01 加氫站HRS

　　氫動力汽車和卡車的宏偉路線圖將需要建造大量的HRS。由H?stations.org于2021年2月發布的一份報告指出，2020年投入運營的HRS加氫站達到107個，是迄今為止高的一年。2021年1月又增加了7個，目前運營HRS已經達到560個，并計劃再增加225個。氫能委員會2021年2月相關報告估計，到2030年，需要10,300個HRS才能滿足燃料電池車的需求。

　　HRS中正在使用CFRP儲罐。例如，Hexagon Composites公司（挪威阿勒松）在海牙向Resato公司（荷蘭阿森公司）大型儲氫站提供了儲罐，而NPROXX公司則向區域公共汽車運營商RVK公司（德國科隆公司）的兩個 HRS提供了儲罐。

　　氫氣通過管式拖車、液罐車或管道供應至HRS，也可以使用蒸汽甲烷重整器（SMR）或電解裝置（圖1）在現場生成。IV型碳纖維增強塑料罐可用于管道拖車輸送氫氣，也可用于現場緩沖儲存。

　　圖1 加氫站 (HRS) 組成示意圖，IV 型CFRP壓力容器可用于管式拖車以將 H2輸送到站點/或用于現場緩沖儲存的級聯儲罐。

　　在2021年5月的CW Tech Days活動中，PowerTap Hydrogen（美國加利福尼亞州歐文市）席運營官Kelley Owen解釋說，每個PowerTap HRS將使用SMR裝置從天然氣中每天產生1250千克H?，以重新加注配有350bar和700bar儲罐的FCV。PowerTap與Andretti Group合作，將在加利福尼亞州選定的Andretti Group加油站和柴油站安裝HRS。

　　這些HRS裝置必須符合當前電站的占地面積，已被汽油泵和柴油泵、便利店等占用。Owen說，PowerTap的緩沖存儲器將包括兩套儲罐：24個中壓（500巴，20英寸直徑，34英尺長）和30個高壓（900巴，16英寸直徑，35英尺長），需要大約25 × 35英尺存儲空間的軋制鋼管筒（圖2）。Owen解釋說，之所以選擇I型鋼管，是因為IV型復合材料儲罐的成本高出30-35%，將儲罐成本從120萬美元增加到160萬美元，這將消耗每個 HRS 的300 萬美元預算的一半以上。

　　內布拉斯加州林肯市 Hexagon Composites 研發高級副總裁 Rick Rashilla 表示：“毫無疑問，鋼罐的價格比復合材料罐低得多。但在某些應用中，復合材料罐是很好的解決方案。例如，我們在歐洲的一些客戶已將此類儲罐安裝在氫氣站屋頂、壓縮機或其他設備的頂部，以減少整體占地面積。這是可能的，因為 IV 型儲罐非常輕。金屬罐雖然成本較低，但通常需要地面安裝，而且由于它們的重量，只能將它們堆得很高，而復合材料罐可以堆得更高，從而減少了存儲空間。

　　但是，與鋼罐相比，復合材料氣瓶的直徑或壓力是否受到限制？“任何壓力容器的壁厚都必須隨著壓力和尺寸的增加而增加，”Hexagon Composites 研發部席工程師 Brian Yeggy 解釋說。“復合材料技術沒有限制，但是我們無法在700bar壓力下制造更大直徑的儲罐。”目前，Hexagon 大的儲罐直徑為 580 毫米/22.8 英寸，長 3.3 米/10.8 英尺，可在 500 bar下進行固定存儲。它還具有一個 1,000 bar、20 英寸直徑的固定存儲氣缸。“這不是我們技術的限制，而是我們客戶的要求，”Yeggy 說。“我們已將復合材料罐擴大到直徑 42 英寸、長 51 英尺，以便在 250 bar下儲存。”

　　壓力越高，復合材料看起來越吸引人，但由于所需的壁厚越高，無論采用何種材料，整個系統的成本都越高。復合材料儲罐在每天10次加壓循環的情況下滿足15年使用壽命的HRS需求的能力如何？Yeggy說，“這將相當于多55000次循環，我們的大多數產品已經按照45000次循環的標準認證了15至30年，并且保證填充到 150% 的溢出而不會失敗。我們還測試了幾個直徑27英寸、379bar的儲罐，進行了110000次循環而無故障[圖3]，我們有一個直徑為14英寸、壓力為380bar的氣缸，經過100萬次循環測試，每個循環的工作壓力為其工作壓力的150%。因此，不擔心IV型儲罐是否能夠滿足加氫站所需的循環范圍。”

 

02 H分布與玻璃纖維

　　管式拖車代表了復合材料氣瓶的另一個市場，即用于將氫氣從生產點分配或運輸到HRS或工業現場。這是Hanwha Cimarron復合材料（韓國爾）、Hexagon和NPROXX（荷蘭海倫）的主要市場。在Hexagon，該市場預計將占公司?2021年總收入的40%以上。Hexagon的Rashilla說：“對于氫氣，我們的大多數分配氣瓶都是350bar，并且趨向于500bar及以上。由于需要在船上獲得更多的氫氣，很可能也會有700bar的氣瓶；但在獲得氫氣的成本上，這始終是一個平衡。”

　　“一切都從基礎設施的氫氣開始，”NPROXX 董事總經理兼銷售主管 Michael Himmen 解釋說，H?動力汽車的增長需要加氣站，而這些加氣站反過來又依賴于燃料運輸，“在未來兩年內，我們可能在船舶和集裝箱設計方面會提出新的解決方案。” 這里的術語“容器”是指運輸模塊的包裝方式。例如，Hexagon 用于500 barH?運輸的 X-STORE 模塊包括一個 10、20、30 或 40 英尺長的金屬框架拖車，帶有 22、52、82 或 103 個 IV 型氣瓶，總共可攜帶240、565、890 或 1,115 千克 H?。NPROXX 有類似的產品。Cimarron Composites 在CW 2020 年關于 H?壓力容器的專題文章中進行了解釋，其直徑為30英寸、長度為19英尺的Neptune 517 bar IV型儲罐能夠將九個容器裝入一個標準的20英尺容器中，容量為600千克H2，在一個40英尺容器中容量是原來的兩倍。

　　Umoe Advanced Composites（UAC，克里斯蒂安桑，挪威）也瞄準了 H?氣體傳輸，但沒有碳纖維。相反，該公司生產的IV型氣瓶采用行業標準T4塑料內襯，外覆纖維纏繞玻璃纖維/環氧樹脂組合。UAC目前提供200至350bar的模塊，并將在2022年擴大到450至500bar的儲罐。玻璃纖維增強聚合物（GFRP）儲罐提供與鋼罐相同的資本支出（CAPEX），但重量減少70%（圖4）。同時，與碳纖維增強塑料圓筒相比，玻璃纖維增強塑料減少了50%的資本支出，但是其重量較高。2021年5月，UAC宣布成立一家合資企業，在建立一家新工廠，到2022年，該工廠的年產能將從10000瓶擴大到20000瓶（1700-2000升）。同時，該公司將把挪威的產能提高到4000瓶/年。

 

03 成本和存儲效率

　　除了成本之外，IV型儲罐的另一個關鍵問題是儲存密度——即在給定體積內可以儲存多少H?。這里的關鍵指標稱為重量、重量比或質量比，其定義為儲存的H?質量除以儲罐或儲存系統的質量。2019年對儲氫系統的審查將I、II和III型儲罐的重量密度分別列為1.7%、2.1%和4.2%。該指標也可稱為存儲密度或效率。

　　對于IV型儲罐，豐田（日本豐田城）于2014年為其700bar儲罐確定了5.7%的基準值，這是因為通過優化纖維纏繞模式，CFRP減少了20%。這些通常包括沿氣缸的環形纏繞、穿過氣缸和半球形端部的低角度繞組以及環向繞組和低角度繞組之間邊界處的高角度繞組。豐田公司設計了一種消除高角度螺旋繞組的方法，這種方法以前包括≈25%的層壓板。相反，襯墊的形狀被壓平，以便在邊界區域通過環形纏繞實現層壓。豐田還將環形纏繞集中在應力高的內層。Faurecia在其CFRP IV型儲罐中聲稱的優點之一是重量比>7%。

　　2019年，與康明斯（美國印第安納州哥倫布市）50/50的合資公司NPROXX推出了一款700bar的IV型儲罐，其存儲密度為6.4%，而Iljin Hysolus（韓國邦東eup）為現代Nexo燃料電池乘用車生產的儲罐平均為6.3%。“對我們來說，關鍵在于如何處理碳纖維，纏繞過程中對纖維造成多大的損壞，”NPROXX的Himmen指出。“這實際上決定了在儲罐中使用多少碳纖維。”

 

Yeggy說，由Hexagon復合材料制成的H?儲罐，現在分拆成Hexagon Purus，儲存效率在5%到7%之間。“我們一直在進行研究，以提高儲存效率，但儲罐越輕，它的精度就越高，損失的損傷容限也就越大，而且成本是一個很大的因素。如果不考慮成本，那么可以在紙上構建設計，從而提高10%的存儲效率。但要實現這一點，它的成本將高于它所在的車輛。”

　　盡管20多年來，美國能源部（DOE）的許多項目一直在追求降低儲罐成本，Faurecia聲稱，到2030年，它將使氫氣儲存系統成本降低75%，從每千克儲存1300歐元降至315歐元。Plastic Omnium的目標是將成本降低30%。NPROXX同意后者。Himmen說：“根據2030年生產的大量儲罐，我們的分析表明，我們可以將成本降低25-30%。”。然而，他承認碳纖維占儲罐成本的60%，更高的容量不會顯著降低纖維價格。Hexagon Composites公司的Rashilla說，Hexagon已經與能源部合作開展了各種儲罐和降低碳纖維成本項目，并指出在不久的將來可能會有其他項目。

　　
04 重新認證和監測儲罐

　　Rashilla指出另一種降低成本的方法是通過Hexagon的 Digital Wave 業務部門，該部門使用模態聲發射（AE）在儲罐的監管壽命結束時對儲罐進行檢查，分析儲罐的完整性以提供額外服務。Modal AE使用先進的電子設備和傳感器，旨在提高靈敏度和數據傳輸能力。Rashilla說：“延長鋼瓶的使用壽命是降低成本和排放的好方法。這已經在消防員用碳纖維復合材料氣瓶上得到了驗證。我們也在2010-2015年達到使用壽命的批壓縮天然氣儲罐上進行了驗證。 Digital Wave 數字波測試可以驗證儲罐沒有損壞，其剩余壽命為“X”很有可能。”

　　“我認為這個行業仍然缺乏數據，”Himmen說。“IV型容器在使用10年后才會進行檢查。但在這段時間內，壓力容器的完整性究竟發生了什么變化，是否真的有數據可以理解？我們參與了一個歐盟項目來創建這些數據。我們提供了大量儲罐，并為其配備了各種傳感器來檢測從溫度、壓力循環、積極加油以及在役使用和濫用等方面對儲罐完整性的壽命影響。我們的目標是在將傳感器放入復合材料之前獲得更多的知識，因為我先想知道測量什么以及與什么進行比較，以確定壓力容器是好是壞。”盡管有未來的努力，NPROXX目前集成傳感器技術的一個領域是在其生產過程中。

　　Com&Sens介紹了如何使用嵌入式光纖布拉格光柵（FBG）光纖傳感器優化復合材料儲罐生產和現場健康監測。當H?罐層壓板進行纖維纏繞時，FBG光纖線可以從線軸上共纏繞。每個光纖的長度范圍為1-100米，多有20個傳感點，小間距為1厘米（圖5）。

 

Com&Sens聯合創始人Eli Voet說：“每個傳感點都位于光纖內，以便在復合材料層壓板的環形或螺旋層內的任何離散位置進行測量。這些點在使用旋轉接頭纏繞期間，或在使用點連接技術的操作期間進行詢問，該技術可實現“智能”儲罐的大規模使用。”他解釋說，嵌入層壓板中的FBG感知材料內部應變的重新分布。Voet補充道：“這些傳感器可用于生產過程優化，允許理解和數字化以前無法測量的過程參數。在固化、疲勞循環和爆破試驗期間獲取系統范圍內的應力、應變和溫度測量值，將有助于設計師驗證有限元模型，并優化未來設計中的材料使用。但有希望的應用可能是在儲罐運行期間對生命周期和結構完整性進行監控，例如，Voet展示了生產帶有“數字指紋”的儲罐的能力，然后根據指紋重新認證儲罐，以延長使用壽命。

　　
05 真正的變化來得很快

　　根據氫能委員會2021年的《Hydrogen Insights》報告，75個制定了零排放戰略，20多個在2035年之前宣布了內燃機（ICE）車輛的銷售禁令。除氫氣外，電池、電力、太陽能和其他替代燃料將成為實現這些目標所需解決方案的一部分。然而，對H?的關注和政府支持日益增加。到2050年實現凈零排放一直是避免氣候災難的口號，但許多正在努力爭取到2040年或更早實現目標。這可能嗎？

　　Hexagon Purus海事公司的Dahl 表示：“你不僅要重新考慮車輛架構，還要重新考慮運營的整個商業模式。當然，有一種猶豫不決——誰將成為先行者并承擔風險？還需要大量投資。但那些有目標、有勇氣去做的人將是前進的領導者。”

　　除了多種零排放解決方案外，氫氣儲存還將繼續采用多種解決方案，并非所有解決方案都將依賴復合材料或碳纖維。復合材料行業將如何應對正在開發的氫動力汽車、火車、船舶和加油站的快速新興市場？新型碳纖維能使儲罐具有更高的儲存效率和更低的成本嗎？NPROXX的Himmen說：““我們對想要使用的理想碳纖維進行了很多思考。預計產量會如此之大，顯然碳纖維的消耗量也會大大增加，而我認為理想的碳纖維還沒有上市。”（參考來源：CW）