未來5年，復合材料儲氫瓶市場或迎來爆發式增長
更新時間：2021-07-29 09:17:48
編輯：秘書處
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STELIA航宇復合材料公司在設計、認證和制造具備工業長絲纏繞能力的復合材料壓力容器上，已經有足足35年的行業經驗。STELIA航宇復合材料公司成立于1984年，目前是法國宇航公司的一部分。公司位于波爾多郊外。坐擁4公頃面積的廠房和綜合測試實驗室，雇員330名。STELIA航宇復合材料公司旗下有三個核心業務部門：飛機結構部，飛機客艙部件部，還有長絲纏繞儲氣系統部。其中，儲氣系統部成為核心業務部已超過35年，有著完善的儲氫、儲氧還有儲氮的解決方案。自1985年以來，已生產了超過70000個復合材料覆蓋（II型、III型和IV型，詳見下圖）高壓瓶，用于各種應用。
高壓氣態儲氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)4個類型，及其相關性能指標
公司從1998年就開始研究氫氣儲存，并為法國替代能源和原子能委員會研制出了9升可承受700巴壓力的氣瓶。除此之外，STELIA航宇復合材料公司也和法國汽車制造商Groupe PSA，全球工業天然氣公司Air Liquide，及汽車一級供應商福雷西亞合作過。STELIA航宇復合材料公司首席技術官克里斯托弗·布洛伊斯說：“我們在加壓儲氣領域有著很高的知名度。隨著最近各種各樣的綠色飛行器的公布，還有法國和歐盟對零排放經濟轉型的愈發支持，有越來越多的公司聯系我們。”
航天級儲氫瓶的研發經驗
作為STELIA航宇公司的子公司，STELIA航宇復合材料公司大部分壓力容器制造經驗一直尋求在航空航天和國防方面的應用。布洛伊斯說："我們有制造容量達5000升氣瓶的工業纏繞成型工藝，但我們對氣瓶的完整設計更加專業，為了滿足客戶的技術需求而量身定做。這包括尺寸選擇，材料測試和選擇，有限元分析建模，以及合格檢測（如壓力循環和爆裂測試）。最后還包括各行業標準和法規的認證服務。”他指出，在不到18個月的時間里，STELIA航宇復合材料公司完成了一項關鍵的衛星儲氫瓶應用設計。該儲氫瓶符合航天工業的質量標準，并充分降低了生產成本。“我們確保其質量過關，符合工業化標準，現在我們在產的還有四個。”
推進汽車儲氫瓶研發
STELIA航宇復合材料公司生產的儲氫瓶，涵蓋了容積2.4到143升、壓力100到700巴的不同組合。布洛伊斯說：“我們是儲氫瓶設計的領導者，有著龐大的生態系統。”2016年11月，STELIA航宇復合材料公司宣布成功研發了140升的新型碳纖維/環氧復合材料儲氫瓶，旨在提高燃料電池電動汽車的續航能力。這與2021年豐田未來和本田Clarity燃料電池電動車中儲存的氫氣量大致相同，如圖1中所示。但是，只有Clarity使用的單儲氫瓶，同期另外兩種在產電動車——豐田未來和現代Nexo，均是三儲氫瓶。
黃色文本顯示了STELIA航宇復合材料公司將相關技術轉移給福雷西亞，用于其生產燃料電池電動車儲氫瓶。福雷西亞生產的儲氫瓶最終達到7.3%的質量分數（儲存效率）。質量分數是氫氣質量與儲氫瓶系統質量之比，又稱儲存效率。福雷西亞在2017年5月的新聞稿中宣布，它已獲得STELIA航宇復合材料公司有關復合材料氫氣瓶的知識產權和工藝的獨家許可。2018年4月，兩家公司在巴黎Hyvolution活動上共同展示了一個尖端的儲氫瓶原型。福雷西亞的目標是成為燃料電池技術的領導者，其預測有500萬輛燃料電池電動車將在2035年前投入運營。壓縮儲氫瓶的主要問題在于如何應對氫氣的低體積密度。即使在700巴的壓力下，壓縮氣體儲瓶大小也要大于液態氫儲瓶。舉例來說，5公斤氫氣在700巴壓力和常溫狀態下，需儲存在125升的儲氫瓶中，而5公斤液態氫在常壓和-252.87°C的低溫下，75升容量的儲瓶就可以滿足。這就是為什么航空業把關注點給了液氫燃料飛機，還有汽車制造商在為解決氫氣體積和質量問題而頭痛。據悉，很多汽車和卡車制造商為了滿足車輛所需的更高壓力和更大尺寸，增加了所需碳纖維增強復合材料用量，卻大幅增加了儲氫瓶的成本。從圖表中也可以看出，福雷西亞開發的 69 升油箱的重量比目前生產的三款燃料電池電動車汽車都要高。唯一有記錄的儲存效率高于福雷西亞儲氫瓶的報告，是來自寶馬公司2012-2015年報告的低溫壓縮氫氣（CcH2）/壓縮氫氣（CGH2）混合儲氫瓶原型。但該系統沒有投放到量產車輛中。寶馬聲稱，通過同時控制溫度（例如，233°C至-193°C的低溫）和壓力（如350巴），可以消除傳統液態氫儲氫瓶中的沸騰問題，同時實現遠遠高于壓縮氫氣甚至液態氫系統的儲存效率。
未來儲氫瓶發展的討論
STELIA航宇復合材料公司的首席技術官布洛伊斯已經在公司工作了30年。在被問及關于這次和Air Liquide的合作，后者是否認真考慮過開發復合材料儲氫瓶的事宜。布洛伊斯表示：“他們對復合材料儲氫瓶的開發很感興趣，我們之前也合作過。但復合材料一般只用于移動儲氣系統，因為車輛的續航能力直接取決于儲氫量，而復合材料恰好能通過減輕重量來變相提高其續航。對于固定儲氫系統，就沒有什么興趣了。布洛伊斯還指出，大多固定儲氫應用都是在低壓條件下操作。“如果在700巴的壓力環境下，復合材料才有用武之地，200巴則完全沒有必要，因為你完全可以用金屬材質的儲氫瓶。
STELIA航宇復合材料公司專業從事航空航天，工業，軍事國防領域的儲氫瓶制造。左圖：長度3200毫米，外直徑1500毫米，容積4800升，壓力30巴。右圖：長度7000毫米，外直徑473毫米。圖片來源STELIA航宇復合材料公司。
布洛伊斯：最高可以實現1000巴的壓力，復合材料瓶壁的厚度和儲氫瓶的壓力承受能力直接有關，同時也決定了儲氫瓶的直徑。目前的限制在于，儲氫瓶內外壁超過一定的厚度，復合材料的性能表現就會隨著厚度的增加而變差。布洛伊斯：由于飛機需要大量的氫氣，高密度的低溫氣體比常規壓縮氣體更有吸引力。但是，氣體在儲氫瓶中很難長時間保持在-233°C至-193°C的溫度范圍內。所以仍然有必要研制技術解決方案。布洛伊斯：未來船只的儲氫瓶有應用可能，但現在還不是時候，對于當今普遍的700巴船只儲氫瓶，使用熱塑性復合材料顯得有些大材小用了。然而，熱塑性襯里（應用于IV型儲氫瓶）的技術確實是提升儲氫瓶性能的關鍵，在未來，全球熱塑性儲氫瓶的大范圍應用，有望提高可回收性和可持續性。<section data-darkmode-bgcolor-16275189099639="rgb(25, 25, 25)" data-darkmode-original-bgcolor-16275189099639="#fff|rgb(255,255,255)" data-style="background: white; margin-bottom: 10px;" class="js_darkmode__98" styl