高壓儲氣罐是先進復合材料，尤其是長絲纏繞碳纖維復合材料最大、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，或散裝運輸/分配（也稱為移動管道）以供應加油站或工業場所。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動的車輛提供了一種無需充電的替代方案，其加氣基礎設施和加注時間類似于化石燃料。

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對?H?2的投資?正在增加。IV 型儲罐制造商 NPROXX 現在是與康明斯 50/50 的合資企業，康明斯還收購了燃料電池和 ?H?2生產電解槽的主要供應商。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：?全金屬結構，通常為鋼材。
• II型：?主要是金屬，環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合材料；金屬容器和復合材料分擔的結構載荷大致相等。
• III 型：?完全由復合材料纏繞金屬內膽，通常為鋁內膽外纏繞碳纖維復合材料；復合材料承載結構載荷。
• IV 型：?全復合材料結構，聚合物內膽——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/玻璃纖維復合材料；復合材料承受所有的結構載荷。

• V 型：?無內膽，全復合材料結構。

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美國機械工程師協會 (ASME) 和國際標準化組織 (ISO) 分類的壓力容器類型和結構。圖片來源：CW

從歷史上看，I 型容器占據了 90% 以上的市場份額。然而，隨著使用復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，這種情況開始發生變化。V 型仍處于研發階段，主要用于航天航空應用，但隨著新航天航空工業的發展，它是一個值得關注的領域。

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壓力容器市場的主要驅動力是，全球越來越致力于通過從化石燃料轉向可再生、減少排放的燃料（例如，CNG、RNG 和?H?2?）來減少氣候變化的影響，目標是到 2050 年實現零排放。

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國際能源機構表示，迄今為止，各國政府做出的氣候承諾即使完全實現，也將遠遠達不到到 2050年使全球與能源相關的二氧化碳（CO2?) 排放量達到凈零，而是為全球提供了一個“將全球氣溫上升限制在 1.5℃”的機會。

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從2020 年 11 月起，政府公布了逐步淘汰內燃機 (ICE) 乘用車新銷量的目標。?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域中的碳排放產生了新的和嚴肅的監管興趣。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——即難以獲得電池所需的一些稀土金屬、電池充電時間長以及缺乏公共基礎設施。后者將在一定程度上由拜登政府的基礎設施投資和就業法案解決，該法案在未來十年提供 1 萬億美元的公共基礎設施投資。

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電池充電技術發展迅速，只會變得更容易、更快，但金屬資源挑戰并非易事。正因為如此，運輸行業的某些部分已將氫燃料電池(HFC) 系統作為更可持續的替代方案。

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氫氣通常通過多元氣體容器 (MEGC) 運輸，該容器由多個碳纖維復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。最大的多元氣體容器有多達 81 個儲罐。圖片來源：Hexagon Purus

HFC?有幾個優點。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進行加氫。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氫——稱為“綠色”氫。

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盡管綠色氫技術仍在開發中，但其可行性正在幫助催生 HFC 經濟的快速擴張，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/環氧樹脂包裹的壓力容器實現。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復合壓力容器中的運輸來實現。

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按質量計算，氫氣的能量密度幾乎是汽油的三倍。然而，按體積計算，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，這既不容易實現，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。?

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加氫站 (HRS) 組成示意圖。IV 型復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場緩沖儲存的級聯儲罐。圖片來源：CW

氫燃料電池汽車 (HFCV) 的續航里程取決于它可以儲存的氫氣總質量，而質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 142 升 IV 型儲罐，每個儲罐的最大額定壓力為 700 bar，氫氣質量容量為 5.6 千克。每輛車的總氫容量為 16.8 公斤，續航里程為 360 英里。卡車、公共汽車等大型車輛上的儲氫罐更大，儲罐數量也更多。?

碳纖維/環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現自動化，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，這是一種標準模量 (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、Teijin 、SGL Carbon等。

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每個儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量及其壓力等級，但一個好的經驗法則是，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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這個市場的最終挑戰之一可能是可靠的碳纖維供應。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。所有公司都計劃在未來五年內進行不同程度的儲罐生產擴張。據估計，到 2025 年，儲氫市場的總市場規模可能接近 50 萬個碳纖維復合材料儲罐，滿足這個市場的需求可能是一個挑戰。

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碳纖維制造是資本密集型和昂貴的，一條碳纖維生產線需要投資約 1 億美元和兩年時間建設。正因為如此，碳纖維生產商不愿在沒有令人信服的商業案例的情況下投資新產能。在某些情況下，當需求量很大時，碳纖維客戶需要合同承諾來證明碳纖維生產商的成本是合理的。

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