高壓儲氣罐是先進(jìn)復(fù)合材料，尤其是長絲纏繞碳纖維復(fù)合材料最大、增長最快的市場之一。它的主要終端市場用于儲存液態(tài)丙烷氣 (LPG)、壓縮天然氣 (CNG)、可再生天然氣 (RNG) 和氫氣 (?H?2?)。雖然液化石油氣罐可用于車輛，但發(fā)展中國家的烹飪和取暖市場也在不斷增長。

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CNG、RNG 和 H?2?燃料系統(tǒng)越來越多地用于乘用車、公共汽車、卡車和其他車輛，或散裝運(yùn)輸/分配（也稱為移動管道）以供應(yīng)加油站或工業(yè)場所。在車輛中，這些燃料儲罐是減少或零排放動力總成的關(guān)鍵部件，可替代汽油、柴油和噴氣燃料。這些動力總成還為電池驅(qū)動的車輛提供了一種無需充電的替代方案，其加氣基礎(chǔ)設(shè)施和加注時(shí)間類似于化石燃料。

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對?H?2的投資?正在增加。IV 型儲罐制造商 NPROXX 現(xiàn)在是與康明斯 50/50 的合資企業(yè)，康明斯還收購了燃料電池和 ?H?2生產(chǎn)電解槽的主要供應(yīng)商。NPROXX 的這些直徑 500 毫米、長 2,200 毫米的汽車/重型儲罐?在 350?bar下儲存 H?2。

圖片來源：NPROXX

• I 型：?全金屬結(jié)構(gòu)，通常為鋼材。
• II型：?主要是金屬，環(huán)向包覆纏繞一些纖維材料，金屬主要是鋼或鋁及玻璃纖維復(fù)合材料；金屬容器和復(fù)合材料分擔(dān)的結(jié)構(gòu)載荷大致相等。
• III 型：?完全由復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)膽，通常為鋁內(nèi)膽外纏繞碳纖維復(fù)合材料；復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)載荷。
• IV 型：?全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，聚合物內(nèi)膽——通常是聚酰胺 (PA) 或高密度聚乙烯 (HDPE) ，外部纏繞碳纖維或混合碳/玻璃纖維復(fù)合材料；復(fù)合材料承受所有的結(jié)構(gòu)載荷。

• V 型：?無內(nèi)膽，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

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美國機(jī)械工程師協(xié)會 (ASME) 和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 分類的壓力容器類型和結(jié)構(gòu)。圖片來源：CW

從歷史上看，I 型容器占據(jù)了 90% 以上的市場份額。然而，隨著使用復(fù)合材料減輕重量和提高壓縮氣體儲存效率的 III 型和 IV 型容器銷量的增加，這種情況開始發(fā)生變化。V 型仍處于研發(fā)階段，主要用于航天航空應(yīng)用，但隨著新航天航空工業(yè)的發(fā)展，它是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。

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壓力容器市場的主要驅(qū)動力是，全球越來越致力于通過從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生、減少排放的燃料（例如，CNG、RNG 和?H?2?）來減少氣候變化的影響，目標(biāo)是到 2050 年實(shí)現(xiàn)零排放。

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國際能源機(jī)構(gòu)表示，迄今為止，各國政府做出的氣候承諾即使完全實(shí)現(xiàn)，也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到到 2050年使全球與能源相關(guān)的二氧化碳（CO2?) 排放量達(dá)到凈零，而是為全球提供了一個(gè)“將全球氣溫上升限制在 1.5℃”的機(jī)會。

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從2020 年 11 月起，政府公布了逐步淘汰內(nèi)燃機(jī) (ICE) 乘用車新銷量的目標(biāo)。?圖片來源：國際清潔交通委員會 (ICCT)

請注意，除了上述承諾外，美國康涅狄格州、馬里蘭州、馬薩諸塞州、新澤西州、紐約州、俄勒岡州、羅德島州、佛蒙特州和華盛頓州還承諾到? 2050 年不再生產(chǎn)新的化石燃料乘用車，這些州，加上加利福尼亞州、科羅拉多州、夏威夷州、緬因州、北卡羅來納州、俄勒岡州、賓夕法尼亞州和哥倫比亞特區(qū)將從? 2050 年起禁止銷售新的化石燃料中型、重型汽車。

壓力容器市場發(fā)展最快的部分是儲氫。疫情過后，北美、歐洲和中國對減少交通領(lǐng)域中的碳排放產(chǎn)生了新的和嚴(yán)肅的監(jiān)管興趣。在美國，大部分脫碳工作是由加利福尼亞州推動的，該州制定了到 2035 年禁止銷售汽油動力汽車的政策。這一政策和其他努力推動汽車和卡車制造商推出新的純電動汽車 (BEV) 系列。

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然而，純電動汽車也面臨著自身的挑戰(zhàn)——即難以獲得電池所需的一些稀土金屬、電池充電時(shí)間長以及缺乏公共基礎(chǔ)設(shè)施。后者將在一定程度上由拜登政府的基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案解決，該法案在未來十年提供 1 萬億美元的公共基礎(chǔ)設(shè)施投資。

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電池充電技術(shù)發(fā)展迅速，只會變得更容易、更快，但金屬資源挑戰(zhàn)并非易事。正因?yàn)槿绱耍\(yùn)輸行業(yè)的某些部分已將氫燃料電池(HFC) 系統(tǒng)作為更可持續(xù)的替代方案。

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氫氣通常通過多元?dú)怏w容器 (MEGC) 運(yùn)輸，該容器由多個(gè)碳纖維復(fù)合材料壓力容器組成，這些容器組合在金屬籠中并裝載到卡車上。最大的多元?dú)怏w容器有多達(dá) 81 個(gè)儲罐。圖片來源：Hexagon Purus

HFC?有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們可以在加氫站(HFS) 使用與加油站非常相似的泵和噴嘴技術(shù)進(jìn)行加氫。其次，HFC工藝的唯一排放物是水。第三，最終可以使用最大限度減少碳化的方法生產(chǎn)氫——稱為“綠色”氫。

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盡管綠色氫技術(shù)仍在開發(fā)中，但其可行性正在幫助催生 HFC 經(jīng)濟(jì)的快速擴(kuò)張，特別是在輕型、中型和重型卡車、公共汽車、火車、船舶和一些乘用車。航空航天也有望采用氫作為燃燒的燃料來源。

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這種市場擴(kuò)張正在增加對氫氣儲存和分配的需求。與汽油一樣，氫氣的儲存主要在車輛上完成，并通過一系列碳纖維/環(huán)氧樹脂包裹的壓力容器實(shí)現(xiàn)。車輛越大，需要的壓力容器就越多。氫氣分配主要通過牽引車拖車上的多個(gè)復(fù)合壓力容器中的運(yùn)輸來實(shí)現(xiàn)。

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按質(zhì)量計(jì)算，氫氣的能量密度幾乎是汽油的三倍。然而，按體積計(jì)算，情況正好相反，汽油的能量密度是氫氣的四倍。因此，氫氣最好以液態(tài)形式儲存，以最大限度地提高其能量密度。但是將氫氣儲存為液體需要低溫，這既不容易實(shí)現(xiàn)，也不便宜。因此，目前，氫氣最有效地以氣體形式儲存，通常壓縮在 350-700?bar?的范圍內(nèi)。?

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加氫站 (HRS) 組成示意圖。IV 型復(fù)合材料壓力容器可用于管式拖車，以將 H?2輸送到車站和用于現(xiàn)場緩沖儲存的級聯(lián)儲罐。圖片來源：CW

氫燃料電池汽車 (HFCV) 的續(xù)航里程取決于它可以儲存的氫氣總質(zhì)量，而質(zhì)量容量取決于壓力容器的大小和氣體的壓力。例如，2022 Toyota Mirai ?HFCV 擁有三個(gè) 142 升 IV 型儲罐，每個(gè)儲罐的最大額定壓力為 700 bar，氫氣質(zhì)量容量為 5.6 千克。每輛車的總氫容量為 16.8 公斤，續(xù)航里程為 360 英里。卡車、公共汽車等大型車輛上的儲氫罐更大，儲罐數(shù)量也更多。?

碳纖維/環(huán)氧樹脂壓力容器使用濕法或絲束纏繞制造。好消息是，纖維纏繞可以相對容易地實(shí)現(xiàn)自動化，因此提高制造能力將非常容易。壞消息是，氫氣壓力容器所需的碳纖維類型相對昂貴，而且目前的產(chǎn)量無法滿足需求。

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氫氣壓力容器選擇的碳纖維是Toray Composite Materials America 的 T700S，這是一種標(biāo)準(zhǔn)模量 (SM) 纖維，具有特別高的拉伸特性。所有主要碳纖維制造商都提供類似的碳纖維，包括Hexcel 、三菱集團(tuán)、Teijin 、SGL Carbon等。

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每個(gè)儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量及其壓力等級，但一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是，在 700?bar下每儲存 1 公斤氫氣需要 10 公斤碳纖維。因此，在 700 ?bar?下容納 5 公斤氫氣的儲罐將需要 50 公斤碳纖維。

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這個(gè)市場的最終挑戰(zhàn)之一可能是可靠的碳纖維供應(yīng)。儲氫用碳纖維壓力容器的主要制造商有九大：Faurecia、Hanwha Cimmaron、Hexagon Composites、Hexagon Purus、Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota 和 Toyoda Gosei。所有公司都計(jì)劃在未來五年內(nèi)進(jìn)行不同程度的儲罐生產(chǎn)擴(kuò)張。據(jù)估計(jì)，到 2025 年，儲氫市場的總市場規(guī)模可能接近 50 萬個(gè)碳纖維復(fù)合材料儲罐，滿足這個(gè)市場的需求可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

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碳纖維制造是資本密集型和昂貴的，一條碳纖維生產(chǎn)線需要投資約 1 億美元和兩年時(shí)間建設(shè)。正因?yàn)槿绱耍祭w維生產(chǎn)商不愿在沒有令人信服的商業(yè)案例的情況下投資新產(chǎn)能。在某些情況下，當(dāng)需求量很大時(shí)，碳纖維客戶需要合同承諾來證明碳纖維生產(chǎn)商的成本是合理的。

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原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：2022年復(fù)合材料市場回顧及2023年市場展望：壓力容器領(lǐng)域用復(fù)合材料