圖1? 目前對H2的投資逐漸增加。IV 型罐制造商 NPROXX 現(xiàn)在是一個50/50與康明斯合資企業(yè)，該公司還收購了燃料電池和 H2生產(chǎn)電解槽的主要供應(yīng)商。NPROXX 公司生產(chǎn)的這些直徑為500毫米、長度為2,200毫米的汽車/重型坦克以350巴的高度儲存 H2。圖片來源：NPROXX

? ? ? 高壓氣體儲存容器是先進復(fù)合材料，特別是纏繞碳纖維復(fù)合材料最大和增長最快的市場之一。主要的終端市場是儲存液態(tài)丙烷氣體(LPG)、壓縮天然氣(CNG)、可再生天然氣(RNG)和氫氣(H2)。雖然液化石油氣罐可用于車輛，但在發(fā)展中國家，烹飪和取暖的市場也在不斷擴大。

? ? 近年來，環(huán)球氫燃料公司（Universal Hydrogen, Los Angeles, Calif., U.S.）已經(jīng)與三家區(qū)域航空公司簽署了意向書，用氫動力推進系統(tǒng)改造現(xiàn)有的渦輪螺旋槳飛機。另外，Cimmaron復(fù)合材料公司（Cimmaron Composites，Huntsvillle, Ala., U.S.）現(xiàn)已被韓華思路信（Hanwha Solutions ,Seoul, South Korea）收購，并宣布在阿拉巴馬州歐佩萊卡（Opelika, Ala.）新建一個價值1.3億美元的生產(chǎn)基地。另一家復(fù)合材料罐制造商NPROXX（Heerlen, Netherlands）現(xiàn)在是與康明斯公司（Cummins,Columbus, Ind., U.S.）的50/50合資企業(yè)，該公司每年生產(chǎn)1.3億臺內(nèi)燃機，現(xiàn)在已經(jīng)投資用于氫氣生產(chǎn)的電解器、氫氣發(fā)動機、燃料電池和儲氫罐。

? ? ? CNG、 RNG 和 H2燃料系統(tǒng)越來越多地用于客車、公共汽車、卡車和其他車輛，或用于大宗運輸/配送(也稱移動管道) ，以供應(yīng)加油站或工業(yè)場所。在車輛中，這些燃料儲存罐是汽油、柴油和航空燃料清潔替代品的低排放或零排放動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。這些動力傳動系統(tǒng)還提供了一種替代電池動力汽車的無電荷加油基礎(chǔ)設(shè)施和加油時間類似于化石燃料。? ? ??壓力容器分為五類：? ? ? 類型 I ：全金屬結(jié)構(gòu)，一般為鋼結(jié)構(gòu)。? ? ? 類型II ：主要是金屬與一些纖維包裹在箍方向，主要是鋼或鋁與玻璃纖維復(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)負(fù)荷。? ? ? 類型III ：金屬內(nèi)襯全復(fù)合外包裝，一般為鋁，碳纖維復(fù)合材料; 復(fù)合材料承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載。? ? ?類型IV ：全復(fù)合結(jié)構(gòu)，聚合物ーー通常為聚酰胺(PA)或高密度聚乙烯(HDPE)襯里，內(nèi)襯碳纖維或混合碳/玻璃纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料承擔(dān)所有結(jié)構(gòu)荷載。? ? ? ?類型V ：無線型，全復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖2 ?壓力容器類型, 美國機械工程師協(xié)會（ASME）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）劃分的壓力容器類型和結(jié)構(gòu)。圖片來源：CW

? ? ? 歷史上，I 型占據(jù)了90% 以上的市場份額。然而，隨著使用復(fù)合材料來減輕重量和提高壓縮氣體儲存效率的 III 型和 IV 型容器的銷售增加，這種情況正在開始改變。類型 V 仍然是新生的，主要用于空間應(yīng)用，但是隨著新空間工業(yè)的發(fā)展，這是一個值得關(guān)注的領(lǐng)域。? ? ? IV型儲氫罐的預(yù)測增長趨勢巨大。例如，海克斯康復(fù)合材料公司（Hexagon Composites,Alesund, Norway）是IV型儲氫罐生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，它已從Hexagon Purus公司分離出來，并專注于零排放氫氣和電池電動系統(tǒng)和存儲。據(jù)該公司估計，從2025年到2030年，儲氫罐的收入將增加630%。? ? ? 然而，IV型儲氫罐也面臨著嚴(yán)重的問題。最值得注意的是，碳纖維的高成本使得這些儲氫罐非常昂貴。另一個關(guān)鍵問題是存儲密度。盡管壓縮的氫氣提供的能量是汽油的三倍，但其單位體積的能量相當(dāng)?shù)?，需要很大的氣瓶來容納儲存足夠燃料所需要的高壓。對于移動應(yīng)用，與金屬替代品相比，CFRP IV型儲氫罐輕量的優(yōu)勢驅(qū)動了其應(yīng)用。但在固定應(yīng)用中，例如加氫站，重量不是主要驅(qū)動力。

新興的氫能經(jīng)濟

? ? ??壓力容器市場中發(fā)展最快的部分是氫儲存。北美、歐洲和中國在減少機動車應(yīng)用中的碳排放方面重新產(chǎn)生了嚴(yán)肅的監(jiān)管興趣。在美國，大部分的脫碳努力是由加利福尼亞州推動的，該州已經(jīng)出臺了政策，到2035年禁止銷售天然氣驅(qū)動的汽車。這種努力和其他努力已經(jīng)導(dǎo)致非常公開的努力，汽車和卡車制造商推出新的電池電動汽車(BEV)生產(chǎn)線。

? ? ? 然而，BEV 也有自己的挑戰(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》將部分解決后者的問題，該法案將在未來10年提供1萬億美元的公共基礎(chǔ)設(shè)施投資。

? ? ? 蓄電池充電技術(shù)正在迅速發(fā)展，只會越來越容易，越來越快，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)系統(tǒng)作為一種更可持續(xù)的替代方案。

圖3 ?氫通常是通過多元氣體容器(MEGC)輸送的，MEGC 是由多個碳纖維復(fù)合材料壓力容器組成，這些壓力容器組合在一個金屬籠中，裝載在卡車上。最大的多元氣體容器有多達81個坦克。圖片來源: Hexagon Purus

? ? ? 氫氟碳化合物有幾個優(yōu)點。首先，它們可以在氫加油站(HFS)加油，泵和噴嘴技術(shù)非常類似于在加油站使用。其次，氫氟碳化合物工藝的唯一排放物是水。第三，氫最終可以通過減少碳化的方法生產(chǎn)出來，這種方法被稱為“綠色”氫。? ? ? 盡管綠色氫技術(shù)仍在開發(fā)中，但其可行性正在幫助催生氫氟碳化合物經(jīng)濟的快速擴張，特別是在輕型、中型和重型卡車、車隊車輛、公共汽車、火車、船舶和一些客運車輛方面。預(yù)計航空航天也將采用氫作為燃燒的燃料來源。? ? ? 這種市場擴張正在增加對氫氣儲存和分配的需求。像汽油一樣，氫氣的儲存主要是在車上完成的，通過一系列碳纖維/環(huán)氧樹脂包裹的壓力容器來實現(xiàn)。車輛越大，需要的壓力容器就越多。分配主要通過在拖拉機掛車上的多個復(fù)合壓力容器中輸送氫來實現(xiàn)。? ? ? 氫的能量密度，在質(zhì)量基礎(chǔ)上，幾乎是汽油的三倍。然而，就體積而言，情況正好相反ーー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，將氫儲存為液體需要低溫溫度，這并不容易或成本低廉。因此，目前，氫氣最有效地以氣體的形式儲存，通常壓縮在350-700 bar的范圍內(nèi)。

圖4 組成氫燃料補給站(HRS)的元件示意圖。IV 型復(fù)合壓力容器可用于管道拖車，以便將 H2輸送到加油站和/或用于現(xiàn)場緩沖儲存的級聯(lián)儲罐。圖片來源: CW

??? ? 氫燃料電池汽車(HFCV)的行駛里程取決于它可以儲存的氫的總質(zhì)量，而質(zhì)量容量取決于壓力容器的大小和氣體的壓力。例如，2022年的豐田 Mirai HFCV 有三個142升 IV 型油箱，每個最大壓力額定值為700巴，氫氣質(zhì)量容量為5.6公斤。每輛車的氫總?cè)萘渴?6.8千克，續(xù)航里程是360英里?？ㄜ?、公共汽車和其他大型車輛上的儲氫罐更大，儲氫罐的數(shù)量也更多。

壓力容器經(jīng)濟學(xué)

? ? ? 碳纖維/環(huán)氧樹脂壓力容器采用濕法纏繞或纖維纏繞制造。這里的好消息是，纖維纏繞可以相對容易地實現(xiàn)自動化，因此增加生產(chǎn)能力將是非?？煽氐摹南⑹?，氫氣壓力容器所需的碳纖維類型相對昂貴，目前的產(chǎn)量還不能滿足需求。

? ? 氫壓力容器選用的碳纖維是東麗復(fù)合材料美國公司(Tacoma，Washington，U.S.)的 T700S，這是一種標(biāo)準(zhǔn)模量(SM)纖維。所有主要的碳纖維制造商都提供類似的碳纖維，包括 Hexcel (斯坦福，Conn. ，美國) ，三菱集團(東京，日本) ，帝人(東京，日本) ，SGL Carbon (威斯巴登，德國)和其他公司。

? ? ? 每個儲罐使用的碳纖維取決于儲罐的容量和壓力等級，但是一個很好的經(jīng)驗法則是每儲存1公斤氫氣需要10公斤碳纖維。所以，一個容納5公斤氫氣的容器在700bar的時候需要50公斤的碳纖維。

? ? ? 這個市場的最終挑戰(zhàn)可能是可靠的碳纖維供應(yīng)之一。目前有9家主要的碳纖維儲氫壓力容器制造商: 福瑞西亞(faureca)、韓華西馬龍(Hanwha Cimmaron)、六邊形復(fù)合材料(Hexagon Composite)、六邊形普魯斯(Hexagon Purus)、伊爾金海索勒斯(Iljin Hysolus)、 NPROXX、塑料萬能(Plasticalomnium)、豐田(Toyota)和豐田合成(Toyoda Gosei)。在未來五年內(nèi)，所有項目都將不同程度地擴大油罐的生產(chǎn)。據(jù)估計，到2025年，氫儲存市場的總體市場將接近50萬個碳纖維復(fù)合材料儲罐。未來，滿足這個市場的需求可能是一個挑戰(zhàn)。

? ? ? 碳纖維生產(chǎn)是資本密集型和昂貴的，一條碳纖維生產(chǎn)線需要大約1億美元的投資和兩年的建設(shè)。正因為如此，碳纖維生產(chǎn)商不愿意在沒有令人信服的商業(yè)理由的情況下投資新產(chǎn)能。

? ? ? 氫氣市場似乎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)對罐體制造商發(fā)出的需求信號仍有待觀察。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、航空航天和汽車等。

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