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氢气压力容器中的碳纤维

氢作为化石燃料的无二氧化碳替代品已经出现了几十年,用于储氢的碳纤维增强塑料 (CFRP) 压力容器的增长肯定在增加。但在 2020 年,氢成为一项任务,被欧盟委员会 (EC) 确定为到 2050 年实现可持续经济和欧盟气候中立的欧洲绿色协议的关键优先事项。航空氢的关键事件包括:

无论行业如何,氢作为燃料来源的可行性取决于各种年轻但快速发展的运输、交付和储存技术的快速发展。将这些技术商业化并非易事,但它们正在得到解决。以下是正在完成的一些工作的摘要。

通用氢

Universal Hydrogen 由 Airbus SE(荷兰莱顿)和联合技术公司(美国康涅狄格州法明顿)的前首席技术官 Paul Eremenko 于 2020 年共同创立,其目标是通过提供氢气来帮助过渡到氢动力航空为基础设施加油。一个关键部件是其燃料模块,包括在碳纤维增强聚合物 (CFRP) 框架中的双 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,”Universal Hydrogen 首席技术官 J.P. Clarke 解释说。 “这些模块就像电池或厨房用品一样简单地装载到飞机上。”

图片来源:通用氢

首先为 50 座 Dash 开发了模块 8 和 ATR 涡轮螺旋桨支线飞机。这些模块将配备 7 英尺长、3 英尺直径的罐,使用碳纤维将氢气保持在 850 巴,密度为 50 kg/m 3 ,或绝缘金属罐以在标准压力和温度下容纳液态 H2 (LH2),达到 71 kg/m 3 密度。尽管 LH2 储罐具有更高的容积效率,但隔热但未冷却的储罐必须在 42 小时内使用,因为 LH2 如果不保持在 -253°C 会蒸发。 “两种类型的坦克都将位于轻质、结构优化的复合框架内,该框架还具有抗冲击性和一定的承重能力,”克拉克说。

H2 气罐将包括一个不可渗透的聚合物衬里,外层包裹着干碳纤维编织层和 Kevlar 芳纶纤维保护外层。 “不需要树脂,”克拉克解释说。 “内衬处理渗透性,而碳处理箍和轴向载荷,外层加框架防止损坏;从而减轻重量和厚度。这种集成的油箱和框架设计,再加上将功能映射到每个油箱层,使我们能够在质量分数方面取得一些重大改进。”

质量分数的计算方法是将储存的氢质量除以整个模块的质量,因此质量分数越大越好。 “我们进行了一项非常广泛的贸易研究,着眼于 Dash 背景下的质量分数和容积效率 8 和 ATR 飞机,”克拉克指出。 “因此,您正在查看燃料的体积和重量与这些飞机的容量、可达到的航程和最大起飞重量、重量分布等。使用 850 巴的氢气,我们可以用 45 - 分钟储备和大约 550 海里与 LH2 坦克。然而,涡轮螺旋桨飞机任务的平均阶段长度约为 300 海里,因此广阔 大多数这些飞行都可以通过使用 CFRP 罐的气态 H2 系统完成。”

Universal Hydrogen 会与复合材料罐制造商合作吗? “我们的战略是在有意义的地方合作并坚持我们的核心业务,”克拉克说。他重申了 Universal Hydrogen 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可以专注于飞机设计和操作的其余部分。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总吨位超过 5,000 吨的船舶必须监测和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(质量比质量)降低到 0.50%。国际海事组织还承诺制定一项初步的温室气体战略,力争到 2050 年与 2008 年的水平相比减少 50%。

“遵守法规的最佳可能性是最初转向液化天然气 (LNG),”Ocean Finance(希腊雅典)董事总经理 Panayotis Zacharioudakis 博士说,Ocean Finance 是一家促进海事可持续性的咨询公司,也是 EC 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,将比雷埃夫斯港与地中海东部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 解释说。 “如果我们使用最先进的金属液化天然气罐,它的重量将达到 7 公吨,相当于 70 多位乘客 [每人 100 公斤行李]。因此,我们必须将载客量减少 70。”

为什么会增加额外的重量? “与柴油相比,LNG 必须在 -163°C 的低温下储存,金属罐必须使用满足 IMO 对气体燃料或 IGF 规范要求的材料、结构、绝缘和操作系统,”Zacharioudakis 说。对于 Ocean Finance 来说,额外的重量是不可接受的,因此它开始研究可能的解决方案,并找到了一份关于与 NASA 合作开发的低温罐 Cimarron Composites(美国阿拉巴马州亨茨维尔)的报告。

“这是我们开始 EASME(欧洲中小企业署)SpaceTech4Sea 项目的时候,”Zacharioudakis 说。 “这个想法是修改航空航天技术以用于海上应用。”第三个项目合作伙伴是船级社美国船级社(美国德克萨斯州休斯顿 ABS),它将验证和鉴定该技术。 2019 年 9 月,ABS 原则上批准 (AIP) Cimarron 的超轻型、可低温复合 LNG 储罐的概念设计。从那时起,它已经建造并测试了小型和全尺寸坦克以进行认证。 “他们刚刚完成了最后一次测试,”Zacharioudakis 说。 “在两个多月的时间里,我们将获得针对船舶市场的复合 LNG 储罐的完整认证。与传统金属罐相比,该罐可减轻 85% 以上的重量。”

尽管该罐的大部分细节都是专有的,但 Cimarron Composites 创始人兼总裁 Tom DeLay 表示,它由碳纤维和先进的热固性树脂制成,使用了一些树脂灌注和湿法纤维缠绕。 “我们已经测试了 25 英寸和 40 英寸直径的储罐,并且正在与 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 米的储罐实现2.5米长。” Ocean Finance 看到了超过一千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,我们也开始关注氢气,”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 LNG 提供长达 15 天的储存时间。 LH2 也是如此。” DeLay 承认,为 LH2(-253ºC,见上文)开发具有低温能力的储罐比为 LNG(-196ºC)开发具有低温能力的储罐要困难得多;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。

用于 H2 气体的海王星罐

值得注意的是,Cimarron Composites 已经开发出一种用于高压储存氢气和其他气体的 IV 型 CFRP 罐。 “我们最初的 Jupiter 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] 海王星罐的原因。”

Jupiter 和 Neptune 水箱都通过了 UN ISO 11515 要求的无数测试,并且可提供各种直径和长达 26 英尺的长度。 “这些坦克是为通过卡车、铁路或轮船以标准模块运输而开发的,”Delay 指出。 “我们发现 30 英寸直径具有理想的包装效率,与大直径钢瓶相比,我们可以运输更多的氢气。 19 英尺长,我们可以将九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采购碳纤维,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 [韩国首尔],”DeLay 补充道,“但是对于 Neptune,我们同时获得了三个不同的供应商的资格。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烘箱固化循环期间的张力,以防止热应力。所有这些都增加了坦克的机械性能。”

无论需要低温液体储存还是高压气体储存,DeLay 都看到了机会的增长。 “我们花了多年时间来发展我们的专业知识,”他说,“从火箭燃料箱到我们现在正在开发和生产的大型储罐和运输罐。一年前,我对氢气持怀疑态度,认为唯一的原因是政府的推动。但是现在我们收到了非常大的订单和各种各样的要求。我们可以看到,在全球范围内,许多行业都在大力投资氢能,政府也在支持这一发展。看起来我们已经准备好在正确的时间提供正确的产品。”


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