【氢能】可回收碳纤维复合材料用于氢气储存

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碳纤维增强复合材料是制造氢气储存罐的理想材料。然而,它们必须满足高技术和可回收性的要求。Institut Mines-Télécom联盟两所成员院校的ECOHYDRO项目,旨在改善一种基于可回收热塑性树脂Elium®的复合材料的固有性能。


氢能是汽车行业寻找清洁能源的一条重要线索。氢气的存储是该技术所面临的众多挑战之一,Horizon Europe ECOHYDRO 项目意图解决这一问题。该项目计划于2024年初启动,由IMT Nord Europe 牵头,IMT Mines Alès 也参与其中,旨在响应储氢材料科研项目的极具技术性和竞争性的号召。
多家工业公司,如Arkema、Airbus和Temsa(Skoda集团旗下公司)都参与其中,准备在四年内落实一些特定而具体的示范项目。计划开展三项研究,用于储存或输送氢气:在加氢站(类似于加油站)、在运输卡车中以及在不同储存地点之间的运输。该团队还计划开发第四个示范项目,专注于航空领域,用于储存低温液态氢。

1嵌入式氢气储存的复杂性

氢气的特性使其成为一种难以储存的物质,不管是在液态还是气态形式下。在大气压下,氢气沸腾温度为-253°C,因此将其保持在液态状态需要具有高热隔绝性能的储罐。在气态形式下,氢气占据大量空间,这意味着我们需要通过压缩技术来确保足够的质量密度包含在可接受的体积大小中。对于一辆具有400公里续航里程的5座车辆,至少需要5公斤的氢气,即在700bars的压力下压缩至120升。作为比较,每往下潜水10米,压力增加1bar。

此外,氢气是一种非常小的分子,能够渗透入一些金属并使其变脆。这就是为什么在工业中用作高压储罐主要材料的钢也受到影响的原因。这些金属储罐,称为“类型I”和“类型II”,无论如何都太重,无法用于嵌入式氢气储存。"这就是为什么Elon Musk曾经预言氢气车辆没有未来,"IMT Nord Europe的材料和工艺研究员、ECOHYDRO项目协调员Chung-Hae Park指出。

为了满足这一严格的技术要求,工业界转向了第三和第四类型的储罐。这些储罐由一个抗压能力出色的复合材料骨架和一个称为“内衬”的内部涂层组成,该内衬用于保留氢气。在第三类型的储罐中,内衬是金属的;而在第四类型的储罐中——这也是目前用于氢气储存最为普遍的类型——内衬是聚合物的。

而复合材料通常由玻璃纤维或碳纤维制成,浸渍在聚合物树脂中。它们有着高机械性能来容纳压力并确保密封性,同时比钢更轻。目前市场上大多数复合材料储罐都是以碳和被称为“热固性”的树脂为基础,比如环氧树脂,这种树脂非常耐用但回收非常复杂。在寿命周期结束时,环氧树脂储罐通常被埋藏或用作燃料,而不回收昂贵的碳纤维。

2一种可回收树脂正在试验中

尽管有可以重新熔化的“热塑性”树脂,从而简化了碳纤维的回收,但它们通常非常黏稠。近年来,IMT Nord Europe和IMT Mines Alès的团队与化学公司Arkema合作,推广一种低粘度的可回收树脂Elium®。这种产品的应用领域广泛,从风能到航海领域都有它们的身影。其在复合材料储罐中的应用是ECOHYDRO项目的一个重要部分。Chung-Hae Park指出:“必须开发适用的新制造工艺,并增加新的功能。”

通常,复合材料储罐是通过纤维缠绕工艺制造的,该工艺涉及将(玻璃、碳)纤维浸渍树脂缠绕在旋转的圆柱体上。虽然Elium®承诺更快、更经济、更节能的生产,但该工艺仍需优化以将基于Elium®的复合材料转化为储罐。研究人员解释:“我们正在研究整个过程,既致力于调整工艺以适应材料,又致力于调整材料,以使其更符合工艺。”

其他计划中的研究项目包括:增加功能以提高材料在最终用途中的安全性,特别是抗火性。IMT Mines Alès的研究员Laurent Ferry解释说:“树脂是可燃的,但可以通过在其中加入具有火灾活性抵抗力的单体进行化学层面的调整。”他继续表示:“我们考虑使用含磷或氮元素。当材料受到火焰作用时,这些化合物可以形成一个碳层,从而保护材料并延缓产品的升温。”

3可持续材料

Institut Mines-Télécom联盟的其他研究团队将致力于研究该材料的自修复性能,使其在出现裂缝或破裂时能够“自我修复”。Laurent Ferry解释说:“这个过程已经存在,但必须适应我们的产品。这类似于材料的流动,可以松弛并封闭裂缝。”

基于Elium®的复合材料及其新功能的性能将首先进行数值模拟,然后进行实验验证。一旦所有性能都得到验证,复合材料将在更大尺度的装置中进行实验。该项目计划通过在储罐中插入传感器来跟踪材料的性能和使用寿命。

通过使用数据科学和人工智能,通过传感器传输的信息的分析,尤其是异常情况(裂缝、氢气泄漏等),我们能够预测残余使用寿命,甚至延长储罐的使用寿命。这个项目贯穿整个产品生命周期,最终目标是:“我们将确保一旦达到寿命周期末期,聚合物部分能够被有效去除,碳纤维能够被回收,从而保证材料的可回收性”,Chung-Hae Park表示。