70MPa供氫系統(tǒng)核心產(chǎn)品介紹系列——高壓儲(chǔ)氫瓶
發(fā)布時(shí)間：
2023-04-06
本期介紹的是供氫系統(tǒng)——70MPa儲(chǔ)氫瓶。設(shè)計(jì)用于在壓力下容納液體和氣體的容器和罐的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)不同的階段：全金屬罐（Ⅰ型），金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶（Ⅱ型），金屬內(nèi)膽纖維全纏繞瓶（Ⅲ型），塑料內(nèi)膽纖維全纏繞瓶（Ⅳ型）和無內(nèi)膽全復(fù)合材料瓶（Ⅴ型）。
我們推出70MPa供氫系統(tǒng)核心產(chǎn)品介紹系列文章，將包括減壓閥、瓶閥、加氫口、高壓傳感器、儲(chǔ)氫瓶，加氫槍等產(chǎn)品，敬請期待。
本期介紹的是供氫系統(tǒng)——70MPa儲(chǔ)氫瓶。
設(shè)計(jì)用于在壓力下容納液體和氣體的容器和罐的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)不同的階段：全金屬罐（Ⅰ型），金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶（Ⅱ型），金屬內(nèi)膽纖維全纏繞瓶（Ⅲ型），塑料內(nèi)膽纖維全纏繞瓶（Ⅳ型）和無內(nèi)膽全復(fù)合材料瓶（Ⅴ型）。
圖1.儲(chǔ)氫瓶分類
儲(chǔ)氫瓶內(nèi)部主要由內(nèi)膽、中間層、表層三部分組成，內(nèi)膽是儲(chǔ)氫氣瓶的核心部件，主要作用為阻隔氫氣。中間層是比較厚的耐壓層，主要作用為承壓，碳纖維憑借較好的拉伸強(qiáng)度及較輕的重量廣泛用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型瓶中的中間層，表層一般使用玻纖等包裹材料用于保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖2.儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)
由于氫脆效應(yīng)及纖維纏繞形式，Ⅰ、Ⅱ型儲(chǔ)氫瓶只能滿足35MPa儲(chǔ)氫壓力，不適用于70MPa儲(chǔ)氫條件。Ⅲ型、Ⅳ型和V型都可以滿足70MPa儲(chǔ)氫,三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。
Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶內(nèi)膽一般采用鋁合金，雖然偏重些、成本高些，但其材質(zhì)溫度及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，密封性好，一般沒有泄漏問題。
相比較Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶的金屬內(nèi)膽，Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶內(nèi)膽采用塑料等復(fù)合材料，耐氫氣滲透性和耐熱性較好采用塑料材料，具有重量輕、成本低、質(zhì)量儲(chǔ)氫密度大，內(nèi)膽耐腐蝕，使用壽命更長等優(yōu)點(diǎn)。但其也存在塑料內(nèi)膽與金屬瓶口閥的接觸處很難獲得可靠密封，塑料與金屬之間熱膨脹系數(shù)差異，隨著使用時(shí)間延長，金屬與塑料間的粘結(jié)力將削弱，另外塑料內(nèi)膽對溫度敏感。
有鑒于Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的復(fù)雜生產(chǎn)工藝和技術(shù)難題，以及國內(nèi)尚未建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以國內(nèi)70MPa儲(chǔ)氫瓶目前仍以Ⅲ型為主。
表1.中材70MPaⅢ型儲(chǔ)氫瓶
表2.斯林達(dá)70PaⅢ型儲(chǔ)氫瓶
關(guān)于V型儲(chǔ)瓶的國際研發(fā)進(jìn)展
無襯里V型儲(chǔ)瓶多年來一直是壓力容器行業(yè)的目標(biāo)。無襯里V型儲(chǔ)瓶是使用濕風(fēng)或絲束浸漬長絲纏繞制造——碳纖維和專用的樹脂系統(tǒng)——從而消除了瓶內(nèi)性能和每層之間熱膨脹系數(shù)（CTE）的差異。V型瓶尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用，目前更多還是應(yīng)用在航空航天等對重量極其敏感的行業(yè)。
2010年，位于美國科羅拉多州拉斐特的復(fù)合材料技術(shù)開發(fā)公司（Composites Technology Development Inc，CTD）其第一個(gè)商用、全復(fù)合材料、無襯里壓力容器是與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地）和德克薩斯大學(xué)（德克薩斯州奧斯汀）合作建造的。它安裝在FASTRAC 1衛(wèi)星上，1.9L儲(chǔ)罐的直徑約為6英寸（152mm），直徑為7至8英寸（長度為178至203mm），重量僅為0.44磅（0.2Kg）。CTD的無襯里壓力容器預(yù)計(jì)將比其最接近的IV型同類輕15%至20%。該瓶由東麗復(fù)合材料美國公司提供的T200碳纖維纏繞而成，并用CTD專有的KIBOKO增韌環(huán)氧樹脂潤濕。
英國國家復(fù)合材料中心（NCC）在航空航天制造商Thsles Alenia Space（法國戛納)的行業(yè)指導(dǎo)下，在SpaceTank項(xiàng)目下制造了96L碳纖維復(fù)合材料罐，在運(yùn)載火箭和衛(wèi)星推進(jìn)劑罐的應(yīng)用中減輕了30%的重量。
圖3.NCC全復(fù)合材料V型儲(chǔ)瓶
2020年，無限復(fù)合材料技術(shù)公司（Infinite Composites Technologies，美國俄克拉荷馬州塔爾薩）宣布開發(fā)一種球形、無襯里、全復(fù)合材料低溫罐——通過長絲纏繞和工業(yè)烤箱固化制造——一種用于在火箭動(dòng)力太空運(yùn)載火箭上儲(chǔ)存低溫推進(jìn)劑的壓力容器。ICT的全復(fù)合材料儲(chǔ)瓶稱為CryoSphere，為儲(chǔ)存燃料提供了更輕，更省油的選擇。
該項(xiàng)目由東麗（日本東京）T800碳纖維和環(huán)氧樹脂制成，通過長絲纏繞制造，在室溫下固化，并在ICT塔爾薩工廠的工業(yè)烘箱中進(jìn)行后固化。
圖4.CryoSphereV型儲(chǔ)瓶
2021年，Haydale宣布與Viritech合作開發(fā)用于儲(chǔ)氫容器的石墨烯增強(qiáng)環(huán)氧樹脂項(xiàng)目。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)旨在為超級跑車和重型公路車輛的應(yīng)用進(jìn)一步減輕重量。專注于設(shè)計(jì)和開發(fā)基于功能化石墨烯的新材料和樹脂，使用其專利的HDPlas技術(shù)，用于V型儲(chǔ)氫瓶。該樹脂可以作為儲(chǔ)存容器的滲透屏障，但功能化的石墨烯還可能提供大大增強(qiáng)的機(jī)械性能，以提高容器的整體性能。
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