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專題報告

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碳纖維在氫氣壓力容器中的應(yīng)用

氫氣作為化石燃料的無二氧化碳替代物,幾十年來一直存在,用于儲氫的碳纖維增強復(fù)合材料壓力容器的增長無疑是在上升。在2020年,氫氣成為一項任務(wù),被歐盟委員會確定為到2050年實現(xiàn)歐洲可持續(xù)經(jīng)濟(jì)和氣候中立的歐盟綠色協(xié)議的一個關(guān)鍵優(yōu)先事項。氫氣在航空領(lǐng)域的關(guān)鍵事件包括:

  • 2020年5月--"Clean Sky 2 "和 "燃料電池和氫氣聯(lián)合企業(yè)"發(fā)布了 "氫動力航空",詳細(xì)說明了短程(85-165名乘客)氫動力飛機如何在2030-2035年實現(xiàn)投入使用。
  • 2020年6月--法國170億美元新冠病毒救濟(jì)計劃與 "氫動力航空 "報告中的目標(biāo)相聯(lián)系;法國航空公司表示將在2024年前將國內(nèi)航班的二氧化碳排放量減少一半。
  • 2020年7月--歐盟委員會公布了 "實現(xiàn)歐洲氣候中立的氫氣戰(zhàn)略",呼吁為氫氣運輸、分配、儲存和加氣站投資650億歐元,列出了包括清潔氫氣伙伴關(guān)系和ETS創(chuàng)新基金(2020-2030年間100億歐元)在內(nèi)的支持政策和供資機制。
  • 2020年7月--空客公司首席執(zhí)行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》編輯Graham Warwick的采訪時,承諾到2035年推出第一架脫碳飛機的投入使用;他預(yù)測到2027-28年啟動該計劃,到2025年使必要的技術(shù)成熟起來。
  • 2020年7月--ZeroAvia公司完成了單引擎、六座的Piper飛機的試飛,該飛機經(jīng)過改裝,可以使用壓縮氫氣,并根據(jù)其路線圖公布了在美國進(jìn)行的類似改裝的雙渦輪螺旋槳、19座的Dornier Do 228飛機的飛行測試,該飛機將在2023年前獲得20座的H2動力飛機,航程為500英里。
  • 2020年8月--環(huán)球氫能公司(美國加州洛杉磯)宣布為一架50座的飛機提供雙油箱模組(下圖),并為區(qū)域航空公司/運營商提供加油物流和基礎(chǔ)設(shè)施,在2024年之前實現(xiàn)商用。

碳纖維在氫氣壓力容器中的應(yīng)用

氫氣作為一種燃料來源,無論在哪個行業(yè),都取決于各種運輸、輸送和儲存技術(shù)的快速發(fā)展,這些技術(shù)雖然新穎但發(fā)展迅速。將這些技術(shù)商業(yè)化并不簡單,但相關(guān)技術(shù)難點正在逐步突破。

由前空客公司和聯(lián)合技術(shù)公司的首席技術(shù)官Paul Eremenko于2020年共同創(chuàng)立,環(huán)球氫能公司的目標(biāo)是通過提供氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施,幫助過渡到以氫為動力的航空。一個關(guān)鍵部件是其燃料模組,包括碳纖維增強復(fù)合材料雙氫氣儲存罐模組。環(huán)球氫能公司將根據(jù)需要向現(xiàn)場提供模組,因此不需要氫氣儲存基礎(chǔ)設(shè)施,環(huán)球氫能公司首席技術(shù)官J.P. Clarke解釋說,這些模組只需像電池或廚房用品一樣裝入飛機進(jìn)行運輸。

環(huán)球氫能公司已經(jīng)首先為50座的Dash 8和ATR渦輪螺旋槳支線飛機開發(fā)了模組。這些模組將具有7英尺長、3英尺直徑的罐子,使用碳纖維儲罐可在850巴的壓力下容納H2氣體,達(dá)到50公斤/立方米的密度,或者使用絕緣金屬罐在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下容納液體氫氣,達(dá)到71公斤/立方米的密度。盡管液氫儲罐具有更高的容積效率,但絕緣但未冷卻的儲罐必須在42小時內(nèi)使用,因為液氫如果不保持在-253℃就會蒸發(fā)。這兩種類型的油箱都將位于一個輕質(zhì)的、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的復(fù)合材料模組內(nèi),該模組還提供抗沖擊性和一些承重能力。

氫氣罐將包括一個不透水的聚合物襯墊,上面包裹著干碳纖維編織層和凱芙拉芳綸纖維保護(hù)外層。襯墊解決了滲透性問題,而碳纖維處理了環(huán)形和軸向載荷,外層加上框架可以防止損壞,沒有必要使用樹脂,因此重量和厚度都減少了。這種集成的罐體和框架設(shè)計,當(dāng)與罐體各層的功能映射相結(jié)合時,使我們在質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面得到了一些明顯的改善。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過將儲存的氫氣質(zhì)量除以整個模組的質(zhì)量來計算的,因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大越好。環(huán)球氫能公司做了一個非常廣泛的貿(mào)易研究,在Dash 8和ATR飛機的背景下研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積效率。他們研究了燃料的體積和重量與這些飛機所能容納的東西、可實現(xiàn)的航程和最大起飛重量、重量分布等。用850巴的氫氣氣體,可以用45分鐘的儲備飛行約400海里,用液氫油箱飛行約550海里。然而,渦輪螺旋槳飛機任務(wù)的平均階段長度約為300海里。因此用氣態(tài)氫氣系統(tǒng)使用碳纖維增強復(fù)合材料油箱,可以來完成可以實現(xiàn)更加持久的續(xù)航。



此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會編譯,文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請注明出處。


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