【国外前沿】氢气助推复合材料产业发展，储氢瓶市场大放光彩

氢气可被直接点燃或用于燃料电池发电，排放物仅仅是水和热。随着世界加速向零排放的交通和工业转型，氢气是一个关键的助推因素。然而，生产数百万个储氢瓶需要非常大量的碳纤维，原材料短缺问题可能导致燃料电池汽车生产和基础设施建设的目标无法及时得到满足。

IV型储氢瓶增长的其他可能障碍包括碳纤维的成本，还有与金属低温储氢瓶相比，碳纤维增强聚合物储罐较低的储存密度。储氢瓶制造商Plastic Omnium和法国汽车一级供应商佛吉亚已经设定了目标，到2030年将IV型储氢瓶成本降低30-75%，同时将储存效率提高到7%以上。一些新技术也在同步开发：像Cevotec的纤维贴片技术（Fiber Patch Placement）来减少碳纤维增强聚合物在储气瓶穹顶区域的制造时间和成本，又如Cygnet Texkimp的3D缠绕工艺来减少纤维损坏。最后，复合材料传感器集成专家Com&Sens提出原位储罐监测技术，提高储氢瓶寿命，降低维护成本。

加氢站

据H2stations.org在2021年2月的一份报告中指出，2020年有107个加氢站投入运营，是迄今为止最高的年投入数。随着2021年1月又增加了7个，现在全球有560个加氢站在运行，并已计划再增加225个站。氢能委员会2021年2月的 '氢能观察 '报告估计，到2030年将需要10300个加氢站，以实现燃料电池汽车的发展目标。

碳纤维储氢瓶正被广泛用于加氢站。海克斯康复合材料公司向Resato公司提供了用于海牙的大型加氢站的瓶体，NPROXX公司向区域巴士运营商RVK出售了用于两个加氢站的瓶体。

图1.加氢站的要素示意图。IV型储氢瓶可用于管式拖车，将氢气输送到站内。或者使用甲烷蒸汽转化器或电解装置在现场生成

氢气通过管道拖车、液体罐车或管道供应给加氢站，或者使用甲烷蒸汽转化器或电解装置在现场生成（图1）。IV型碳纤维储氢瓶可用于输送氢气的管道拖车，也可用于现场缓冲储存。

图2.加氢站的粗略设计，使用甲烷蒸汽转化器和I型钢储氢瓶进行缓冲储存，需要25 x 35英尺的储存空间

加氢站的这些装置必须适合目前的加油站占地面积，需要考虑已经被汽油和柴油泵、便利店等占据的面积。

相比I型钢储氢瓶， IV型储氢瓶的成本高出30-35%，使罐体成本从120万美元增加到160万美元，这将消耗掉一个典型加氢站300万美元预算的一半以上。'毫无疑问，钢制储氢瓶的价格要比复合材料储氢瓶的价格低得多，'海克斯康复合材料公司负责研发的高级副总裁Rick Rashilla说，'但在一些应用中，复合材料储氢瓶是一个很好的解决方案。例如，我们在欧洲的一些客户将这种罐子安装在氢气站屋顶、压缩机或其他设备的顶部，以减少整体占地面积。这得益于IV型储氢瓶轻质的特性。金属罐虽然成本较低，但通常需要在地面安装，而且由于其重量，你不能把它们堆得太高，而复合材料储氢瓶可以堆得很高，这就减少了储存空间。'

相对于钢储氢瓶而言，复合材料储氢瓶在直径或压力上是否受到限制？海克斯康复合材料研发部的首席工程师Brian Yeggy这样解释道“任何压力容器的壁厚都必须随着压力和尺寸的增加而增加，但在复合材料技术中没有任何限制，我们无需在700巴的压力下制造更大直径的罐子。”目前，海克斯康最大的储罐直径为580毫米/22.8英寸，长3.3米/10.8英尺，用于500巴压力氢气的固定储存。公司还有一个1000巴、直径为20英寸的固定储气罐。Yeggy说：'这不是我们技术的限制，只是按照我们客户要求去做的。我们已经将复合材料储氢瓶的直径扩大到42英寸，长51英尺，可在250巴的条件下储存。'

他补充说：“压力越高，复合材料看起来越有吸引力，但由于需要更高的壁厚，无论什么材料，系统的总成本都会更高。”

那么，在每天多达10次加压循环的情况下，复合材料储氢瓶能否满足加氢站15年寿命的需求呢？Yeggy表示：'这将相当于最多55,000次循环。我们的大多数产品已经通过了15至30年的认证，按照45,000次循环的标准，证明到150%的过度填充不会出故障。我们还对几个直径27英寸、379巴的油罐进行了11万次循环测试，同样没有出现故障[图3]，我们有一个直径14英寸、380巴的油罐，已经进行了100万次循环测试，每次循环的压力为其工作压力的150%。因此，我认为IV型储氢瓶能够满足加氢站所需的循环范围。'

图3.IV型储氢瓶可处理加气循环

氢气的分配与玻璃纤维

管式拖车代表了复合材料储氢瓶的另一个市场——即用于将氢气从生产点分配或运输到加氢站或工业现场。这是韩华Cimarron复合材料公司、海克斯康和NPROXX的一个关键市场。在海克斯康，这个市场预计将占公司2021年收入的40%以上。“对于氢气来说，我们的大多数分配气瓶是350巴，并有向500巴及以上的趋势，”海克斯康的Rashilla说，“由于需要机载更多的氢气，很可能也会有700巴的气瓶；但性能与运输成本始终会有一个平衡。'

NPROXX公司总经理兼销售主管Michael Himmen解释说，氢动力汽车的增长需要加气站，而加气站又依赖于燃料运输，'我们可能会在未来两年提出船舶和集装箱设计方面的新解决方案。'这里，术语 '容器 '指的是运输模块的包装方式。海克斯康用于500巴氢气运输的X-STORE模块包括一个10、20、30或40英尺长的金属框架拖车，上面有22、52、82或103个IV型气瓶，总共携带240、565、890或1115公斤氢气。Cimarron复合材料公司的Neptune 517巴的IV型储氢瓶，直径为30英寸，长度为19英尺，可以在一个20英尺的标准集装箱中装入9个容器，装入600公斤的氢气，在40英尺的集装箱中则是这个数量的两倍。

图4.IV型玻璃纤维储氢瓶IV型玻璃纤维复合材料储罐与碳纤维复合材料相比成本更低，但与钢相比重量更轻（上图中的橙色方块）

Umoe高级复合材料公司也以氢气气体运输为目标，但没有使用碳纤维。相反，该公司生产的IV型储氢瓶使用行业标准的T4塑料衬垫，外包裹丝状缠绕的玻璃纤维/环氧树脂组合物。Umoe目前正在供应从200巴到350巴的模块，并将在2022年扩大到450巴和500巴的储瓶。玻璃纤维增强聚合物储氢瓶的资本支出与钢制储瓶接近，但重量减少70%（图4）。同时，玻璃纤维储氢瓶与碳纤维相比，尽管重量略高，但资本支出减少了50%。2021年5月，Umoe宣布成立一家合资企业，在中国建立一个新的工厂，到2022年，产能将从每年1万个气瓶（1700-2000升的大小）扩大到2万个。同时，它将把挪威的产能提高到4000个/年。

成本和存储效率

除了成本之外，IV型储氢瓶的另一个关键问题是存储密度，也就是说，在一定体积内可以储存多少氢气。这里的关键指标被称为重力、重量或质量比，并被定义为储存氢气的质量除以瓶体或储存系统的质量。2019年对储氢系统的审查列出了I型、II型和III型储氢瓶的存储密度分别为1.7%、2.1%和4.2%。这个指标也可称为存储密度或效率。对于IV型储氢瓶，由于通过优化纤维缠绕模式减少了20%的碳纤维增强聚合物用量，丰田公司在2014年为其700巴的储氢瓶确定了5.7%的存储效率基准值。佛吉亚在其碳纤维增强IV型储氢瓶中声称的优势之一是其大于7%的存储效率。2019年，NPROXX推出了700巴的IV型储氢瓶，存储密度为6.4%，而Iljin Hysolus公司为现代Nexo燃料电池乘用车生产的储氢瓶平均为6.3%。

由海克斯康复合材料公司制造的储氢瓶，储存效率在5%至7%之间，Yeggy指出：'我们正在不断地进行研究，以提高存储效率，但你把储氢瓶做得越轻，就必须更精确，就会失去更多的损伤容忍度。而成本是一个很大的因素。要实现将存储效率提高10%这一目标，成本将超过除气瓶外车辆的总和。'

尽管20多年来，降低储气瓶成本一直是美国能源部众多项目所追求的目标，但佛吉亚声称，到2030年，它将把储氢瓶的成本降低75%，每公斤氢气从1300欧元降至315欧元。Plastic Omnium的目标相对温和：减少30%的成本。NPROXX更同意后者的看法，基于到2030年生产的更大数量的储氢瓶，他们的分析是，可以将成本下降25-30%。然而，碳纤维占储氢瓶成本的60%。根据能源部的成本模型显示，更高的产量并不能显著降低纤维价格。海克斯康复合材料公司的Rashilla说，海克斯康已经与美国能源部合作开展了各种储氢瓶和碳纤维成本降低项目，在不久的将来有可能开展其他项目。

再认证和监测储氢瓶

Rashilla指出，另一种降低成本的方法是通过海克斯康的数字波业务部门，该部门使用模态声发射（ModalAcoustic Emission）在监管寿命结束时对储瓶进行检查，分析储瓶的完整性，并提供额外服务。模态声发射使用先进的电子和传感器，旨在提高灵敏度和数据准确性。“延长储氢瓶的寿命是降低成本和排放的好办法，这一点已经在消防员用的碳纤维复合材料储气瓶上得到了证明。我们还为2010-2015年达到使用年限的第一批生产的压缩天然气罐做了这项工作，数字波测试可以很好验证一个储氢瓶有没有损坏。”

图5.用于优化储氢瓶生产、监测和设计的光纤传感器

Com&Sens介绍了嵌入式光纤布拉格光栅（FBG）光纤传感器如何用于优化复合罐生产和原位健康监测。FBG光纤线可以在槽层压板进行长丝缠绕时从线轴上共同缠绕。每根光纤的长度可以是1-100米，有多达20个传感点，间距最小为1厘米。

Com&Sens公司的联合创始人Eli Voet表示，每个传感点都被安置在光纤内，以便在复合材料层压板的环形或螺旋形层内的任何离散位置进行测量。他解释说，嵌入在层压板中的光纤布拉格光栅可以感知材料内部的应变重新分布。这些传感器可用于生产过程优化，允许了解和数字化以前无法测量的过程参数，在固化、疲劳循环和爆裂试验中捕捉全系统的应力、应变和温度测量，将有助于设计者验证有限元模型，并优化未来设计中的材料使用等。但最有希望的应用也许是在瓶体服役期间进行生命周期和结构完整性监测，增加对氢气技术的接受度和信心。

真正的变革迅速到来

根据氢能委员会2021年的 '氢能观察 '报告，75个国家有零排放战略，20多个国家宣布在2035年之前禁止销售内燃机汽车。除氢气外，电池_-电力、太阳能和其他替代燃料将是实现这些目标所需解决方案的一部分。然而，政府对氢气的关注和支持日益增加，这不仅要重新思考车辆结构，还要重新思考整个运营的商业模式，而且还需要大量的投资。

除了多种零排放解决方案外，还将继续有多种氢气储存的解决方案，而且不是所有的解决方案都将依赖复合材料或碳纤维。复合材料行业将如何应对正在开发的氢动力汽车、火车_、船舶和加气站等迅速崛起的市场？新类型的碳纤维能否使储氢瓶具有更高的储存效率和更低的成本？'NPROXX的发言人这样告诉大家，“你需要颠覆才能做出真正的改变”。

本文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。

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