【氫能】可回收碳纖維復合材料用于氫氣儲存

碳纖維增強復合材料是制造氫氣儲存罐的理想材料。然而,它們必須滿足高技術和可回收性的要求。Institut Mines-Télécom聯盟兩所成員院校的ECOHYDRO項目,旨在改善一種基于可回收熱塑性樹脂Elium®的復合材料的固有性能。
1嵌入式氫氣儲存的復雜性
氫氣的特性使其成為一種難以儲存的物質,不管是在液態還是氣態形式下。在大氣壓下,氫氣沸騰溫度為-253°C,因此將其保持在液態狀態需要具有高熱隔絕性能的儲罐。在氣態形式下,氫氣占據大量空間,這意味著我們需要通過壓縮技術來確保足夠的質量密度包含在可接受的體積大小中。對于一輛具有400公里續航里程的5座車輛,至少需要5公斤的氫氣,即在700bars的壓力下壓縮至120升。作為比較,每往下潛水10米,壓力增加1bar。
此外,氫氣是一種非常小的分子,能夠滲透入一些金屬并使其變脆。這就是為什么在工業中用作高壓儲罐主要材料的鋼也受到影響的原因。這些金屬儲罐,稱為“類型I”和“類型II”,無論如何都太重,無法用于嵌入式氫氣儲存。"這就是為什么Elon Musk曾經預言氫氣車輛沒有未來,"IMT Nord Europe的材料和工藝研究員、ECOHYDRO項目協調員Chung-Hae Park指出。
為了滿足這一嚴格的技術要求,工業界轉向了第三和第四類型的儲罐。這些儲罐由一個抗壓能力出色的復合材料骨架和一個稱為“內襯”的內部涂層組成,該內襯用于保留氫氣。在第三類型的儲罐中,內襯是金屬的;而在第四類型的儲罐中——這也是目前用于氫氣儲存最為普遍的類型——內襯是聚合物的。
而復合材料通常由玻璃纖維或碳纖維制成,浸漬在聚合物樹脂中。它們有著高機械性能來容納壓力并確保密封性,同時比鋼更輕。目前市場上大多數復合材料儲罐都是以碳和被稱為“熱固性”的樹脂為基礎,比如環氧樹脂,這種樹脂非常耐用但回收非常復雜。在壽命周期結束時,環氧樹脂儲罐通常被埋藏或用作燃料,而不回收昂貴的碳纖維。
2一種可回收樹脂正在試驗中
盡管有可以重新熔化的“熱塑性”樹脂,從而簡化了碳纖維的回收,但它們通常非常黏稠。近年來,IMT Nord Europe和IMT Mines Alès的團隊與化學公司Arkema合作,推廣一種低粘度的可回收樹脂Elium®。這種產品的應用領域廣泛,從風能到航海領域都有它們的身影。其在復合材料儲罐中的應用是ECOHYDRO項目的一個重要部分。Chung-Hae Park指出:“必須開發適用的新制造工藝,并增加新的功能。”
通常,復合材料儲罐是通過纖維纏繞工藝制造的,該工藝涉及將(玻璃、碳)纖維浸漬樹脂纏繞在旋轉的圓柱體上。雖然Elium®承諾更快、更經濟、更節能的生產,但該工藝仍需優化以將基于Elium®的復合材料轉化為儲罐。研究人員解釋:“我們正在研究整個過程,既致力于調整工藝以適應材料,又致力于調整材料,以使其更符合工藝。”
其他計劃中的研究項目包括:增加功能以提高材料在最終用途中的安全性,特別是抗火性。IMT Mines Alès的研究員Laurent Ferry解釋說:“樹脂是可燃的,但可以通過在其中加入具有火災活性抵抗力的單體進行化學層面的調整。”他繼續表示:“我們考慮使用含磷或氮元素。當材料受到火焰作用時,這些化合物可以形成一個碳層,從而保護材料并延緩產品的升溫。”
3可持續材料
Institut Mines-Télécom聯盟的其他研究團隊將致力于研究該材料的自修復性能,使其在出現裂縫或破裂時能夠“自我修復”。Laurent Ferry解釋說:“這個過程已經存在,但必須適應我們的產品。這類似于材料的流動,可以松弛并封閉裂縫。”
基于Elium®的復合材料及其新功能的性能將首先進行數值模擬,然后進行實驗驗證。一旦所有性能都得到驗證,復合材料將在更大尺度的裝置中進行實驗。該項目計劃通過在儲罐中插入傳感器來跟蹤材料的性能和使用壽命。
通過使用數據科學和人工智能,通過傳感器傳輸的信息的分析,尤其是異常情況(裂縫、氫氣泄漏等),我們能夠預測殘余使用壽命,甚至延長儲罐的使用壽命。這個項目貫穿整個產品生命周期,最終目標是:“我們將確保一旦達到壽命周期末期,聚合物部分能夠被有效去除,碳纖維能夠被回收,從而保證材料的可回收性”,Chung-Hae Park表示。










































