高壓氣瓶的相關知識

紐瑞德氣體 發佈 2024-04-30T19:49:34.607369+00:00

目前,高壓儲氫罐主要包括全金屬氣瓶(I型)、金屬內襯纖維環繞氣瓶(II型)、非金屬內襯纖維全繞氣瓶(III型)和非金屬襯纖維全繞氣罐(IV型)貨櫃的安全監控。質量儲氫密度僅為1%~1.5%,常用於在鋼瓶筒段外側包裹複合纖維的少量氫II型鋼瓶的固態儲存。

目前,高壓儲氫罐主要包括全金屬氣瓶(I型)、金屬內襯纖維環繞氣瓶(II型)、非金屬內襯纖維全繞氣瓶(III型)和非金屬襯纖維全繞氣罐(IV型)貨櫃的安全監控。質量儲氫密度僅為1%~1.5%,常用於在鋼瓶筒段外側包裹複合纖維的少量氫II型鋼瓶的固態儲存。製造成本比I型氣瓶高50%,但重量減少了30%~40%,III型氣瓶使用複合纖維材料完全包裹金屬內襯。此時,內襯的主要功能是防止氫氣從複合材料間隙泄漏。無壓力的缸套相對較薄,使得III型氣缸的質量僅為II型氣缸的50%。鄭金陽等人設計的鋁內襯纖維纏繞罐,選用碳纖維增強和環氧樹脂基體作為承壓層。Enrico開發了87.5MPa鋼製碳纖維纏繞大容量儲氫容器,容量超過580L,並在大連氫站使用

IV型氣瓶通常內襯聚合物,如高密度聚乙烯,這會進一步降低氣瓶的質量。日本豐田公司開發的非金屬內襯纖維纏繞氣瓶的標稱工作壓力為70 MPa,質量儲氫密度為5.7%,體積儲氫密度40.8 kg/m3。然而存在一些問題,如非金屬襯裡對氫氣的密封性差以及金屬和非金屬結構之間的複雜結合。將石墨烯片混合到聚合物基質中的方法可以將聚乙烯和不鏽鋼之間的粘合強度提高一個數量級內襯,即所謂的V型,工作壓力為70~100MPa,使用壽命超過30年,目前仍處於研究階段

在高壓和固態複合儲氫的研究中,豐田開發了一種工作壓力為35MPa的氣罐,使用Ti-Cr-Mn合金作為儲氫材料,儲氫容量為7kg,儲氫密度約為40kg/m3。徐雙清等人建立了高壓固態複合系統儲氫密度的數值分析模型,結果表明,增加合金載荷將顯著增加系統的儲氫密度。內部構件的存在導致儲氫密度的質量和體積分別降低5.0%~8.2%。分別為2.6%~4.4%。Nguyen等人提出了一種具有三層絕緣結構的可攜式儲氫系統,其工作溫度為77 K,工作壓力小於10 MPa。與商用IV型瓶相比,重量為31%,質量容量減少11%,材料成本為42%。複合儲氫技術發展的關鍵是開發高質量、高儲氫密度、低脫水溫度和良好循環的儲氫材料。

在開發高壓氣瓶時,不僅要注意製造成本和儲氫能力等經濟指標,還要注意三個關鍵的安全問題

(1) 氫脆氫脆是一種長期效應,它會導致金屬材料的機械財產降低,嚴重影響氫儲存和運輸系統的安全,甚至導致容器失效,對周圍環境的氫濃度造成災難性後果,Meng等人研究了X80管線鋼在不同氫濃度下的材料財產,發現氫濃度越高,Amaro等人提出了管線鋼在氣態高壓氫工作環境中疲勞裂紋擴展的預測模型,以防止氫脆的發生。Komoda等人研究了氫氣中的一氧化碳雜質對管線鋼疲勞裂紋加速增長的抑制作用。Michler等人報導,鋁合金不受乾燥高壓氫氣環境的影響,此外,Hwang等人指出,使用聚四氟乙烯塗層可以進一步提高用於液氫儲罐的奧氏體不鏽鋼的抗氫脆性。

(2) 氫滲透滲透性是儲氫中需要考慮的另一個問題。I、II和III型壓力容器的滲透性並不顯著。然而,對於具有高氫滲透性的非金屬襯裡的IV型壓力容器,滲透性是一個安全問題。新容器的碳纖維外包裝的氫滲透性受到嚴重限制。在即將使用的容器中,大量的微裂紋將影響樹脂/碳纖維基體,從而增加氫滲透。Wang等人從氫滲透、熱不穩定性和機械損傷方面討論了襯裡失效的原因。由於強分子極性和氫鍵,重點是替代材料的優化策略。聚醯胺已逐漸成為IV型儲氫的潛在選擇。Sun等人全面研究了填充有層狀無機組分的聚醯胺6作為儲氫襯裡的適用性。但他們沒有討論氣體循環對材料的氫滲透性和其他財產的影響。含有未氧化石墨烯片的高抗氣聚乙烯複合材料和碳纖維石墨烯雜化複合材料在輕型高壓儲氣罐中也有廣闊的應用前景

(3) 複合材料承擔著儲氫的主要壓力,一旦失效,就會引發嚴重事故。因此,掌握複合纖維材料的破壞機理非常重要。有限元法已被廣泛用於預測複合材料的破壞性能和強度。Wang等人基於ABAQUS建立了一個漸進損傷模型,Liu等人比較研究了複合材料容器的兩種不同失效機制:層內損傷和層間剝離,Han和Chang發現層內損傷是影響複合材料容器力學財產的主要因素。Han和Chang使用有限元分析評估了III型氫壓力容器在衝擊載荷下的結構完整性,並發現即使某些層因橫向分層或基體失效而失效,整個結構在操作條件下甚至在衝擊後也是安全的。Chou等人提出了一個模型,為了預測先進複合材料中纖維斷裂的累積,表明單向複合材料結構的失效會導致隨機纖維斷裂的形成。在未來,有必要對真實工作條件下重複填充的儲罐失效進行理論、模擬和實驗研究

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