐是为运输大多数工业气体而开发的,包括氢气,压力为 4,350 psi [300 bar],”DeLay 说。“然而,氢气在更高的压力下更有效地运输,这就是我们开发 7,500 psi [517 bar] Neptune(海王星)储罐的原因。”

 
Jupiter 和 Neptune 储罐都通过了 UN ISO 11515 要求的无数测试,并且有多种直径和长度可供选择,长可达 26 英尺。“这些储罐是为通过卡车、铁路或船舶以标准模块运输而开发的,”Delay 指出。“我们发现 30 英寸直径的气瓶具有理想的包装效率,与大直径气瓶相比,我们可以运输更多的氢气。19 英尺长,我们可以将 9 个坦克装入一个标准的 20 英尺集装箱。每罐 67 公斤氢气,我们可以在 20 英尺集装箱中运输 600 公斤,在标准 40 英尺集装箱中运输 1,200 公斤。”
 
 
“我们从所有主要供应商那里购买碳纤维,包括东丽 [日本东京]、三菱丽阳 [东京]、帝人 [美国田纳西州罗克伍德] 和晓星 [韩国尔],”DeLay 补充道,“但是 对于 Neptune,我们同时获得了三个不同供应商的资格。我们使用市售产品自行配制树脂,并非常严格地控制纤维和树脂含量以及长丝缠绕和高温炉固化循环期间的张力,以防止热应力。所有这些都增加了储罐的机械性能。
 
 
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