碳纖維在氫氣壓力容器中的應用

 氫氣作為化石燃料的無二氧化碳替代物,幾十年來一直存在,用于儲氫的碳纖維增強復合材料壓力容器的增長無疑是在上升。在2020年,氫氣成為一項任務,被歐盟委員會確定為到2050年實現歐洲可持續經濟和氣候中立的歐盟綠色協議的一個關鍵優先事項。氫氣在航空領域的關鍵事件包括:
  • 2020年5月--"Clean Sky 2 "和 "燃料電池和氫氣聯合企業"發布了 "氫動力航空",詳細說明了短程(85-165名乘客)氫動力飛機如何在2030-2035年實現投入使用。
  • 2020年6月--法國170億美元新冠病毒救濟計劃與 "氫動力航空 "報告中的目標相聯系;法國航空公司表示將在2024年前將國內航班的二氧化碳排放量減少一半。
  • 2020年7月--歐盟委員會公布了 "實現歐洲氣候中立的氫氣戰略",呼吁為氫氣運輸、分配、儲存和加氣站投資650億歐元,列出了包括清潔氫氣伙伴關系和ETS創新基金(2020-2030年間100億歐元)在內的支持政策和供資機制。
  • 2020年7月--空客公司席執行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》編輯Graham Warwick的采訪時,承諾到2035年推出架脫碳飛機的投入使用;他預測到2027-28年啟動該計劃,到2025年使必要的技術成熟起來。
  • 2020年7月--ZeroAvia公司完成了單引擎、六座的Piper飛機的試飛,該飛機經過改裝,可以使用壓縮氫氣,并根據其路線圖公布了在美國進行的類似改裝的雙渦輪螺旋槳、19座的Dornier Do 228飛機的飛行測試,該飛機將在2023年前獲得20座的H2動力飛機,航程為500英里。
  • 2020年8月--環球氫能公司(美國加州洛杉磯)宣布為一架50座的飛機提供雙油箱模組(下圖),并為區域航空公司/運營商提供加油物流和基礎設施,在2024年之前實現商用。
氫氣作為一種燃料來源,無論在哪個行業,都取決于各種運輸、輸送和儲存技術的快速發展,這些技術雖然新穎但發展迅速。將這些技術商業化并不簡單,但相關技術難點正在逐步突破。
由前空客公司和聯合技術公司的席技術官Paul Eremenko于2020年共同創立,環球氫能公司的目標是通過提供氫燃料基礎設施,幫助過渡到以氫為動力的航空。一個關鍵部件是其燃料模組,包括碳纖維增強復合材料雙氫氣儲存罐模組。環球氫能公司將根據需要向現場提供模組,因此不需要氫氣儲存基礎設施,環球氫能公司席技術官J.P. Clarke解釋說,這些模組只需像電池或廚房用品一樣裝入飛機進行運輸。
環球氫能公司已經先為50座的Dash 8和ATR渦輪螺旋槳支線飛機開發了模組。這些模組將具有7英尺長、3英尺直徑的罐子,使用碳纖維儲罐可在850巴的壓力下容納H2氣體,達到50公斤/立方米的密度,或者使用絕緣金屬罐在標準壓力和溫度下容納液體氫氣,達到71公斤/立方米的密度。盡管液氫儲罐具有更高的容積效率,但絕緣但未冷卻的儲罐必須在42小時內使用,因為液氫如果不保持在-253℃就會蒸發。這兩種類型的油箱都將位于一個輕質的、結構優化的復合材料模組內,該模組還提供抗沖擊性和一些承重能力。
氫氣罐將包括一個不透水的聚合物襯墊,上面包裹著干碳纖維編織層和凱芙拉芳綸纖維保護外層。襯墊解決了滲透性問題,而碳纖維處理了環形和軸向載荷,外層加上框架可以防止損壞,沒有必要使用樹脂,因此重量和厚度都減少了。這種集成的罐體和框架設計,當與罐體各層的功能映射相結合時,使我們在質量分數方面得到了一些明顯的改善。
質量分數是通過將儲存的氫氣質量除以整個模組的質量來計算的,因此質量分數越大越好。環球氫能公司做了一個非常廣泛的貿易研究,在Dash 8和ATR飛機的背景下研究質量分數和體積效率。他們研究了燃料的體積和重量與這些飛機所能容納的東西、可實現的航程和大起飛重量、重量分布等。用850巴的氫氣氣體,可以用45分鐘的儲備飛行約400海里,用液氫油箱飛行約550海里。然而,渦輪螺旋槳飛機任務的平均階段長度約為300海里。因此用氣態氫氣系統使用碳纖維增強復合材料油箱,可以來完成可以實現更加持久的續航。