【技术干货】储氢用高导热70MPa复合材料储罐关键技术

技术背景

由氢为动力的燃料电池电动汽车（Fuel cell electric vehicles，FCEVs）具有一系列优势，如可以显著减少排放、降低运输业对化石燃料的依赖等。然而，若要实现氢燃料电池汽车获得有意义的市场份额，就需要一个低成本的加油站网络。

根据美国能源部的数据统计，预冷设备约占加油站成本的15％。如果不再需要预冷却，则理论上可以消除该成本。目前，以塑料为内胆、外层缠绕碳纤维复合材料的IV型高压力容器已广泛用于汽车存储氢气。

由于快速填充过程中产生的热量可能会损害衬里的结构完整性和对氢气的不渗透性，因此需要进行预冷却，并将这些储罐的聚合物衬里保持在85℃以下。因此，需要一种新型或设计的车载氢气罐，以能够从加油站移除预冷却设备。

技术概况与进展

在美国能源部能源效率和可再生能源办公室（Energy Efficiency and Renewable Energy ，EERE）的资助下，目前 ADA Technologies公司正在开展一项高导热70MPa高压储氢罐关键技术研发，该项目目前已经初步完成第一阶段的研制工作。

在第一阶段研究过程中，ADA Technologies公司通过利用其先进材料组合技术，成功将具有高导热特性的石墨烯添加到IV型高压储氢瓶的里衬高密度聚乙烯（high-density polyethylene ，HDPE）中，该石墨烯材料适用于导热里衬结构来减少或消除需要氢气预冷。

测试结果显示，通过在HDPE中添加重量比为3%的石墨烯纳米颗粒，可为IV型高压储氢瓶提供极具吸引力的导热解决方案。 与不添加任何填料的纯HDPE相比，添加3%石墨烯纳米颗粒后其导热系数提高了7.5倍，与此同时，氢渗透性、材料拉伸强度和热稳定性并未发生变化，从而验证了用于高压氢气存储的导热IV型里衬结构的技术可行性。

随后， ADA Technologies公司对现有碳纤维产品和Steelhead Composites（运输市场上复合材料罐的主要合作伙伴和制造商）的专有技术进行了理论分析，并对具有高导热特性IV型储氢罐外包装进行重新定义，从而初步确定了原型生产工艺第二阶段。最后，进行了建模工作，以预测高压加注期间的整体储罐热性能演变规律。

经过首阶段研究，ADA Technologies公司 通过使用一种相当简单的导热方法，证明了高导热储罐将成为允许低电阻热量从压缩气体传递到周围环境的关键组件。但是，相关的系统解决方案如促进对流传热的风扇以从储罐附近和FCEV内部移除热量等将在后续研究中重点考察。