储氢罐中的复合材料

 　　新兴的H?经济推动了飞机、船舶和天然气运输的储罐开发。

　　

　　

　　

　　Universal Hydrogen 的双罐模块使用碳纤维包裹的压力容器在 850 巴的压力下储存H?气体，使 Dash 8 或 ATR 涡轮螺旋桨飞机的航程达到 740 公里（400 海里），并使用现有基础设施轻松运输和装载

　　

　　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上升。但在 2020 年，氢能成为一项授权，被欧盟委员会（EC）确定为到 2050 年实现可持续经济和气候中立欧盟的欧洲绿色协议的关键优先事项。航空氢的关键事件包括：

　　

　　2020 年 5 月，“清洁天空 2 号”和“燃料电池与氢联合事业”（FCH JU）发布了“氢动力航空”，详细介绍了短程（85-165 名乘客）氢动力飞机如何在 2030-2035 年前投入使用（EIS-  entry into service  ）。

　　

　　2020 年 6 月，法国 170 亿美元的疫情救助计划与“氢动力航空”报告中的目标挂钩；法航表示，到 2024 年，将把国内航班的二氧化碳排放量减半。

　　

　　2020 年 7 月，欧盟委员会发布了“气候中性欧洲的氢能战略”，呼吁为氢能运输、分配、储存和加油站投资 650 亿欧元，列出了包括清洁氢能伙伴关系和 ETS 创新基金在内的支持政策和融资机制（2020-2030 年为 100 亿欧元）。

　　

　　2020 年 7 月，空中客车公司首席执行官纪尧姆·福里在接受《航空周刊》编辑格雷厄姆·沃里克采访时承诺，到 2035 年将推出首款脱碳飞机环境影响报告；他预测该项目将于 2027-28年启动，必要技术将于 2025 年成熟。

　　

　　2020 年 7 月，ZeroAvia（美国加利福尼亚州霍利斯特）完成了单引擎六座 Piper 飞机的试 飞，该飞机被改装为使用压缩氢（H2）气体，并根据其路线图公布了一架类似改装的双涡轮螺旋桨 19 座 Dornier Do 228 在美国的飞行测试，以在 2023 年前认证一架 20 座 H2 动力飞机，航程 500 英里。

　　

　　2020 年 8 月，环球氢能公司（美国加利福尼亚州洛杉矶）宣布，一架 50 座飞机的双储罐模块（见图），以及地区航空公司/运营商的加氢物流和基础设施，将于 2024 年投入商业运营。

　　

　　氢作为燃料来源的可行性——无论行业如何——取决于各种运输、交付和储存技术的快速发展，这些技术都是年轻但发展迅速的。将这些技术商业化并不简单，但它们正在得到解决。以下是正在进行的一些工作的摘要。

　　

　　　　

　　通用氢公司

　　

　　Universal Hydrogen 由空客 SE（荷兰莱顿）和联合技术公司（美国康涅狄格州法明顿）前首席技术官 Paul Eremenko 于 2020 年共同创立，其目标是通过提供氢燃料基础设施来帮助向氢动力航空转型。一个关键部件是其燃料模块，该模块包括碳纤维增强聚合物（CFRP）框架中的双 H2 储罐。环球氢能首席技术官 J.P.Clarke 解释道：“我们将根据需要向现场供应模 块，因此不需要储氢基础设施。”。“这些模块就像电池或厨房用品一样简单地装载到飞机上。”

　　

　　

　　

　　环球氢能提出为基础设施提供燃料的区域涡轮螺旋桨飞机

　　

　　模块已首先为 50 座 Dash 8 和 ATR 涡轮螺旋桨支线飞机开发。这些模块将采用长 3.36 米、直径 1.44 米（7 英尺长、3 英尺直径）的罐，使用碳纤维在 850 巴下保持 H? 气体，达到 50 kg/m3 的密度，或者使用绝热金属罐在标准压力和温度下保持液体氢（LH?），达到 71 kg/m3 的密度。尽管 LH? 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，因为如果不保持在-253°C ，LH? 就会蒸发。克拉克说：“这两种类型的储罐都将安装在一个重量轻、结构优化的复合材料框架内，该框架还具有抗冲击性和一些承载能力。”

　　

　　H? 储气罐将包括一个不渗透的聚合物内衬，内衬有多层干碳纤维编织物和一个 Kevlar 芳纶纤维保护外层。“不需要树脂，”克拉克解释道。“内衬解决了渗透性问题，而碳处理了环向和轴向载荷，外层加框架防止了损坏；因此重量和厚度都减少了。这种集成的储罐和框架设计，再加上每个储罐层的功能映射，使我们能够在质量分数上获得一些显着的改进。”

　　

　　质量分数是通过将储存的氢气质量除以整个模块的质量来计算的，因此质量分数越大越好。克拉克指出：“我们对 Dash 8 和 ATR 飞机的质量分数和体积效率进行了非常广泛的权衡研究。”。“因此，你要考虑的是燃料的体积和重量，以及这些飞机所能容纳的燃料、可实现的航程和最大起飞重量、重量分布等。在 850 巴的 H? 气体下，我们可以在 45 分钟的储备下飞行约 740 公里（400 海里），在 LH? 坦克下飞行约 1000公里（550 海里）。然而，涡轮螺旋桨飞机任务的平均级长约为 300 海里，因此这些飞行中的绝大多数都可以使用碳纤维增强塑料罐的气态 H? 系统完成。”

　　

　　环球氢能公司将与复合材料储罐制造商合作吗？克拉克说：“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。”他重申了通用氢能的重点：

　　

　　“我们希望成为燃料和基础设施的供应商。我们将提供模块，并将其运到需要的地方，以便我们的合作伙伴能够专注于飞机的其余设计和运营。我们的目标是成为氢动力航空的推动者。”

　　

　　　

　　SpaceTech4Sea项目

　　

　　与航空业一样，航运业也受到旨在减少二氧化碳和其他温室气体排放的法规的约束。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 5000 吨的船舶必须监测并报告其二氧化碳排放量。此外，作为减少船舶污染的 MARPOL 公约的一部分，国际海事组织（IMO）从 2020 年 1 月起规 定，燃油中的硫必须从 3.50%m/m（质量比）降至 0.50%。IMO 还承诺制定一项初步的温室气体战略，到 2050 年将比 2008 年减少 50%。

　　

　　海洋金融公司（希腊雅典）董事总经理 Panayotis Zacharioudakis 博士表示：“遵守规定的最佳可能性是最初转向液化天然气。SuperGreen 将在希腊建立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，将比雷埃夫斯港与东地中海网络中的其他港口连接起来。Zacharioudakis 解释道：“为了这个项目，我们正在用 CFRP 建造一艘高速渡轮。”“如果我们使用最先进的金属液化天然气储罐，它将重达 7 公吨，相当于 70 多名乘客（每人携带行李 100 公斤）。因此，我们必须将载客量减少 70人。”

　　

　　

　　

　　Cimarron Composites 对 CFRP 压力容器进行低温测试

　　

　　为什么额外的重量？Zacharioudakis 说：“与柴油相比，液化天然气必须在-163°C 的低温下储存，金属罐必须使用符合国际海事组织气体燃料要求的材料、结构、绝缘和操作系统。”。对于海洋金融公司来说，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，并发现了一份与美国国家航空航天局合作开发的关于 Cimarron Composites（美国阿拉巴马州亨茨维尔）冷冻储罐的报告。

　　

　　Zacharioudakis 说：“这就是我们开始 EASME（欧洲中小企业机构）SpaceTech4Sea 项目的时候。”。“这个想法是为了海事应用而修改航空航天技术。”第三个项目合作伙伴是船级社美国航运局（ABS，Houston， Texas，U.S.），该机构将对该技术进行验证和鉴定。2019 年 9 月，美国船级社原则上批准了 Cimarron 超轻型低温复合液化天然气储罐的概念设计。从那时起，它建造并测试了亚尺寸和全尺寸储罐以获得认证。“他们刚刚完成了最后一次测试，”Zacharioudakis说。“再过两个多月，我们将获得用于海洋市场的复合液化天然气储罐的全面认证。与传统金属储罐相比，这种储罐将节省 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，它是由碳纤维和先进的热固性树脂制成的，使用了一些树脂注入和湿丝缠绕。“我们已经测试了直径为 25 英寸和 40英寸的储罐，并正在与 SuperGreen 的 CFRP 渡轮制造商讨论容量为 5 立方米（5000 升）的储罐，这可以通过直径为 2 米、长度为 2.5 米的储罐实现。”海洋金融看到了 1000 多个此类储罐的市场，并将与 Cimarron合作建立自动化生产，可能在希腊。

　　

　　氢气？Zacharioudakis 指出：“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。”。“欧洲有这么多的兴趣、活动和资金。然而，一个问题是，海事法规规定储罐必须为液化天然气提供长达 15 天的储存时间。LH? 也是如此。”DeLay 承认，为 LH?（- 253oC ，见上文）开发低温储罐比为液化天然气管（-196oC ）开发低温罐困难得多；其中一个挑战是找到能够抵抗脆化和开裂的材料。他现在正与海洋金融公司合作，帮助完成一项贸易研究，研究船舶使用液体与气体 H? 的技术和经济因素。

　　

　　

 

　　

　　木星 IV 型碳纤维增强塑料压力容器的纤维缠绕　

　　　

　　海王星氢气罐

　　

　　值得注意的是，Cimarron Composites 已经开发了一种用于高压储存氢气和其他气体的 IV 型 CFRP 储罐。DeLay 说：“我们最初的木星储罐是为在 4350 磅/平方英寸（300 巴）的压力下运输包括氢气在内的大多数工业气体而开发的。”。“然而，氢气在更高的压力下更有效地运输，这就是我们开发 7500 磅/平方英寸[517 巴]海王星储罐的原因。”

　　

　　

　　

　　Neptune 高压（517 巴）CFRP 罐能够在标准的20 英尺集装箱中运输 600 公斤 H? 气体

　　

　　木星和海王星储罐都通过了联合国 ISO 11515 要求的无数测试，可提供直径和长度高达 26 英尺的储罐。Delay 指出：“这些储罐是为通过卡车、铁路或船舶以标准模块运输而开发的。”。“我们发现，直径为 30 英寸的气瓶具有理想的包装效率，使我们能够比直径更大的气瓶运输更多的氢气。19 英尺长的气瓶可以在一个标准的 20 英尺集装箱中容纳 9 个罐。每个罐67 公斤氢气，我们可以在 20 英尺的集装箱中移动 600公斤，在标准的 40 英尺集装箱中移动 1200 公斤。”

　　

　　DeLay 补充道：“我们从所有主要供应商那里购买碳纤维，包括东丽（日本东京）、三菱 Rayon（东京）、帝人（Teijin-美国田纳西州洛克伍德）和晓星（Hyosung-韩国首尔）。”，“但对于 Neptune，我们同时获得了三家不同供应商的资格。我们使用商用化学产品自行配制树脂，并严格控制纤维和树脂含量，以及纤维缠绕和烘箱固化周期中的张力，以防止热应 力。所有这些都提高了储罐的机械性能。”

　　

　　无论是低温液体储存还是高压气体储存，DeLay都看到了越来越多的机会。他说：“我们花了数年时间来发展我们的专业知识。”，“从火箭燃料箱到我们现在正在开发和生产的大型储存和运输罐。一年前，我对氢气持怀疑态度，认为这是政府推动的唯一原因。但现在我们收到了大量订单和各种要求。我们可以看到，在全球范围内，各行各业都在认真投资氢气，政府正在支持这一发展。看起来我们已经在正确的时间准备好了正确的产品。”

　　

　　

　　注：原文见《 Carbon fiber in pressure vessels for hydrogen 》2022．7．11