氫燃料電池汽車高壓儲(chǔ)氫罐的開發(fā)

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車相比，氫燃料電池汽車具有顯著的優(yōu)勢，不僅能夠減少溫室氣體排放，而且具有較高的效率，能夠滿足電動(dòng)汽車較長的續(xù)駛里程。但是，目前氫燃料電池汽車的成本過高，尤其是用于氫氣儲(chǔ)存和輸送的車載供氫系統(tǒng)，其中的高壓儲(chǔ)氫罐是氫燃料電池汽車所有組件中成本第二高的組件。為此，美國能源部（DOE）燃料電池辦公室啟動(dòng)了一項(xiàng)降低高壓儲(chǔ)氫罐成本的項(xiàng)目，試圖開發(fā)可量產(chǎn)的低成本高壓儲(chǔ)氫罐，以降低氫燃料電池汽車的制造成本。

項(xiàng)目初期對傳統(tǒng)高壓儲(chǔ)氫罐的制造過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)制造成本過高主要來源于所使用的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，因而考慮使用低成本的替代性材料來替換原本的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并通過對高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少原材料的使用量這兩種方法來降低高壓儲(chǔ)氫罐的制造成本。

由于乙烯基樹脂具有低成本和低密度的顯著優(yōu)勢，因而利用其替代原本的環(huán)氧樹脂來制造碳纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料。對高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，罐體內(nèi)部采用輕質(zhì)塑料內(nèi)襯，用以密封氫氣，防止出現(xiàn)氫氣逸出。而在內(nèi)襯外部采用碳纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料層，用來承受罐體內(nèi)部高氣壓產(chǎn)生的拉力。由于與碳纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料相比，玻璃纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料具有較高的抗壓強(qiáng)度和較低的成本，因而為保證高壓儲(chǔ)氫罐具有較高的強(qiáng)度承受外界沖擊，則在碳纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料層外部鋪設(shè)玻璃纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料層。利用有限元方法對設(shè)計(jì)的高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行分析，并制造出高壓儲(chǔ)氫罐原型，同時(shí)對其進(jìn)行測試。結(jié)果顯示：①所設(shè)計(jì)的高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)部能夠承受的壓強(qiáng)超過70MPa，儲(chǔ)存的氫氣能夠滿足483km的行駛里程需求；②乙烯基樹脂和玻璃纖維的使用可使氫燃料電池汽車的制造成本降低22%。

Kenneth Johnson et al.SAE

2017-01-1183.

編譯：王祥