圖1? 目前對(duì)H2的投資逐漸增加。IV 型罐制造商 NPROXX 現(xiàn)在是一個(gè)50/50與康明斯合資企業(yè)，該公司還收購(gòu)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(zhǎng)度為2,200毫米的汽車(chē)/重型坦克以350巴的高度儲(chǔ)存 H2。圖片來(lái)源：NPROXX

? ? ? 高壓氣體儲(chǔ)存容器是先進(jìn)復(fù)合材料，特別是纏繞碳纖維復(fù)合材料最大和增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一。主要的終端市場(chǎng)是儲(chǔ)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(chē)輛，但在發(fā)展中國(guó)家，烹飪和取暖的市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大。

? ? 近年來(lái)，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(shū)，用氫動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)改造現(xiàn)有的渦輪螺旋槳飛機(jī)。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(gòu)，并宣布在阿拉巴馬州歐佩萊卡（Opelika, Ala.）新建一個(gè)價(jià)值1.3億美元的生產(chǎn)基地。另一家復(fù)合材料罐制造商N(yùn)PROXX（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(tái)內(nèi)燃機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)投資用于氫氣生產(chǎn)的電解器、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池和儲(chǔ)氫罐。

? ? ? CNG、 RNG 和 H2燃料系統(tǒng)越來(lái)越多地用于客車(chē)、公共汽車(chē)、卡車(chē)和其他車(chē)輛，或用于大宗運(yùn)輸/配送(也稱(chēng)移動(dòng)管道) ，以供應(yīng)加油站或工業(yè)場(chǎng)所。在車(chē)輛中，這些燃料儲(chǔ)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。這些動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)還提供了一種替代電池動(dòng)力汽車(chē)的無(wú)電荷加油基礎(chǔ)設(shè)施和加油時(shí)間類(lèi)似于化石燃料。? ? ??壓力容器分為五類(lèi)：? ? ? 類(lèi)型 I ：全金屬結(jié)構(gòu)，一般為鋼結(jié)構(gòu)。? ? ? 類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型V ：無(wú)線(xiàn)型，全復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖2 ?壓力容器類(lèi)型, 美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）劃分的壓力容器類(lèi)型和結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：CW

? ? ? 歷史上，I 型占據(jù)了90% 以上的市場(chǎng)份額。然而，隨著使用復(fù)合材料來(lái)減輕重量和提高壓縮氣體儲(chǔ)存效率的 III 型和 IV 型容器的銷(xiāo)售增加，這種情況正在開(kāi)始改變。類(lèi)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(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。? ? ? IV型儲(chǔ)氫罐的預(yù)測(cè)增長(zhǎng)趨勢(shì)巨大。例如，?？怂箍祻?fù)合材料公司（Hexagon Composites,Alesund, Norway）是IV型儲(chǔ)氫罐生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，它已從Hexagon Purus公司分離出來(lái)，并專(zhuān)注于零排放氫氣和電池電動(dòng)系統(tǒng)和存儲(chǔ)。據(jù)該公司估計(jì)，從2025年到2030年，儲(chǔ)氫罐的收入將增加630%。? ? ? 然而，IV型儲(chǔ)氫罐也面臨著嚴(yán)重的問(wèn)題。最值得注意的是，碳纖維的高成本使得這些儲(chǔ)氫罐非常昂貴。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是存儲(chǔ)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?lái)容納儲(chǔ)存足夠燃料所需要的高壓。對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用，與金屬替代品相比，CFRP IV型儲(chǔ)氫罐輕量的優(yōu)勢(shì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力。

新興的氫能經(jīng)濟(jì)

? ? ??壓力容器市場(chǎng)中發(fā)展最快的部分是氫儲(chǔ)存。北美、歐洲和中國(guó)在減少機(jī)動(dòng)車(chē)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(guó)，大部分的脫碳努力是由加利福尼亞州推動(dòng)的，該州已經(jīng)出臺(tái)了政策，到2035年禁止銷(xiāo)售天然氣驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。這種努力和其他努力已經(jīng)導(dǎo)致非常公開(kāi)的努力，汽車(chē)和卡車(chē)制造商推出新的電池電動(dòng)汽車(chē)(BEV)生產(chǎn)線(xiàn)。

? ? ? 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(shí)間長(zhǎng)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(wèn)題，該法案將在未來(lái)10年提供1萬(wàn)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(huì)越來(lái)越容易，越來(lái)越快，但金屬資源的挑戰(zhàn)并不容易解決。正因?yàn)槿绱耍\(yùn)輸業(yè)的一些部門(mén)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(guò)多元?dú)怏w容器(MEGC)輸送的，MEGC 是由多個(gè)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(gè)金屬籠中，裝載在卡車(chē)上。最大的多元?dú)怏w容器有多達(dá)81個(gè)坦克。圖片來(lái)源: Hexagon Purus

? ? ? 氫氟碳化合物有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們可以在氫加油站(HFS)加油，泵和噴嘴技術(shù)非常類(lèi)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(guò)減少碳化的方法生產(chǎn)出來(lái)，這種方法被稱(chēng)為“綠色”氫。? ? ? 盡管綠色氫技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)中，但其可行性正在幫助催生氫氟碳化合物經(jīng)濟(jì)的快速擴(kuò)張，特別是在輕型、中型和重型卡車(chē)、車(chē)隊(duì)車(chē)輛、公共汽車(chē)、火車(chē)、船舶和一些客運(yùn)車(chē)輛方面。預(yù)計(jì)航空航天也將采用氫作為燃燒的燃料來(lái)源。? ? ? 這種市場(chǎng)擴(kuò)張正在增加對(duì)氫氣儲(chǔ)存和分配的需求。像汽油一樣，氫氣的儲(chǔ)存主要是在車(chē)上完成的，通過(guò)一系列碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂包裹的壓力容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。車(chē)輛越大，需要的壓力容器就越多。分配主要通過(guò)在拖拉機(jī)掛車(chē)上的多個(gè)復(fù)合壓力容器中輸送氫來(lái)實(shí)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(chǔ)存，以最大限度地提高其能量密度。但是，將氫儲(chǔ)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(chǔ)存，通常壓縮在350-700 bar的范圍內(nèi)。

圖4 組成氫燃料補(bǔ)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(chē)，以便將 H2輸送到加油站和/或用于現(xiàn)場(chǎng)緩沖儲(chǔ)存的級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐。圖片來(lái)源: CW

??? ? 氫燃料電池汽車(chē)(HFCV)的行駛里程取決于它可以?xún)?chǔ)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(gè)142升 IV 型油箱，每個(gè)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(chē)的氫總?cè)萘渴?6.8千克，續(xù)航里程是360英里?？ㄜ?chē)、公共汽車(chē)和其他大型車(chē)輛上的儲(chǔ)氫罐更大，儲(chǔ)氫罐的數(shù)量也更多。

壓力容器經(jīng)濟(jì)學(xué)

? ? ? 碳纖維/環(huán)氧樹(shù)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(duì)容易地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此增加生產(chǎn)能力將是非?？煽氐?。壞消息是，氫氣壓力容器所需的碳纖維類(lèi)型相對(duì)昂貴，目前的產(chǎn)量還不能滿(mǎn)足需求。

? ? 氫壓力容器選用的碳纖維是東麗復(fù)合材料美國(guó)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(lèi)似的碳纖維，包括 Hexcel (斯坦福，Conn. ，美國(guó)) ，三菱集團(tuán)(東京，日本) ，帝人(東京，日本) ，SGL Carbon (威斯巴登，德國(guó))和其他公司。

? ? ? 每個(gè)儲(chǔ)罐使用的碳纖維取決于儲(chǔ)罐的容量和壓力等級(jí)，但是一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則是每?jī)?chǔ)存1公斤氫氣需要10公斤碳纖維。所以，一個(gè)容納5公斤氫氣的容器在700bar的時(shí)候需要50公斤的碳纖維。

? ? ? 這個(gè)市場(chǎng)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(chǔ)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(wàn)能(Plasticalomnium)、豐田(Toyota)和豐田合成(Toyoda Gosei)。在未來(lái)五年內(nèi)，所有項(xiàng)目都將不同程度地?cái)U(kuò)大油罐的生產(chǎn)。據(jù)估計(jì)，到2025年，氫儲(chǔ)存市場(chǎng)的總體市場(chǎng)將接近50萬(wàn)個(gè)碳纖維復(fù)合材料儲(chǔ)罐。未來(lái)，滿(mǎn)足這個(gè)市場(chǎng)的需求可能是一個(gè)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(xiàn)需要大約1億美元的投資和兩年的建設(shè)。正因?yàn)槿绱耍祭w維生產(chǎn)商不愿意在沒(méi)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(chǎng)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(duì)罐體制造商發(fā)出的需求信號(hào)仍有待觀(guān)察。當(dāng)然，碳纖維制造商還有其他市場(chǎng)需要監(jiān)控，包括風(fēng)能、航空航天和汽車(chē)等。

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