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70MPa储氢罐的研究进展

时间:2011-07-14 17:10:16来源:中国氢能源网

氢气是一种清洁的燃料氢能是未来有发展前景的新能源之一。氢的利用主要包括氢的生产、储存和运输、应用三个方面,而氢的储存是其中的关键。氢气储存技术的滞后,限制了氢的大规模应用,特别是交通工具上的应用。而后者要求系统储氢能力必须达到6.5wt%(重量百分比)。据报道,美国能源部所有氢能研究经费中有50%用于氢气的储存。氢的储存方法有高压气态储存、低温液态储存和固态储存3种。目前大规模应用的方法是高压气态储存,氢气的压缩压力是在200350MPa之间。近年来,70MPa储氢已经进入示范使用阶段。

由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器其储氢压力可达70MPa。耐压容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷等组成的薄壁容器其储氢方法简单成本低储氢质量分数可达5%10% , 而且复合储氢容器不需要内部热交换装置。现在正在研究能耐压80MPa的轻型材料这样氢的体积密度可达到36 kg/m3。但这类高压氢瓶的主要缺点是需要较大的体积和如何构筑理想的圆柱形外形另外还需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。因此高压压缩储氢容器还需要进一步发展。同时由于高压压缩储氢容器受限于氢气本身的密度,其储氢量很难大幅度的提高。如图1所示,为了达到500公里的一次续航里程,采用70Mpa的储氢压力,其储氢系统要有125kg,体积要达到260L

据美国DOE2009年储氢的一份报告统计,目前有33辆车辆使用了70MPa储氢技术系统,系统质量容量为2.5-4.4 wt%,体积容量为18-25 g/L为提高续驶里程,70MPa高压储氢是国内外氢能储存的发展目标和研究重点。受材料生产能力限制,我国目前还没有生产70Mpa的高压储氢容器,主要依靠于日本进口。本文对近期70MPa储氢罐研究动态进行了总结。

美国Quantum 公司和加拿大Dynetek 公司

车载氢气供应系统研究与开发,目前比较领先的是加拿大的Dynetek公司和美国的Quantum公司。美国Quantum 公司的与美国国防部合作,成功开发了移动加氢系统HyHauler系列,分为HyHauler普通型和改进型。普通型HyHauler系统的氢源为异地储氢罐输送至现场,加压至35 70MPa存储,进行加注。改进型HyHauler系统的最大特点是氢源为自带电解装置电解水制氢,同时改进型具有高压快充技术,完成单辆车的加注时间少于三分钟。美国国防部已经前瞻性地将HyHauler系统应用到部分车辆上进行检测。加拿大Dynetek公司也开发并商业化了耐压达70 MPa 、铝合金内胆和树脂碳纤维增强外包层的高压储氢容器,广泛用于与氢能源有关的行业。

美国通用汽车和Impco公司

美国通用汽车公司( GM) 首先开发出用于燃料电池的、耐压达70MPa的双层结构储氢罐,内层是由无接缝内罐及碳复合材料组成,外层是可吸收冲击的坚固壳体,体积与以往耐压为35 MPa 的储氢罐相同,可储存3.1 kg 压缩氢。美国加利福尼亚州Irvine Impco 技术公司随后也研制出耐压达69MPa的超轻型Trishield 储氢罐,质量储氢密度可达7.5% ,该公司目前正致力于开发质量储氢密度达8.5 %11.3 %、耐压性能更好的储氢罐。

中国浙江大学

2009124,浙江大学王新华研究员主持的2006探索导向课题“70 MPa静态化学热压缩高压超纯氢压缩技术与装置通过了国家科技部高技术中心组织专家验收。2009年科技部又推出了863课题,研制70Mpa的车载气瓶,大力推动我国高压储氢技术的发展。

在国家高技术研究发展计划(863计划)等的资助下,针对氢气压缩、储存和氢安全中存在的问题,经过近十年的努力,课题组突破了70MPa高压气态储氢系统的若干关键技术,取得的主要成果有: 
1)安全状态远程在线监控的全多层大容积高压储氢容器 将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合,创新性地提出了全多层高压容器结构,研制成功拥有自主知识产权的国际首台高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器,突破了高压氢气的经济、安全、规模储存的难题。 
2)集压缩、净化于一体的低能耗70MPa静态化学氢压缩机 研发了在150下释氢平台压力达到80MPa的储氢合金,解决了高压下储氢合金粉末堆积预防和传热优化、氢容量匹配等关键技术,形成了高压超纯氢静态化学氢压缩技术,研制成功了国际首台70MPa静态化学氢压缩机,该压缩机同时具有显著提高氢气纯度的功能。 
3)轻质铝内胆纤维全缠绕高压储氢气瓶设计制造技术 建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构-材料-工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄(0.5mm)铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术,成功研制了70MPa纤维全缠绕高压储氢气瓶的单位质量储氢密度达5.78wt%,实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。 
4)高压氢气快充温升仿真系统及其控制技术 考虑材料比热容随温度的变化和气瓶内外壁之间的传热,构建了高预测精度的车载高压储氢容器快充温升数值仿真系统,准确预测了快充过程中气瓶内各处压力、温度的分布规律,给出了实用可靠的温升控制方法。 

法国空气化工产品公司

空气化工产品公司在氢气存储方面的研究取得新的进展:开发出基于复合储氢罐的“缩短压缩过程的加氢站”。这种改进的复合型储氢罐,消除了现场压缩氢气的需要,大大降低了氢气加注及加氢站基础设施建设成本。该种技术能够提高成本效益的关键是靠一装载复合压力容器的拖车(composite pressure vessel trailer,以下简称CPVs)来实现的。该拖车与氢气加注部件直接相连,这样使得氢气运输车整合成为加氢站的一部分。通过这项先进的技术,加氢站可以有效地加注压力为700 bar/10,000 psi氢能汽车,这使得加注氢气具有更大的灵活性和带来成本的降低。

日本汽车研究所

日本汽车研究所(JARIFCEV 中心己开发出能够承受37 MPa 70 MPa 压力的高压储氢罐,但是在压力由37 MPa 增至70MPa 时,这种储氢罐能够容纳的氢仅增加了60 % , 这意味着储氢罐在储存极限以及制造更为紧凑的储氢罐方面存在问题。

日本丰田公司

其采用了丰田独自开发的70Mpa的高压氢储存箱,容量156L,较从前的FCHV都有所增加,储罐压强增加了一倍。FCHV-adv一次充氢后续航里程可达830公里,达到了以往同类车型两倍的水平。

 

           

                                 丰田FCHV-adv
FCHV-adv全称为Fuel Cell Hybrid Vehicle-advanced,是由高压氢为燃料的高性能燃料电池“TOYOTA FC Stack”和镍氢蓄电池两种动力源驱动的混合动力概念车。

 

丰田FCHV-adv70Mpa储氢罐

韩国现代公司

韩国现代汽车公司于20101222日宣布,开发出第三代燃料电池汽车:Tucson ix燃料电池电动汽车(FCEV),将于2011年试产,并将于2015年量产。

现代Tucson ix FCEV

现代汽车公司第三代燃料电池电动汽车(FCEV)设置有100kW燃料电池系统和两个储氢罐(70MPa)。储氢罐满罐储氢全行程为650km,相当于汽油动力汽车。可在温度低达-25°C下启动。

Tucson ix FCEV的行程比第二代Tucson FCEV高出76%,第二代Tucson FCEV满罐储氢全行程为370km。这种新型燃料电

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