氢储存创新——从压力容器到低温储存技术

随着氢产量的不断增长及应用场景的持续拓展，氢能领域对材料创新的需求愈发迫切。复合材料正重新定义压力容器，在提升制造效率的同时，解决回收利用、全生命周期成本等关键难题。

氢能经济正从宏伟愿景迈向切实可行的阶段，在此过程中，我们面临的挑战是：需要既能承受极端工况，又具备成本效益且可规模化应用的材料。英国国家复合材料中心（NCC）正通过先进材料解决方案（如复合材料），将前沿研究与技术转化为产业影响力，而这类材料已被证实是氢储存与运输领域不可或缺的核心要素。尽管现有压力容器已展现出强劲的商业化潜力，但在减重、降本、优化报废后回收利用等方面，仍存在巨大的创新空间（图 1）。

图 1：英国国家复合材料中心（NCC）凭借技术专长，致力于打通产品全生命周期

2024 年，全球氢能领域的氢产量约达 9700 万吨 [1]，但其中几乎全部为 “灰氢”（通过化石燃料制氢且未对碳排放进行处理的氢）。随着向 “绿氢”（通过可再生能源制氢且实现碳中和的氢）转型进程的加速，氢能在重工业、交通运输、可调度电力等领域的新应用不断涌现，复合材料作为关键赋能材料，正为整个供应链创造新的机遇。

现有压力容器技术

复合材料压力容器已成为氢储存领域的基石，这背后有着充分的技术依据。与金属材质压力容器相比，复合材料具备更优异的重量效率（ gravimetric efficiency ），这一特性使其在移动应用场景中拥有显著优势 —— 在承受极端结构载荷的同时，仍能保持轻量化优势。目前，复合材料压力容器已广泛应用于多个领域，涵盖管式拖车、非公路用车、船舶运输，以及像 ZeroAvia 公司开展的氢能飞机等前沿应用场景。

不断增长的产量 [2] 反映出行业对该技术的信心日益增强，如今制造商每年可生产数十万个复合材料压力容器。然而，该市场仍处于新兴阶段，供应商当前正积极扩大产能，以满足未来几年预计将大幅增长的市场需求。

现有技术中的创新机遇

尽管复合材料压力容器已在商业上取得成功，但在多个领域仍有巨大的改进空间：

• 减重：减重仍是该领域的核心需求，其技术难点在于通过明确不同组件间的相互作用，优化材料层合结构设计，从而在重量、性能与安全性之间实现合理平衡。具备实时损伤检测功能的数字化工具，不仅能减少材料用量，实现更精简的结构设计，甚至可通过实时追踪容器状态，降低安全系数冗余。

• 制造工艺优化：在高压工况下，即使微小的缺陷也可能严重影响压力容器的性能。因此，开发重复性更高、抗缺陷能力更强的制造工艺，对于提升产能、降低成本至关重要。

• 报废后解决方案：这是当前面临的重大挑战。碳纤维的生产过程能耗极高，且报废后的处置难度较大。作为致力于解决行业重大难题的国家级创新机构，英国国家复合材料中心（NCC）已率先开展连续纤维回收技术的研究，并探索可实现商业化规模化应用的回收路径（图 2）。

• 成本降低：压力容器在整个氢储存系统成本中占比极高，因此降低其成本是提升系统经济性的关键。要实现这一目标，必须在产品全生命周期（包括材料、制造、使用、回收）的各个环节开展创新。

图 2：报废后（容器）解决方案

基础设施建设

随着氢能应用的加速普及，复合材料管道等材料解决方案相较于金属管道，展现出独特的优势。金属管道需在现场将短管段逐一焊接连接，而复合材料管道以长连续管卷的形式交付，只需现场展开铺设即可—— 这一特性大幅缩短了安装时间，降低了施工复杂度。目前，斯特罗姆（Strohm）、索卢福斯（SoluForce）、贝克休斯（Baker Hughes）等企业已推出复合材料管道系统，其中多款产品是由油气行业应用场景改造而来。

目前，复合材料管道的应用主要局限于工业场地，但随着氢能需求的增长，其在公共基础设施领域的应用有望进一步扩大。

新兴机遇

液态氢已被视为实现航空业脱碳的重要路径。作为英国首批设计、测试并制造复合材料低温氢储存解决方案的机构之一（图 3），英国国家复合材料中心（NCC）早已知晓重量对飞机性能的关键影响。然而，适用于低温场景的复合材料，其技术成熟度仍不足以充分发挥这一优势。

图 3：低温环境下的材料测试

那么，复合材料在低温氢储存应用中面临的主要挑战有哪些？

• 渗透问题：在绝热系统中，复合材料难以维持所需的真空度。这一现象类似于保温瓶真空度失效—— 当分子穿透复合材料（尤其当容器部分处于高温、部分处于低温环境时），绝热性能会迅速下降。

• 低温脆性：在低温环境下，复合材料会呈现脆性，这不仅降低了材料的抗损伤能力，还会影响其长期耐久性。

• 热膨胀失配：在低温环境下，复合材料基体与纤维之间的热膨胀系数差异会产生显著的热应力。热应力与基体脆性叠加，会导致材料损伤加剧，进而同时影响渗透性能与结构完整性。

尽管空客（Airbus）等巨头已将氢能飞机的商业化时间表至少推迟了十年，但相关技术研发并未停滞。目前，众多企业与机构正针对不同尺寸的飞行器（从无人机到支线飞机、单通道客机）开展研发工作。

创新生态系统

氢能领域的解决方案之所以能蓬勃发展，离不开产业界、学术界与研究机构之间的紧密合作，但同时也需要完善的监管体系作为支撑。英国国家复合材料中心（NCC）是全球领先的创新机构，致力于将前沿研究与技术转化为产业影响力。该中心聚焦于高效氢储存与运输所需的先进材料及产品技术，助力各类规模的企业充分利用前沿创新成果，在从概念设计、生产制造到可持续性管理、报废后处理的全工程生命周期中实现突破。

氢能市场目前仍处于新兴阶段，这为创新提供了独特的机遇窗口。提前布局有助于提高技术成功落地与提升全球竞争力的概率，但这需要在研究、制造及供应链建设等领域持续投入。

展望未来

复合材料在支撑氢能经济发展方面具有得天独厚的优势。尽管当前的复合材料压力容器已形成坚实的商业化基础，但在材料、生产工艺及全生命周期管理等领域，仍存在巨大的创新潜力。要实现这一潜力，既需要持续改进现有系统，也需研发下一代低温储存解决方案—— 换言之，需在材料科学、制造工艺及系统集成等领域取得突破，确保各环节协同运转。

然而，任何单一机构都无法独立完成这一使命。构建一个让研究人员、制造商与终端用户紧密合作的生态系统至关重要：通过合作攻克技术难题、打造具有韧性的供应链……

英国国家复合材料中心（NCC）在英国氢储存与运输解决方案及低温储存技术创新领域处于领先地位。作为产业界的创新合作伙伴，该中心团队正致力于打通氢储存产品从设计、制造到测试的全生命周期，助力构建可持续、高效且具备韧性的未来氢能产业。无论是研发下一代压力容器、攻克低温技术难题，还是优化制造工艺，NCC 的下一步目标都十分明确：通过验证新技术的规模化应用能力，为新产品研发与制造降低风险、提供实证支持。

参考文献：

[1]www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024-hydrogen-production（《2024 年全球氢能回顾 —— 氢生产》）

[2]www.verifedmarketreports.com/product/hydrogen-pressure-vessels-market（《氢压力容器市场报告》）