碳纤维在氢气压力容器中的应用

氢气作为化石燃料的无二氧化碳替代物，几十年来一直存在，用于储氢的碳纤维增强复合材料压力容器的增长无疑是在上升。在2020年，氢气成为一项任务，被欧盟委员会确定为到2050年实现欧洲可持续经济和气候中立的欧盟绿色协议的一个关键优先事项。氢气在航空领域的关键事件包括：

• 2020年5月--"Clean Sky 2 "和 "燃料电池和氢气联合企业"发布了 "氢动力航空"，详细说明了短程（85-165名乘客）氢动力飞机如何在2030-2035年实现投入使用。
• 2020年6月--法国170亿美元新冠病毒救济计划与 "氢动力航空 "报告中的目标相联系；法国航空公司表示将在2024年前将国内航班的二氧化碳排放量减少一半。
• 2020年7月--欧盟委员会公布了 "实现欧洲气候中立的氢气战略"，呼吁为氢气运输、分配、储存和加气站投资650亿欧元，列出了包括清洁氢气伙伴关系和ETS创新基金（2020-2030年间100亿欧元）在内的支持政策和供资机制。
• 2020年7月--空客公司首席执行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》编辑Graham Warwick的采访时，承诺到2035年推出第一架脱碳飞机的投入使用；他预测到2027-28年启动该计划，到2025年使必要的技术成熟起来。
• 2020年7月--ZeroAvia公司完成了单引擎、六座的Piper飞机的试飞，该飞机经过改装，可以使用压缩氢气，并根据其路线图公布了在美国进行的类似改装的双涡轮螺旋桨、19座的Dornier Do 228飞机的飞行测试，该飞机将在2023年前获得20座的H2动力飞机，航程为500英里。
• 2020年8月--环球氢能公司（美国加州洛杉矶）宣布为一架50座的飞机提供双油箱模组（下图），并为区域航空公司/运营商提供加油物流和基础设施，在2024年之前实现商用。

氢气作为一种燃料来源，无论在哪个行业，都取决于各种运输、输送和储存技术的快速发展，这些技术虽然新颖但发展迅速。将这些技术商业化并不简单，但相关技术难点正在逐步突破。

由前空客公司和联合技术公司的首席技术官Paul Eremenko于2020年共同创立，环球氢能公司的目标是通过提供氢燃料基础设施，帮助过渡到以氢为动力的航空。一个关键部件是其燃料模组，包括碳纤维增强复合材料双氢气储存罐模组。环球氢能公司将根据需要向现场提供模组，因此不需要氢气储存基础设施，环球氢能公司首席技术官J.P. Clarke解释说，这些模组只需像电池或厨房用品一样装入飞机进行运输。

环球氢能公司已经首先为50座的Dash 8和ATR涡轮螺旋桨支线飞机开发了模组。这些模组将具有7英尺长、3英尺直径的罐子，使用碳纤维储罐可在850巴的压力下容纳H2气体，达到50公斤/立方米的密度，或者使用绝缘金属罐在标准压力和温度下容纳液体氢气，达到71公斤/立方米的密度。尽管液氢储罐具有更高的容积效率，但绝缘但未冷却的储罐必须在42小时内使用，因为液氢如果不保持在-253℃就会蒸发。这两种类型的油箱都将位于一个轻质的、结构优化的复合材料模组内，该模组还提供抗冲击性和一些承重能力。

氢气罐将包括一个不透水的聚合物衬垫，上面包裹着干碳纤维编织层和凯芙拉芳纶纤维保护外层。衬垫解决了渗透性问题，而碳纤维处理了环形和轴向载荷，外层加上框架可以防止损坏，没有必要使用树脂，因此重量和厚度都减少了。这种集成的罐体和框架设计，当与罐体各层的功能映射相结合时，使我们在质量分数方面得到了一些明显的改善。

质量分数是通过将储存的氢气质量除以整个模组的质量来计算的，因此质量分数越大越好。环球氢能公司做了一个非常广泛的贸易研究，在Dash 8和ATR飞机的背景下研究质量分数和体积效率。他们研究了燃料的体积和重量与这些飞机所能容纳的东西、可实现的航程和最大起飞重量、重量分布等。用850巴的氢气气体，可以用45分钟的储备飞行约400海里，用液氢油箱飞行约550海里。然而，涡轮螺旋桨飞机任务的平均阶段长度约为300海里。因此用气态氢气系统使用碳纤维增强复合材料油箱，可以来完成可以实现更加持久的续航。