隨著氫產量的不斷增長及應用場景的持續拓展，氫能領域對材料創新的需求愈發迫切。復合材料正重新定義壓力容器，在提升制造效率的同時，解決回收利用、全生命周期成本等關鍵難題。

氫能經濟正從宏偉愿景邁向切實可行的階段，在此過程中，我們面臨的挑戰是：需要既能承受極端工況，又具備成本效益且可規模化應用的材料。英國國家復合材料中心（NCC）正通過先進材料解決方案（如復合材料），將前沿研究與技術轉化為產業影響力，而這類材料已被證實是氫儲存與運輸領域不可或缺的核心要素。盡管現有壓力容器已展現出強勁的商業化潛力，但在減重、降本、優化報廢后回收利用等方面，仍存在巨大的創新空間（圖 1）。

圖 1：英國國家復合材料中心（NCC）憑借技術專長，致力于打通產品全生命周期

2024 年，全球氫能領域的氫產量約達 9700 萬噸 [1]，但其中幾乎全部為 “灰氫”（通過化石燃料制氫且未對碳排放進行處理的氫）。隨著向 “綠氫”（通過可再生能源制氫且實現碳中和的氫）轉型進程的加速，氫能在重工業、交通運輸、可調度電力等領域的新應用不斷涌現，復合材料作為關鍵賦能材料，正為整個供應鏈創造新的機遇。

現有壓力容器技術

復合材料壓力容器已成為氫儲存領域的基石，這背后有著充分的技術依據。與金屬材質壓力容器相比，復合材料具備更優異的重量效率（ gravimetric efficiency ），這一特性使其在移動應用場景中擁有顯著優勢 —— 在承受極端結構載荷的同時，仍能保持輕量化優勢。目前，復合材料壓力容器已廣泛應用于多個領域，涵蓋管式拖車、非公路用車、船舶運輸，以及像 ZeroAvia 公司開展的氫能飛機等前沿應用場景。

不斷增長的產量 [2] 反映出行業對該技術的信心日益增強，如今制造商每年可生產數十萬個復合材料壓力容器。然而，該市場仍處于新興階段，供應商當前正積極擴大產能，以滿足未來幾年預計將大幅增長的市場需求。

現有技術中的創新機遇

盡管復合材料壓力容器已在商業上取得成功，但在多個領域仍有巨大的改進空間：

• 減重：減重仍是該領域的核心需求，其技術難點在于通過明確不同組件間的相互作用，優化材料層合結構設計，從而在重量、性能與安全性之間實現合理平衡。具備實時損傷檢測功能的數字化工具，不僅能減少材料用量，實現更精簡的結構設計，甚至可通過實時追蹤容器狀態，降低安全系數冗余。

• 制造工藝優化：在高壓工況下，即使微小的缺陷也可能嚴重影響壓力容器的性能。因此，開發重復性更高、抗缺陷能力更強的制造工藝，對于提升產能、降低成本至關重要。

• 報廢后解決方案：這是當前面臨的重大挑戰。碳纖維的生產過程能耗極高，且報廢后的處置難度較大。作為致力于解決行業重大難題的國家級創新機構，英國國家復合材料中心（NCC）已率先開展連續纖維回收技術的研究，并探索可實現商業化規模化應用的回收路徑（圖 2）。

• 成本降低：壓力容器在整個氫儲存系統成本中占比極高，因此降低其成本是提升系統經濟性的關鍵。要實現這一目標，必須在產品全生命周期（包括材料、制造、使用、回收）的各個環節開展創新。

圖 2：報廢后（容器）解決方案

基礎設施建設

隨著氫能應用的加速普及，復合材料管道等材料解決方案相較于金屬管道，展現出獨特的優勢。金屬管道需在現場將短管段逐一焊接連接，而復合材料管道以長連續管卷的形式交付，只需現場展開鋪設即可—— 這一特性大幅縮短了安裝時間，降低了施工復雜度。目前，斯特羅姆（Strohm）、索盧福斯（SoluForce）、貝克休斯（Baker Hughes）等企業已推出復合材料管道系統，其中多款產品是由油氣行業應用場景改造而來。

目前，復合材料管道的應用主要局限于工業場地，但隨著氫能需求的增長，其在公共基礎設施領域的應用有望進一步擴大。

新興機遇

液態氫已被視為實現航空業脫碳的重要路徑。作為英國首批設計、測試并制造復合材料低溫氫儲存解決方案的機構之一（圖 3），英國國家復合材料中心（NCC）早已知曉重量對飛機性能的關鍵影響。然而，適用于低溫場景的復合材料，其技術成熟度仍不足以充分發揮這一優勢。

圖 3：低溫環境下的材料測試

那么，復合材料在低溫氫儲存應用中面臨的主要挑戰有哪些？

• 滲透問題：在絕熱系統中，復合材料難以維持所需的真空度。這一現象類似于保溫瓶真空度失效—— 當分子穿透復合材料（尤其當容器部分處于高溫、部分處于低溫環境時），絕熱性能會迅速下降。

• 低溫脆性：在低溫環境下，復合材料會呈現脆性，這不僅降低了材料的抗損傷能力，還會影響其長期耐久性。

• 熱膨脹失配：在低溫環境下，復合材料基體與纖維之間的熱膨脹系數差異會產生顯著的熱應力。熱應力與基體脆性疊加，會導致材料損傷加劇，進而同時影響滲透性能與結構完整性。

盡管空客（Airbus）等巨頭已將氫能飛機的商業化時間表至少推遲了十年，但相關技術研發并未停滯。目前，眾多企業與機構正針對不同尺寸的飛行器（從無人機到支線飛機、單通道客機）開展研發工作。

創新生態系統

氫能領域的解決方案之所以能蓬勃發展，離不開產業界、學術界與研究機構之間的緊密合作，但同時也需要完善的監管體系作為支撐。英國國家復合材料中心（NCC）是全球領先的創新機構，致力于將前沿研究與技術轉化為產業影響力。該中心聚焦于高效氫儲存與運輸所需的先進材料及產品技術，助力各類規模的企業充分利用前沿創新成果，在從概念設計、生產制造到可持續性管理、報廢后處理的全工程生命周期中實現突破。

氫能市場目前仍處于新興階段，這為創新提供了獨特的機遇窗口。提前布局有助于提高技術成功落地與提升全球競爭力的概率，但這需要在研究、制造及供應鏈建設等領域持續投入。

展望未來

復合材料在支撐氫能經濟發展方面具有得天獨厚的優勢。盡管當前的復合材料壓力容器已形成堅實的商業化基礎，但在材料、生產工藝及全生命周期管理等領域，仍存在巨大的創新潛力。要實現這一潛力，既需要持續改進現有系統，也需研發下一代低溫儲存解決方案—— 換言之，需在材料科學、制造工藝及系統集成等領域取得突破，確保各環節協同運轉。

然而，任何單一機構都無法獨立完成這一使命。構建一個讓研究人員、制造商與終端用戶緊密合作的生態系統至關重要：通過合作攻克技術難題、打造具有韌性的供應鏈……

英國國家復合材料中心（NCC）在英國氫儲存與運輸解決方案及低溫儲存技術創新領域處于領先地位。作為產業界的創新合作伙伴，該中心團隊正致力于打通氫儲存產品從設計、制造到測試的全生命周期，助力構建可持續、高效且具備韌性的未來氫能產業。無論是研發下一代壓力容器、攻克低溫技術難題，還是優化制造工藝，NCC 的下一步目標都十分明確：通過驗證新技術的規模化應用能力，為新產品研發與制造降低風險、提供實證支持。

參考文獻：

[1]www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024-hydrogen-production（《2024 年全球氫能回顧 —— 氫生產》）

[2]www.verifedmarketreports.com/product/hydrogen-pressure-vessels-market（《氫壓力容器市場報告》）