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英魂之刃新英雄阿修罗:從國際氫能及燃料電池展全面觀察核心技術發展-儲氫瓶篇

英魂之刃时空猎人  來源:北極星氫能網  作者:劉勝 關婧如  2019/4/30 13:32:04  我要投稿  

英魂之刃时空猎人 www.hzwrj.icu 英魂之刃时空猎人:前言:高級檢索分析師關婧如、劉勝在觀展之后從儲氫瓶、電堆、動力系統、空壓機和金屬雙極板五個角度進行全面分析。本篇為儲氫瓶方面的梳理,作為氫燃料汽車發展過程中的關鍵一環,車載儲氫技術直接關系到燃料電池汽車的續航、成本與安全性。

2019年2月27日,第十五屆日本國際氫能及燃料電池展覽會在日本東京有明國際展覽中心(Tokyo Big Sight)展開。本屆屆日本國際氫能及燃料電池展覽會匯聚了氫能及燃料電池的各種相關高端技術、材料、部件和先進裝備,展出面積達到80000平方米,展商270余家。參展展品范圍涵蓋燃料電池零部件材料、檢測設備、制造技術、氫氣制造、供氫技術、氫氣存儲供給、燃料電池系統等。

超凡知識產權高級檢索分析師關婧如、劉勝在觀展之后從儲氫瓶、電堆、動力系統、空壓機和金屬雙極板五個角度進行全面分析。

燃料電池是一種直接把燃料所具有的化學能轉換成電能的發電裝置,它具有能量轉化率高、無噪聲污染、環境友好等特點。采用氫氣作為燃料的燃料電池是實現緩解能源壓力、經濟發展與環境和諧的最佳手段,由此并帶動了氫能產業的大力發展。氫燃料電池汽車是氫能應用場景最具代表性的領域之一,汽車工程協會《節能與新能源汽車技術路線圖》指出,到2030年,中國氫燃料電池汽車將超過百萬輛。

氫燃料電池存儲核心—儲氫瓶

作為氫燃料汽車發展過程中的關鍵一環,車載儲氫技術直接關系到燃料電池汽車的續航、成本與安全性。

車載儲氫技術主要包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、固體儲氫和有機液體儲氫。車載儲氫系統的主要技術要求有:能量儲存密度(即單位質量儲氫密度和體積儲氫密度);在車輛啟停以及行駛過程中,儲氫系統能夠動態快速響應,及時進行氫氣的供給與中斷;能適應惡劣環境(如低溫);最后是安全性與穩定性,要有相應的保障體系。目前,國內外車用儲氫瓶的類型主要以鋁內膽纖維纏繞(三型)和塑料內膽纖維纏繞(四型)為主,并朝著輕量化、高壓力、大容量的發展方向。

第十五屆日本國際氫能及燃料電池展覽會上,匯聚了多家儲氫瓶生產廠商,也展出了多款三型瓶和四型瓶。下文將對生產氫燃料汽車儲氫瓶的參展廠商及其相關產品進行介紹。

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(一)中材科技(成都)有限公司——車用燃料電池儲氫瓶

中材科技(成都)有限公司(以下簡稱“中材成都”),是中材科技股份有限公司的全資子公司,以車載CNG氣瓶、氫燃料電池氣瓶和氣體儲運單元為主營業務。其擁有四川成都、江蘇蘇州兩個生產基地,年產能超過70萬只,其中成都基地是國內CNG壓力容器單體工廠規模最大的企業,與國際、國內眾多知名汽車主機廠建立了長期穩固的業務合作關系,提供燃氣車CNG氣瓶及系統應用服務,蘇州基地也是德國大眾亞太地區唯一CNG產品制造基地。

圖1 中材成都-鋁內膽碳纖維全纏繞三型氫氣瓶

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中材成都生產的儲氫瓶主要為鋁內膽碳纖維全纏繞三型(見圖1),其產品安全性高:內膽采用鋁板拉深成型工藝,相比鋁管成型,板材成型的內膽內外表面更光滑,內膽纖維之間緊密度更高,產品疲勞性能大大提高,且一致性好(具體產品信息見圖2)。同時,中材成都可為客戶提供定制化解決方案,即根據客戶要求提供不同尺寸、不同壓力產品,亦可按客戶要求組裝成供氫系統。通過展會上與工作人員溝通得知,中材成都生產的三型瓶也可以達到70MPa工作壓力。

圖2中材成都-氫氣瓶具體信息

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(二)佛吉亞——儲氫罐

佛吉亞(Faurecia)成立于1997年,主要致力于四大汽車產品:座椅系統、排放控制技術系統、內飾系統和外飾系統,已發展為全球領先的汽車零部件科技公司。通過優化氫氣在燃料電池堆的儲存和輸出,佛吉亞一直在探索汽車產業改良燃料電池技術,使之產業化的方法。

圖3Faurecia高壓儲氫罐

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(上:700bar 69L,容量2.75KgH2,儲存容量>7wt%;下:700bar 100L,容量4.1KgH2,儲存容量> 7wt%;)

Faurecia在漢諾威工業博覽會氫燃料電池展(2018年4月)展出了其高壓儲氫系統,并特別展出了其高壓儲氫罐(如圖3所示)。通過與Stelia Aerospace Composites合作,Faurecia正在開發輕質且經濟高效的700 bar儲氫解決方案。

(三)日本JFE——儲氫瓶

日本JFE公司是世界大型鋼鐵企業集團之一,是日本第二大鋼鐵集團,亦是全世界為數不多的生產小轎車外板的企業,多項技術代表世界鋼鐵行業的最高水平。

圖4 JFE Type4儲氫瓶原型

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(長約580mm,外徑約220mm,重約14kg)

(四)韓國ILJIN Composite——CHG氫氣罐

ILJIN成立于1968年,是韓國第一家開發配電配件技術的公司,隨后首次生產銅包鋼線,工業合成金剛石和印刷電路板(PCB)用電子元件。ILJIN業務涉及工業鉆石,elecfoil可充電電池,觸摸屏面板,無縫鋼管,特高壓電纜和重型電機,超聲醫療設備和LED。此外,ILJIN的綽號是“冒險先鋒公司”。當每個人都在睡覺時,在ILJIN的8個研究中心,超過100名研究人員正在度過不眠之夜,以開發可以打開一個全新世界的技術。ILJIN Composites部門開發和生產復合材料燃料箱,這是壓縮天然氣(CNG)車輛和氫燃料電池汽車的關鍵。

ILJIN Composite開發了超輕復合氫氣罐(以下簡稱CHG)(如圖5所示),該產品采用碳纖維復合材料以及增強納米復合材料內襯,并在美國獲得ANS / CSA NGV2-2000壓縮天然氣凝固罐的認證。CHG的優點包括,具有出色的儲氫效率;采用無泄漏噴嘴,超輕復合CNG罐在任何環境下都不會漏氣;采用具有優異耐熱性和抗疲勞性的高科技碳纖維復合材料,具有極佳的安全性,在任何情況下都不會出現性能下降。

圖5ILJIN Composite 超輕復合氫氣罐

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CHG不僅是汽車用各種復合高壓罐中最輕的一種,而且非常有效和經濟;由于減少了油箱重量,更多乘客可以乘坐車輛以及在駕駛期間使用更少的燃料。由于超輕復合氫氣罐(四型)可以輕松改變其尺寸,因此可以應用于任何類型的車輛。(CHG產品詳情見圖6)

圖6 CHG產品詳情

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(五)Hexagon Composites

Hexagon(??慫箍擔?,總部位于挪威,是數字解決方案的全球領導者,致力于創建自治連接生態系統(ACE),通過物理世界與數字的融合,數據無縫連接,并且智能內置于所有流程。??慫箍蛋韻?8個產業單元——智慧農業、地理空間信息、測量,制造智能、智慧礦山、定位智能、PPM和安全與基礎設施。Hexagon Composites是用于儲存氣體的輕質復合材料圓筒的全球市場領導者。Hexagon Composites??慫箍蹈春喜牧瞎疚劑系緋仄悼⒘爍哐骨餛?,這些氣罐以氫氣為燃料,在運行時不會產生有害排放物。同時Hexagon Composites還可為氫氣的地面存儲、運輸和備用電源提供解決方案。

本次展會上,Hexagon展出了70MPa四型儲氫瓶,并展示了其剖面結構。

圖7 70MPa儲氫瓶展品

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圖8 儲氫瓶剖面結構

Hexagon還給出了X-STORE系列氣體存儲容器的資料,工作壓力范圍分別為25MPa,30MPa和50MPa。

圖9 25MPa儲氫瓶詳細信息

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圖10 30MPa儲氫瓶詳細信息

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圖11 50MPa儲氫瓶詳細信息

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注:2016年,Hexagon Composite公司收購了德國的xperion Energy&Environment,以鞏固其在全球復合材料壓力缸和系統市場的地位。xperion Energy&Environment位于德國卡塞爾,是汽車工業和天然氣運輸的四型高壓氣瓶的領先制造商。2018年11月8日,Hexagon壓縮氣瓶制造商??慫箍擔℉exagon Composites)與ASA簽署協議,收購Agility Fuel Solutions Holdings Inc.剩余50%股份。合并后的業務將為全球各種終端市場提供清潔能源解決方案,包括家用、工業、天然氣運輸、船舶、鐵路以及輕型、中型和重型車輛等,將進一步鞏固??慫箍等蛄煜繞迦劑轄餼齜槳腹┯ι痰牡匚?。

(六)NPROXX——四型儲氫罐

NPROXX是德國一家專業從事氫能源解決方案的公司,其業務涉及氫儲存基礎設施、氫氣運輸重新加油、氫動力軌道車輛、氫動力公共汽車,卡車和其他車輛、氫動力汽車。

NPROXX生產的四型儲氫罐(見圖12),與其他儲氫罐相比具有明顯的優勢,包括:

碳纖維增強結構可產生出色的強度/剛度與重量比,可使公共汽車和卡車中的氣體密封系統重量減少450kg。這導致顯著改善的燃料經濟性,強調了氫燃料的經濟論據。它還擴大了車輛的范圍和可以使用這些船舶的情況。

使用CFRP(復合材料)壓力容器的其他優點是它們耐用并且提供耐化學性、X射線透光率和無熱膨脹。

圖12 NPROXX-四型儲氫罐

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NPROXX采用“filament wet winding”方法制造出了高強度和輕質的四型儲氫罐。其CFRP Type 4壓力容器可以使用長達30年而無需更換,這是1型和2型容器預期壽命的兩倍。此外,81個四型儲氫罐可在一個20英尺的集裝箱內相互連接,作為儲氫系統解決方案(見圖13)。同時,NPROXX還提供3型壓力容器,包括金屬襯里和全復合外包裝。

圖13 NPROXX儲氫系統解決方案

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(40ft加油站的儲氫容器)

圖14 40ft加油站的儲氫容器技術參數

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總結:先進的儲氫容器被廣泛認為是氫氣工業不斷發展的關鍵因素,從本屆燃料電池展會的參展展品情況來看,四型瓶是儲氫瓶的主流技術路線。雖然目前國內由于政策法規原因不能使用四型瓶作為高壓儲氫容器,但是國內廠商同樣積極儲備四型瓶制造技術,并有樣品參展。總的來看,四型瓶是保證高安全性,效率和耐用性的最佳選擇。其輕質結構改善了車輛的行駛里程,有效載荷和操作,并為氫燃料電池汽車的發展增添動力。

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