對氫氣相關的投資在逐步增加。IV型儲氫瓶制造商NPROXX現在是康明斯50/50的合資企業(yè)，它還收購了燃料電池和氫氣生產電解器的主要供應商

氫氣可被直接點燃或用于燃料電池發(fā)電，排放物僅僅是水和熱。隨著世界加速向零排放的交通和工業(yè)轉型，氫氣是一個關鍵的助推因素。然而，生產數百萬個儲氫瓶需要非常大量的碳纖維，原材料短缺問題可能導致燃料電池汽車生產和基礎設施建設的目標無法及時得到滿足。

IV型儲氫瓶增長的其他可能障礙包括碳纖維的成本，還有與金屬低溫儲氫瓶相比，碳纖維增強聚合物儲罐較低的儲存密度。儲氫瓶制造商Plastic Omnium和法國汽車一級供應商佛吉亞已經設定了目標，到2030年將IV型儲氫瓶成本降低30-75%，同時將儲存效率提高到7%以上。一些新技術也在同步開發(fā)：像Cevotec的纖維貼片技術（Fiber Patch Placement）來減少碳纖維增強聚合物在儲氣瓶穹頂區(qū)域的制造時間和成本，又如Cygnet Texkimp的3D纏繞工藝來減少纖維損壞。最后，復合材料傳感器集成專家Com&Sens提出原位儲罐監(jiān)測技術，提高儲氫瓶壽命，降低維護成本。 

加氫站

據H2stations.org在2021年2月的一份報告中指出，2020年有107個加氫站投入運營，是迄今為止最高的年投入數。隨著2021年1月又增加了7個，現在全球有560個加氫站在運行，并已計劃再增加225個站。氫能委員會2021年2月的 "氫能觀察 "報告估計，到2030年將需要10300個加氫站，以實現燃料電池汽車的發(fā)展目標。

碳纖維儲氫瓶正被廣泛用于加氫站。海克斯康復合材料公司向Resato公司提供了用于海牙的大型加氫站的瓶體，NPROXX公司向區(qū)域巴士運營商RVK出售了用于兩個加氫站的瓶體。

圖1.加氫站的要素示意圖。IV型儲氫瓶可用于管式拖車，將氫氣輸送到站內。或者使用甲烷蒸汽轉化器或電解裝置在現場生成

氫氣通過管道拖車、液體罐車或管道供應給加氫站，或者使用甲烷蒸汽轉化器或電解裝置在現場生成（圖1）。IV型碳纖維儲氫瓶可用于輸送氫氣的管道拖車，也可用于現場緩沖儲存。

圖2.加氫站的粗略設計，使用甲烷蒸汽轉化器和I型鋼儲氫瓶進行緩沖儲存，需要25 x 35英尺的儲存空間

加氫站的這些裝置必須適合目前的加油站占地面積，需要考慮已經被汽油和柴油泵、便利店等占據的面積。

相比I型鋼儲氫瓶， IV型儲氫瓶的成本高出30-35%，使罐體成本從120萬美元增加到160萬美元，這將消耗掉一個典型加氫站300萬美元預算的一半以上。"毫無疑問，鋼制儲氫瓶的價格要比復合材料儲氫瓶的價格低得多，"海克斯康復合材料公司負責研發(fā)的高級副總裁Rick Rashilla說，"但在一些應用中，復合材料儲氫瓶是一個很好的解決方案。例如，我們在歐洲的一些客戶將這種罐子安裝在氫氣站屋頂、壓縮機或其他設備的頂部，以減少整體占地面積。這得益于IV型儲氫瓶輕質的特性。金屬罐雖然成本較低，但通常需要在地面安裝，而且由于其重量，你不能把它們堆得太高，而復合材料儲氫瓶可以堆得很高，這就減少了儲存空間。"

相對于鋼儲氫瓶而言，復合材料儲氫瓶在直徑或壓力上是否受到限制？海克斯康復合材料研發(fā)部的首席工程師Brian Yeggy這樣解釋道“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，但在復合材料技術中沒有任何限制，我們無需在700巴的壓力下制造更大直徑的罐子。”目前，海克斯康最大的儲罐直徑為580毫米/22.8英寸，長3.3米/10.8英尺，用于500巴壓力氫氣的固定儲存。公司還有一個1000巴、直徑為20英寸的固定儲氣罐。Yeggy說："這不是我們技術的限制，只是按照我們客戶要求去做的。我們已經將復合材料儲氫瓶的直徑擴大到42英寸，長51英尺，可在250巴的條件下儲存。"

他補充說：“壓力越高，復合材料看起來越有吸引力，但由于需要更高的壁厚，無論什么材料，系統(tǒng)的總成本都會更高。”

那么，在每天多達10次加壓循環(huán)的情況下，復合材料儲氫瓶能否滿足加氫站15年壽命的需求呢？Yeggy表示："這將相當于最多55,000次循環(huán)。我們的大多數產品已經通過了15至30年的認證，按照45,000次循環(huán)的標準，證明到150%的過度填充不會出故障。我們還對幾個直徑27英寸、379巴的油罐進行了11萬次循環(huán)測試，同樣沒有出現故障[圖3]，我們有一個直徑14英寸、380巴的油罐，已經進行了100萬次循環(huán)測試，每次循環(huán)的壓力為其工作壓力的150%。因此，我認為IV型儲氫瓶能夠滿足加氫站所需的循環(huán)范圍。"

圖3.IV型儲氫瓶可處理加氣循環(huán)

氫氣的分配與玻璃纖維

管式拖車代表了復合材料儲氫瓶的另一個市場——即用于將氫氣從生產點分配或運輸到加氫站或工業(yè)現場。這是韓華Cimarron復合材料公司、海克斯康和NPROXX的一個關鍵市場。在海克斯康，這個市場預計將占公司2021年收入的40%以上。“對于氫氣來說，我們的大多數分配氣瓶是350巴，并有向500巴及以上的趨勢，”海克斯康的Rashilla說，“由于需要機載更多的氫氣，很可能也會有700巴的氣瓶；但性能與運輸成本始終會有一個平衡。"

NPROXX公司總經理兼銷售主管Michael Himmen解釋說，氫動力汽車的增長需要加氣站，而加氣站又依賴于燃料運輸，"我們可能會在未來兩年提出船舶和集裝箱設計方面的新解決方案。"這里，術語 "容器 "指的是運輸模塊的包裝方式。海克斯康用于500巴氫氣運輸的X-STORE模塊包括一個10、20、30或40英尺長的金屬框架拖車，上面有22、52、82或103個IV型氣瓶，總共攜帶240、565、890或1115公斤氫氣。Cimarron復合材料公司的Neptune 517巴的IV型儲氫瓶，直徑為30英寸，長度為19英尺，可以在一個20英尺的標準集裝箱中裝入9個容器，裝入600公斤的氫氣，在40英尺的集裝箱中則是這個數量的兩倍。

圖4.IV型玻璃纖維儲氫瓶

IV型玻璃纖維復合材料儲罐與碳纖維復合材料相比成本更低，但與鋼相比重量更輕（上圖中的橙色方塊）

Umoe高級復合材料公司也以氫氣氣體運輸為目標，但沒有使用碳纖維。相反，該公司生產的IV型儲氫瓶使用行業(yè)標準的T4塑料襯墊，外包裹絲狀纏繞的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂組合物。Umoe目前正在供應從200巴到350巴的模塊，并將在2022年擴大到450巴和500巴的儲罐。玻璃纖維增強聚合物儲罐的資本支出與鋼制儲瓶接近，但重量減少70%（圖4）。同時，玻璃纖維儲氫瓶與碳纖維相比，盡管重量略高，但資本支出減少了50%。2021年5月，Umoe宣布成立一家合資企業(yè)，在中國建立一個新的工廠，到2022年，產能將從每年1萬個氣瓶（1700-2000升的大小）擴大到2萬個。同時，它將把挪威的產能提高到4000個/年。

成本和存儲效率

除了成本之外，IV型儲氫瓶的另一個關鍵問題是存儲密度，也就是說，在一定體積內可以儲存多少氫氣。這里的關鍵指標被稱為重力、重量或質量比，并被定義為儲存氫氣的質量除以瓶體或儲存系統(tǒng)的質量。2019年對儲氫系統(tǒng)的審查列出了I型、II型和III型儲氫瓶的存儲密度分別為1.7%、2.1%和4.2%。這個指標也可稱為存儲密度或效率。對于IV型儲氫瓶，由于通過優(yōu)化纖維纏繞模式減少了20%的碳纖維增強聚合物用量，豐田公司在2014年為其700巴的儲氫瓶確定了5.7%的存儲效率基準值。佛吉亞在其碳纖維增強IV型儲氫瓶中聲稱的優(yōu)勢之一是其大于7%的存儲效率。2019年，NPROXX推出了700巴的IV型儲氫瓶，存儲密度為6.4%，而Iljin Hysolus公司為現代Nexo燃料電池乘用車生產的儲氫瓶平均為6.3%。

由海克斯康復合材料公司制造的儲氫瓶，儲存效率在5%至7%之間，Yeggy指出："我們正在不斷地進行研究，以提高存儲效率，但你把儲氫瓶做得越輕，就必須更精確，就會失去更多的損傷容忍度。而成本是一個很大的因素。要實現將存儲效率提高10%這一目標，成本將超過除氣瓶外車輛的總和。"

盡管20多年來，降低儲氣瓶成本一直是美國能源部眾多項目所追求的目標，但佛吉亞聲稱，到2030年，它將把儲氫瓶的成本降低75%，每公斤氫氣從1300歐元降至315歐元。Plastic Omnium的目標相對溫和：減少30%的成本。NPROXX更同意后者的看法，基于到2030年生產的更大數量的儲氫瓶，他們的分析是，可以將成本下降25-30%。然而，碳纖維占儲氫瓶成本的60%。根據能源部的成本模型顯示，更高的產量并不能顯著降低纖維價格。海克斯康復合材料公司的Rashilla說，海克斯康已經與美國能源部合作開展了各種儲氫瓶和碳纖維成本降低項目，在不久的將來有可能開展其他項目。

重新認證和監(jiān)測儲氫瓶

Rashilla指出，另一種降低成本的方法是通過海克斯康的數字波業(yè)務部門，該部門使用模態(tài)聲發(fā)射（ModalAcoustic Emission）在監(jiān)管壽命結束時對儲瓶進行檢查，分析儲瓶的完整性，并提供額外服務。模態(tài)聲發(fā)射使用先進的電子和傳感器，旨在提高靈敏度和數據準確性。“延長儲氫瓶的壽命是降低成本和排放的好辦法，這一點已經在消防員用的碳纖維復合材料儲氣瓶上得到了證明。我們還為2010-2015年達到使用年限的第一批生產的壓縮天然氣罐做了這項工作，數字波測試可以很好驗證一個儲氫瓶有沒有損壞。”

圖5.用于優(yōu)化儲氫瓶生產、監(jiān)測和設計的光纖傳感器

Com&Sens介紹了嵌入式光纖布拉格光柵（FBG）光纖傳感器如何用于優(yōu)化復合罐生產和原位健康監(jiān)測。FBG光纖線可以在槽層壓板進行長絲纏繞時從線軸上共同纏繞。每根光纖的長度可以是1-100米，有多達20個傳感點，間距最小為1厘米。

Com&Sens公司的聯合創(chuàng)始人Eli Voet表示，每個傳感點都被安置在光纖內，以便在復合材料層壓板的環(huán)形或螺旋形層內的任何離散位置進行測量。他解釋說，嵌入在層壓板中的光纖布拉格光柵可以感知材料內部的應變重新分布。這些傳感器可用于生產過程優(yōu)化，允許了解和數字化以前無法測量的過程參數，在固化、疲勞循環(huán)和爆裂試驗中捕捉全系統(tǒng)的應力、應變和溫度測量，將有助于設計者驗證有限元模型，并優(yōu)化未來設計中的材料使用等。但最有希望的應用也許是在瓶體服役期間進行生命周期和結構完整性監(jiān)測，增加對氫氣技術的接受度和信心。

真正的變革迅速到來

根據氫能委員會2021年的 "氫能觀察 "報告，75個國家有零排放戰(zhàn)略，20多個國家宣布在2035年之前禁止銷售內燃機汽車。除氫氣外，電池-電力、太陽能和其他替代燃料將是實現這些目標所需解決方案的一部分。然而，政府對氫氣的關注和支持日益增加，這不僅要重新思考車輛結構，還要重新思考整個運營的商業(yè)模式，而且還需要大量的投資。

除了多種零排放解決方案外，還將繼續(xù)有多種氫氣儲存的解決方案，而且不是所有的解決方案都將依賴復合材料或碳纖維。復合材料行業(yè)將如何應對正在開發(fā)的氫動力汽車、火車、船舶和加氣站等迅速崛起的市場？新類型的碳纖維能否使儲氫瓶具有更高的儲存效率和更低的成本？"NPROXX的發(fā)言人這樣告訴大家，“你需要顛覆才能做出真正的改變”。

本文由中國復合材料工業(yè)協(xié)會編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業(yè)協(xié)會。