氢能源与燃料电池汽车高压输氢系统.pdf

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能源 燃料电池 汽车 高压 系统
资源描述:
第2期(总第39期
沁体传与控纲
No. 2(Serial No.39)
2010年3月
Fluid Power Transmission and Control
Nar. 2010
氢能源与燃料电池汽车高压输氢系统
訚耀保
(同济大学机械工程学院上海200092
摘要:介绍了航天氢能源和燃料电池汽车超高压气动控制技术的应用情况,介绍了燃料电池汽车用铝合金内胆碳纤
维缠绕气瓶和输氢系统的有关技术。分析结果可作为自备能源装置的装备开发的参考。
关键词∵航天;氬能源冫燃籵电池汽车高压输氬系统碳纤维缠铙气瓶
中图分类号:TH1373
文献标识码:A
文章编号:1672-8904(201002-0001-004
前言
燃料无毒无污染。结构上采用不共轴双涡轮气动串
联结构,喷管采用螺旋管束式氢排放冷却、面积比为
英国人Ww. Grove在1839年首先提出利用氢和80:1的大喷管,有效地提高了发动机的性能和工作
氧反应进行发电的原理,形成了现在的氢氧燃料电可靠性。氢能源气动机伺服机构则以氢气气动机作
池。20世纪以来,航天发动机采用液氢和液氧组成为能源,氢气从发动机燃烧室头部经限流管流出,通
的小型燃料电池,为空间飞行提供动力能源2。近年过单向阀门吹动气动叶片,从而驱动液压泵和双向
来,环境保护、地球温暖化和能源短缺已成为世界各摇摆伺服机构来实现三级飞行姿态控制。该伺服机
国共同努力的重要研究课题。特别是随着世界石油构以低温氢气作为介质,采用了功率质量比高的低
资源的不断枯竭,各国科学家竞相研究以氢为原料温氢气气动机等技术。此外,防空导弹的驾驶仪舵面
的燃料电池作为替代石油的新能源汽车,汽车制造常采用燃气舵机?。如前苏联S-300导弹最初采用
商纷纷借鉴航天缠绕发动机技术硏制碳纤维缠绕铝燃气舵机冫美国麻雀系列导弹则采用固体燃气发生
合金内胆复合气瓶用于储存气态氢燃料,同时开发器驱动气液蓄压器式导引头能源和氮气驱动气液蓄
超高压气动输氢系统H
压器式驾驶仪;英国海标枪舰空导弹采用燃气马达
本文介绍航天氢能源技术,分析自备能源装置驱动式液压舵机;意大利阿斯派徳三军通用防空导
的高压气瓶发展动态和燃料电池汽车高压输氢系弹采用燃气涡轮泵电液能源驱动驾驶仪?。某飞行
统,为我国燃料电池汽车开发提供参考。
器冷气舵机的氮气储气瓶压力65MPa以上,采取
1航天能源技术及其应用
压力10MPa和2.5MPa多级减压控制方案,进行气
体増压和超高压控制从而解决气体储存和运输问
1氢能源技术在航天器上的应用
题。日本正在研究利用液氢和生物燃料等作为动力
250年前人类发现氢以来,氢及氢能源已经在的客运飞机
工业中获得了广泛的应用。20世纪以后,随着人
航天科学家正在研究近空间与深空探冽的极端
类航天事业的发展,氢能已经成功地为人类航天所环境下储氢容器、控制器件及其推进器技术,包括极
用,利用液氢发射火箭、航天飞机去探索太空的奥端环境下的特种气动控制阀、储氢材料、气体充填与
秘。我国自行研制的长征系列火箭Cz-3A采用大推释放规律及动力推进器等
力氢氧发动机、冷氢加温增压技术、低温氢气能源双1.2自备能源装置用高压气瓶
摆伺服机构技术,利用氢能源的重大关健技术已经
飞行器和移动装备大多要求动力装置自备能
与世界先进技术水平相当。其中,大推力氢氧发动机源,为此高压气瓶成为首选对象?四,但储罐重量大
使用液氢液氧作为推进器燃料,氨氧发动机比沖高,无法满足自备能源装置的高功率重量比的要求
1946年美国利用纤维缠绕成型技术首先制造了纤
米基金项目:国家“"863"高科技计划资助项目2007AA057119)航空
维缠绕压力容器。1960年代美国在北极星、土星等
科学基金资助项目20090738003),国家自然科学基金资助项目
650775161)
航天大型固体火箭发动机壳体上使用了纤维缠绕技
收稿日期:2009-12-31
术,实现了轻质高强结构。美国空军1970年研究
作者简介:訚耀保,男(1965),教授,博士生导师,工学博士。主要研PBO芳纶纤维。 Bruswick公司采用PBO纤维缠绕内
究方向,为极限坏境下的流体传动与控制基础理论;飞行器能源与能径为250mm的球形容器,压力达91MPa。美国
机;高速气动控制。
O1994-2010chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
流体传劫与控
2010年第2期
975年开始了轻质复合材料气瓶研制,采用S-玻采用气瓶输出气源带动气动叶片驱动液压泵或者电
纤/环氧、 Kevlar/环氧缠绕复合材料气瓶。随着碳纤机泵产生液压能源。飞行器极端环境下气体的储存
维性能提高及成本大幅度下降,碳纤维与低成本铝和排放、燃气驱动、气瓶系统可靠性等至关重要
内衬制造技术相结合,费用低、质量轻、性能高、可靠
随着宇航及国防军工的发展,一般工业用响应
性好的高压容器的生产变为现实。1970年以来,飞缓慢的气动控制发展成为气动伺服控制,具有一定
机、火箭、卫星、飞船等飞行器极端环境和高功率重响应速度、较高精度以及较大功率的伺服控制技术
量比的需要,航天科学家们研制出了各种先进复合应运而生。约15年前,国外的制造商陆续利用液压
材料,如玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤伺服阀纷纷改制气动伺服阀,从此民用气动伺服阀
维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能商品问世,开始应用于产业过程的远程控制等。气动
增强材料,使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体。发伺服机构的研究开始于1956年,美国J.L. Shearer研
动机多采用碳纤维缠绕壳体。如美国侏儒小型地地究了气动阀控马达特性川。日本人荒木献次(971
洲际弹道导弹三级发动机燃烧室壳体,由IM-7炭1979研究了力反馈气动伺服阀叫。后来,气动技术
纤维/HBRF-55A环氧树脂缠绕制作;美国澘射导弹从电阻式焊接机的气缸及其控制阀开始起步,一般
三叉戟第一级采用碳纤维売体
工业用气动控制压力为0.5MPa,高压控制压力也
美国、英国和法国等在上世纪80年代中期,就仅为5MPa左右。需要研究35MPa以上的超高压
开始研制民用复合气瓶。主要有三类:环向缠绕式或气体的特性和气动控制基础理论。
全缠绕式高强度玻璃纤维钢质内胆气瓶;全缠绕芳
纶纤维或碳纤维铝内胆气瓶;全缠绕高强度玻璃纤2燃料电池汽车碳纤维缠绕气瓶
维或碳纤维塑料内胆气瓶。1991年瑞典人首先采用2.1燃料电池汽车储氢装置
碳纤维替代玻璃纤维缠绕铝合金内胆,使缠绕气瓶
燃料电池汽车CV: Fuel Cell Vehice直接利
质量进一步减轻。上世纪90年代美国和英国主要发用氢和氧发生化学反应产生的电能驱动汽车行驶
展全缠绕碳纤维铝内胆气瓶。目前,在制造耐超高压排出物为纯水,实现了零排放。其中,储氢技术是
储气罐技术方面已取得了明显进步。国际上起步较氢能利用走向实用化的关键。主要储氢方式有高压
早生产车用复合气瓶的主要公司有美国⊥ LINCON公储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、活性炭低温吸附
司和加拿大 DYNETEK公司等。2000年美国储氢、纳米碳管储氢、车载甲醇重整制氢等。目前,世
Quantum公司与 Lavrence Liver
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