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未来5年,复合材料储氢瓶市场或迎来爆发式增长

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STELIA航宇复合材料公司在设计、认证和制造具备工业长丝缠绕能力的复合材料压力容器上,已经有足足35年的行业经验。

STELIA航宇复合材料公司成立于1984年,目前是法国宇航公司的一部分。公司位于波尔多郊外。坐拥4公顷面积的厂房和综合测试实验室,雇员330名。STELIA航宇复合材料公司旗下有三个核心业务部门:飞机结构部,飞机客舱部件部,还有长丝缠绕储气系统部。其中,储气系统部成为核心业务部已超过35年,有着完善的储氢、储氧还有储氮的解决方案。自1985年以来,已生产了超过70000个复合材料覆盖(II型、III型和IV型,详见下图)高压瓶,用于各种应用。

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高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶(I)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II)、铝内胆纤维缠绕瓶(III)及塑料内胆纤维缠绕瓶(IV)4个类型,及其相关性能指标


公司从1998年就开始研究氢气储存,并为法国替代能源和原子能委员会研制出了9升可承受700巴压力的气瓶。除此之外,STELIA航宇复合材料公司也和法国汽车制造商Groupe PSA,全球工业天然气公司Air Liquide,及汽车一级供应商福雷西亚合作过。

STELIA航宇复合材料公司首席技术官克里斯托弗·布洛伊斯说:“我们在加压储气领域有着很高的知名度。随着最近各种各样的绿色飞行器的公布,还有法国和欧盟对零排放经济转型的愈发支持,有越来越多的公司联系我们。” 

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航天级储氢瓶的研发经验


作为STELIA航宇公司的子公司,STELIA航宇复合材料公司大部分压力容器制造经验一直寻求在航空航天和国防方面的应用。布洛伊斯说:"我们有制造容量达5000升气瓶的工业缠绕成型工艺,但我们对气瓶的完整设计更加专业,为了满足客户的技术需求而量身定做。这包括尺寸选择,材料测试和选择,有限元分析建模,以及合格检测(如压力循环和爆裂测试)。最后还包括各行业标准和法规的认证服务。”

他指出,在不到18个月的时间里,STELIA航宇复合材料公司完成了一项关键的卫星储氢瓶应用设计。该储氢瓶符合航天工业的质量标准,并充分降低了生产成本。“我们确保其质量过关,符合工业化标准,现在我们在产的还有四个。” 

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推进汽车储氢瓶研发


STELIA航宇复合材料公司生产的储氢瓶,涵盖了容积2.4到143升、压力100到700巴的不同组合。布洛伊斯说:“我们是储氢瓶设计的领导者,有着庞大的生态系统。”
2016年11月,STELIA航宇复合材料公司宣布成功研发了140升的新型碳纤维/环氧复合材料储氢瓶,旨在提高燃料电池电动汽车的续航能力。这与2021年丰田未来和本田Clarity燃料电池电动车中储存的氢气量大致相同,如图1中所示。但是,只有Clarity使用的单储氢瓶,同期另外两种在产电动车——丰田未来和现代Nexo,均是三储氢瓶。

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黄色文本显示了STELIA航宇复合材料公司将相关技术转移给福雷西亚,用于其生产燃料电池电动车储氢瓶。福雷西亚生产的储氢瓶最终达到7.3%的质量分数(储存效率)。质量分数是氢气质量与储氢瓶系统质量之比,又称储存效率。
福雷西亚在2017年5月的新闻稿中宣布,它已获得STELIA航宇复合材料公司有关复合材料氢气瓶的知识产权和工艺的独家许可。2018年4月,两家公司在巴黎Hyvolution活动上共同展示了一个尖端的储氢瓶原型。福雷西亚的目标是成为燃料电池技术的领导者,其预测有500万辆燃料电池电动车将在2035年前投入运营。
压缩储氢瓶的主要问题在于如何应对氢气的低体积密度。即使在700巴的压力下,压缩气体储瓶大小也要大于液态氢储瓶。举例来说,5公斤氢气在700巴压力和常温状态下,需储存在125升的储氢瓶中,而5公斤液态氢在常压和-252.87°C的低温下,75升容量的储瓶就可以满足。这就是为什么航空业把关注点给了液氢燃料飞机,还有汽车制造商在为解决氢气体积和质量问题而头痛。据悉,很多汽车和卡车制造商为了满足车辆所需的更高压力和更大尺寸,增加了所需碳纤维增强复合材料用量,却大幅增加了储氢瓶的成本。

从图表中也可以看出,福雷西亚开发的 69 升油箱的重量比目前生产的三款燃料电池电动车汽车都要高。唯一有记录的储存效率高于福雷西亚储氢瓶的报告,是来自宝马公司2012-2015年报告的低温压缩氢气(CcH2)/压缩氢气(CGH2)混合储氢瓶原型。但该系统没有投放到量产车辆中。宝马声称,通过同时控制温度(例如,233°C至-193°C的低温)和压力(如350巴),可以消除传统液氢储氢瓶中的沸腾问题,同时实现远远高于压缩氢气甚至液态氢系统的储存效率。

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未来储氢瓶发展的讨论


STELIA航宇复合材料公司的首席技术官布洛伊斯已经在公司工作了30年。在被问及关于这次和Air Liquide的合作,后者是否认真考虑过开发复合材料储氢瓶的事宜。布洛伊斯表示:“他们对复合材料储氢瓶的开发很感兴趣,我们之前也合作过。但复合材料一般只用于移动储气系统,因为车辆的续航能力直接取决于储氢量,而复合材料恰好能通过减轻重量来变相提高其续航。对于固定储氢系统,就没有什么兴趣了。布洛伊斯还指出,大多固定储氢应用都是在低压条件下操作。“如果在700巴的压力环境下,复合材料才有用武之地,200巴则完全没有必要,因为你完全可以用金属材质的储氢瓶。

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STELIA航宇复合材料公司专业从事航空航天,工业,军事国防领域的储氢瓶制造。左图:长度3200毫米,外直径1500毫米,容积4800升,压力30巴。右图:长度7000毫米,外直径473毫米。图片来源STELIA航宇复合材料公司。


大型储氢瓶可以实现大于700巴的压力么?
布洛伊斯:最高可以实现1000巴的压力,复合材料瓶壁的厚度和储氢瓶的压力承受能力直接有关,同时也决定了储氢瓶的直径。目前的限制在于,储氢瓶内外壁超过一定的厚度,复合材料的性能表现就会随着厚度的增加而变差。
压缩气体氢气和液态氢在航空上的应用如何?
布洛伊斯:由于飞机需要大量的氢气,高密度的低温气体比常规压缩气体更有吸引力。但是,气体在储氢瓶中很难长时间保持在-233°C至-193°C的温度范围内。所以仍然有必要研制技术解决方案。
是否有机会在储氢瓶中使用热塑性复合材料?
布洛伊斯:未来船只的储氢瓶有应用可能,但现在还不是时候,对于当今普遍的700巴船只储氢瓶,使用热塑性复合材料显得有些大材小用了。然而,热塑性衬里(应用于IV型储氢瓶)的技术确实是提升储氢瓶性能的关键,在未来,全球热塑性储氢瓶的大范围应用,有望提高可回收性和可持续性。
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