复合材料终端市场：压力容器（2023年）
图1 目前对H2的投资逐渐增加。IV 型罐制造商 NPROXX 现在是一个50/50与康明斯合资企业，该公司还收购了燃料电池和 H2生产电解槽的主要供应商。NPROXX 公司生产的这些直径为500毫米、长度为2,200毫米的汽车/重型坦克以350巴的高度储存 H2。图片来源：NPROXX
高压气体储存容器是先进复合材料，特别是缠绕碳纤维复合材料最大和增长最快的市场之一。主要的终端市场是储存液态丙烷气体(LPG)、压缩天然气(CNG)、可再生天然气(RNG)和氢气(H2)。虽然液化石油气罐可用于车辆，但在发展中国家，烹饪和取暖的市场也在不断扩大。
近年来，环球氢燃料公司（Universal Hydrogen, Los Angeles, Calif., U.S.）已经与三家区域航空公司签署了意向书，用氢动力推进系统改造现有的涡轮螺旋桨飞机。另外，Cimmaron复合材料公司（Cimmaron Composites，Huntsvillle, Ala., U.S.）现已被韩华思路信（Hanwha Solutions ,Seoul, South Korea）收购，并宣布在阿拉巴马州欧佩莱卡（Opelika, Ala.）新建一个价值1.3亿美元的生产基地。另一家复合材料罐制造商NPROXX（Heerlen, Netherlands）现在是与康明斯公司（Cummins,Columbus, Ind., U.S.）的50/50合资企业，该公司每年生产1.3亿台内燃机，现在已经投资用于氢气生产的电解器、氢气发动机、燃料电池和储氢罐。
CNG、 RNG 和 H2燃料系统越来越多地用于客车、公共汽车、卡车和其他车辆，或用于大宗运输/配送(也称移动管道) ，以供应加油站或工业场所。在车辆中，这些燃料储存罐是汽油、柴油和航空燃料清洁替代品的低排放或零排放动力传动系统的关键组成部分。这些动力传动系统还提供了一种替代电池动力汽车的无电荷加油基础设施和加油时间类似于化石燃料。 压力容器分为五类： 类型 I ：全金属结构，一般为钢结构。 类型II ：主要是金属与一些纤维包裹在箍方向，主要是钢或铝与玻璃纤维复合材料; 金属容器和复合材料共享大约相等的结构负荷。 类型III ：金属内衬全复合外包装，一般为铝，碳纤维复合材料; 复合材料承担结构荷载。 类型IV ：全复合结构，聚合物ーー通常为聚酰胺(PA)或高密度聚乙烯(HDPE)衬里，内衬碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料，复合材料承担所有结构荷载。 类型V ：无线型，全复合结构。
图2 压力容器类型, 美国机械工程师协会（ASME）和国际标准化组织（ISO）划分的压力容器类型和结构。图片来源：CW
历史上，I 型占据了90% 以上的市场份额。然而，随着使用复合材料来减轻重量和提高压缩气体储存效率的 III 型和 IV 型容器的销售增加，这种情况正在开始改变。类型 V 仍然是新生的，主要用于空间应用，但是随着新空间工业的发展，这是一个值得关注的领域。 IV型储氢罐的预测增长趋势巨大。例如，海克斯康复合材料公司（Hexagon Composites,Alesund, Norway）是IV型储氢罐生产的领导者，它已从Hexagon Purus公司分离出来，并专注于零排放氢气和电池电动系统和存储。据该公司估计，从2025年到2030年，储氢罐的收入将增加630%。 然而，IV型储氢罐也面临着严重的问题。最值得注意的是，碳纤维的高成本使得这些储氢罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩的氢气提供的能量是汽油的三倍，但其单位体积的能量相当低，需要很大的气瓶来容纳储存足够燃料所需要的高压。对于移动应用，与金属替代品相比，CFRP IV型储氢罐轻量的优势驱动了其应用。但在固定应用中，例如加氢站，重量不是主要驱动力。
新兴的氢能经济
压力容器市场中发展最快的部分是氢储存。北美、欧洲和中国在减少机动车应用中的碳排放方面重新产生了严肃的监管兴趣。在美国，大部分的脱碳努力是由加利福尼亚州推动的，该州已经出台了政策，到2035年禁止销售天然气驱动的汽车。这种努力和其他努力已经导致非常公开的努力，汽车和卡车制造商推出新的电池电动汽车(BEV)生产线。
然而，BEV 也有自己的挑战——即难以获得电池所需的一些稀土金属、电池充电时间长以及缺乏加油基础设施。拜登政府的《基础设施投资和就业法案》将部分解决后者的问题，该法案将在未来10年提供1万亿美元的公共基础设施投资。
蓄电池充电技术正在迅速发展，只会越来越容易，越来越快，但金属资源的挑战并不容易解决。正因为如此，运输业的一些部门已经转向氢燃料电池(HFC)系统作为一种更可持续的替代方案。
图3 氢通常是通过多元气体容器(MEGC)输送的，MEGC 是由多个碳纤维复合材料压力容器组成，这些压力容器组合在一个金属笼中，装载在卡车上。最大的多元气体容器有多达81个坦克。图片来源: Hexagon Purus
氢氟碳化合物有几个优点。首先，它们可以在氢加油站(HFS)加油，泵和喷嘴技术非常类似于在加油站使用。其次，氢氟碳化合物工艺的唯一排放物是水。第三，氢最终可以通过减少碳化的方法生产出来，这种方法被称为“绿色”氢。 尽管绿色氢技术仍在开发中，但其可行性正在帮助催生氢氟碳化合物经济的快速扩张，特别是在轻型、中型和重型卡车、车队车辆、公共汽车、火车、船舶和一些客运车辆方面。预计航空航天也将采用氢作为燃烧的燃料来源。 这种市场扩张正在增加对氢气储存和分配的需求。像汽油一样，氢气的储存主要是在车上完成的，通过一系列碳纤维/环氧树脂包裹的压力容器来实现。车辆越大，需要的压力容器就越多。分配主要通过在拖拉机挂车上的多个复合压力容器中输送氢来实现。 氢的能量密度，在质量基础上，几乎是汽油的三倍。然而，就体积而言，情况正好相反ーー汽油的能量密度是氢气的四倍。因此，氢最好以液体形式储存，以最大限度地提高其能量密度。但是，将氢储存为液体需要低温温度，这并不容易或成本低廉。因此，目前，氢气最有效地以气体的形式储存，通常压缩在350-700 bar的范围内。
图4 组成氢燃料补给站(HRS)的元件示意图。IV 型复合压力容器可用于管道拖车，以便将 H2输送到加油站和/或用于现场缓冲储存的级联储罐。图片来源: CW
氢燃料电池汽车(HFCV)的行驶里程取决于它可以储存的氢的总质量，而质量容量取决于压力容器的大小和气体的压力。例如，2022年的丰田 Mirai HFCV 有三个142升 IV 型油箱，每个最大压力额定值为700巴，氢气质量容量为5.6公斤。每辆车的氢总容量是16.8千克，续航里程是360英里。卡车、公共汽车和其他大型车辆上的储氢罐更大，储氢罐的数量也更多。
压力容器经济学
碳纤维/环氧树脂压力容器采用湿法缠绕或纤维缠绕制造。这里的好消息是，纤维缠绕可以相对容易地实现自动化，因此增加生产能力将是非常可控的。坏消息是，氢气压力容器所需的碳纤维类型相对昂贵，目前的产量还不能满足需求。
氢压力容器选用的碳纤维是东丽复合材料美国公司(Tacoma，Washington，U.S.)的 T700S，这是一种标准模量(SM)纤维。所有主要的碳纤维制造商都提供类似的碳纤维，包括 Hexcel (斯坦福，Conn. ，美国) ，三菱集团(东京，日本) ，帝人(东京，日本) ，SGL Carbon (威斯巴登，德国)和其他公司。
每个储罐使用的碳纤维取决于储罐的容量和压力等级，但是一个很好的经验法则是每储存1公斤氢气需要10公斤碳纤维。所以，一个容纳5公斤氢气的容器在700bar的时候需要50公斤的碳纤维。
这个市场的最终挑战可能是可靠的碳纤维供应之一。目前有9家主要的碳纤维储氢压力容器制造商: 福瑞西亚(faureca)、韩华西马龙(Hanwha Cimmaron)、六边形复合材料(Hexagon Composite)、六边形普鲁斯(Hexagon Purus)、伊尔金海索勒斯(Iljin Hysolus)、 NPROXX、塑料万能(Plasticalomnium)、丰田(Toyota)和丰田合成(Toyoda Gosei)。在未来五年内，所有项目都将不同程度地扩大油罐的生产。据估计，到2025年，氢储存市场的总体市场将接近50万个碳纤维复合材料储罐。未来，满足这个市场的需求可能是一个挑战。
碳纤维生产是资本密集型和昂贵的，一条碳纤维生产线需要大约1亿美元的投资和两年的建设。正因为如此，碳纤维生产商不愿意在没有令人信服的商业理由的情况下投资新产能。
氢气市场似乎正处于快速成熟的早期阶段，因此碳纤维制造商将如何应对罐体制造商发出的需求信号仍有待观察。当然，碳纤维制造商还有其他市场需要监控，包括风能、航空航天和汽车等。
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