低温压缩储氢罐用于重型卡车

低温压缩氢（CcH2- cryo-compressed hydrogen）提供了更高的存储密度，用于更长的范围。

Cryotomotive 正在将卡车和商用车辆的低温压缩氢（CcH2- cryo-compressed hydrogen）储罐和加氢站（HRS- hydrogen refueling stations）商业化

氢气被认为是减少二氧化碳排放和应对日益严重的气候危机所需的能源转型的关键部分。在 2022 年 9 月的报告《2022 年氢能展望》中，氢能理事会重点介绍了 680 个全球大型项目，这些项目到2030 年将在氢能方面投资 2400 亿美元，自 2021 11 月以来增长了50%。该报告还引用了发动机制造商康明斯（美国印第安纳州哥伦布市）执行主席汤姆·莱恩伯格（Tom Linebarger）的话：“为了迈向零排放的未来，我们必须为客户提供多种解决方案，这些客户需要在世界各地进行截然不同的应用，而氢气将发挥至关重要的作用。”氢能市场还需要多种解决方案，以满足存储和加氢乘用车与重型卡车（还有大型飞机与小型飞机）的不同要求。目前有三种存储方式：

1. IV 型压缩氢气（CGH2-compressed hydrogen gas）存储罐；

2. 重型卡车和航空用液氢（LH2-liquid hydrogen ）存储罐；

3. 低温压缩氢气（CcH2- cryo-compressed hydrogen）存储罐。为运

输/移动应用中的车载提供的第三种选择。

储氢罐类型

宝马的低温压缩氢气（CcH2）存储罐

BMW CcH2 储存，低温气体密度大于 LH2

宝马 低温压缩氢 （CcH2）存储罐

如上图所示，低温压缩氢气（CcH2）储罐提供了液氢（LH2）和低温压缩氢气（CcH2）储存之间的混合解决方案。通过使用低温（例如 40-80K/-233°C 至-193°C）和中压（例如 350 bar），宝马消除了LH2 的蒸发问题（LH2 的沸点高于-253°C）并实现了比 CGH2-和 LH2高得多的储存密度。

在 2010 年至 2013 年的演示中，宝马介绍了一种原型 CcH2 系统，该系统可实现 5 分钟以内的加油和 500 公里以上的续航里程。该系统使用一个 235 升复合材料外包装压力容器（COPV- composite overwrapped pressure vessel）作为内罐，并在该内罐和金属外罐/护套之间进行低温隔热。据报道，该 CcH2 储罐在 350 巴条件下储存了 7.1 千克氢气，而标准 350 巴和 700 巴 CGH2 储罐中分别储存了 2.5 千克和 4.6 千克氢气，重量密度为 5.4 重量%，蒸发率每年<1%。存储罐被拉长，以适应汽车的车体结构。

Tobias Brunner 博士是参与这项工作的关键研究人员之一。2015年离开了公司。他于 2020 年共同创立了 Cryomomotive（德国格拉斯布伦），获得了宝马的关键专利，以将其 CcH2 技术应用于卡车、商用车和飞机。

Cryotomotive 已经为卡车建造了全尺寸的演示存储罐。一旦商业化，这些储罐的直径将在 600 至 700 毫米之间，长度将在 2350 至2650 毫米之间，以两至四个储罐系统配置容纳 75 至 115 千克的CcH2 气体。它们将配备一个 III 型（用碳纤维/环氧树脂复合材料包覆的铝内衬）内压力容器，该容器封装在铝外壳中，并通过真空中的多层绝热（MLI- multi-layer insulation）与铝外壳隔开。MLI 包括多层铝箔和玻璃纤维织物，以防止辐射传热。非导电复合悬架/支架将内罐位置保持在外罐内。

2022 年 9 月，Cryomomotive 宣布已从 Mikrosam（马其顿普里莱普）调试了一台自动缠绕机。布鲁纳说：“我们已经建立起了制造能力，因为世界上没有人能够生产这种尺寸的卡车用外包装存储罐。”。“我们还开发了一个新的加氢站（HRS- hydrogen refueling stations）概念，包括我们与合作伙伴开发的新泵和新喷嘴。它是世界上容量最高的喷嘴，每分钟 15 公斤，而且非常紧凑。”

Cryotomotive 计划在 2025 年前在重型卡车上实现首次商业应用，到 2026 年可生产数百辆 CcH2 储罐，到 2027 年可生产数千辆。Tobias Brunner 指出：“这项技术也可能是小型飞机和小型船舶的完美解决方案。”。

 CRYOGAS 可通过低温压缩液态氢或低温冷却气态氢来填充车载低温压缩氢气（CcH2）罐

 CRYOGAS：介于两个极端之间

Brunner 解释说，低温压缩氢气储存系统“是一个隔热的压力容器，你可以用冷的氢气（我们称之为 CRYOGAS）过度填充，其密度比环境温度下 700 巴的氢气体高 80%，最高可达 80 克/升。”高的密度可以在更长的范围内储存更多的氢燃料。布鲁纳说低温压缩氢气（CcH2）在环境温度和高压（700 巴）下提供了介于高压氢气（CGH2）和液氢（LH2）两个极端之间的解决方案。

密度最高，加氢站（HRS- hydrogen refueling stations）工作量较小。Cryotomotive 断言，无论 HRS 是以压缩气体 H2（顶部）还是液体 H2（底部）作为燃料启动，低温压缩氢气（CcH2）不仅为车辆储罐中的 H2 提供了最高密度，而且还需要更少的调节工作和相应的设备进行加氢。

 Brunner 表示，高压气体“需要汽车储罐中的压缩气体。要加氢，需要一系列压缩机加上大量高压缓冲罐，以及预冷却至-40°C。”[见上图]。预冷却是必要的，因为 IV 型储罐不得超过 85°C，以防止塑料储罐内衬和密封件退化。快速加氢会增加氢气和缸套的温度。因此，法规要求压缩氢气（CGH2）必须在分配至 700 巴储罐之前冷却至-40°C，并在为 350 巴储罐加氢之前冷却至-20°C。

为了举例说明这一成本，Brunner 描述了氢燃料电池卡车制造商Nikola（美国亚利桑那州凤凰城）提出的氢燃料加氢站（HRS- hydrogen refueling station）概念，但很快就放弃了该概念。他说：“他们提出了一个太阳能发电站，每天可补给 8 吨氢气。”。“这将需要 4000 公斤的高压缓冲罐，成本为 1500 美元/公斤，多台压缩机每台 100 万美元，因为没有一台压缩机能够以每分钟 5 至 8 公斤的速度为重型卡车提供快速加氢所需的直接进料。它还需要冷却器来预冷氢气。资本支出和所需的大量能源是一个亮点。”

Brunner 补充道，700 巴的压缩氢气（CGH2）还需要大量碳纤维复合材料承受车辆储罐中的压力。这是一个巨大的问题，因为目前没有足够的碳纤维能承受所需的高强度——例如，4.9 千兆帕斯卡，这是东丽（日本东京）T700 碳纤维制定的标准。他说：“如今，东丽纤维几乎没有了，而且成本急剧上升。例如，一个 700 巴的卡车存储罐，仅碳纤维的成本就可以达到 20000 至 35000 美元。”

另一方面，液氢（LH2）确实降低了氢燃料加氢站（HRS）成本，Brunner 说，“因为你可以将液氢（LH2）储存在大型金属罐中，并直接泵入车辆，但你需要冷却所有管线，否则沿途和车辆罐中都会有损失。”。

在车上，液氢（LH2）也储存在不锈钢或铝罐中，必须保持低温。虽然它们不需要主动冷却（例如，动力冷却器）或使用碳纤维复合材料，但它们并不便宜。布鲁纳指出，他们的热泄漏必须为每小时5 瓦或更少。这要求在压力低于 10-4 帕斯卡的高质量真空中，由多层绝热（MLI）分开的内罐和外罐（通常为金属罐）的杜瓦瓶结构。Brunner 表示，这种真空的产生需要长达两周的加热才能实现内部所需的真空，同时需要多个管道和系统来控制液体与气体的流量和压力平衡。这种液氢（LH2）储罐也很重，过去的结构要求容器内壁为3 至 4 毫米厚的不锈钢或铝。

注意，戴姆勒卡车、氢供应商林德和萨尔茨堡铝业集团（SAG，Lend，Austria）正在开发液氢（LH2）储罐，他们声称使用过冷液氢（subcooled LH2-sLH2）使得存储罐更薄、更经济。“他们在高达 16巴的超临界压力下燃烧。”超临界意味着压力高于临界点，即液气相变压力-温度曲线上的最高温度（见下图中的紫色区域）。“因此，他们将液氢（LH2）压缩到几乎低温压缩状态，但没有达到我们使用的高压，并进入超临界区域，以避免过冷液氢（sLH2）在运送途中蒸发。他们在运行过程中，让储罐中的压力在两相状态下降低到 5-6巴，即同时包含液体和气体。”

 CRYOGAS 提供了液氢（LH2）（最左边）和压缩氢气（CGH2）（最右边）之间的解决方案。过冷液氢（Subcooled LH2）在左侧显示为紫色。

runner 补充道，他不赞成这种方法，因为只有在预调节储罐和加氢站的最佳情况下，才能避免加氢站和车上的蒸发损失。他解释道：“我多年来一直在研发液氢（LH2）存储罐。”。“这是我在宝马的第一份工作。经过 35 年的研究，我们放弃了这项工作，因为加氢不可能没有损失。你不仅需要冷却所有管路，而且通常需要在储罐中减压，然后它才能吸收新鲜的液氢（LH2）。”。在宝马运营的车队中，有大量的液氢（LH2）用于在系统加氢之前冷却系统。”

为什么 CRYOGAS 是解决方案

在完成液氢（LH2）储罐的工作后，布鲁纳在宝马公司研发了五年多的低温压缩氢（CcH2）。“我们发现，如果将液氢（LH2）压缩成30 或 40 兆帕（300 或 400 巴）的低温气体，基本上可以增加其密度，”他解释道。“这是一个没有人相信的假设，但我们同林德公司制造了一台泵，并表明我们可以生产 30 兆帕的高压低温气体，密度为 80 克/升，而液氢（LH2）的密度为 65 至 70 克/升。”

上面图反映了 Cryomomotion 对卡车的进一步发展。其低温压缩氢（CcH2）系统仍然提供比液氢（LH2）更高的密度，同时保持了气体的优势。布鲁纳说：“我们没有可以蒸发的液体，而是一种天然气，这种天然气本身就具有热稳定性。”。“例如，当你把 CRYOGAS放进一条温暖的管道或储罐时，它只是失去了密度，膨胀了一点，但没有大的密度变化。因此，我们消除了沸腾问题，无论储罐是热的还是冷的，都可以为储罐加氢。这一概念是革命性的，在宝马公司得到了证明。”

Brunner 进一步解释道，“基本上，你可以将新鲜的液氢（LH2）泵入低温气体中，你永远不会失去任何氢气。或者，你可以用非常冷的氢气（H2）将其过度填充。当你驾驶汽车，并说你将储罐从三次过度填充降至 700 巴低温压缩氢（CGH2）储罐的密度时，你就会再次进入气态区域。因此，我们一直都是一个气罐，只是一个过度填充的气罐。”当储罐排空时，非常冷的气体会聚成热的气体。”

因此，在高达 400 巴的压力下向低温气体罐中填充 CcH2，然后随着车辆行驶而降低，低温压缩氢（CcH2）被排出。Brunner 表示，低温气体储罐将在明确的温度范围内输送冷氢气作为燃料，可调压力高达 3MPa（30bar），以供应燃料电池或氢气燃烧发动机。与液氢（LH2）储罐类似，低温压缩（CcH2）储罐具有内部热交换器。“我们可以通过内部热交换器自由控制储罐内的压力水平，”他补充道，“但决定不高于 30 巴，因为这样会导致储罐温度升高，加氢后平均密度（容量）降低。”

开发低温动力加氢

Brunner 重申，低温压缩氢（CcH2）能够降低加氢站（HRS）成本，这是一个显著的好处。“关键是，我们的技术不需要缓冲器，不需要热交换器，不需要预冷却，也不需要通信，而是使用往复式活塞泵以非常低的成本直接加氢。”

重申一下，使用液氢（LH2）加氢只需要成本较低的泵和分配器。然而，Cryotomotive 还希望在没有液氢（LH2）的情况下为低温压缩氢（CcH2）储罐提供燃料，这意味着使用低温压缩氢（CGH2）。该选项确实需要使用 CRYOGAS 压缩机和膨胀机-这可能是一个单独的连接装置，但仍不需要预冷、换热器或通信。

没有沟通？Brunner 解释道：“车载低温压缩氢（CGH2）储罐需要与加氢站（HRS）进行通信，以避免过热。”。“气体加氢开始时的压力冲程确定了储罐压力。系统还必须知道储罐内外的温度。然后查找表提供了正确的压力斜坡，并定义了加氢速度。”如上所述，加氢过快会导致罐内温度超过 85°C，这是不允许的。“因为储罐可能是暖的或冷的，而外面的环境温度可能是暖或冷的。加氢站和车辆储罐之间需要进行通信，以告知加氢站允许加氢的速度。”

布鲁纳说：“这对 CRYOGAS 来说是不必要的，因为我们不能过热。”。“由于我们在低温条件下工作，由于氢气的热力学性质，压缩产生的热量可以忽略不计，因此我们永远不会以储罐中的 85°C 结束（见上图）。

加氢站（HRS）的压缩能耗

 “我们甚至可以以每小时 1000 公斤的速度提取氢，”他继续说道。“我们正在与一家合作伙伴合作开发一种设计简单的泵。我们可以满怀信心地预测，它可以每小时泵 500 公斤-每分钟 8 公斤-而且成本效益极高-低于 25 万美元。”

Cryomomotive 公司的 CRYOGAS 加氢站将使用 Fives Cryomec 的 Hy Filling 往复式泵，为卡车、公共汽车和其他重型车辆提供无限制的背靠背加氢，加氢量为 80 公斤低温压缩氢（CcH2），可行驶 1000 公里

Cryomomotive 正在与 Fives Cryomec（瑞士 Allschwil）合作将为 CRYOGAS 加氢站开发并验证其 Cryomec Hy Filling 往复式泵。“作为全球低温领域的领导者，Fives Cryomec 一直走在氢气领域的前沿。”

Fives Cryomec 首席执行官 Xavier Nicolas 表示。“我们已经制造了 8000 多台泵……并期待着用 Cryomomotive 开发这种新型号，以提高卡车和重型车辆的绿色机动性。”

“每个 CRYOGAS 加氢站只需要一个这样的泵，”他补充道，“再加上一个液体散装仓库和加氢机。你可以花不到 100 万美元建造一个 CRYOGAS 加氢站，它可以一辆接一辆地连续加氢。这就是我们认为这项技术如此重要的原因。它在车上有很多优势，但对加氢站（HRS）来说更有优势。”

4 吨 H2/天的重型卡车加氢站（HRS）的成本。Cryotomotive 声称，低温压缩氢（CchH2）加氢站的成本是 700 巴 CGH2 加氢站成本的 1/5

 Brunner 表示：“我们已经进行了成本分析，包括总拥有成本（TCO-total cost of ownership）、资本支出、运营支出、管理费用和利润。”。“我们的成本是 700 巴 CGH2 的 1/5。因此，如果我们需要 100 万欧元，他们需要 500 万欧元才能实现每天 4 吨 H2 的相同产能。即使与非常经济的液氢（LH2）相比，我们的成本仍然较低，但我们没有氢气损失的问题。”

常见问题解答

宝马为什么放弃它？布鲁纳表示：“与电动乘用车电池相比，氢被视为一个细分市场。”。“700 巴的气罐被认为是足够的。当时没有人要求像现在的卡车那样有更大的容量。对于宝马来说，乘用车气罐所需的碳纤维量并没有那么高，因为你只需要储存几公斤氢气。你仍然需要加氢，但与卡车相比，你只需要几个缓冲器，一个更小的碳纤维罐。”加压器和较小的预冷却器。因此，700 巴低温压缩（CGH2）储罐成为主流。”

低温压缩氢（CcH2）系统是否复杂且昂贵？Brunner 承认：“这是一个具有超级隔热性能的压力容器。”，“但这种隔热比液氢（LH2）储罐所需的要简单得多。真空度要低一个数量级，因此不需要两周的时间就可以在烤箱中加热以达到必要的质量，多层绝热（MLI）可以预制，不需要在清洁的环境中缠绕在容器上。我们将复合材料缠绕在内储罐的内衬上，安装预制的多层绝（MLI），焊接外套关闭，然后加热以达到真空，我们可以很快做到这一点。这也是一个更强大的系统。我们的储罐可以承受一些对流和几块接触。液氢（LH2）储罐不能。事实上，我们可以允许比液氢（LH2）储罐多 10 倍的热量泄漏。”

是否需要主动冷却？“不，”布鲁纳说。“我们使用的隔热材料足以使系统保持低温。当你驾驶卡车时，你会从隔热罐中排出冷气体，从而自行冷却储罐-这只是热力学。即使你进行了热填充，你也会再次驾驶，然后再次冷却，并返回到工作范围的高密度区域。因此，我们不需要主动冷却，而是系统通过使用和排放氢气来冷却自身。”如果卡车闲置会发生什么？“首先，与液氢（LH2）系统相比，低温压缩氢（CcH2）系统可以吸收更多的热量，如果低温压缩氢（CcH2）储罐处于半空状态，它实际上可以闲置更长的时间。例如，在半满状态下，它可以在需要排气之前闲置两周。无论如何，商用车是不断运行的，它们需要大量的能量，因此这是我们技术的完美应用。”

保持储罐保温层真空是否存在问题，是否需要重新检查？“我们确实需要保证真空度不会下降太多，但储罐可以保持所需的真空质

量足够长的时间。一旦进行正常的维修检查，将储罐连接到真空计或真空泵，读取真空度并在必要时重新施加真空压力。使用非常简单的压力传感器也很容易在现场监测压力增加，意味着真空质量变差，然后重新施加真空压力。”为什么比储罐制造期间更短？“第一次真空抽真空必须排除水分和其他污染物；这样做，重新抽真空会更快。”

商业化时间表

Cryomomotive 正在与重型卡车制造商 MAN（德国慕尼黑）以及 Clean Logistics 公司（德国温森）合作。Brunner 指出：“MAN 还拥有 Navistar 公司。该公司是北美商用车及发动机生产巨头，是全球著名的卡车和轿车制造商，公司成立于 1902 年美国伊利诺斯州。”，“虽然 Clean Logistics 公司宣布从德国 GP Joule 订购 5000 辆卡车，但他们也从荷兰购买了一家卡车制造商 GINAF Nederland，以拥有自己的平台，他们也在改装/改装卡车。对于这两家公司，我们正在构建相同的系统-车架左右各有一个储罐。这适用于任何卡车，因为这就是我们今天，欧洲和亚洲的卡车上有液化天然气（液化天然气）或柴油罐。”

布鲁纳表示，Cryomomotive 的目标是“在 2025 年初让这些第一辆卡车和我们的系统一起运行。我们正在努力在那时得到充分验证。我们已经做了大量的循环测试和其他认证工作。我们还与我们的合作伙伴和种子投资者 Chart Industries（美国佐治亚州 Ball Ground）在同一时间段内共同建造了第一个加氢站。”

查特公司在氢燃料和加氢站（HRS）市场上享有盛誉，将提供液氢（LH2）和低温压缩氢（CchH2）燃料和储存。“我们决定，我们的战略必须包括卡车和加氢站，”布鲁纳说，“因为如果我们只是建造卡车的车载储罐，而没有人建造与这些储罐一起工作的加氢站，那么我们就失败了。所以，这就是为什么我们必须为加氢泵和加氢嘴开发非常好的概念。现在我们正着手建造我们的第一个加氢站。”

碳纤维/环氧树脂包覆铝内衬。Cryomotive 的低温压缩氢（CcH2）储罐具有 III 型内部压力容器和外部铝护套（未显示）。这里，使用 Mikrosam 系统用碳纤维/环氧树脂包裹铝衬里（顶部）。

 在展示了第一个 CRYOGAS 加氢站和装有低温压缩氢（CcH2）储罐的卡车之后，Brunner 预计将在 2025 年中期至 2026 年期间进行小批量生产，生产数百个系统。“2027-2028 年还有数千辆储罐，”他补充道。“这就是戴姆勒卡车公司和所有大型卡车制造商打算销售大量氢/燃料电池卡车的时候。我们的时间表非常符合这一点。我们自己也有生产能力。我们知道如何做到这一点，我们正在建立如何增加生产线并扩大规模。在内部制造所有核心部件是一项巨大的投资，但我们不想依赖对价值链中任何能让我们慢下来的人。”

航空用 CRYOGAS

如前所述，Cryomomotive 的目标不仅包括卡车和商用车，还包括航空。然而，目前，该行业几乎所有的储罐开发都围绕着液氢（LH2）展开。为什么？“因为它更轻，”布鲁纳说。“我们可以达到 8-10%储存效率[重量%= 氢 kg/储罐 kg，或储存效率]，这比 70MPa 高压氢（CGH2）储罐的储存效率 5-7%要好得多。但真正大型的液氢（LH2）储罐可以达到 30 或 40%重量。”这对于航空业来说是一个巨大的优势，因为重量减轻会带来额外的好处。

为什么大型储罐的效率如此之高？因为液氢（LH2）储罐在环境压力下的体积与表面积比（V- volume /SA-surface）随着尺寸的增加而增加。例如，当球形储罐直径从 1 米增加到 6 米时，体积与表面积比（V/SA）从 0.7 增加到 2。将圆柱形储罐从 1×2 米（直径 x 高度）缩放到 2×8 米，体积与表面积比（V/SA）从 6 增加到 100。因此，与封装氢所需的材料相比，可以储存更多的氢。最大化体积与表面积比（V/SA）也可以最小化导致蒸发的热传递。

布鲁纳继续说道，“对于较小的飞机，储罐尺寸较小，可容纳 20至 40 千克，低温压缩氢（CcH2）和液氢（LH2）都具有 7-10%体积与表面积比。但如果我们谈论存储数百或数千千克，那么液氢（LH2）在储存效率方面是无与伦比的。然而，它们在飞机上和加氢过程中仍然存在沸腾和损失方面的所有问题。”

另一个缺点是过冷液氢（sLH2-subcooled LH2）储罐最适合向低压氢动力装置（例如 4 至 5 巴的燃料电池）供应。为了在 8 至 100 巴的压力下向增压氢燃烧发动机或燃气轮机供应，需要额外的压缩设备。“如果储罐中只有 5 巴的压力，”他解释道，“然后，你将需要机上所有这些低温泵来增加发动机的压力，它们需要冗余，因为不会出现故障。然而，我们的储罐可以仅从储罐提供足够的压力。我们不需要泵或主动冷却。我们在加氢期间没有损失，但对于大型航空来说，我们有点太重了。”

对于小型飞机，布鲁纳认为低温压缩氢（CcH2）可能是一个完美的解决方案。“我们可以很快地填充；我们和液氢系统一样安全，而且我们还具有紧凑性，因为我们在储罐中提供了更高的密度。我们非常适合航空，我们有这个计划。”

Cryomomotive 对与小型飞机公司的讨论很感兴趣，但与此同时，它仍然非常专注于将其用于卡车和其他商用车辆的 CRYOGAS 储罐和加氢站商业化的时间表。来源：杨超凡

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