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从国际氢能及燃料电池展全面观察核心技术发展-储氢瓶篇

北极星储能网  来源:北极星氢能网  作者:刘胜 关婧如  2019/4/30 13:32:04  我要投稿  

北极星储能网讯:前言:高级检索分析师关婧如、刘胜在观展之后从储氢瓶、电堆、动力系统、空压机和金属双极板五个角度进行全面分析。本篇为储氢瓶方面的梳理,作为氢燃料汽车发展过程中的关键一环,车载储氢技术直接关系到燃料电池汽车的续航、成本与安全性。

2019年2月27日,第十五届日本国际氢能及燃料电池展览会在日本东京有明国际展览中心(Tokyo Big Sight)展开。本届届日本国际氢能及燃料电池展览会汇聚了氢能及燃料电池的各种相关高端技术、材料、部件和先进装备,展出面积达到80000平方米,展商270余家。参展展品范围涵盖燃料电池零部件材料、检测设备、制造技术、氢气制造、供氢技术、氢气存储供给、燃料电池系统等。

超凡知识产权高级检索分析师关婧如、刘胜在观展之后从储氢瓶、电堆、动力系统、空压机和金属双极板五个角度进行全面分析。

燃料电池是一种直接把燃料所具有的化学能转换成电能的发电装置,它具有能量转化率高、无噪声污染、环境友好等特点。采用氢气作为燃料的燃料电池是实现缓解能源压力、经济发展与环境和谐的最佳手段,由此并带动了氢能产业的大力发展。氢燃料电池汽车是氢能应用场景最具代表性的领域之一,汽车工程协会《节能与新能源汽车技术路线图》指出,到2030年,中国氢燃料电池汽车将超过百万辆。

氢燃料电池存储核心—储氢瓶

作为氢燃料汽车发展过程中的关键一环,车载储氢技术直接关系到燃料电池汽车的续航、成本与安全性。

车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢和有机液体储氢。车载储氢系统的主要技术要求有:能量储存密度(即单位质量储氢密度和体积储氢密度);在车辆启停以及行驶过程中,储氢系统能够动态快速响应,及时进行氢气的供给与中断;能适应恶劣环境(如低温);最后是安全性与稳定性,要有相应的保障体系。目前,国内外车用储氢瓶的类型主要以铝内胆纤维缠绕(三型)和塑料内胆纤维缠绕(四型)为主,并朝着轻量化、高压力、大容量的发展方向。

第十五届日本国际氢能及燃料电池展览会上,汇聚了多家储氢瓶生产厂商,也展出了多款三型瓶和四型瓶。下文将对生产氢燃料汽车储氢瓶的参展厂商及其相关产品进行介绍。

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(一)中材科技(成都)有限公司——车用燃料电池储氢瓶

中材科技(成都)有限公司(以下简称“中材成都”),是中材科技股份有限公司的全资子公司,以车载CNG气瓶、氢燃料电池气瓶和气体储运单元为主营业务。其拥有四川成都、江苏苏州两个生产基地,年产能超过70万只,其中成都基地是国内CNG压力容器单体工厂规模最大的企业,与国际、国内众多知名汽车主机厂建立了长期稳固的业务合作关系,提供燃气车CNG气瓶及系统应用服务,苏州基地也是德国大众亚太地区唯一CNG产品制造基地。

图1 中材成都-铝内胆碳纤维全缠绕三型氢气瓶

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中材成都生产的储氢瓶主要为铝内胆碳纤维全缠绕三型(见图1),其产品安全性高:内胆采用铝板拉深成型工艺,相比铝管成型,板材成型的内胆内外表面更光滑,内胆纤维之间紧密度更高,产品疲劳性能大大提高,且一致性好(具体产品信息见图2)。同时,中材成都可为客户提供定制化解决方案,即根据客户要求提供不同尺寸、不同压力产品,亦可按客户要求组装成供氢系统。通过展会上与工作人员沟通得知,中材成都生产的三型瓶也可以达到70MPa工作压力。

图2中材成都-氢气瓶具体信息

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(二)佛吉亚——储氢罐

佛吉亚(Faurecia)成立于1997年,主要致力于四大汽车产品:座椅系统、排放控制技术系统、内饰系统和外饰系统,已发展为全球领先的汽车零部件科技公司。通过优化氢气在燃料电池堆的储存和输出,佛吉亚一直在探索汽车产业改良燃料电池技术,使之产业化的方法。

图3Faurecia高压储氢罐

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

Faurecia在汉诺威工业博览会氢燃料电池展(2018年4月)展出了其高压储氢系统,并特别展出了其高压储氢罐(如图3所示)。通过与Stelia Aerospace Composites合作,Faurecia正在开发轻质且经济高效的700 bar储氢解决方案。

(三)日本JFE——储氢瓶

日本JFE公司是世界大型钢铁企业集团之一,是日本第二大钢铁集团,亦是全世界为数不多的生产小轿车外板的企业,多项技术代表世界钢铁行业的最高水平。

图4 JFE Type4储氢瓶原型

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(长约580mm,外径约220mm,重约14kg)

(四)韩国ILJIN Composite——CHG氢气罐

ILJIN成立于1968年,是韩国第一家开发配电配件技术的公司,随后首次生产铜包钢线,工业合成金刚石和印刷电路板(PCB)用电子元件。ILJIN业务涉及工业钻石,elecfoil可充电电池,触摸屏面板,无缝钢管,特高压电缆和重型电机,超声医疗设备和LED。此外,ILJIN的绰号是“冒险先锋公司”。当每个人都在睡觉时,在ILJIN的8个研究中心,超过100名研究人员正在度过不眠之夜,以开发可以打开一个全新世界的技术。ILJIN Composites部门开发和生产复合材料燃料箱,这是压缩天然气(CNG)车辆和氢燃料电池汽车的关键。

ILJIN Composite开发了超轻复合氢气罐(以下简称CHG)(如图5所示),该产品采用碳纤维复合材料以及增强纳米复合材料内衬,并在美国获得ANS / CSA NGV2-2000压缩天然气凝固罐的认证。CHG的优点包括,具有出色的储氢效率;采用无泄漏喷嘴,超轻复合CNG罐在任何环境下都不会漏气;采用具有优异耐热性和抗疲劳性的高科技碳纤维复合材料,具有极佳的安全性,在任何情况下都不会出现性能下降。

图5ILJIN Composite 超轻复合氢气罐

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CHG不仅是汽车用各种复合高压罐中最轻的一种,而且非常有效和经济;由于减少了油箱重量,更多乘客可以乘坐车辆以及在驾驶期间使用更少的燃料。由于超轻复合氢气罐(四型)可以轻松改变其尺寸,因此可以应用于任何类型的车辆。(CHG产品详情见图6)

图6 CHG产品详情

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(五)Hexagon Composites

Hexagon(海克斯康),总部位于挪威,是数字解决方案的全球领导者,致力于创建自治连接生态系统(ACE),通过物理世界与数字的融合,数据无缝连接,并且智能内置于所有流程。海克斯康包含以下 8个产业单元——智慧农业、地理空间信息、测量,制造智能、智慧矿山、定位智能、PPM和安全与基础设施。Hexagon Composites是用于储存气体的轻质复合材料圆筒的全球市场领导者。Hexagon Composites海克斯康复合材料公司为燃料电池汽车开发了高压氢气罐,这些气罐以氢气为燃料,在运行时不会产生有害排放物。同时Hexagon Composites还可为氢气的地面存储、运输和备用电源提供解决方案。

本次展会上,Hexagon展出了70MPa四型储氢瓶,并展示了其剖面结构。

图7 70MPa储氢瓶展品

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图8 储氢瓶剖面结构

Hexagon还给出了X-STORE系列气体存储容器的资料,工作压力范围分别为25MPa,30MPa和50MPa。

图9 25MPa储氢瓶详细信息

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图10 30MPa储氢瓶详细信息

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图11 50MPa储氢瓶详细信息

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注:2016年,Hexagon Composite公司收购了德国的xperion Energy&Environment,以巩固其在全球复合材料压力缸和系统市场的地位。xperion Energy&Environment位于德国卡塞尔,是汽车工业和天然气运输的四型高压气瓶的领先制造商。2018年11月8日,Hexagon压缩气瓶制造商海克斯康(Hexagon Composites)与ASA签署协议,收购Agility Fuel Solutions Holdings Inc.剩余50%股份。合并后的业务将为全球各种终端市场提供清洁能源解决方案,包括家用、工业、天然气运输、船舶、铁路以及轻型、中型和重型车辆等,将进一步巩固海克斯康全球领先气体燃料解决方案供应商的地位。

(六)NPROXX——四型储氢罐

NPROXX是德国一家专业从事氢能源解决方案的公司,其业务涉及氢储存基础设施、氢气运输重新加油、氢动力轨道车辆、氢动力公共汽车,卡车和其他车辆、氢动力汽车。

NPROXX生产的四型储氢罐(见图12),与其他储氢罐相比具有明显的优势,包括:

碳纤维增强结构可产生出色的强度/刚度与重量比,可使公共汽车和卡车中的气体密封系统重量减少450kg。这导致显著改善的燃料经济性,强调了氢燃料的经济论据。它还扩大了车辆的范围和可以使用这些船舶的情况。

使用CFRP(复合材料)压力容器的其他优点是它们耐用并且提供耐化学性、X射线透光率和无热膨胀。

图12 NPROXX-四型储氢罐

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NPROXX采用“filament wet winding”方法制造出了高强度和轻质的四型储氢罐。其CFRP Type 4压力容器可以使用长达30年而无需更换,这是1型和2型容器预期寿命的两倍。此外,81个四型储氢罐可在一个20英尺的集装箱内相互连接,作为储氢系统解决方案(见图13)。同时,NPROXX还提供3型压力容器,包括金属衬里和全复合外包装。

图13 NPROXX储氢系统解决方案

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(40ft加油站的储氢容器)

图14 40ft加油站的储氢容器技术参数

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总结:先进的储氢容器被广泛认为是氢气工业不断发展的关键因素,从本届燃料电池展会的参展展品情况来看,四型瓶是储氢瓶的主流技术路线。虽然目前国内由于政策法规原因不能使用四型瓶作为高压储氢容器,但是国内厂商同样积极储备四型瓶制造技术,并有样品参展。总的来看,四型瓶是保证高安全性,效率和耐用性的最佳选择。其轻质结构改善了车辆的行驶里程,有效载荷和操作,并为氢燃料电池汽车的发展增添动力。

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