儲氫用碳纖維復(fù)合材料壓力容器

H2 的投資正在增加。IV 型儲罐制造商 NPROXX 現(xiàn)在是與（Cummins）康明斯的 50/50 合資企業(yè)，康明斯還收購了燃料電池和H2 生產(chǎn)電解槽的關(guān)鍵供應(yīng)商。NPROXX 生產(chǎn)的這些直徑 500 毫米、長 2200 毫米的汽車/重型儲罐在350 巴下儲存H2。圖片來源：NPROXX

高壓儲氣罐是先進(jìn)復(fù)合材料的最大和增長最快的市場之一，尤其是纏繞碳纖維復(fù)合材料。主要終端市場是儲存液態(tài)丙烷氣（LPG- liquid propane gas ）、壓縮天然氣（CNG- compressed natural gas）、可再生天然氣（RNG- renewable natural gas）和氫氣（H2）。雖然液化石油氣儲罐可以用于車輛，但發(fā)展中國家的烹飪和供暖市場也在不斷增長。 CNG、RNG 和 H2 燃料系統(tǒng)越來越多地用于乘用車、公共汽車、卡車和其他車輛，或用于散裝運輸/配送（也稱為移動管道），以供應(yīng)加油站或工業(yè)場地。在汽車中，這些燃料儲罐是汽油、柴油和噴氣燃料的清潔替代品的減少或零排放動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。這些動力系統(tǒng)還為電池驅(qū)動的車輛提供了一種無充電的替代方案，其加油基礎(chǔ)設(shè)施和加油時間與化石燃料類似。

 

壓力容器類型

由美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）分類的壓力容器類型和結(jié)構(gòu)。

壓力容器分為五種類型

I型：全金屬結(jié)構(gòu)，一般為鋼結(jié)構(gòu)。

II型：主要是金屬，在環(huán)向上有一些纖維外包裝，主要是鋼或鋁，帶有玻璃纖維復(fù)合材料；金屬容器和復(fù)合材料共享大約相等的結(jié)構(gòu)載荷。

III型：金屬內(nèi)襯，帶全復(fù)合材料外包裝，通常為鋁，帶碳纖維復(fù)合材料；復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)載荷。

IV型：全復(fù)合結(jié)構(gòu)，聚合物——通常是聚酰胺（PA）或高密度聚乙烯（HDPE）內(nèi)襯，帶有碳纖維或碳/玻璃纖維復(fù)合材料；復(fù)合材料承載所有的結(jié)構(gòu)載荷。

V型：無襯里，全復(fù)合結(jié)構(gòu)。

從歷史上看，I 型儲罐占據(jù)了 90%以上的市場份額。然而，隨著使用復(fù)合材料減輕重量和提高壓縮氣體儲存效率的 III 型和 IV 型容器的銷量增加，這種情況開始發(fā)生變化。V 型仍處于萌芽階段，主要用于太空應(yīng)用，但隨著新太空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，它是一個值得關(guān)注的領(lǐng)域。

市場驅(qū)動因素和增長

該市場的主要驅(qū)動力是，全球越來越致力于通過從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生、低排放燃料（如 CNG、RNG 和 H2）來減少氣候變化的影響，目標(biāo)是到 2050 年實現(xiàn)零排放。根據(jù)國際能源署的說法：

“根據(jù)新的報告《到 2050 年實現(xiàn)凈零排放：全球能源部門路線圖》，各國政府迄今為止的氣候承諾——即使完全實現(xiàn)——也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到到到 2050 年將全球能源相關(guān)二氧化碳（CO2）排放量降至凈零的要求，并使世界有機(jī)會將全球氣溫上升限制在 1.5°C。”

 

內(nèi)燃機(jī)（ICE- internal combustion engine）全球淘汰地圖

政府公布了從 2020 年 11 月起逐步淘汰內(nèi)燃機(jī)乘用車新銷售的目標(biāo)。

請注意，除上述承諾外，美國康涅狄格州、馬里蘭州、馬薩諸塞州、新澤西州、紐約州、俄勒岡州、羅德島州、佛蒙特州和華盛頓州已承諾到 2050 年不再生產(chǎn)新的化石燃料乘用車，這些州加上加利福尼亞州、科羅拉多州、夏威夷州、緬因州、北卡羅來納州、賓夕法尼亞州和哥倫比亞特區(qū)將從 2050 年起禁止新的化石燃料中型和重型汽車銷售。

新興氫經(jīng)濟(jì)

壓力容器市場發(fā)展最快的領(lǐng)域是儲氫。疫情過后，北美、歐洲和中國對減少移動應(yīng)用中的碳排放重新產(chǎn)生了濃厚的監(jiān)管興趣。在美國，大部分脫碳工作都是由加利福尼亞州推動的，該州制定了到 2035 年禁止銷售燃?xì)馄嚨恼摺＿@一努力和其他努力導(dǎo)致汽車和卡車制造商公開努力推出新的電池電動汽車（BEV- battery-electric vehicles ）系列。

然而，純電動汽車也面臨著自身的挑戰(zhàn)，即難以獲得電池所需的一些稀土金屬、電池充電時間長以及缺乏加油基礎(chǔ)設(shè)施。拜登政府的《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》將在一定程度上解決后者的問題，該法案在未來十年提供 1 萬億美元的公共基礎(chǔ)設(shè)施投資。

電池充電技術(shù)發(fā)展迅速，只會變得越來越容易和更快，但金屬資源的挑戰(zhàn)并不容易解決。正因為如此，運輸業(yè)的一些部門已經(jīng)轉(zhuǎn)向氫燃料電池（HFC-hydrogen fuel cell）系統(tǒng)，將其作為一種更可持續(xù)的替代方案。

 

氫氣通常通過多元氣體容器（MEGC-multiple element gas container ）運輸，該容器由多個碳纖維復(fù)合材料壓力容器組成，這些壓力容器連接在金屬籠中并裝載到卡車上。最大的MEGC有多達(dá) 81 個儲罐。

氫燃料電池（HFC）有幾個優(yōu)點。首先，它們可以在加氫站（HFS- refueled at hydrogen refueling stations）使用與加油站非常相似的泵和噴嘴技術(shù)進(jìn)行加油。其次，氫燃料電池（HFC）工藝的唯一排放物是水。第三，氫氣最終可以使用被稱為“綠色”氫氣的盡量減少碳化的方法來生產(chǎn)。

盡管綠色氫技術(shù)仍在開發(fā)中，但其可行性有助于氫燃料電池（HFC）經(jīng)濟(jì)的快速擴(kuò)張，特別是在輕型、中型和重型卡車中；車隊車輛；公共汽車；列車；船舶；以及一些乘用車。預(yù)計航空航天也將采用氫氣作為燃燒燃料。

這種市場擴(kuò)張增加了對氫氣儲存和分配的需求。與汽油一樣，氫氣的儲存主要在車上進(jìn)行，并通過一系列碳纖維/環(huán)氧樹脂外包裝的壓力容器實現(xiàn)。車輛越大，需要的壓力容器就越多。分配主要通過在牽引拖車上的多個復(fù)合壓力容器中運輸氫氣來實現(xiàn)。

氫的能量密度，以質(zhì)量為基礎(chǔ)，幾乎是汽油的三倍。然而，在體積基礎(chǔ)上，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)——汽油的能量密度是氫氣的四倍。因此，氫最好以液體形式儲存，以最大限度地提高其能量密度。但是，將氫氣作為液體儲存需要低溫，這并不容易或廉價實現(xiàn)。因此，就目前而言，氫氣作為氣體最有效地儲存，通常在 350-700 巴的范圍內(nèi)壓縮。

 

包括加氫站（HRS- hydrogen refueling station）的元件示意圖。IV 型復(fù)合壓力容器可用于管式拖車，將H2 輸送至站和/或用于現(xiàn)場緩沖儲存的罐串中。

氫燃料電池汽車（HFCV-hydrogen fuel cell vehicle ）的續(xù)航里程取決于它可以儲存的氫氣的總質(zhì)量，質(zhì)量容量取決于壓力容器的大小和氣體的壓力。例如，2022 款豐田 Mirai HFCV 有三個 142 升的 IV 型油箱，每個油箱的最大額定壓力為 700 巴，氫氣質(zhì)量容量為 5.6 公斤。每輛車的總氫容量為 16.8 公斤，續(xù)航里程為 360英里。卡車、公共汽車和其他大型車輛上的儲氫罐更大，儲氫罐的數(shù)量也更大。

壓力容器經(jīng)濟(jì)性

碳纖維/環(huán)氧樹脂壓力容器采用濕法或絲束預(yù)浸纖維纏繞制造。這里的好消息是，細(xì)絲纏繞可以相對容易地實現(xiàn)自動化，因此提高生產(chǎn)能力將是非常容易的。壞消息是，氫氣壓力容器所需的碳纖維類型相對昂貴，目前生產(chǎn)量不適合需求。

氫壓力容器的碳纖維選擇是Toray Composite Materials America（美國華盛頓州塔科馬市）的 T700S，這是一種標(biāo)準(zhǔn)模量（SM）纖維，具有特別高的平移性能。所有主要的碳纖維制造商都提供類似的碳纖維，包括 Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德市）、三菱集團(tuán)（日本東京）、帝人（日本東京市）、SGL carbon（德國威斯巴登）等。

每個儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量及其額定壓力，但一個好的經(jīng)驗法則是，在 700 巴下儲存的每 1 公斤氫氣需要 10 公斤碳纖維。因此，一個在700 巴下容納 5 公斤氫氣的儲罐需要 50 公斤碳纖維。

這個市場的最終挑戰(zhàn)可能是可靠的碳纖維供應(yīng)。目前有九家主要的儲氫碳纖維壓力容器制造商：Faurecia、韓華Cimmaron、Hexagon Composites、HexagonPurus、 Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota 和 Toyoda Gosei。所有項目都在未來五年內(nèi)進(jìn)行不同程度的儲罐生產(chǎn)擴(kuò)張。據(jù)估計，到 2025 年，儲氫市場的總市場可能接近 50 萬個碳纖維復(fù)合材料儲罐。滿足這個市場的需求可能是一個挑戰(zhàn)。

碳纖維制造是資本密集型且昂貴的，一條碳纖維生產(chǎn)線需要投資約 1 億美元，建設(shè)時間為兩年。正因為如此，碳纖維生產(chǎn)商不愿在沒有令人信服的商業(yè)理由的情況下投資新產(chǎn)能。在某些情況下，在需求高的情況下，碳纖維客戶需要做出合同承諾，以證明碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的成本合理。

氫氣市場正處于快速成熟的早期階段，因此碳纖維制造商將如何應(yīng)對儲罐生產(chǎn)商發(fā)出的需求信號還有待觀察。當(dāng)然，碳纖維制造商還有其他市場需要監(jiān)控，包括風(fēng)能、航空航天和汽車，所有這些都在施加自己的需求壓力。

注：原文見《 Composites end markets: Pressure vessels (2023) 》2023.1.11.

楊超凡 2023.8.30