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【高工氢电•氢能】中国氢瓶应用现状与未来方向

来源:高工氢燃料电池  更新:2019-08-07 21:37:01 作者: 浏览:136次

储氢气瓶发展已有50多年的历史,从钢瓶到全复合材料气瓶的研制成功,实现了向产品结构合理、质量轻的巨大转变。

近年来,70MPa储氢复合材料气瓶已经进入示范使用阶段。

国外从事复合材料氢气瓶研发与生产代表性企业和科研机构有美国Quantum公司、美国通用汽车、美国Impco公司、加拿大Dynetek公司、法国空气化工产品公司、日本汽车研究所和日本丰田公司等。

我国与世界先进国家相比仍然存在一定差距:

(1)国内IV型瓶研发滞后。

国外乘用车已经开始使用质量更轻、成本更低、质量储氢密度更高的IV型瓶,而中国IV型瓶还处于研发阶段,成熟产品只有35MPa和70MPaIII型瓶,其中70MPaIII型瓶在乘用车样车上应用。

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(2)碳纤维依赖进口。

中国制造的III型瓶的主要原材料为碳纤维,由于研发起步晚、原材料性能差等原因,国产碳纤维还不能满足车用储氢瓶的要求,主要依赖进口。

(3)液氢储罐汽车应用发展缓慢。

国外液氢储罐已在汽车上应用,而中国还未实现。

通用汽车、福特汽车、宝马汽车等都推出了使用车载液氢储罐供氢的概念车,而中国可以自行生产液氢,但尚未将其应用于车载氢系统。

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国内以III型气瓶为主,未来需向IV型过渡

复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。

(1)国内内衬材料多选用铝合金。

储氢气瓶进行充气的周期可能较长,而氢气在高压下又具有很强的渗透性,所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能,以保证大部分的气体能够储存于容器中。

因此气瓶内胆多选用铝合金材料,这是由于其与氢气良好的相容性和抗腐蚀性能。

铝合金材料的低密度、高比强度能够在保障强度的前提下使气瓶更加轻便。

铝合金材料还拥有很好的导热性能,在遇到意外事故发生燃烧时通过将热量传递到阀门的易熔合金塞处,在高热条件下使其熔化安全泄压防止爆炸。

(2)纤维缠绕层选用碳纤维作为增强材料。

高强度、高模量的碳纤维材料通过缠绕成型技术而制备的复合材料气瓶不仅结构合理、重量轻,而且良好的工艺性和可设计性在储氢气瓶制备上具有广阔的应用空间。

气瓶长期在充气放气条件下使用,内胆会产生疲劳裂纹,随着气瓶的使用裂纹会不断扩大,导致气瓶的失效形式表现为“未爆先漏”。

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车用气瓶共分为四种类型:全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。

I型和II型气瓶重容比较大,难以满足单位质量储氢密度要求,用于车载供氢系统并不理想。

采用金属内胆的III型气瓶为我国在高压氢气瓶领域的主要研究方向。

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目前我国已经实施能够适用于35MPa和70MPa的高压储氢瓶的相应标准GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶》。

根据标准70MPaⅢ型瓶可经过检测试验安全后上车运行,而对于70MPaIV型瓶法规标准尚未做出明确规定。

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国内企业采用III型(金属内胆纤维全缠绕气瓶)储氢密度为3.9%,而IV型(非金属内胆纤维全缠绕气瓶)的储氢密度可以达到5.5%。

通过相同外径、容积和压力(70MPa)的III型与IV型氢气瓶进行比较可以清楚发现,IV型具有低成本、小重容、轻量化的优势。

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国内以35MPa气态氢为主,未来需向70MPa过渡

同等体积下,压力越大储氢量越高,车辆行驶里程就更远。

现阶段国内主流氢燃料电池汽车使用的都是35MPa气态氢,欧、美、日国家则是以70MPa为主。

国内在35MPaIII型瓶有成熟产品,但是35MPa气瓶的续航里程上对比纯电动车没有优势,必须采用70MPaIII型在燃料电池乘用车上才有续航里程的优势,但是70MPaIII型瓶国内仅有个别厂家具有成熟产品。

未来国内氢燃料电池汽车市场也将会升级使用70MPa压力的气态氢,关键还在于成本。

根据美国能源局(DOE)研究数据,自2005年以来长管拖车储运成本下降幅度最大,35MPa由2005年的5.26$/kgH2下降到2015年的2.69$/kgH2,但同期与70MPa相比成本高出10%左右。

2020年美国能源局提出70MPa储运成本下降到2$/kgH2的目标。

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