首页/文章/ 详情

IV复合材料储氢气瓶概述

1天前浏览18
大家早上好,简单写一下。
概述 

        Type IV 储氢瓶因其轻质、低成本和耐疲劳等优点,在燃料电池汽车(HFCV)中的氢储存领域日益受到重视。这种储氢瓶由聚合物内胆和碳纤维复合材料缠绕层构成。

一、结构与材料

         Type IV 储氢瓶的核心结构包括聚合物内胆和外部的碳纤维增强复合材料(CFRP)缠绕层 。聚合物内胆通常采用高密度聚乙烯(HDPE)或聚酰胺(PA)等材料制造 。其主要作用是作为氢气扩散阻挡层,防止氢气渗透

图1储氢罐横截面显示塑料内衬和碳纤维缠绕层 

         碳纤维复合材料层则提供结构强度,以承受高压储存的氢气  。常用的复合材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP),其中 CFRP 以其高强度重量比在氢存储容器中得到广泛应用 。
        在氢气快速充放过程中的温度变化对 Type IV 气瓶的结构稳定性构成挑战 。快速充气会导致气瓶内部温度升高,而快速放气则会引起温度下降。这些温度变化会影响聚合物内衬和 CFRP 缠绕层的机械性能,尤其是在极端温度条件下 。例如,SAE J2601 和 ISO 15869 等国际标准严格规定了车载储氢罐的运行温度范围 。数值模拟研究了不同厚度的内衬和缠绕材料对车载气态储氢瓶温度升高的影响,发现这些参数对快速充气过程中的温度分布有显著影响。

图2 用于氢气储存容器的复合材料 


二、氢渗透问题

        尽管聚合物内胆提供了阻隔功能,但氢气的小分子特性使得渗透成为 Type IV 储氢瓶面临的关键挑战之一。氢渗透不仅会导致储氢容量随时间推移而降低,还可能在快速减压时引发内胆损伤甚至失效 。国际组织已制定相关标准,强制要求对 Type IV 储氢瓶的内胆材料进行氢渗透测试 。

        氢渗透是 Type IV 气瓶面临的关键挑战之一,其程度受多种因素影响,包括聚合物材料的类型、厚度、温度以及内部氢气压力。研究表明,不同的聚合物材料具有不同的氢渗透性能。例如聚酰胺 6 (PA6) 在不同温度和压力下的氢渗透性已被广泛研究]。在工作压力范围内(例如 233–358 K,0–87.5 MPa),氢气在聚酰胺 6 中的溶解和扩散行为是理解渗透性的关键 。


氢气渗透进入 CFRP 缠绕层可能导致多种安全问题:


  1. 内衬损伤:

     快速降压时,渗透到聚合物内衬内部的氢气会迅速膨胀,可能导致内衬起泡或分层,即所谓的减压损伤或内衬坍塌 (。这种起泡是由于气体在高压下被聚合物吸收,当降压速率超过气体通过扩散逸出的速率时产生应力造成。    
  2. 复合材料性能下降:

     渗透的氢气可能进入 CFRP 结构,影响纤维和树脂基体之间的界面粘合,潜在地降低复合材料的力学性能 。    
  3. 氢气泄漏:

     渗透的氢气最终可能从气瓶外表面逸出,导致潜在的氢气积聚和火灾爆炸风险 。例如,氢燃料加注站的泄漏事故可能导致火焰喷射和热辐射危险 。    

       针对氢渗透问题,研究人员正在探索改进聚合物内胆材料的方法,例如通过分子动力学模拟研究聚酰胺 6 (PA6) 等材料的氢渗透行为 。在 PA6 中填充不同比例的石墨烯被发现可以影响氢气的溶解和扩散特性。此外,将基于热塑性高阻隔薄膜(如 EVOH)的内胆应用于 PA6 复合材料上,可以进一步降低渗透率 。纳米增强聚合物 FDM 内胆结合石墨烯不渗透膜和粘附中间层,以及 GRM 增强基质-CFRP 重叠层的多层结构,被提出作为一种提升储氢容器性能的新设计。


图3氢气储存系统:体积和重量能量密度的比较


三、安全性能

        Type IV 储氢瓶的安全性能是其广泛应用的关键。研究人员对在局部火灾条件下 70 MPa 车载 Type IV 储氢瓶的防护方法进行了实验研究,并建立了三维计算流体动力学(CFD)模型来模拟不同防护方法对储氢瓶传热特性的影响。快速充氢过程中 Type IV 复合材料储氢瓶的温升是另一个重要的安全问题 。通过 CFD 模型可以研究充氢速率、环境温度、体积和氢气入口温度等因素对温升的影响 。此外,聚合物内胆在快速减压过程中可能发生局部屈曲,影响其结构稳定性, 这种减压损伤是 Type IV 气瓶的一个关键失效模式。气体内吸收的氢气在高压下溶解在塑料内胆中,当减压速率超过溶解气体通过扩散逸出的速率时,就会产生应力,导致起泡  。预测减压引起的起泡的预测模型正在开发中 。研究也对内胆的屈曲强度进行了数值模拟和真空试验,并研究了可能影响屈曲强度的因素

四、设计与分析

         Type IV 储氢瓶的设计与分析涉及多个方面,包括材料选择、结构优化和失效评估。聚合物内胆与金属接头之间的附着力是影响储氢瓶安全的重要因素。渐进失效分析被用于研究 Type IV 储氢瓶的爆破压力 。参数化有限元分析方法可以用于研究 Type IV 复合材料高压储氢罐在不同材料和部位的应力分布  。对车载高压储氢瓶的法规、规范和标准进行比较分析,有助于指导其设计、制造、检验和测试  

五、应用与挑战

Type IV 储氢瓶主要应用于燃料电池汽车等领域,以实现轻量化和高储氢密度  。

图4用于轻型汽车的储氢方法选择


除了氢渗透和快速充氢温升等技术挑战外,成本、法规和基础设施的缺乏也是制约其大规模应用的重要因素 。未来的研究方向可能包括开发新型高阻隔聚合物材料、优化复合材料缠绕工艺、提升安全防护技术以及利用人工智能等手段辅助设计和性能预测 

图5 氢储存方法


       
 不同氢储存方法在容量、成本、操作和安全性等方面各有优劣,需要根据具体的应用场景进行选择。总体而言,Type IV 氢储存瓶作为一种极具潜力的车载储氢解决方案,在轻量化、高压储存和耐疲劳方面表现出色,但氢渗透和快速充氢温升等问题仍需进一步研究和解决。未来的发展将聚焦于材料创新、结构优化和安全性能提升,以满足不断增长的氢能应用需求。

来源:气瓶设计的小工程师
疲劳复合材料燃料电池汽车爆炸材料分子动力学试验人工智能
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-05-29
最近编辑:1天前
气瓶设计的小攻城狮
硕士 从事IV储氢气瓶行业。
获赞 37粉丝 87文章 365课程 0
点赞
收藏
作者推荐

氢能无人机大汇总

一、世界上第一架航程 5,800 英里的氢动力无人机在首尔亮相;世界上第一架航程 5,800 英里的氢动力无人机在首尔亮相,韩国首尔,9 月 25 日:韩国本土公司 Hogreen Air 在 9 月 25 日至 27 日于首尔举行的 H2 移动能源环境技术 (MEET) 会议上推出了一款高速、远程氢燃料电池无人机;这款无人机与传统无人机的区别在于它的作范围。这架无人机最近在德国进行了远程飞行,而其作员位于近 5,778 英里外的韩国。它还在美国自主飞行,距离无人机在韩国的运营商 5,618 英里。这大大促进了无人机的远程作。只要无人机连接到移动网络,就可以从世界任何地方控制无人机。无人机还使用由液化氢驱动的燃料电池,液化氢的密度是氢气的 800 倍。与其他使用锂电池可以飞行 10 到 30 分钟的无人机不同,Hogreen Air 无人机可以飞行 14 小时以上。二、市场上的顶级氢燃料无人机斗山 DS30DS30 由 Doosan 设计,Doosan 还生产氢动力直升机和无人固定翼飞机。照片提供:斗山Doosan DS30 是世界上第一架量产氢燃料电池无人机,可以在一个燃料电池电源组上运行 2 小时。它还获得了 2020 年 CES 最佳创新奖。该无人机采用半硬壳式结构,减轻了八旋翼配置的重量并提高了耐用性。您可以通过内置的通信模块来控制 DS30 并监控氢动力组和飞控信息。使用基于 Web 的 GCS 或 DMI View 应用程序,飞行员可以规划自主任务飞行,并获得实时状态更新。当通信或氢气水平不足时,无人机还将执行紧急降落。以下是 Doosan DS30 的一些规格和详细信息:飞行时间长达 2 小时,基于 Web/App 的控制自动航班,可互换的视觉传感器,可互换的氢动力组易于运输的 SUV 或面包车,最大有效载荷 5kg;三、HyDrone 1550 / Skylle 1550HyDrone 1550 是 MMC 制造的氢动力六轴飞行器,于 2018 年首次发布,是市场上首批氢无人机之一。图片来源:MMC根据我们的研究,MMC 似乎已经重新配置了 HyDrone 1550,使其可以由 LiPo 电池或氢燃料电池供电。这款新无人机以 Skylle 1550 的名义销售。HyDrone 1550(配备氢燃料电池时大概是 Skylle 1550)已在超过 14,000 英尺的高度进行了测试。2017 年,HyDrone 1550 在中国东北边境附近的长白山执行任务时被用于营救 3 人,该地区的极端海拔和 -22F 的低温平均温度使得 LiPo 无人机无法作。行时间长,有效载荷大 无人机 MMC SKYLLA 1550;以下是 HyDrone / Skylle 1550 的一些规格和详细信息:使用 LiPo 电池的飞行时间 81 分钟 / 使用氢燃料电池的飞行时间 150 分钟12.5 英里通信链路,26.5 磅有效载荷,有效载荷即插即用,轻质碳纤维机身,防雨防尘,兼容多种相机类型,自带自主飞行和 GCS 控制飞行的航线规划。四、Hywings H-25 带氢推进短舱的货运无人机氢动力远程固定翼物流无人机Hywings H-25 是一种远程固定翼无人机平台,专为零排放货物运输应用而设计。H-25 由我们独特的 Aeropak 氢推进短舱提供动力,标准可运载重达 5 公斤的货物。Aeropak 短舱也可以堆叠起来形成冗余的分布式推进系统,并允许 Hywings 货运无人机平台扩大规模,以获得可承载高达 500 公斤的定制解决方案。Aeropak 短舱还用于为 Element One 提供动力,Element One 是一款远程氢电动概念飞机,专为满足未来的货物运输和客运需求而设计。五、最近在自动驾驶领域的首次亮相表明,在氢燃料电池的帮助下,进一步脱碳取得了可喜的成果——完全认证的氢动力无人机在日本的首飞取得了成功。H3 Dynamics 是一家在全球设有多个分支机构的空中移动公司,它实现了一个重要的里程碑——其 Aestrostak 氢燃料电池系统为无人机提供动力,该系统获得了日本经济产业大臣 (MITI) 的官方批准。该无人机由 Drone Works 开发,并得到了丰田集团成员丰田通商 Nexty Electronics 的技术集成支持。上月底,第一架经过认证的氢多旋翼无人机在日本进行了开创性的试飞,展示了这种环保系统的效率。这架无人机由一个由高压氢复合材料制成的小容器制成,并配备了 H3 Dynamics 开发的无人机兼容燃料电池系统。十多年来,这家空中交通公司一直在研究和测试与无人机兼容的氢燃料电池系统,并推出了多个使用这些系统的航空货运平台,包括固定翼飞机和 eVTOL(电动垂直起降)。HYCOPTER 氢动力无人机Hycopter 是一种氢动力多旋翼无人机,专为长航时数据收集和监视任务而设计。这款安静且高度可靠的平台具有长达 3 小时的飞行续航时间和多传感器功能,是基础设施检查、执法、急救人员等的理想选择。这款多功能无人机可以配备三种不同尺寸的氢气罐之一,让您根据任务的需要平衡飞行时间和携带能力。开放式有效载荷舱允许无人机携带重达 2.5 公斤的传感器和有效载荷,还可以安装降落伞系统。飞行过程中收集的所有图像数据都可以传输到 H3 Zoom.AI,这是一个基于 AI 辅助的基于云的可视化分析平台,旨在加快专业检查的验证和报告过程。规格:尺寸 (直径 x 高度) 1450 x 500 毫米 MTOW 16.5 kg(包括 2.5 kg 有效载荷) 燃料电池标称功率 1.5 千瓦 混合 LiPo 峰值功率 4 kW,<10 秒 氢气容量 5 / 9 / 12 升 飞行时间 ~3 小时(12 升油箱,无有效载荷) 最大速度 56 公里/小时/35 英里/小时(取决于风和有效载荷) 六、HES Energy Systems 宣布推出 HYCOPTER,这是一款工业级多旋翼无人机 (UAV),专为大规模工业维护检查而设计。解决飞行时间短的问题是无人机技术的最后前沿领域之一。HES 在生产极轻和紧凑的燃料电池系统方面享有盛誉,其重量比锂电池轻 5 倍。继 10 多年前由 NASA 支持的俄亥俄州立大学团队在美国创造第一个世界距离记录之后,HES 一直在不断突破其储能技术的极限,在新加坡开展各种无人机项目,并与世界各地的领先航空航天机构合作。HES 目前能够产生超过 700Wh/kg 的系统级比能量,并且由于采用了各种新技术,正在努力进一步突破这一极限。经过多年的努力,HES 将其核心技术与专门适应的多旋翼设计相结合,使飞行时间可以延长到 3.5 小时,而不是使用锂电池时通常的 20-30 分钟。新的氢多旋翼系统将能够将精密相机和其他传感器在空中停留更长时间,开辟新的商业用例,同时降低服务提供商的运营成本。HYCOPTER 在德克萨斯州奥斯汀设计,当地生产基地正在建设中。HYCOPTER 包括一种新的突破性 140g 减压阀,能够将氢气压力从 350 bar 降低到 0.5 bar。其他系统组件包括专门设计的 HES 燃料电池堆,每克能够产生超过 1W 的功率。HYCOPTER 可以使用当地氢气供应商提供的瓶装工业级氢气在几分钟内充电。通过进一步改进,HYCOPTER 型平台还可以实现比现在更远的距离的产品交付。未来,远程货运无人机将从自主氢“无人机港口”部署。HYCOPTER 的下一个版本将出现在过渡翼 VTOL 应用中,相同的 HES 核心技术现在正在扩大规模,为载人电动航空以及其他空中移动平台提供动力,正在与各种国际航空航天公司讨论。七、新型氢动力无人机可以飞行 15 小时,创纪录中国的 MMC 无人机公司推出了其新型氢动力垂直起降无人机 – Griflion H,其飞行时间创下了 15 小时的纪录。Hydrone 于上周在德国举行的 InterGEO 2019(世界上最大的地理信息博览会)上推出。Griffion H VTOL 由获得专利的高效金属双极板氢燃料电池提供动力,最大储氢容量为 27L。当无人机未加载时,它提供 15 小时的飞行时间。它在携带 10 公斤(3 磅)的有效载荷时可以飞行 6.6 小时,而据该公司称,市场上大多数无人机的最长飞行时间为 2 小时。它使用安装在每个机翼上的两个旋翼。旋翼被抬起,然后通过安装在尾翼上的另一个旋翼向前旋转。除了延长飞行时间外,Griflion H 还提供了一些更多功能,包括作方便、安全性高、覆盖范围广、零排放和低噪音Heven Drones 首席执行官 Bentzion Levinson 说,他的公司已经发布了两架氢动力无人机。“借助这些氢动力无人机,我们正在重新定义无人机可以实现的可能性,同时利用清洁且随时可用的燃料来源。”据报道,Heven H2D200 可携带的典型电动无人机有效载荷(10 磅)的两倍,航程约为 317 英里。它还声称有四个小时的飞行时间。 甚至超过了这些数字,有效载荷限制为 22 磅,潜在航程为 466 英里,飞行时间长达 8 小时。八、H3 Dynamics 为燃料电池 Qdot 的氢无人机提供动力H3 Dynamics 将与牛津大学的 Qdot Technology 合作开发一种氢动力远程垂直起降 (VTOL) 飞机。据报道,新型 VTOL 能够行驶 600 公里或携带 200 公斤到偏远地区长达 250 公里。总部位于图卢兹的 H3 Dynamics 提供了氢电动燃料电池系统,以确保飞机符合航空当局的资格认证和验证。九、得益于 Heven Drones,氢动力无人机变得越来越好12月 1, 2H2 无人机创新的先驱推出了一个开创性的新系列。Heven Drones 是一家总部位于以色列的公司,其使命是最大限度地发挥氢动力无人机的潜力和力量,在摩纳哥氢能论坛上展示了其最新的开创性 H2D200 系列。该公司在其 H100 平台的成功基础上再接再厉。尽管该公司令人印象深刻的基础 H100 无人机拥有卓越的升力能力,但最新系列重新定义了氢无人机飞行的可能性。Heven Drones 创造了两款创新型号,H2D200 和 H2D250。H2D200 设计用于携带重至 4.5 公斤(10 磅)的有效载荷。这种有效载荷标志着精度和续航能力比以前的型号有了显着的飞跃。更引人注目的是,它可以行驶长达 510 公里(316.8 英里),飞行时间长达 4 小时。这些令人印象深刻的壮举为小负载氢动力无人机树立了新标准,同时保持了无人机以无与伦比的精度悬停的能力。H2D250 型号是最令人印象深刻的氢动力无人机之一。H2D250 专为更大的有效载荷而设计,拥有更大的航程,在两款新推出的氢动力无人机中,H2D250 是无人机的强国。它可以携带重达 10 公斤(22 磅)的有效载荷,航程高达 750 公里(466 英里),并且可以运行长达 8 小时而不会降低其悬停能力。十、ISS Aerospace 是工业和国防应用最先进的电动和氢动力无人机和 UAV(无人机)的领先开发商。我们的多功能系统能够完全自主,并已部署在世界各地执行各种任务,包括测绘、测量、检查和监视。定制无人机制造和内部生产为了确保最高质量,我们在内部执行广泛的产品生命周期作,包括所有结构部件的测试、集成、端到端组装和制造。除了我们的标准商用现成系统外,我们还提供定制制造、快速原型制造和研发服务。凭借我们最先进的设施,我们可以开发高质量的航空航天级解决方案,以满足您的独特要求,包括定制平台以及 Sensus UAS 的有效载荷和附加组件。我们非常重视研发,以保持在无人机行业的前沿。ISS Aerospace 与领先的学术机构和研究机构保持着密切的合作关系,以开发新技术并探索 UAS 的新应用。我们已经为民用和国防市场领域的各种领先客户提供现成的和定制的氢无人机解决方案,包括BAE系统、空中客车防务与航天、Dstl 和道达尔。十一、无人机的延长飞行时间将如何供电巴拉德能够真正在商业环境中使用我们的氢燃料电池技术。这些系统在国防环境中得到验证,现在可以以简单、安全和直接的方式为商业运营商的运营团队提供更长的飞行时间。我们还汇集了运营商或飞机 OEM 在 FCair™ 品牌下在氢动力下运行评估任务所需的一切,“他继续说道。我们的想法是,所有部分都简单而原生地协同工作,因此用户不需要成为氢能专家即可集成和飞行。那么 FCair™ 是什么?FCair™ 系列是一个完整的解决方案,包括行业领先的氢燃料电池动力系统、储氢容器、压力调节器、加氢解决方案和氢气供应。该产品线支持商用无人机制造商和运营商提供燃料电池动力无人机的优势,包括电池飞行时间的 3 倍、可靠性的 5 倍和小型内燃机的一小部分噪音,以及显著降低的运营费用。该系列包括 FCair-600™ 和 FCair-1200™ 燃料电池电源系统,分别提供 600W 和 1.2KW 的功率。为了将氢气储存在飞机上,该系列还包括多种尺寸的碳外包装压力容器 (COPV)。最常见的是 4.7 升的油箱,可容纳足够的氢气,足以让 1.2KW 系统运行 60 到 90 分钟。较小的油箱更适合 600W 固定翼系统,这些系统通常需要较少的功率。大型 7 L COPV 适用于运行时间长的大型系统。 由于 COPV 将氢气储存在高压(高达 6000 psi)下,因此需要一个调节器将其降低到燃料电池使用的 20 psi。直到最近,这意味着一个又大又重的设备。值得庆幸的是,巴拉德已经建立了合作伙伴关系,开发了一种非常小巧轻便的稳压器,旨在直接与 COPV 和燃料电池配接。FCair™ 调节器的重量不到 250 克,但仍可以轻松实现氢气填充、监测和连接到飞机。当然,还有从氢气开始的问题。巴拉德员工与北美各地的天然气供应公司合作,以快速、安全且廉价的方式将氢气瓶运送到飞行地点。我们与氢能供应商有着悠久的合作历史,并且能够利用这些关系来轻松部署燃料电池无人机,“Phil 解释道。“我们通常可以在几周内安排一个气瓶和相关安全设备,在我们想要飞的任何地方就位,让无人机作员摆脱所有变幻莫测的压缩气体交付合同和细节。我们知道如何确保设备安装可靠,这是天然气输送公司非常关心的问题。最后,该公司与费城的重型无人机设计和制造公司 BFD Systems 合作,生产标准氢参考多旋翼飞机 H2-6。这架直升机的有效载荷能力为 2-3 公斤,飞行时间为 60-90 分钟,在飞行中非常安静 - 在 50 英尺处你几乎听不到它 - 这与小型四旋翼飞机的高音调呜呜声完全不同。它可以适应从基础设施检查到农业侦察,从包裹递送到急救人员部署的任务。 来源:气瓶设计的小工程师

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈